Débat sur les règles générales d'un schéma de montage de PCB

Aujourd'hui encore, je continue de voir des gens appliquer les « règles générales » dans les schémas de montage des circuits imprimés qui sont devenues courantes il y a une vingtaine d'années. Ces règles s'appliquent-elles toujours de manière universelle ? La réponse est clairement « peut-être ».

La plupart des conversations que vous verrez sur les forums concernant les règles de conception des circuits imprimés tournent en un débat binaire « toujours/jamais », ce qui amène certains concepteurs à utiliser ou à ignorer des règles de conception communes dans les situations où elles ne s'appliquent pas forcément.

Dans certains cas, la carte restera fonctionnelle malgré tout. Comme le disent certains experts de la conception de circuits imprimés, il se peut que la carte fonctionne bien par pur accident.

La discussion sur les règles concernant les schémas de montage des circuits imprimés n'est pas de savoir si ces règles sont correctes ou non. Le problème est que la discussion autour de ces règles manque souvent de contexte, ce qui conduit au type de discussion polarisée « toujours/jamais » que l'on voit dans certains forums populaires.

Mon objectif dans cet article est de resituer les règles courantes de conception de circuits imprimés dans leur contexte. J'espère que cela permettra de comprendre quand ces différentes règles sont applicables et quand elles doivent être évitées.

Les règles empiriques courantes des schémas de montage

Sans plus attendre, regardons de plus près quelques-unes des règles générales couramment utilisées sur les schémas de montage et voyons si nous pouvons rappeler le contexte expliquant l'origine de ces règles de conception.

Routage orthogonal

J'ai discuté de cette règle particulière dans un article récent (en anglais), je ne répéterai donc que les points importants ici.

La règle du routage orthogonal stipule que les pistes figurant sur les couches de signaux adjacentes doivent être routées perpendiculairement afin d'éliminer la diaphonie inductive entre les pistes de ces couches adjacentes. À de hautes fréquences, vous constaterez que la diaphonie capacitive commence à dominer et produit des pointes de courant entre les pistes orthogonales.

À un temps de montée faible et à des fréquences faibles (moins de quelques GHz), il n'y aura pas de diaphonie capacitive notable entre les pistes orthogonales des couches adjacentes.

À de hautes fréquences dans les cartes RF (plusieurs dizaines de GHz), les résonances de cavité dans la trame de fibres et entre les structures conductrices non mises à la masse créent de fortes résonances électromagnétiques à certaines fréquences. Cela peut alors induire une forte diaphonie entre les couches de signaux, même si les pistes de chaque couche sont routées de manière orthogonale.

Le meilleur choix, quelle que soit la fréquence, consiste simplement à séparer les couches de signaux par couches de plan.

Cela est particulièrement vrai avec les circuits imprimés modernes, qui fonctionnent à des vitesses/fréquences de transmission élevées, simplement en raison des familles de circuits logiques utilisées dans les circuits imprimés modernes.

Si vous pensez que tout ira bien si vous utilisez un routage orthogonal, vous devriez tout de même procéder à une simulation de diaphonie de base avec des pistes orthogonales et vérifier si la diaphonie dépasse la marge de bruit.

Veillez également à planifier soigneusement le chemin de retour, car il s'agit de l'un des principaux problèmes du routage des pistes orthogonales.

Vias de soulagement thermique

Il s'agit ici de l'un de ces débats classiques de type « toujours/jamais ».

Un concepteur vous dira qu'il n'utilise jamais de vias de soulagement thermique et qu'il n'a jamais eu de problèmes de soudure ou d'assemblage. À l'opposé, un autre concepteur vous dira qu'il faut systématiquement utiliser ces vias sur chaque connexion de plan.

Alors, qui a raison ?

Les deux ont raison, mais dans des situations différentes. Si vous soudez à la main, vous pouvez augmenter la température de votre fer pour compenser la dissipation de chaleur dans la couche d'un plan.

Par ailleurs, si votre atelier d'assemblage utilise le brasage à la vague, vous avez besoin de vias de soulagement thermique pour éviter le déplacement de composants, les joints de reprise et l'effet Manhattan.

Mon opinion est qu'il ne faut pas hésiter à utiliser des vias de soulagement thermique.

Routage à angle droit

Cette règle empirique est probablement celle que tout le monde aime détester.

Aujourd'hui encore, je vois des concepteurs déclarer qu'il ne faut en aucun cas utiliser des pistes à angle droit. Les raisons avancées sont parfois absurdes, comme le fait que les électrons ne pourraient pas faire un virage à 90 degrés à l'angle d'une piste, alors que ces mêmes concepteurs ignorent les virages à 90 degrés au niveau des vias.

Les raisons sont également d'ordre pratique : par exemple, il est possible d'avoir une piste plus courte avec deux virages à 45 degrés plutôt qu'avec deux virages à 90 degrés.

Une autre explication avancée pour justifier cette règle générale est que l'extérieur de tous les virages à 90 degrés doit être chanfreiné. Il y a aussi le problème des pièges à acide, bien que ce ne soit pas un problème avec les agents de gravure alcalins modernes.

À moins que vous ne travailliez à 50 GHz et plus (cela ne concerne pour l'instant que de la communauté radar/5G à ondes millimétriques), vous n'aurez pas à vous soucier des pistes à angle droit. En fait, vous pouvez réaliser votre routage à n'importe quel angle tout en contrôlant l'impédance tout au long de l'interconnexion.

Ce processus est extrêmement facile lorsque vos outils de routage de circuits imprimés intègrent un solveur de champ électromagnétique.

La règle des 3W

Il s'agit en fait de trois règles.

La première version de la règle des 3W stipule que l'espacement entre les pistes adjacentes doit être au moins de 3 fois la largeur (width) des pistes. L'objectif est de minimiser le flux magnétique entre celles-ci. La logique est que minimiser le flux magnétique entre les pistes permet de minimiser la diaphonie inductive.

D'après ce que j'en ai lu, ceux qui appliquent cette règle semblent ignorer le fait que la force de la diaphonie inductive est proportionnelle à l'inductance de la boucle de la piste agresseur et de la piste victime, qui est proportionnelle à la zone délimitée par les deux pistes.

Si l'inductance de la boucle et la zone délimitée par chaque piste sont réduites, alors l'espacement des pistes peut être inférieur à trois largeurs de pistes (3W ou 3 width). Comme c'est le cas avec le routage orthogonal, vous devez effectuer une simulation de diaphonie de base tout en faisant varier l'espacement entre vos pistes.

Une autre version de la règle des 3W apparaît dans le recours au routage en dents de scie pour la correspondance des longueurs.

Cette règle correspond à la limite maximale de la taille de la section en dents de scie, qui est destinée à minimiser les discontinuités d'impédance dans ces structures de correspondance des longueurs. Pour en savoir plus sur cette version de la règle des 3W, consultez cet article (en anglais).

Enfin, la troisième version de cette règle se rapporte à l'espacement entre une partie cuivrée à proximité et les microrubans ou entre les lignes rubans et une partie cuivrée.

Cette règle de séparation stipule que l'espacement entre la piste et la partie cuivrée doit être d'au moins 3 fois la largeur de la piste afin d'éviter que la partie cuivrée à proximité ne modifie l'impédance du cuivre.

Comme je l'ai expliqué récemment dans un article et démontré à l'aide de quelques simulations simples, cette règle est trop conservatrice.

Si l'application de cette règle ne nuira pas nécessairement à votre conception ou ne causera pas fatalement de problème d'intégrité du signal, vous pouvez l'enfreindre sans problème dans une certaine mesure. Cela dépendra alors de la largeur de la piste par rapport à l'épaisseur de la couche, ainsi que de la constante diélectrique du substrat.

Consultez l'article en lien pour voir comment faire le calcul. Si vous ne voulez pas vous casser la tête à calculer l'espacement minimum que vous pouvez utiliser dans vos lignes rubans ou vos microrubans, vous pouvez jouer la sécurité en suivant la règle des 3W.

La règle « 20H »

Cette règle définit la distance à laquelle un plan de masse doit s'étendre sous un plan d'alimentation dans un circuit imprimé.

Tout d'abord, vous devez placer un plan d'alimentation adjacent à son plan de masse dans un circuit imprimé moderne pour assurer une capacité interne suffisante et réduire l'ondulation du bus d'alimentation dans les cartes haute vitesse.

Certaines études expérimentales sur ce sujet présentent des résultats mitigés.

Selon une étude, les émissions de radiofréquences provenant de champs de franges d'environ 300 MHz peuvent être réduites d'environ 5 dBμV/m en suivant la règle 20H. À des fréquences plus élevées correspondant à des résonances forcées dans la structure de guide d'ondes plan de masse-plan de puissance, les résultats sont très différents.

Les émissions de radiofréquences sont supprimées à certaines fréquences, mais elles augmentent à d'autres fréquences, que la règle 20H soit respectée ou non. En effet, le respect de la règle 20H modifie simplement les fréquences de résonance, qui se situent toutes dans la bande des GHz.

Voici le verdict : si vos largeurs de bande de signal sont inférieures à la bande GHz, vous pouvez utiliser la règle 20H. Dans le cas contraire, il ne semble pas y avoir d'avantage universel ; le fait que la règle 20H supprime ou non les émissions RF des champs de franges dépend de la largeur de bande du signal.

Lectures complémentaires sur les règles des schémas de montage

Jetez un œil à ces autres articles sur les règles de conception des circuits imprimés :

• Les 5 principales règles de conception de circuits imprimés que tout concepteur de circuits imprimés devrait connaître
• Sept idées fausses sur la conception de circuits imprimés (en anglais)
• Les pires conseils que nous ayons jamais entendus sur la conception de circuits imprimés (en anglais).

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