Plongée dans les contraintes de conception et de fabrication de circuit imprimé - partie 2

Pour définir ces règles d’espacement (clearance), on peut les déclarer de la même manière que celles des largeurs de pistes (commande Design > Rules…) – cf. figure 3. Bien évidemment, plusieurs règles de clearance (avec des niveaux de priorité distincts) peuvent être créées.

2.2. Encoches et « creepage »

Néanmoins, l’air peut être considéré comme un meilleur isolant que la surface d’un PCB (donc pour les couches TOP et BOTTOM) sans coating. C’est pourquoi on trouve couramment des découpes dans des circuits imprimés soumis à des tensions élevées pour éviter la formation d’un arc électrique à leur surface. Une illustration avec une résistance CMS 2512 est proposée à la figure 7. La distance entre deux conducteurs en ligne droite (clearance) est inchangée mais celle à la surface de la résine époxy est rallongée (creepage).

• définition manuelle de type « Board Cutout » ;

• ajout de trous de perçage (oblongs) ;

• découpes intégrées dans les empreintes des composants.

La première solution (utilisant un fichier de modélisation 3D de type STEP, Parasolid ou Solidworks) offre l’avantage de définir aisément la forme du PCB à l’aide d’un outil de CAO mécanique. Un tel fichier peut aussi être disponible chez certains fabricants de boîtiers tels que Schroff comme on peut le voir à la figure 9.

Remarque : A l’exception de l’import du modèle 3D du PCB, les deux autres solutions proposées (ajout d’un « Board Cutout » ou d’un trou non métallisé) pour réaliser une découpe sont utilisables lors de la création d’une empreinte physique (footprint) au sein d’une bibliothèque de composants (.PcbLib).

^{Figure 9. Exemple de boîtier pour lequel le fabricant fournit des fichiers de CAO mécaniques (site Schroff)}

Une fois le fichier (par exemple .STP pour le format STEP) créé ou récupéré chez un fournisseur, il faut le placer (en définissant un contour quelconque) dans le fichier du PCB à l’aide de la commande Place > 3D Body. En mode 2D, le corps 3D est représenté par son contour hachuré (figure 10).

Il s’agit ensuite de passer en mode 3D en pressant la touche « 3 » (la touche « 2 » permettant de repasser en 2D). Si l’objet n’est pas correctement orienté, il suffit de le sélectionner (double-clic) pour faire apparaître l’onglet « Properties » correspondant sur le bord droit de l’écran (figure 11). On peut alors lui faire subir des rotations suivant les 3 axes ainsi qu’une élévation (Standoff height) qui, dans le contexte de la définition du contour de carte, n’a pas réellement d’utilité.

^{Figure 11. Orientation de l’objet 3D pour correspondre au plan du PCB}

Une fois l’objet correctement orienté, il ne reste plus (toujours en mode 3D) qu’à utiliser la commande Design > Board Shape > Define from 3D body (figure 12). Il est alors possible d’aligner au choix l’objet 3D sur la face TOP, la face BOTTOM ou le laisser inchangé.

^{Figure 12. Contour de carte définie ainsi que les découpes internes}

En pratique, cela n’est pas nécessaire car une fois le contour du PCB défini, on peut l‘effacer pour ne plus avoir à l’écran qu’un contour noir (en mode 2D) ou une vue 3D (PCB vert par défaut).

Si cette solution est simple, elle n’est malheureusement pas très bien adaptée à l’objectif visé ici. Si dans le cas de découpes réalisées pour des raisons mécaniques, leur localisation dès le début de la conception du PCB est possible, ce n’est pas le cas lorsque ces encoches doivent être placées entre des composants dont le placement n’est pas figé. Dans ce cas, il faudra directement mettre en œuvre des objets de type Board Cutout (comme ceux créés automatiquement à partir du modèle 3D). Pour cela, on peut utiliser tout naturellement la commande Design > Board Shape > Define Cutout mais on peut également utiliser les commandes alternatives suivantes :

• Place > Solid Region ;

• Place > Polygon Pour Cutout.

Bien que ces deux types de polygones n’aient pas par défaut la fonction de découpe de PCB, ils disposent tous les deux de la propriété « Kind », comme illustré à la figure 13, dont une des valeurs possibles est « Board Cutout ».

^{Figure 13. Possibilités de découpes « manuelles » dans un PCB}

Au niveau des fichiers de fabrication, il sera ensuite nécessaire de transcrire ces découpes en contours de carte dans une couche mécanique comme indiqué à la figure 14. Par défaut, seul le contour externe du PCB sera réalisé et pour inclure les découpes internes, il ne faut pas oublier de cocher la case « Include Cutouts ». Après validation, les contours sont représentés dans la couleur de la couche mécanique sélectionnée (ici en rose) avec la largeur de traits spécifiée (ici 20 mils, i.e. 20 millièmes de pouces soit approximativement 0.5 mm).

^{Figure 14. Définition des contours de la carte dans la couche « Mechanical 1 »}

Mis à part les Board Cutouts, une autre solution pour réaliser des découpes consiste tout simplement à insérer des trous non métallisés dans le PCB à l’aide de « Place Pad » présent dans le bandeau de commandes à accès rapide ci-dessous :

 

Il s’agit ensuite de configurer (toujours avec le même onglet « Properties » à la droite de l’écran) ce pad pour réaliser la fonction d’isolation désirée :

 

• le nommer (par exemple « ISO1 ») ;

• le configurer en slot (rubrique « Hole Information ») ;

• configurer dans cette rubrique le diamètre de fraise « Hole Size » ainsi que la longueur de la rainure (« Length ») ;

• décocher la case « Plated » pour que ce trou d’isolation ne soit bien évidemment pas métallisé ;

• ramener la taille de la pastille de cuivre à zéro (rubrique « Size and Shape »).

2.3. Soldermask

En pratique, on considère que le vernis épargne (soldermask) n’apporte pas d’amélioration (ou presque) de la tenue en tension d’un circuit électrique. Par contre, il peut s’avérer gênant dans certaines applications (effet en hautes fréquences) de telle sorte qu’il est courant de l’enlever dans ces cas (cf. figure 15).

 

^{Figure 15. Circuit radiofréquence incluant des filtres sans vernis épargne – source : Wikipédia (article : Distributed element filter)}

Dans ce genre de configuration, il est simple d’éliminer le vernis épargne en définissant une zone (à l’aide d’un bloc rectangulaire « Fill » ou polygonal « Solid Region » placé dans la couche de soldermask (Top Solder ou Bottom Solder) comme le montre l’image de la figure 16.

^{Figure 16. Ouverture placée dans le soldermask (en mauve)}

Par contre, si  une élimination du vernis uniquement à la surface d’une piste (comme pour un circuit de garde2 tel qu’à la figure 8) est souhaitée, l’approche est différente : il est nécessaire de sélectionner cette piste puis d’aller dans l’onglet « Properties » (figure 17) pour modifier les paramètres « Solder Mask Expansion ». En cochant la case, une ouverture du masque est automatiquement pratiquée au-dessus de la piste et par ailleurs, elle déborde sur une largeur spécifiée (ici 1 mil – on peut d’ailleurs voir le liseré mauve de la couche « Top Solder » autour de la bande rouge – couleur associée au cuivre de la couche « Top Layer »).

 

^{Figure 17. Élimination du vernis épargne au-dessus d’une piste}

2.4. Protections contre les surtensions

Les surtensions sont des évènements rares mais néanmoins inévitables contre lesquels on cherche à protéger les circuits électroniques. Les mesures prises pour assurer la tenue en tension d’un PCB ne sont pas à proprement parler des éléments de protection mais elles doivent accompagner des éléments prévus à cet effet dans lesquels on assurera une décharge. De tels composants, plus ou moins rapides (diodes transil, MOV, GDT) n’entrent pas dans le cadre de cet article mais ils doivent être utilisés en conjonction d’un circuit imprimé correctement conçu.

Dans les cas de circuits à très bas coût, on peut néanmoins trouver des protections directement intégrées au PCB : il s’agit de d’éclateurs à air (spark gap). Dans ce cas, on utilise directement l’air ambiant (ou plutôt les impuretés à la surface du PCB) comme isolant entre deux pastilles à nu sur le circuit imprimé comme illustré à la figure 18.

^{Figure 18. Exemple de « spark gap » (source : https://atadiat.com/en/e-four-pcb-marks-part-2/)}

Le problème d’un tel circuit (qui devrait être proscrit !) est que la maîtrise de la tension de claquage entre les deux électrodes implique de contrôler l’atmosphère autour du PCB complet (poussière, pression, humidité) alors que ces conditions sont bien mieux garanties dans un GDT au boîtier scellé.

2.5. Nouvelles règles de « creepage » (Mise à jour relative à AD 20)

Depuis la sortie d’Altium Designer 20, les contraintes d’écartement entre les pistes pour les applications à haute tension sont désormais prises en compte dans les règles de conception du PCB (Design > Rules…), rubrique Creepage Distance – cf. figure 19). Comme cela est évoqué au paragraphe 2.2., le creepage correspond à une longueur à parcourir entre deux conducteur en restant à la surface du substrat isolant, c’est-à-dire en évitant les cavités (contours du bord de la carte ou découpes internes). Cette définition est parfaitement illustrée par le dessin présenté dans la fenêtre de configuration dans laquelle on spécifie les deux objets entre lesquels la règle doit être respectée (ici deux « nets ») ainsi que la distance souhaitée (fonction de la tension à supporter et des conditions environnementales : altitude/pression atmosphérique…).

^{Figure 19. Configuration de la règle de creepage}

^{Cette règle peut alors être testée hors ligne (batch) mais aussi et surtout en ligne (online) – cf. figure .}

^{Figure 20. Configuration en ligne (online) ou hors ligne (batch) des règles de conception (commande Tools > Design Rules Check…)}

Cela permet de vérifier en temps réel (cf. figure 21) que cette règle est bien respectée lorsque l’on positionne un composant, en particulier lorsqu’il est « à cheval » sur une encoche réalisée dans la carte (soit un « internal cutout » soit une forme particulière du contour de carte).

^{Figure 21. Affichage en temps réel de la violation de la règle indiquant la distance effective entre les objets spécifiés dans la règle (ici 2 nets)}

3. Conclusion

Nous avons vu dans cet article les moyens d’assurer une bonne tenue en tension d’un circuit imprimé. Dans le cas des « clearances », il est possible de fixer une ou plusieurs règles pour s’en assurer étant donné qu’elles sont appliquées en temps réel pendant le routage (même manuel – cf. figure 22).

^{Figure 22. Routage manuel (clearance visible autour des conducteurs en pressant Ctrl + W)}

Pour le « creepage », une solution équivalente existe depuis la version 20 d’Altium Designer comme le montre le paragraphe 2.5. Pour les version antérieures, il est toujours possible d’employer la méthode proposée ici ou bien de directement mesurer les distances (comme à la figure 23) si le nombre de tests à effectuer est faible.

^{Figure 23. Mesure de distances (Reports > Measure Distance ou Ctrl + M)}

 

Références

[1] Printed Circuit Design Tutorial, Gold Phoenix PCB, https://www.goldphoenixpcb.com/html/Support_Resource/downloads/downloads.html

[2] Low Level Measurements Handbook, 7ème édition, Tektronix / Keithley, https://download.tek.com/document/LowLevelHandbook_7Ed.pdf

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1 Sans même tenir compte des problématiques de condensation qui viennent aggraver le problème.

2 Circuit piloté pour compenser les courants de fuite à la surface d’un circuit imprimé – cf. [2].