Conception de PCB en vue de la fabrication pour débutants

Les professionnels de la conception parlent très souvent des directives de conception pour la fabrication, mais quelles sont-elles exactement ? Et comment sont-elles mises en œuvre dans votre logiciel de conception de PCB ?

Comme son nom l'indique, la conception pour la fabrication consiste à orienter les choix de conception de manière à obtenir un rendement maximal lors de la fabrication. Bien sûr, cela est souvent plus complexe qu'il n'y paraît et il est naturel de supposer, à tort, que votre fabricant pourra fabriquer à peu près tout ce que vous ajouterez à votre schéma de montage dans votre logiciel de conception.

En réalité, les capacités de production, le choix de matériaux et de services sans intervention standard varient selon les ateliers de fabrication. Toutes ces informations ont leur importance, car certaines erreurs ou des oublis très fréquents peuvent compromettre la fabrication d'une carte et nécessiter des révisions fastidieuses.

Dans cet article, je vais passer en revue certaines des erreurs les plus fréquemment commises par les concepteurs débutants et expérimentés. J'ai moi-même commis ces erreurs, mais je peux affirmer qu'il est toujours possible de les corriger afin de garantir la fabrication de votre carte.

Quelques conseils simples pour réussir la conception en vue de la fabrication d'un PCB

Les considérations que je vais aborder ci-dessous se répartissent en deux grandes catégories :

• Les considérations matérielles, en particulier les matériaux de noyau/stratifié et le poids du cuivre
• Les contraintes de fabrication, notamment les dimensions des différents éléments du circuit et leur espacement dans le schéma de montage.

Entrons maintenant dans le vif du sujet, et examinons certaines règles fondamentales de la conception de PCB en vue de leur fabrication qui vous permettront de garantir la qualité de votre conception.

Prévoir l'empilage des couches en premier

Face à une nouvelle conception, on a facilement tendance à se lancer directement dans le placement des composants sur la carte.

Pour des cartes simples, avec un nombre de couches égal et une épaisseur standard, qui ne nécessitent pas d'impédance contrôlée, de capacitance de bus spécifique ou un routage numérique dense, cela ne posera probablement pas de problème.

Toutefois, certaines conceptions peuvent vous réserver des surprises à la fabrication.

Il est ainsi conseillé de connaître, au moins, la disposition des couches et les propriétés des matériaux, même pour des cartes de microcontrôleur destinées à un usage de loisir.

Contactez votre atelier de fabrication afin d'obtenir un empilage de couches standard avant de commencer à concevoir des pistes pour les bus numériques ou toute piste à impédance contrôlée.

Si vous ne le faites pas, votre atelier de fabrication pourrait fabriquer une carte à l'aide d'un empilage de couches qui ne produit pas les fonctions attendues. L'autre risque est de concevoir un empilement de couches que votre atelier ne sera pas en capacité de fabriquer, généralement parce qu'il ne dispose pas des matériaux correspondants.

Ajuster le poids du cuivre en fonction de la densité de courant et des stratifiés

Ne soyez pas surpris si votre fabricant émet des réserves quant au poids de cuivre lors du choix de vos matériaux ou de la validation d'un empilage.

Le poids spécifié doit, en effet, être choisi parmi ceux proposés pour l'ensemble des matériaux de votre fabricant. Pas question donc de définir cette valeur comme bon vous semble.

Si vous avez pris le temps d'estimer le poids du cuivre et la largeur de piste dont vous avez besoin pour une densité de courant donnée (par exemple, sur des rails d'alimentation), assurez-vous de spécifier le poids requis lors de la validation de votre empilage avec votre fabricant.

Respecter les espacements entre les zones en cuivre

Lorsque vous entamez un nouveau schéma de montage, votre logiciel de CAO électronique applique un ensemble de règles d'espacement par défaut qui correspondent à des valeurs conservatrices adaptées à la plupart des PCB. Et c'est bien le problème : ces valeurs s'avèrent généralement trop conservatrices et beaucoup choisissent donc de les ignorer sans prendre le temps de définir au préalable les valeurs d'espacement adéquates.

Pire encore, certains choisissent alors des valeurs trop faibles et se retrouvent avec des éléments tellement proches les uns des autres qu'il n'est même plus possible de fabriquer la carte.

La solution est donc de vous renseigner sur les capacités de votre fabricant avant de commencer votre placement et de définir ces valeurs en tant que règles de conception dans votre projet de PCB.

Pour vous assurer de respecter les règles d'espacement les plus courantes, intéressez-vous aux espacements suivants :

• Espacement entre les pistes
• Espacement entre une piste/pad et un polygone
• Espacement entre une piste et un pad 
• Espacement entre les pads

Les deux derniers points s'appliquent aux pads de CMS et aux pads de contact des trous traversants (vias ou broches de composants).

Veuillez noter que ces valeurs augmentent pour un poids de cuivre supérieur afin de compenser les gravures.

Appliquer un chevauchement sur les trous de perçage

Si vous avez suivi les recommandations d'espacement ci-dessus et défini vos valeurs minimales d'espacement entre les pads, vous avez peut-être déjà été confronté à ce point : des trous de perçage trop rapprochés risquent de se chevaucher en raison du phénomène de déviation des perceuses à commande numérique.

En effet, chaque trou de perçage sera légèrement décentré par rapport à son emplacement attendu, et ce décalage doit être pris en considération lors du placement des vias et des trous traversants. Il ne suffit donc pas de respecter les espacements prescrits entre les pads de vias et de trous traversants pour obtenir un espacement satisfaisant entre les trous de perçage.

Supposons que vous placiez ainsi un via de 10 mil avec un pad de 12 mil. Si votre contrainte d'espacement n'est que de 5 mil pour les pads, mais qu'elle passe à 10 mil pour les trous de perçage, vous dépasserez alors la limite d'espacement entre les trous de 3 mil si vous vous conformez uniquement à la règle d'espacement entre les pads.

Un problème similaire peut apparaître entre les trous de perçage qui traversent un plan, à l'image de l'espacement entre le dissipateur thermique et le plan de masse ci-dessous. Les deux zones vertes indiquent l'espacement entre la paroi du via et un plan pour ces signaux. Ici, la bande restante est réduite et ne pourra pas être fabriquée.

Cet exemple est un cas particulier où un tel défaut de fabrication n'entraînera pas le dysfonctionnement du dispositif, mais cela n'est pas toujours le cas. Si un tel défaut venait à se manifester entre deux trous traversants sur la couche de surface, un pont risquerait alors d'apparaître pendant le soudage, car le petit élément en cuivre serait probablement gravé au cours de la fabrication.

Ici, la solution la plus évidente consiste à utiliser un pad de diamètre supérieur, ce qui est exactement ce que vous feriez pour satisfaire aux exigences de base de la classe IPC. Utilisez un pad d'au moins 8 mil (diamètre du foret) pour être assuré de presque toujours respecter les contraintes d'espacement entre les trous de perçage.

Caractéristiques des petits formats

Lorsqu'on commence à placer des composants et des pistes sur une carte, il est toujours tentant de réduire inutilement la dimension des pistes, des trous de perçage et des pads.

Si les règles d'espacement limitent la distance entre chaque élément, les dimensions minimales des éléments constituent une contrainte de conception tout aussi importante.

Le diamètre minimum des trous et la largeur minimale des pistes sont les deux dimensions les plus courantes à définir. Il suffit pour cela de consulter les dimensions proposées par votre fabricant et de les ajouter à vos règles de conception.

Dans la plupart des cas, ces limites de fabrication sont généralement de 4 mil pour la largeur des pistes et de 6 mil pour le diamètre des trous de perçage. Pour des cartes plus simples, sans impédance contrôlée, il est toutefois préférable de choisir une largeur de piste comprise entre 8 à 10 mil et un diamètre de trou de 10 mil.

Bandes de vernis d'épargne

Il s'agit d'un aspect souvent négligé de l'assemblage qui permet pourtant de garantir que les ouvertures du vernis d'épargne remplissent efficacement leur rôle de barrage entre deux composants proches lors du soudage.

Même si vous respectez l'espacement entre les pads, une ouverture trop importante du vernis d'épargne sur un pad NSMD est susceptible de créer un canal très fin de vernis d'épargne entre les pads.

L'exigence de largeur minimale standard de ruban de vernis d'épargne est de 5 mil. Lorsque ce ruban est inférieur à la limite du fabricant, il risque, en effet, de se détacher après avoir durci et de créer ainsi un canal de soudure entre deux pads.

La solution consiste à augmenter l'espacement ou à réduire l'ouverture du vernis d'épargne au niveau du via concerné afin de conserver une bande suffisamment large.

Chevauchement de la sérigraphie

Une fois le placement et le routage terminés, la sérigraphie doit être contrôlée afin de s'assurer qu'il n'existe aucun chevauchement entre les désignateurs de référence. Dans le cas contraire, il suffira de déplacer les désignateurs en conséquence sur le schéma de montage.

Bien que cette étape ne soit pas techniquement nécessaire pour réussir la fabrication ou l'assemblage de votre circuit, un fabricant méticuleux signalera ce problème lors de la révision de votre conception.

Le chevauchement de la sérigraphie avec des pads/trous qui doivent recevoir de la soudure constitue en revanche un problème plus important.

Assurez-vous de bien contrôler ce point, soit au moyen d'une visionneuse de modèle 3D, soit en examinant directement vos fichiers Gerber.

Les recommandations abordées ci-dessus devraient résoudre les problèmes de conception pour la fabrication de PCB les plus fréquents.

Ces recommandations sont amenées à s'intégrer pleinement à votre processus de conception. Une fois ces points ajoutés à vos règles de conception, vous pouvez les vérifier à tout moment dans le cadre d'une revue de conception, avant d'envoyer votre carte en production.

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