Comment gérer les bibliothèques ECAD pour une conception de layout de PCB cohérente

Rien n'est plus frustrant que de tout faire correctement dans une conception matérielle, pour ensuite voir son circuit échouer à cause d'une seule empreinte. J'ai vécu cela, alors ne répétez pas mes erreurs. Apprenez à gérer les bibliothèques ECAD pour une conception de PCB cohérente.

Points Clés

• Une seule empreinte non conforme peut entraîner des semaines de retard, 20 000 $ de production perdue et la perte d'une relation client. Même les négligences mineures peuvent détruire la confiance et les plannings.
• Le désordre et l'absence de structure dans les bibliothèques ECAD sont parmi les principales causes d'échec des PCB. Les processus standardisés et les données des composants sont essentiels.
• Une description de composant solide est plus précieuse qu'un numéro de pièce car elle assure la traçabilité, simplifie le remplacement et évite les coûteuses reconceptions lorsque les pièces deviennent obsolètes.
• Une conception de PCB fiable repose sur cinq piliers : les symboles schématiques, les données des composants, la simulation, les modèles 3D et le motif d'empreinte.
• La simulation, les vérifications de collision 3D et les empreintes conformes à l'IPC préviennent les erreurs en aval coûteuses ou impossibles à corriger après la fabrication.
• Un système de gestion de bibliothèque discipliné transforme le chaos en fiabilité. Le processus ne vous ralentit pas. Les erreurs, si.

L'Empreinte à 20K

Au début de ma carrière en freelance, j'étais rapide, désireux de me prouver auprès d'un nouveau client. La conception était terminée, la fabrication s'était déroulée sans accroc, et toutes les pièces étaient en stock. Deux semaines plus tard, alors que l'assemblage commençait, j'ai reçu un email qui m'a fait perdre tous mes moyens : « Pause de production – Un composant du PCB ne peut pas être placé en assemblage. »

Je pensais que cela devait être un problème de numéro de pièce. J'ai vérifié la nomenclature, le schéma, et l'agencement du circuit. Tout semblait correct. Jusqu'à ce que ça ne le soit pas.

Un empreinte avait un mauvais brochage. Je l'avais échangée en cours de conception pour un test et j'avais oublié de la resynchroniser avec le schéma. Cette petite négligence a arrêté la production.

Le résultat ? 332 $ gaspillés sur cinq cartes de test, un retard de six semaines, et une production de 20 000 $ perdue. La confiance du client – envolée. Ils ont manqué leur échéance et ont choisi un autre concepteur pour le travail de layout. Le collègue qui m'avait recommandé est resté poli, mais je n'ai jamais obtenu un autre projet de cette entreprise.

C'était brutal, mais aussi la leçon la plus importante de ma carrière. Même les meilleurs ingénieurs font des erreurs lorsqu'ils manquent de structure. Je n'avais pas de liste de vérification, pas de standardisation, juste ce qui était dans ma tête. Ça devait changer.

Voici le principe fondamental que j'ai appris :

Conservez les données essentielles minimales pour chaque pièce dans votre bibliothèque. Pour les acheteurs, le champ le plus important est le Numéro de Pièce du Fabricant (MPN). Mais pour les concepteurs, c’est la description du composant.

Pourquoi ? Parce que les MPN ne comptent que lors de l'achat de pièces, et ils vieillissent rapidement. J'ai appris à mes dépens qu'après juste quelques années, vous pouvez perdre l'accès aux informations sur les pièces, aux fournisseurs, ou même au fabricant. Sans description, vous devez déchiffrer les anciens schémas pour déterminer ce qu'était la pièce, ou pire, redessiner cette section du circuit.

Une description détaillée du composant agit comme une sauvegarde. Elle résume la fiche technique, définit les caractéristiques clés et vous permet de trouver rapidement des pièces actives équivalentes chez différents fournisseurs. C'est pourquoi les ingénieurs expérimentés sauvegardent toujours les fiches techniques, même pour les condensateurs. Ils savent que les pièces deviendront obsolètes, et le temps passé à chercher des remplacements est une perte de productivité.

Non, il ne devrait pas être « normal » de passer la moitié de son temps à rechercher des informations sur les composants. C'est pourquoi je m'appuie désormais sur des outils de gestion de nomenclature et un processus standardisé pour garder chaque composant traçable, remplaçable et prêt pour la production. Dans la section suivante, je vais vous présenter ce système, celui qui m'a assuré de ne plus jamais perdre un client à cause d'un désordre.

Vous pourriez penser : « Nous sommes une petite équipe ; un processus va nous ralentir. » C'est ce que je pensais aussi. Mais comme le montre mon histoire, même une équipe d'une seule personne peut manquer quelque chose lorsque vous ne respectez pas votre propre processus, découvert seulement des semaines plus tard lors de l'assemblage.

Une empreinte peut ruiner un planning. Si une pièce ne peut pas être placée, l'assemblage s'arrête. Vous en êtes alors à souder à la main, ce qui est brutal sur une carte de haute densité.

Je partage le processus interne que je gardais dans ma tête pour que vous ne répétiez pas mes erreurs ou ne coûtez pas à votre client. Vous ne pouvez pas attendre de « grandir » dans le processus. Les petites équipes ont moins de marge de manœuvre. Un peu de rigueur par pièce économise des semaines de travail, des dizaines de milliers de dollars et protège les ventes futures, la trésorerie et l'entreprise.

Le processus ne vous ralentit pas. Ce sont les erreurs qui le font.

Alors, quelle est la leçon à retenir ? Maintenez une description détaillée des composants afin que la pièce puisse être recréée loin dans le futur, et vérifiez les empreintes deux fois, voire quatre fois.

Pourquoi les bibliothèques de pièces brisent-elles entièrement les lancements de produits ?

Les problèmes les plus courants avec les bibliothèques de pièces sont les suivants :

Enregistrements uniquement avec le numéro de pièce du fabricant (sans champs descriptifs)

Ce qui fait vraiment mal, c'est lorsqu'un enregistrement ne contient qu'un numéro de pièce du fabricant et rien pour identifier la pièce.

Les numéros de pièce du fabricant deviennent obsolètes, et tous les fabricants ne conservent pas les enregistrements d'obsolescence des anciens numéros. Les entreprises sont également acquises et les anciens enregistrements se perdent avec le temps, surtout sur les produits à longue durée de vie comme les systèmes aérospatiaux. Lorsque tout ce que vous avez est un numéro de pièce, les informations qui étaient en ligne pendant des années peuvent soudainement disparaître aujourd'hui.

BOMs à fournisseur unique, angles morts du cycle de vie

La semaine dernière, j'ai soumis un BOM pour un client. Les vérifications de layout et de Gerber étaient correctes, mais les pièces n'étaient pas en stock, certaines étaient sous-stockées (<1–2k unités), et il n'y avait pas de fournisseurs de secours. Sur les anciennes conceptions, les ingénieurs avaient plus de huit sources et alternatives. Tout fonctionnait sans accroc.

Les acheteurs ont souvent besoin de compter sur plus d'une source, ce qui signifie que les ingénieurs doivent fournir des options de fournisseurs alternatifs dans le BOM. Sinon, l'assemblage est retardé et le concepteur doit passer du temps supplémentaire à chercher dans les sites web des distributeurs pour trouver des stocks.

Le Cadre : Les 5 Piliers d'un Composant Solide

Maintenant qu'il est clair qu'une bibliothèque de PCB parfaite est essentielle, comment prévenir ces problèmes ? Voici un cadre robuste à utiliser dans la conception et la production matérielle. Il y a cinq éléments clés que chaque dispositif/composant doit avoir dans votre bibliothèque de pièces. Intégrez-les dans votre base de données et ne les négligez jamais. Ajoutez tout ce que vous voulez, mais incluez toujours ceux-ci.

Dans les bibliothèques ECAD, nous modélisons l'équivalent numérique de ce dispositif physique dans notre logiciel de conception. Pour ce faire correctement, nous devons montrer :

Propriétés du produit

• Informations sur la pièce : disponibilité, prix, quantité minimum de commande, description, et plus encore.
• Fonctionnalité électrique : Modèles de simulation (comme SPICE, IBIS, etc.) pour prédire le comportement dans différentes conditions avant de dépenser de l'argent en constructions et tests. Souvent négligé dans les cycles précipités lorsque les calculs manuels et les fiches techniques semblent suffisants.
• Modèle 3D : Une représentation en 3D du dispositif montrant la hauteur, la taille et la forme, ce qui est important pour montrer le placement du PCB dans un boîtier.
• Interface PCB : La zone sur le PCB où la pièce se place, l'empreinte du PCB, pour correspondre à la pièce physique réelle.

Pilier 1 - Symbole Schématique

Un symbole schématique est la représentation conceptuelle d'une pièce. Il transmet le fonctionnement de la pièce, y compris les broches, les noms des broches et les conventions de symboles standards.

La représentation visuelle correcte est importante, donc n’utilisez pas de boîtes génériques. Par exemple, pour une résistance, utilisez un symbole de résistance approprié, pas une boîte.

Pilier 2 - Informations sur le Composant

C'est la partie la plus importante de tout dispositif car elle définit tout le reste. Sans les données des pièces, vous ne pouvez pas les acheter ou les construire. Chaque pièce a besoin des informations suivantes :

Description du Composant

Cela identifie la pièce dans votre base de données et constitue le moyen le plus rapide d'offrir une large possibilité de recherche basée sur les spécifications. Utiliser uniquement le numéro de pièce du fabricant pour la description du composant n'est pas pratique car cela ne permet pas de rechercher par spécification. Une description abrégée avec quelques spécifications clés est préférable. Exemple : au lieu de LTST-C193TBKT-5A, utilisez LED BLEUE TRANSPARENTE CHIP SMD.

Mais allons encore plus loin. Voici ma convention de nommage :

Forme longue (canonique) :

LED BLEUE 470NM TRANSPARENTE INDICATION DISCRÈTE 2.8V 0603 (1608 MÉTRIQUE) SMD

Moyenne (compatible ERP) :

LED BLEUE 470NM TRANSPARENTE 2.8V 0603 (1608 MÉTRIQUE)

Ultra-courte (étiquette/article) :

LED BLEUE 470NM 0603

Je choisirais l'option 2, la version Moyenne (compatible ERP).

Description du Composant

Une description de composant inclut la fonction, les paramètres clés et le type de boîtier. Une "simple LED" n'est pas juste simple. Capturez ces détails pour qu'elle soit identifiable et utilisable.

Des descriptions précises de pièces rendent possibles des remplacements éclairés. Pour une LED, vous avez besoin de données telles que la tension/le courant direct et la luminosité (notation mcd). Un nom comme « LED BLEUE TRANSPARENTE CHIP SMD » fonctionne comme nom de pièce, mais pas comme description complète. Cela ne vous aidera pas à trouver un remplacement sans une fiche technique.

Une meilleure description est : « LED bleue 470nm Indication – Discrete 2.8V 0603 (1608 Métrique) ». Elle inclut directement la tension directe, la longueur d'onde et la taille du boîtier, ce qui est suffisant pour localiser rapidement une pièce similaire grâce à une simple recherche par mots-clés.

Comparez cela à une mauvaise description comme « LED bleue SMD ». Cela ne vous dit rien sur la tension directe, la luminosité, l'empreinte précise, etc. Cela vous oblige à ouvrir la fiche technique pour ce MPN, localiser les spécifications électriques de base, et comparer cela aux exigences d'ingénierie ou au design dans le schéma. 30 minutes pour une LED. Multipliez cela par 40 pièces dans un BOM de 200 lignes, et les heures (et coûts) gaspillées sont évidentes.

Fiche technique

La seule chose plus précieuse que la description de la pièce est la fiche technique. Sauvegardez les fiches techniques de chaque pièce que vous utilisez car les fabricants changent fréquemment les liens. Gardez une copie locale et liez-la à l'appareil, et stockez également le lien du portail web comme un champ de la pièce.

Pensez à la hiérarchie de cette manière :

• Nom du composant : moyen le plus direct pour trouver la pièce.
• Description détaillée : un niveau en dessous ; abstraction succincte de la fiche technique.
• Fiche technique : source de vérité.

Le but du nom de la pièce est de vous aider à préciser ce dont vous avez besoin. Il se peut qu'il ne soit pas suffisant pour échanger ou recréer des pièces. Lorsque la description contient assez de détails pour trouver une nouvelle pièce, c'est encore mieux.

Numéro de pièce du fabricant

Le numéro de pièce du fabricant est obligatoire, même si vous avez une description pour la pièce. Certains fabricants utilisent des numéros de pièces similaires ou des familles de numéros de pièces génériques (par exemple, la série de logique 7400, les composants de la série LM3xx, etc.), donc le numéro de pièce doit être exact car il correspond à un emballage spécifique, à un empreinte et à des spécifications électriques.

Nom du fabricant

Pour éviter toute confusion lors de la recherche de pièces, il est important d'avoir toujours le nom correct du fabricant. Cela est également utile si vous prévoyez de commander certaines pièces directement sur le site Web du fabricant.

Fournisseurs

Il est judicieux de lister au moins un fournisseur. La plupart des fabricants vendent via des distributeurs franchisés (par exemple, Digi-Key, Mouser, Avnet, Newark). Utilisez Octopart pour voir les fournisseurs disponibles et les options de livraison à votre porte ou à votre atelier d'assemblage.

Pilier 3 - Simulation (Quand nécessaire)

Lorsque la performance en temps réel compte et que vous avez besoin d'une conception juste du premier coup, la simulation au niveau du circuit et de la disposition offre une bonne comparaison pour les résultats de test et aide à détecter les problèmes simples dès le début.

Alors, que pouvons-nous faire pour simuler nos pièces ?

• Modèles SPICE, pour le fonctionnement de base du circuit, l'analyse de défaillance, en particulier dans l'électronique de puissance.
• Modèles IBIS, pour la simulation et l'analyse à haute vitesse afin de détecter les problèmes d'impédance à l'avance. À utiliser pour les temps de montée et les fréquences de carte autour de 1 GHz et plus. Pratiquement obligatoire pour le numérique à haute vitesse (DDR, PCIe Gen 3/4/5, USB 3.2). Pour tout ce qui est proche de ~10 GT/s et plus, simulez avec IBIS pour valider avant les tests. Gardez à l'esprit que les résultats peuvent varier avec le matériau diélectrique du PCB.

Pilier 4 - Modèle 3D/MCAD

De nombreux produits ont des tolérances serrées dans les boîtiers mécaniques, donc chaque millimètre en X, Y et Z compte. En utilisant la vérification de collision 3D contre le boîtier, un problème d'interférence peut être localisé avant de construire tout prototype d'assemblage.

Même en 2021, il n'était pas rare de travailler uniquement avec des empreintes, mais si vous passez à la production, incluez des modèles 3D et effectuez des tests de collision. Si la pièce ne peut pas être placée sur le PCB, vous n'avez pas de produit. La pièce existe au-delà du PCB. Les formats 3D typiques sont STEP (AP224, AP214, etc.). Collectez ces modèles et gardez-les organisés.

Pilier 5 - Motif de connexion sur le PCB

Nous devons placer la pièce sur le PCB. Le motif d'empreinte définit les pastilles de cuivre où le composant sera soudé. Il y a le motif d'empreinte recommandé par le fabricant, et il y a le motif d'empreinte réaliste qui dépend de la densité de l'agencement du PCB tel que défini dans les normes IPC. Les options comme les conditions de matériel Minimum, Nominal et Maximum dans IPC-7351/7352 visent à équilibrer l'espacement des broches d'une pièce à l'autre par rapport à la nécessité de former un bourrelet de soudure suffisamment grand.

Étant donné son importance, voici ce que je vérifie toujours pour les empreintes.

Liste de vérification pour l'empreinte PCB

• Polarité de la broche-1
• Réduction de pâte notée (0% est la norme de nos jours. Le fabricant la modifiera)
• Courtyard
• Dimensions des pastilles indiquées (évite à chaque ingénieur de devoir le faire manuellement à chaque fois)
• Raisonnement pour Most/Nominal/Least
• Régions d'exclusion

Il y a plus de vérifications à faire, mais celles-ci sont les plus importantes. Vous ne voulez pas découvrir lors de l'agencement qu'une pièce laisse trop peu d'espace sur un PCB de haute densité. Vous devrez la changer ou trouver l'empreinte ou la pièce correcte de toute façon. Faites le travail maintenant, ou faites-le deux fois plus tard.

Conclusion et une forte recommandation

"La qualité d'un design de PCB dépend entièrement de sa bibliothèque CAO." C'est ce dont je me souviens de ma rencontre avec Tom Hausherr pendant les vacances de décembre 2021, alors qu'il partageait des anecdotes sur la direction des mises à jour IPC-7351.

Le message était clair : les composants dictent le succès d'un PCB. Chaque échec irréparable que j'ai rencontré remontait à un oubli de composant. Avec les bonnes pièces, un circuit imparfait peut souvent être ajusté, mais pas les dispositifs eux-mêmes. Et après la fabrication, trouver un remplacement compatible avec l'empreinte est un pari, sans parler du temps perdu à dessouder et retravailler au lieu de tester.

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