Passer le cap de la DFM pour les PCB

Jason J. Ellison
|  Créé: January 6, 2022
Passer le cap de la DFM pour les PCB

Si vous lisez un article de blog Altium, c'est que vous avez probablement conçu ou fabriqué des circuits imprimés. Si vous êtes dans la même situation que moi, l'envoi d'une conception à la fabrication est une expérience qui laisse un goût doux-amer. D'un côté, vous aurez bientôt entre les mains le matériel dont la conception vous a demandé tant d'efforts. Mais d'un autre côté, vous savez que le site de fabrication va vous envoyer une liste de tâches de DFM, ce qui n'est jamais agréable. Dans cet article, nous aborderons les principales fonctionnalités de conception à mettre en œuvre et les mesures à prendre avant la fabrication qui permettront d'éviter certaines difficultés liées au processus de DFM. Je vous donnerai également des exemples de cas où je rencontre fréquemment ces problèmes de DFM sur les circuits avec intégrité du signal.

Commencer par un empilage solide

De nombreux ingénieurs choisissent un matériau en fonction des caractéristiques physiques du stratifié, et oublient que le stratifié n'est disponible que dans des épaisseurs finies. Par conséquent, l'empilage doit être conçu en tenant compte des options disponibles, et non d'épaisseurs arbitraires. Si la conception ne tient pas compte de ces épaisseurs finies, vous devrez peut-être modifier considérablement la géométrie des pistes une fois que le site de fabrication aura recommandé un empilage réalisable. Par exemple, si vous concevez une piste de type ligne ruban en vous basant sur une séparation arbitraire du plan de masse de 0,2 mm (deux couches diélectriques de 0,1 mm), et que le site de fabrication vous dit que le matériau n'est disponible que par incréments de 0,12 mm, vos pistes devront être considérablement élargies ou rapprochées pour maintenir l'impédance. Cette situation est particulièrement problématique si la conception repousse déjà les limites de la densité.

Pour éviter ce problème, contactez le site de fabrication avant de commencer le routage, et dites-lui ce que vous voulez faire avec la carte. Au minimum, précisez la gamme de fréquences que le circuit imprimé doit supporter, le nombre de couches et l'épaisseur globale que vous essayez d'obtenir. Des informations telles que la constante DK cible pour le contrôle de l'impédance, la taille du panneau et l'utilisation finale prévue sont très utiles au site de fabrication pour affiner les options possibles. Le choix d'un matériau facile à fabriquer par le site permet également d'obtenir de bons résultats du premier coup.

Conformité à la norme IPC-A-610

L'ICP-A-610 sera votre meilleur alliée pour comprendre ce qu'il faut faire pour fabriquer votre carte sans problème. Si vous ne disposez pas d'une copie de ce document relativement peu coûteux, je vous recommande de vous en procurer une [1]. La norme classe les cartes de circuits imprimés en trois classes. La classe 1 est destinée aux articles jetables pour lesquels le taux de défaillance n'est pas très important. La classe 2 est destinée aux produits électroniques qui doivent fonctionner de manière fiable et dont le taux de défaillance est faible en raison du processus de fabrication. La classe 3 concerne les dispositifs qui ne peuvent pas tomber en panne, l'exemple classique étant le stimulateur cardiaque. Les spécifications requises pour les différentes classes sont essentiellement le niveau de marge de sécurité intégré pour compenser les modes de défaillance liés aux PCB ainsi que les critères de conception liés aux limites physiques du processus de fabrication des PCB pour un site donné.

Pour la plupart des appareils, vous devez placer sur la couche de dessin de perçage une note de fabrication indiquant : « Ce PCB doit être fabriqué selon la classe 2 de la norme ICP-A-610 ». Cette note indique à l'atelier de fabrication qu'il doit s'assurer que tous vos dessins sont conformes à cette norme. Mais voici un petit secret à propos des ateliers de fabrication : ils vérifient la classe 2 de l'ICP sur toutes les conceptions. Ils le font simplement pour s'assurer que vous n'allez pas renvoyer votre carte pour cause de défauts. Puisqu'ils vont vérifier le PCB par rapport aux critères de la classe 2 de la norme ICP, vous devez vous assurer que le document d'impression répond aux spécifications avant d'arriver entre leurs mains. Cela peut sembler simple, mais c'est le problème le plus fréquent dont me font part les ingénieurs.

Pour se conformer à la plupart des normes IPC, il suffit de faire preuve de bon sens. Par exemple, ne placez pas de sérigraphie sur les pistes de cuivre ni de masque de soudure sur les pastilles de CMS. Il y a toutefois quelques critères qui peuvent être facilement manqués. Ils sont généralement manqués parce que le concepteur se concentre sur un autre aspect de la conception, comme l'intégrité du signal ou de la puissance, plutôt que sur la fabricabilité.

Taille de bague annulaire

Dans le document de la norme ICP, l'évasement des trous de perçage est décrit et quantifié. Pour éviter tout évasement, la bague annulaire autour d'un via doit avoir un diamètre de 0,3 mm supérieur à celui du foret de la plupart des sites de fabrication. Ce problème a tendance à se présenter pour les documents d'impression des connecteurs coaxiaux ou des connecteurs série haute vitesse. Pour l'intégrité du signal, cette pastille ne représente qu'une nuisance et doit toujours être réduite au minimum. Les ingénieurs chargés de l'intégrité du signal essaient généralement de ramener cette dimension à 0,2 mm, ce qui est possible. Cependant, les ateliers de fabrication ne sont pas tous en mesure de le faire.

Figure 1. Trou de perçage de 0,5 mm (en supposant un placage de via de 0,06 mm) avec une bague annulaire de 0,8 mm.
Figure 1. Trou de perçage de 0,5 mm (en supposant un placage de via de 0,06 mm) avec une bague annulaire de 0,8 mm.

Trous de perçage

Distance entre piste et trou de perçage

La distance nominale entre le cuivre d'une couche et le bord d'un trou de perçage ne doit pas être inférieure à 0,2 mm. Cela permet de s'assurer que le trou de perçage n'évase pas et n'entre pas en contact avec un autre signal. Même si 0,2 mm est une valeur assez faible, l'état actuel de la technologie augmente la densité des circuits et oblige constamment à se battre pour respecter cette contrainte. Dans ce cas, la solution consiste à planifier à l'avance, à créer des canaux de routage dans la conception et à concevoir les pistes en conséquence. Supposons, par exemple, que vous ayez deux rangées de vias créées par des forets de 0,25 mm et que les rangées se trouvent sur une ligne centrale de 1 mm. Le canal de routage est donc de 0,75 mm moins 0,2 mm de chaque côté pour les besoins de la DFM : 0,35 mm Si vous avez besoin d'y insérer deux pistes, vous pouvez utiliser des pistes de 0,12 mm espacées de 0,1 mm. Dans les applications d'intégrité du signal, ce cas se présente assez souvent lors de l'utilisation de connecteurs de fond de panier. Dans le cas de l'AirMAXTM [2], par exemple, le connecteur comporte des rangées de vias créées par des forets de 0,6 mm et une ligne centrale de 2 mm. Le canal de routage est donc de 1 mm maximum (2 - 0,6 - 0,2 - 0,2), comme illustré dans la figure ci-dessous.

Figure 2. Piste de 10/10/10 routée à travers un champ de via d'un pas de 2 mm. 
Figure 2. Piste de 10/10/10 routée à travers un champ de via d'un pas de 2 mm. 

Distance entre trous de perçage

Il est compliqué de maintenir la distance absolue la plus courte possible entre les trous de perçage. La mèche oscille en tournant, ce qui engendre sa tolérance de position : c'est ce qu'on appelle l'errance du foret. La mèche est également poussée par les composants non résineux du stratifié (trame du verre, tissu ou céramique). La position du foret dérive donc au fur et à mesure qu'elle traverse la carte. C'est ce qu'on appelle la marche du foret. Pour estimer de manière prudente la distance à respecter entre les trous, utilisez la formule simple suivante :

Distance trou à trou minimum = diamètre de trou * 2

Le coefficient multiplicateur, 2, résulte en fait de deux autres chiffres liés à l'empilage et au matériau. Ce chiffre peut être inférieur et, si vous avez besoin d'une densité de via plus serrée, contactez le site de fabrication pour connaître la valeur minimum.

Diamètre maximal de trou de perçage

Comme indiqué ci-dessus, le perçage a évidemment des limites. En plus de ce qui a déjà été dit, le diamètre maximal des trous est lié à l'épaisseur du circuit imprimé. Cette limitation s'appelle le rapport largeur/hauteur. Le rapport largeur/hauteur est spécifique à l'atelier de fabrication et doit figurer sur son document public de spécifications. En général, les ateliers de fabrication peuvent réaliser des cartes 12 fois plus épaisses que le trou de perçage minimal. Selon le site de fabrication, il est possible de surmonter ce problème en perçant des deux côtés. Cette possibilité permet de doubler le rapport largeur/hauteur. J'ai créé ci-dessous un tableau des épaisseurs maximales de PCB pour différents diamètres de perçage minimaux afin de pouvoir s'y référer facilement.

Tableau 1. Épaisseur maximale de carte pour un trou de perçage minimal et un rapport largeur/hauteur spécifiques.
Tableau 1. Épaisseur maximale de carte pour un trou de perçage minimal et un rapport largeur/hauteur spécifiques.

Le rapport largeur/hauteur change également selon que le via nécessite un diamètre de trou fini ou que le diamètre de trou fini est « sans importance ». Par exemple, les trous de 0,25 mm sont très courants pour les vias de mise à la masse, et ces trous ne nécessitent pas de diamètre fini. Cependant, les connecteurs modernes pour 56 Gb/s et plus possèdent des trous de 0,45 mm qui imposent un trou fini se situant dans une plage acceptable. Par conséquent, le trou de 0,45 mm respectera probablement le rapport largeur/hauteur de 12:1, et le trou de 0,25 mm respectera le rapport largeur/hauteur de 20:1. Cela limitera l'épaisseur de la carte à environ 5 mm.

CONCLUSION

Pour faciliter la fabrication de votre circuit imprimé, concevez-le en tenant compte du processus de fabrication. Commencez par suivre les conseils ci-dessus, qui vous donneront une bonne longueur d'avance. Vous rencontrerez probablement d'autres problèmes qui ne sont pas évoqués dans cet article de blog. Lorsqu'ils seront abordés, notez-les et créez d'autres règles pour votre entreprise et vous-même en vue de la prochaine conception. Cela vous épargnera des semaines d'efforts en matière de DFM, et peut-être même des dépenses en ibuprofène.

[1] Site web sur lequel vous pouvez vous procurer la norme IPC-A-610 : https://shop.ipc.org/IPC-A610G-English-D
[2] Connecteur AirMAX : https://www.amphenol-icc.com/airmax-10016527101lf.html

Souhaitez-vous en savoir plus sur les solutions que vous propose Altium pour la conception de votre prochain circuit imprimé ? Parlez-en à un expert Altium ou approfondissez vos connaissances sur les directives en matière de conception et de fabricabilité.

A propos de l'auteur

A propos de l'auteur

Jason J Ellison received his Masters of Science in Electrical Engineering from Penn State University in December 2017.
He is employed as a signal integrity engineer and develops high-speed interconnects, lab automation technology, and calibration technology. His interests are signal integrity, power integrity and embedded system design. He also writes technical publications for journals such as “The Signal Integrity Journal”.
Mr. Ellison is an active IEEE member and a DesignCon technical program committee member.

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