Gestion des données de circuit imprimé dans le processus de conception

Découvrez la gestion des données de circuits imprimés et comment elle est liée au processus de conception des PCB et aux rôles de toutes les personnes impliquées.

D’après le dictionnaire industriel, un process est :

« Une séquence de procédures interdépendantes qui, à chaque étape, consomment une ou plusieurs ressources (temps des employés, énergie, machines, argent) pour transformer des éléments entrants (données, matériaux, pièces) pour produire des éléments sortants. Ces éléments sortants deviennent ensuite les éléments entrants de l’étape suivante jusqu'à ce que l’objectif ou le résultat prévu soit atteint ».

C'est une définition remarquable car il s'agit d'une description concise et détaillée des différentes parties d'un processus : les étapes, les ressources, les intrants, les résultats et l'objectif. Nous nous en servirons comme tremplin pour comprendre comment le processus commercial est lié à la gestion des données de circuits imprimés et, plus important encore, comment il est lié au processus de conception des PCB et aux rôles de toutes les personnes impliquées.

Pipelining

Une pratique courante dans le monde de l'informatique appelée pipelining est aussi connue sous le nom de pipeline de données. C’est l’enchaînement logique du traitement des données, où un élément sortant devient l’élément entrant du suivant, et ainsi de suite. C'est exactement ce que nous sommes en train de créer ici avec notre système de gestion des données de circuits imprimés et notre processus de conception ; un pipeline de données. Les données sont introduites à une extrémité du pipeline comme point de départ, ce qui alimente le processus de conception. Le long du pipeline, des personnes ayant des rôles spécifiques (selon notre définition antérieure du dictionnaire des affaires) convertissent ces entrants en sortants pour que le produit avance vers la personne suivante, jusqu'à ce qu'il sorte sous la forme d'un produit fini : un assemblage de PCB terminé et (espérons-le) fonctionnel.

Alors que nous commençons maintenant à "Manger l'éléphant", gardons à l'esprit que l'objectif n'est pas le processus lui-même, mais plutôt d'atteindre le résultat final. Souvent, nous nous perdons dans le "comment" alors que nous devrions nous concentrer davantage sur le "quoi" et l'objectif que nous essayons d'atteindre. En l'envisageant comme un pipeline, nous pouvons alors facilement définir les entrants requis, les rôles et les résultats attendus à n'importe quel endroit de notre procédure. Et puisque tout est entrelacé et connecté, si les données des entrants ne sont pas exactes, rien dans le pipeline ne peut les corriger. Autrement dit, si votre pipeline puise dans une source d’eau sale, ne vous attendez pas à ce que des fleurs bien parfumées s’épanouissent de l'autre côté.

Remplir le pipeline de données : Composants électroniques

Les composants électroniques sont les éléments vitaux de chaque conception de circuit imprimé. Tout commence et tout se termine par des composants. L'intégrité d'une conception a une corrélation directe avec l'intégrité des composants.

Avant, les systèmes électroniques n'étaient pas aussi complexes qu'aujourd'hui, les composants étaient alors beaucoup plus simples. Ils se composaient d'un symbole schématique, d'une empreinte et de quelques paramètres de base. Une pratique courante consistait à copier simplement un composant et à utiliser exactement la même partie de la bibliothèque tout au long de la conception, en modifiant la valeur selon les besoins de chaque cas. Progressivement, des composants plus complexes sont devenus nécessaires, avec des volumes croissants d'informations et de détails pour créer des systèmes à la pointe de la technologie.

Ce que nous avons maintenant ne peut être décrit que comme une véritable mine d'informations sur les composants, dont une grande partie est immédiatement disponible.

Les éléments modernes de notre bibliothèque incluent plusieurs facettes très importantes. Et, toutes ces facettes sont essentielles car ce sont ces informations qui filtreront jusqu'à toutes les personnes impliquées dans ce processus.

Le composant électronique type doit au moins contenir les informations suivantes :

Symbole schématique

Le symbole schématique est un pictogramme qui représente divers dispositifs ou fonctions électriques et électroniques. Les symboles représentent principalement la connectivité électrique de chaque pièce, ainsi que la fonction électronique de la pièce, et suivent généralement les normes IEEE-315 ou des normes équivalentes. Chaque élément a cette représentation graphique. Lorsque les composants sont placés sur le schéma avec d'autres symboles et les connexions appropriées entre eux, il forme le schéma du circuit électronique, qui documente les fonctions électroniques dans le produit, et le graphique de connectivité pour la disposition du PCB (parfois appelé netlist). Certains schémas peuvent devenir très complexes, avec des milliers de composants et des dizaines de milliers de connexions.

Empreinte ou motif (décal)

Ce terme a les synonymes suivants : empreinte (PCB decal), motif d'emplacement, qui sont les plus courants. Il s'agit des graphiques pour la disposition du composant physique, avec un arrangement de pastilles en cuivre, pour permettre finalement de souder chaque partie physique au PCB, et d'établir des connexions entre les différents composants. Ce qui est essentiel entre le symbole schématique et l'empreinte, c'est qu'ils correspondent au numéro et à l'identifiant de chaque broche. L'empreinte est composée de plusieurs éléments : les connexions en cuivre (pastilles ou pads), le modèle 3D du corps du composant (généralement intégré dans l'empreinte de la bibliothèque), le motif de la sérigraphie (c'est-à-dire le texte et les graphiques de la légende), la zone ou espace de placement (dégagement du composant) et d'autres informations mécaniques selon les besoins.

Modèles de simulation de composants

La simulation est un outil très important pour les ingénieurs en électronique. Son rôle a pris de l’ampleur avec la nécessité croissante de simuler certains circuits pour vérifier leur bon fonctionnement, ce qui a permis de découvrir de meilleurs circuits avant le prototypage. Les modèles de simulation de circuits (SPICE, SPICE3F5, XSPICE, PSPICE, etc.) et l'analyse de l'intégrité du signal (IBIS) permettent une simulation partielle ou complète du circuit pour vérifier sa fonctionnalité avant le prototypage. Les modèles SPICE et IBIS doivent être précis, et doivent également être correctement reliés aux broches du symbole schématique, afin de permettre la simulation de la conception. L'inconvénient des modèles de simulation est que, souvent, les fabricants de semi-conducteurs ne les fournissent pas pour les circuits intégrés plus complexes, de sorte qu'il devient difficile de simuler entièrement un circuit.

Modèle 3D

Les informations du modèle 3D sont impératives pour vérifier la conception mécanique de l'enceinte ou toute question mécanique. Comme la tendance à la miniaturisation se poursuit, la conception mécanique assistée par ordinateur (CMAO) finit par diriger la conception et dans diverses situations. Le point positif est que pour les composants électroniques, de nombreuses sources gratuites de modèles 3D sont désormais disponibles, notamment des sites tels que GrabCAD et 3D Content Central. Mieux encore, de nombreux fabricants de composants fournissent désormais le modèle 3D nécessaire dans le cadre des informations sur les composants téléchargeables à partir de leurs sites web. Des modèles 3D sont ajoutés aux empreintes des composants à l'aide du format de fichier STEP, et ces modèles doivent être correctement orientés et avoir des dimensions matérielles précises pour la vérification du dégagement plus tard dans le processus de conception.

Informations des paramètres

Et le vrai travail peut commencer. Les paramètres réunissent les informations techniques de chaque composant. Les spécifications de chaque pièce et de ses variantes. Selon le type de pièce, il peut y avoir des dizaines, voire des centaines de détails paramétriques différents - valeurs, tolérances, plages de température de stockage et d'utilisation, profils de soudure, déclarations de substances dangereuses, certificats RoHS, REACH et autres certificats de conformité environnementale, informations sur l'emballage et les commandes, et plus encore - la liste est pratiquement infinie. Du point de vue de l'ingénierie, tous les paramètres peuvent ne pas intéresser l'ingénieur ou le concepteur, mais ils ont tous un impact sur la conception, la fabrication du produit, le cycle de vie et même la légalité, donc ils sont tous importants.

Informations sur les sources d'approvisionnement

Après avoir identifié toutes les autres facettes importantes d'un composant, nous devons nous pencher sur l'approvisionnement. Où et comment chaque pièce sera-t-elle achetée ? Cela aussi devient un domaine très important, car nous devons utiliser ce qui réellement disponible. Comme nous l'avons vu lors de la récente crise des pénuries de pièces, cela devient de plus en plus difficile. L'information est un des moyens de gérer un problème aussi énorme. Ces informations doivent être tenues à jour, si possible en temps réel.

Documents d'accompagnement

Enfin, chaque composante doit être associée à sa documentation justificative. Il s'agit de la fiche technique, des notes techniques, des demandes, des certificats RoHS, etc. Ces données liées sont particulièrement utiles pour la procédure d'examen, pour vérifier les composants dans la base de données de la bibliothèque, comme ses documents de vérification.

Processus de gestion des données de circuits imprimés

Une grande partie de cette section sera fondée sur les 5 piliers qui ont été abordés dans le chapitre précédent. La procédure du système de gestion des données de circuits imprimés est divisée en deux étapes. La première étant l'acquisition, le stockage et l'examen des informations. Cela doit être fait avant l'utilisation de tout composant. La deuxième étape est l'utilisation et la maintenance.

Étape 1 : Acquisition des données (Data In)

Disposer d'une ressource fiable d'informations sur un large éventail de composants électroniques est inestimable. Il existe de nombreux fournisseurs de composants tels que Digikey, Newark ou Mouser, qui sont bons mais leurs sites web ont tendance à ne couvrir que les composants particuliers qu'ils fournissent. L'une des meilleures alternatives que j'ai personnellement vues, qui couvre le plus large éventail de fournisseurs, est un moteur de recherche de composants appelé Octopart. En espérant que cela soit aussi pratique que possible ; par exemple, allez sur Octopart.com et effectuez une recherche sur la référence ATSAMA5D31A-CUR qui est un microcontrôleur 32 bits SAMA5D3 ARM Cortex A5 RISC, 160KB ROM 1.2V 324-Pin LFBGA T/R. La première chose que vous remarquerez peut-être est la longue liste de fournisseurs qui fournissent ce composant, ainsi que les données actuelles en direct qui comprennent la quantité disponible, le prix et les ruptures de prix.

En outre, il peut fournir d'autres données dont vous auriez besoin. Le site web du fabricant du composant, les informations sur les paramètres, le symbole schématique, l'empreinte du PCB et le modèle 3D.

Si cela ne suffisait pas, il y a aussi la fiche technique qui y est liée. Que demander de plus ?

Étape 2 Stockage (Architecture)

Une fois que nous avons trouvé le composant requis et ses informations, nous devons transférer tout cela dans notre système de gestion des données de circuits imprimés. C'est là que nous découvrons à quel point notre construction est solide. Laissez-moi vous donner un exemple de la façon dont je l'ai fait auparavant. Cela peut se résumer en 3 mots... COPIER ET COLLER... beaucoup de copier-coller. Puis créer le symbole schématique et l'empreinte... Puis espérer que je puisse retrouver le modèle 3D. C'était fastidieux et très détaillé, avec de nombreuses possibilités de faire des erreurs. De plus, si vous placiez un composant complexe comme cet ATSAMA5D31A-CUR, même avec un nombre modéré de broches de 324, il faudrait encore des heures pour obtenir un symbole schématique aussi massif avec le nom de chaque broche individuelle.

L'ensemble de ce processus a été simplifié. Il suffit maintenant de faire une recherche pour trouver l'élément requis. Le système ne se contente pas de trouver le composant, mais il vous apporte automatiquement, en quelques secondes, absolument toutes les informations vitales du composant mentionné ci-dessus. Pensez à cela. Connexions automatiques entre la ressource et le système de gestion des données de votre PCB. Avec un symbole schématique, une empreinte, un modèle 3D, des simulations de circuits, tous les paramètres des composants, des informations sur l'origine et des documents justificatifs.

Nous devons aussi savoir où placer cette composante. Comme nous l'avons déjà vu, la structure du système de données doit être ventilée par catégorie et par famille. Dans notre exemple ci-dessus, ce composant peut appartenir à la catégorie de Circuit Intégré et une famille de Microprocesseurs embarqués. C'est là que ces informations seraient stockées avec toutes les informations à l'appui.

Étape 3 de l'examen (audit)

Si les informations proviennent d’une source comme Octopart, pourquoi est-il nécessaire de procéder à un audit ou à un examen ? Il s'agit de confirmer que le composant est correct et qu'il est stocké là où il devrait l'être. J'ai connu plusieurs fois des cas où la fiche technique elle-même n'était pas correcte. Par exemple, les vues du haut ou du bas du package concernant la numérotation des broches d'un connecteur étaient ambiguës.

Sans compter les mises à jour des versions des normes de conformité telles que l'IPC-7351. Il y a des révisions et des réécritures périodiques de la manière dont les empreintes doivent être faites. Par exemple, une modification a récemment été apportée à la norme IPC-7351-C, qui intègre l'arrondi des coussinets des composants. Avec de tels changements, il faut un certain temps au secteur pour rattraper son retard.

Une fois l'examen terminé et le cycle de vie de la pièce modifié en état "Publié", ce composant est prêt à être utilisé dans des conceptions électroniques.

Étape 4 Utilisation (processus de conception)

Comme indiqué précédemment, en tant que pipeline, nous pouvons facilement définir les entrants requis, les rôles et les résultats attendus en tout point de notre procédure. Comme les détails de chaque composant sont utilisés tout au long du processus en combinaison avec les rôles des membres de l'équipe, nous pouvons élaborer une feuille de route pour l'utilisation des informations. Ces informations n’intéressent pas tout le monde. Par exemple, un ingénieur en mécanique ne serait pas particulièrement intéressé par les spécifications électroniques d'un composant, tel que les données d'une vitesse de rotation sur une ligne de commande pour le bus. Il s'intéresse plutôt à l'ensemble mécanique et à sa taille.

Les rôles dans PCB Design

Les rôles peuvent varier considérablement d'une entreprise à l'autre. Ils peuvent ne pas correspondre à des personnes, individuellement. Une seule personne peut effectuer une seule ou plusieurs tâches. La meilleure façon de voir les choses est probablement de considérer le rôle non pas comme une personne mais comme un domaine de responsabilité.

En commençant par les équipes d'ingénierie et de conception, les rôles consisteraient peut-être en un ingénieur en électronique, un bibliothécaire de PCB, un concepteur de PCB, etc. et, au début du processus, un ingénieur en mécanique. Ensuite, au fur et à mesure de l'avancement du projet, de plus amples informations seront données sur des rôles tels que les achats, pour commencer les achats partiels, et la gestion de la qualité, pour commencer les éventuels tests de conformité.

Tout cela sera supervisé par un chef de projet, et il est difficile de déterminer les données exactes qui l'intéresseront. Leur principale préoccupation est de déterminer les conséquences sur le calendrier. Le tableau ci-dessous montre le type de ventilation des détails spécifiques de cette composante imprègnent et comment ils sont utilisés par chaque rôle. Ce n'est pas une règle absolue, mais si des chevauchements sont importants, ils forment un bon point de départ pour comprendre ce concept.

Si vous menez ce projet à sa conclusion logique (et pour être fidèle au processus de conception du PCB), il devrait y avoir les étapes requises, les rôles et les données qui sont utilisées dans le déroulement d'un projet. Ensuite, à des étapes données, une évaluation est faite par chaque rôle pour apprécier les résultats de l'étape précédente. Nous avons ensuite un examen final de la conception... mais c'est un autre sujet.

Étape 5 Distribution (sortie des données)

Bien que la sortie des données puisse être considérée comme une utilisation des informations, je la sépare de l'étape 4, car une fois le processus de conception du PCB arrivé à ce point, il devient beaucoup plus critique d'évaluer et de valider la conception du PCB. Comme c'est la dernière fois que les contrôles seront effectués avant la distribution des données de fabrication à la fabrication et à l'assemblage, c'est la dernière chance de détecter les erreurs sans que le coût n'explose. D’autres données de circuits imprimés sont produites pour former la conception du PCB fini.

Données à distribuer

À ce stade, il y aura deux rôles principaux impliqués, qui seront la fabrication et l'assemblage, chacun ayant besoin de ses données spécifiques de fabrication de PCB.

La sécurité des informations propriétaires et la protection de la propriété intellectuelle font aujourd'hui l'objet de nombreuses discussions. Une fois ces données intégrées dans un modèle de PCB, comment pouvons-nous les protéger ? Une façon d'y parvenir est de garder ces deux rôles séparés. Les données qui sont fournies à la fabrication ne sont pas partagées avec l'installation d'assemblage et vice-versa. En outre, le schéma ou tout autre fichier source n'est en aucun cas diffusé.

Il est temps de passer quelques coups de téléphone à la fabrication pour déterminer ce qu'ils recherchent exactement dans les données qu’ils reçoivent. Au fur et à mesure de l'évolution du secteur d’activité, certaines informations qui étaient autrefois courantes ont été remplacées par d'autres.

Par exemple, la progression des fichiers de sortie CAM (Computer-Aided Manufacturing) Gerber : ce qui était "Gerbers" (la norme ECIA/ANSI RS-274-D) est devenu obsolète en 1998, remplacé par un Gerber RS-274X étendu, puis en 2014 le RS-274X a été à nouveau étendu pour inclure des données de forage, et des méta-informations pour le test et l'assemblage de cartes nues (connu sous le nom de "Gerber X2"). De nombreuses installations de fabrication préfèrent que leurs données soient présentées sous un certain format. Ce format doit être identifié. Tous ces fichiers ne sont pas requis.

Données de fabrication (indiquées comme spécifiques pour un fichier d'emploi de sortie d'Altium)

• Dessin de fabrication avec ses notes et instructions appropriées.
• Données de fabrication (CAM).

Données d'assemblage (indiquées spécifiquement pour un fichier d'emploi de sortie d'Altium

• Nomenclature
• Dessin d'assemblage avec ses notes et instructions d'assemblage requises
• Données d'assemblage (fichier Pick and Place, Rapport des points de tests, netlist IPC-D356).

Chaque partie individuelle de chaque composant contribue à ces différents ensembles de données, combinés au travail des personnes spécifiques dans leurs rôles. Une chose étonnante se produit, ce qui n'était qu'une idée ou un concept se matérialise en un objet réel. Cela m'étonne encore chaque fois que je tiens en main un PCB complet de ce qui était seulement quelques jours auparavant un fouillis de "gravures" et d'informations colorées.

Étape 5 Maintenance (sur mesure)

Le processus de conception n'est pas une ligne droite mais plutôt un cercle. Un PCB fini doit être considéré comme une autre sortie du processus et des données, et il se connecte à l'entrée. Lorsqu'un PCB est terminé, une évaluation est effectuée pour déterminer quelles améliorations peuvent être apportées aux données ou au processus au début du pipeline. Souvent, elles sont étayées par une sorte de documentation telle que le rapport "Design For Manufacturing" (DFM) ou un "Build Finding Report". Cela permet d’orienter les changements et les données de circuits imprimés et le processus sont ainsi toujours améliorés.