Ce que vous devez savoir sur le routage, l'agencement et la conception des circuits imprimés

Tout le monde sait que la conception d'un schéma de circuit imprimé (PCB) permet de le transformer en un circuit imprimé réel. Il ne faut pas sous-estimer ce processus : de nombreux aspects pratiques de l'ingénierie sont difficiles à mettre en œuvre, et certains fabricants de PCB y parviennent tandis que d'autres échouent. Fabriquer un PCB n'est pas difficile en soi, mais réaliser un circuit imprimé de qualité est une tout autre affaire. Les deux principales difficultés en microélectronique résident dans le traitement des signaux haute fréquence et des signaux faibles. À cet égard, la qualité de la production des PCB est primordiale. Avec un même schéma et les mêmes composants, différents fabricants de PCB peuvent produire des résultats différents. Comment, dès lors, fabriquer un circuit imprimé de qualité ?

Lorsqu'on reçoit une tâche de conception, il faut d'abord clarifier les objectifs : s'agit-il d'une carte PCB classique, d'une carte PCB haute fréquence, d'une carte PCB petits signaux ou d'une carte PCB combinant haute fréquence et petits signaux ? S'il s'agit d'une carte PCB classique, une disposition raisonnable et soignée, ainsi que des dimensions mécaniques précises, suffisent.

Lorsqu'une carte comporte des lignes de signal de plus de 40 MHz, des précautions particulières doivent être prises. Plus la fréquence est élevée, plus la longueur des pistes est soumise à des contraintes strictes. Selon la théorie des réseaux à paramètres distribués, l'interaction entre le circuit haute vitesse et ses pistes est un facteur déterminant qui ne peut être négligé lors de la conception du système. L'augmentation de la vitesse de transmission entraîne une augmentation proportionnelle de l'opposition sur la ligne de signal et, par conséquent, de la diaphonie entre les lignes adjacentes. De plus, la consommation d'énergie et la dissipation thermique des circuits haute vitesse sont généralement importantes ; une attention particulière doit donc être portée à leur conception lors de la fabrication des circuits imprimés haute vitesse.

Lorsque des signaux faibles, de l'ordre du millivolt voire du microvolt, sont présents sur la carte, ces lignes de signal nécessitent une attention particulière. Ces signaux, trop faibles, sont sensibles aux interférences de signaux plus puissants. Des mesures de blindage sont souvent nécessaires, faute de quoi le rapport signal/bruit sera fortement réduit. Le signal utile sera alors noyé sous le bruit et ne pourra être extrait efficacement.

Le débogage de la carte doit également être pris en compte dès la phase de conception ; l’emplacement physique du point de test, l’isolation du point de test et d’autres facteurs ne peuvent être négligés, car certains signaux faibles et les signaux haute fréquence ne peuvent pas être directement ajoutés à la sonde pour être mesurés.

De plus, d'autres facteurs connexes doivent être pris en compte, tels que le nombre de couches de la carte, le conditionnement des composants utilisés et la résistance mécanique de la carte. Avant de fabriquer une carte PCB, vous devez avoir une idée claire des objectifs de conception.

Comme nous le savons, certains composants spécifiques, tels que les amplificateurs analogiques utilisés dans les cartes LOTI et APH, requièrent une alimentation électrique stable et à faible ondulation. La partie analogique du traitement du signal de faible amplitude doit être placée aussi loin que possible du dispositif d'alimentation. Sur la carte OTI, cette partie est protégée par un blindage contre les interférences électromagnétiques parasites. La puce Glink, utilisée sur la carte NTOI, utilise le procédé ECL, qui consomme beaucoup d'énergie et génère une chaleur importante. Il est donc essentiel de porter une attention particulière à la dissipation thermique lors de la conception. En cas de dissipation thermique naturelle, la puce Glink doit être placée dans un endroit bien ventilé, afin que la chaleur dégagée n'affecte pas les autres puces. Si la carte intègre des haut-parleurs ou d'autres dispositifs de forte puissance, l'alimentation électrique risque d'être fortement perturbée ; il convient donc d'y prêter une attention particulière.

L'un des premiers facteurs à prendre en compte lors de la conception d'un circuit imprimé est la performance électrique. La taille réelle (surface occupée et hauteur) des composants et leur position relative doivent être considérées afin de garantir la performance électrique du circuit imprimé, ainsi que la faisabilité et la facilité de production et d'installation. Il est recommandé de regrouper autant que possible les composants les plus proches, notamment pour les lignes à haute vitesse, et de minimiser leur longueur. Il convient également de séparer les composants de puissance de ceux de faible puissance. Tout en respectant les exigences de performance, il est essentiel de veiller à l'agencement soigné des composants, à l'esthétique, à la facilité de test, ainsi qu'aux dimensions mécaniques du circuit imprimé et à l'emplacement des supports de connexion.

Le temps de propagation des signaux de mise à la terre et d'interconnexion dans les systèmes à haut débit est un facteur primordial à prendre en compte lors de la conception. Ce temps de propagation sur la ligne de signal a un impact considérable sur la vitesse globale du système, notamment pour les circuits ECL à haut débit. Bien que la vitesse du bloc de circuit intégré lui-même soit très élevée, l'augmentation du temps de propagation due à l'utilisation d'interconnexions classiques sur la carte (environ 2 ns de délai pour 30 cm de ligne) peut fortement réduire la vitesse du système.

Le routage est l'étape la plus importante de la conception d'un circuit imprimé. Il influe directement sur les performances de ce dernier. Lors de la conception, le routage est principalement réalisé selon les principes suivants :

(1) En général, les lignes d'alimentation et de masse doivent être conçues en premier afin de garantir les performances électriques du circuit imprimé. Dans la mesure du possible, il est conseillé d'augmenter la largeur des lignes d'alimentation et de masse, idéalement par rapport à celle des lignes d'alimentation. Leur ordre de largeur est le suivant : masse > alimentation > signal. La largeur des lignes de signal est généralement de 0.2 à 0.3 mm, avec un minimum de 0.05 à 0.07 mm, tandis que celle des lignes d'alimentation est généralement de 1.2 à 2.5 mm. Les circuits imprimés pour circuits numériques peuvent utiliser des conducteurs de masse de grande largeur pour former un circuit, c'est-à-dire une grille de masse (ce qui n'est pas possible pour les circuits analogiques).

(2) Les lignes à haute fréquence doivent être placées en avant, l'entrée et la sortie de la ligne de bord doivent éviter d'être parallèles adjacentes, afin de ne pas produire d'interférences de réflexion.

(3) Aucune ligne de signal ne doit former de boucle ; si cela est inévitable, la boucle doit être aussi petite que possible ; le nombre de trous traversants de la ligne de signal doit être aussi faible que possible ; (4) Gardez les lignes principales courtes et épaisses et ajoutez une protection des deux côtés.

(5) Lors de la transmission d'un signal sensible et d'un signal de bande de champ de bruit via un câble plat, la méthode « masse – signal – masse » doit être utilisée.

(6)Des points de test doivent être réservés aux signaux clés pour faciliter les tests de production et de maintenance.

(7) Une fois le routage du schéma terminé, il convient de l'optimiser. Simultanément, après vérification préliminaire du réseau et validation des règles de conception (DRC), les zones non routées sont remplies de lignes de masse, en utilisant une large surface de cuivre comme ligne de masse. Sur le circuit imprimé, les emplacements non utilisés sont reliés à la masse. Il est également possible de réaliser un circuit imprimé multicouche, en plaçant l'alimentation et la ligne de masse sur une couche séparée.

En général, la largeur des lignes de signal est de 0.3 mm (12 mil), celle des lignes d'alimentation de 0.77 mm (30 mil) ou 1.27 mm (50 mil). L'espacement entre les pistes et entre les pistes et les pastilles est supérieur ou égal à 0.33 mm (13 mil). En pratique, cet espacement doit être pris en compte lorsque les conditions le permettent. Lorsque la densité des pistes est élevée, il est possible (mais non recommandé) d'utiliser deux pistes entre les broches du circuit intégré, d'une largeur de 0.254 mm (10 mil) et espacées d'au moins 0.254 mm (10 mil). Dans des cas particuliers, lorsque les broches du composant sont denses et l'espacement réduit, la largeur et l'espacement des pistes peuvent être diminués.

Les exigences de base pour les pastilles et les vias sont les suivantes : le diamètre de la pastille doit être supérieur de plus de 0.6 mm à celui de la via. Par exemple, les résistances, condensateurs et circuits intégrés universels à broches utilisent des pastilles/vias de 1.6 mm/0.8 mm (63 mil/32 mil), tandis que les supports, broches et diodes 1N4007 utilisent des pastilles/vias de 1.8 mm/1.0 mm (71 mil/39 mil). En pratique, ces dimensions doivent être adaptées à celles des composants. Si possible, la taille des pastilles peut être augmentée. Le diamètre des trous de fixation du composant sur le circuit imprimé doit être supérieur de 0.2 à 0.4 mm à celui de la broche du composant.

Normalement, on utilise 1.27 mm/0.7 mm (50 mil/28 mil). Lorsque la densité de lignes est élevée, la taille des vias peut être réduite en conséquence, sans toutefois être excessive. On peut envisager des dimensions de 1.0 mm/0.6 mm (40 mil/24 mil).

Largeur entre pastilles et vias : ≥ 0.3 mm (12 mil) ; entre pastilles : ≥ 0.3 mm (12 mil) ; entre pastilles et pistes : ≥ 0.3 mm (12 mil) ; entre pistes : ≥ 0.3 mm (12 mil). En cas de forte densité de pistes : largeur entre pastilles et vias : ≥ 0.254 mm (10 mil) ; entre pastilles : ≥ 0.254 mm (10 mil) ; entre pastilles et pistes : ≥ 0.254 mm (10 mil) ; entre pistes : ≥ 0.254 mm (10 mil).

Tout d'abord, en supposant que la conception du circuit imprimé du schéma de circuit soit correcte, vérifiez la relation de connexion physique entre le fichier réseau du circuit imprimé généré et le fichier réseau schématique, et modifiez la conception en temps opportun en fonction du fichier de sortie pour garantir l'exactitude de la relation de connexion de routage.

Une fois le contrôle réseau réussi, effectuez la vérification DRC de la conception du circuit imprimé et modifiez-la en temps opportun en fonction du fichier de sortie afin de garantir les performances électriques du routage. Enfin, la structure d'installation mécanique du circuit imprimé doit être vérifiée et confirmée.

L'influence d'un routage à angle droit sur le signal se manifeste principalement sous trois aspects : premièrement, l'angle peut être assimilé à une charge capacitive sur la ligne de transmission, ce qui ralentit le temps de montée ; deuxièmement, la discontinuité d'impédance provoque la réflexion du signal ; troisièmement, l'angle droit génère des interférences électromagnétiques (IEM). Dans le domaine de la conception RF au-delà de 10 GHz, ces petits angles droits peuvent devenir un enjeu majeur pour les applications à haute vitesse.

Un signal différentiel est un signal pour lequel l'émetteur envoie deux signaux équivalents et inversés. Le récepteur compare la différence entre ces deux tensions pour déterminer si l'état logique est « 0 » ou « 1 ». La paire de lignes transportant le signal différentiel est appelée ligne différentielle. Comparé au routage de signaux asymétriques classiques, le signal différentiel présente les trois avantages les plus importants : 1) une forte immunité aux interférences grâce à l'excellent couplage entre les deux lignes différentielles en présence de bruit externe. Le couplage est simultané sur les deux lignes, tandis que le récepteur ne tient compte que de la différence entre les deux signaux. Le bruit externe courant est ainsi totalement éliminé. De même, la polarité opposée des deux signaux permet l'annulation mutuelle de leurs champs électromagnétiques. Plus le couplage est fort, moins l'énergie électromagnétique rejetée vers l'extérieur est importante. 3) un positionnement temporel précis. Le changement d'état d'un signal différentiel se situant à l'intersection de deux signaux, contrairement à un signal simple classique qui dépend des seuils de tension haut et bas pour sa détection, il est moins sensible aux variations de procédé et de température, ce qui permet de réduire les erreurs de synchronisation. La technologie LVDS (Low Voltage Differential Signaling), actuellement très répandue, désigne cette technologie de signalisation différentielle de faible amplitude.

Le routage courbe est une méthode de routage fréquemment utilisée en conception de circuits imprimés. Son objectif principal est d'ajuster le délai de propagation afin de respecter les contraintes de synchronisation du système. Les deux paramètres les plus critiques sont la longueur de couplage parallèle (Lp) et l'espacement de couplage (S). Lors de la transmission d'un signal sur un routage courbe, un couplage entre les segments de lignes parallèles se produit en mode différentiel. Plus S est petit, plus Lp est grand et plus le degré de couplage est important. Ceci peut entraîner une réduction du délai de transmission et une dégradation significative de la qualité du signal due aux interférences, dont le mécanisme peut être expliqué par l'analyse des interférences en mode commun et en mode différentiel.