Le concepteur de circuits imprimés Rick Hartley: Le gourou de l'intégrité du signal et de la haute vitesse

Rick Hartley dans les premiers jours de la conception de circuits imprimés, collant des bandes en Mylar à la main.

Judy Warner : Rick, pouvez-vous commencer par nous donner un rappel de votre parcours, de votre carrière et des types de produits vous avez conçus ?

Rick Hartley : J'ai commencé ma carrière dans l'électronique en 1965 à l'âge de 20 ans. J'étais technicien pendant plusieurs années dans un département de R & D et le soir, j'étudiais en classe l'ingénierie électrique. Après un certain temps, je suis devenu technicien sur le terrain, ce que j'ai fait pendant deux ans. Ensuite, j'ai intégré un département d'ingénierie en tant que « concepteur ». Les « concepteurs » concevaient alors des cartes de circuits imprimés, des boîtiers, des faisceaux de câbles, des câbles, tout ce qui se trouvait dans le produit, à l'exception du circuit lui-même. J'ai travaillé là pendant plusieurs années, puis, comme j'avais un certain bagage technique, j'ai obtenu un poste d'ingénieur électricien, dans le cadre où j'ai passé plusieurs années à concevoir des circuits.

Un jour, mon patron est venu me dire : « Écoutez, vous avez une longue expérience dans la conception de circuits imprimés et nous avons de nombreux projets dans ce domaine. Seriez-vous d'accord pour partager votre temps – 50/50 – entre la conception de circuits électroniques et la conception de cartes électroniques pendant les six prochains mois ? J'ai répondu : « Bien sûr, cela ne me dérange pas du tout. » Donc, c'est ce que j'ai fait et après six mois, je me suis rendu compte que ma véritable passion, c'était la conception des cartes électronique, et non la conception des circuits eux-mêmes.  J'ai donc décidé, en toute conscience, de passer de la conception de circuits à la conception de cartes électroniques. Beaucoup de concepteurs, lorsqu'ils ont appris cela, ont pensé que j'étais un peu fou.

Rick Hartley

Warner : Pas étonnant qu'ils l'aient pensé ! Ce changement de carrière semblait plutôt contradictoire.

Hartley : Oui, ils m'ont dit : « Quel masochiste, pour qui il se prend ce type ? » Mais j'aimais vraiment concevoir des cartes plus que de concevoir des circuits. C'était une décision bien réfléchie. Heureusement, c'était un changement latéral, et je suis resté sur la même échelle salariale. Lorsque je suis parti pour travailler dans d'autres entreprises, j'ai eu la chance de pouvoir continuer à être payé au même niveau qu'un ingénieur électricien. Donc, pour moi, les choses se sont plutôt bien déroulées.

Warner : Sur quel genre de produits avez-vous travaillé durant toutes ces années ?

Hartley : Les produits sur lesquels j'ai travaillé durant toutes ces années... Mes premières expériences, je les ai passées en grande partie à concevoir des contrôles industriels dans les ateliers d'usine qui utilisaient des systèmes de retour en boucle fermée pour contrôler ce qui entrait dans un produit. Par exemple, nous mesurions les plastiques au fur et à mesure de leur fabrication. Nous mesurions les quantités de résine et d'air qui entraient dans le mélange pour s'assurer qu'ils était bien distribués, que l'épaisseur était bonne et que le mélange était correct quel que soit le matériau. Donc, notre système mesurait essentiellement le plastique durant sa fabrication et contrôlait son écoulement. Nous avons fait la même chose avec du papier, et avec toutes sortes de produits. Je pense avoir passé les 17 premières années de ma carrière dans ce domaine, puis je me suis tourné vers la conception d'ordinateurs car on était alors dans les années quatre-vingt.

Warner : Je m'en souviens bien, c'était l'explosion de l'électronique pour les ordinateurs personnels et les périphériques.

Hartley : J'ai d'abord travaillé pour une entreprise qui fabriquait des ordinateurs robustes capables de fonctionner dans toutes sortes d'environnements. On aurait pu littéralement laisser tomber notre ordinateur du troisième étage d'un bâtiment, et il aurait toujours fonctionné.

Warner : Quelles étaient les applications ? Des chantiers de construction et d'autres endroits similaires ?

Hartley : Toutes sortes d'endroits où le matériel est beaucoup secoué et où nos produits devaient pouvoir fonctionner même sous des contraintes très élevées. Donc, la fabrication industrielle, les applications militaires sur le terrain, ce genre de choses. Après quoi, je suis entré dans l'avionique au début des années 90, et j'y suis resté plusieurs années. À la fin des années 90, je suis passé au monde des télécommunications, j'y suis resté cinq ans, puis en 2002, comme vous le savez, le monde des télécommunications s'est effondré.

Warner : Tout à fait.

Hartley : Je suis retourné dans l'avionique en 2003, et j'ai passé le reste de ma carrière professionnelle, jusqu'en 2014, dans le monde de l'avionique. Ainsi, la majorité des produits sur lesquels j'ai travaillé ont été des systèmes industriels de contrôle, des ordinateurs, des systèmes avioniques et des équipements de télécommunications. Maintenant, je suis semi-retraité, formateur et consultant.

Rick Hartley enseigne régulièrement durant des conférences qui se déroulent dans tous les États-Unis.

Warner : Le dernier endroit où vous avez travaillé à temps plein était L-3 Communications, n'est-ce pas ?

Hartley : C'est exact. On l'appelait L-3 Avionics Systems. Nous concevions et fabriquions de l'avionique pour les avions commerciaux et militaires. Cette entreprise est toujours en plein essor aujourd'hui, elle est excellente, et elle se porte à merveille.

Warner : C'est toujours agréable d'entendre cela de nos jours. Quand je vous ai vu la dernière fois à l'IPC APEX en février, j'assistais à l'un de vos cours et vous avez demandé aux personnes présentes de lever la main si elles étaient aussi des ingénieurs électriciens qui concevaient des cartes électronique. Ensuite, vous leur avez demandé ce qui était plus difficile, le travail d'ingénieur électricien ou la conception de cartes . Pourquoi avez-vous posé cette question et pourquoi pensez-vous que la plupart d'entre nous ont été surpris par le fait que beaucoup de participants ont déclaré que le routage de circuits imprimés était plus difficile ?

Hartley : La première fois que j'ai posé cette question, c'était en 2008, à PCB West. J'ai rencontré deux personnes dans ma classe qui avaient à la fois conçu des circuits et des circuits imprimés pendant près de 20 ans. Je leur ai demandé : « À votre avis, qu'est-ce qui est le plus difficile ? » L'un d'eux s'est littéralement moqué en disant : « Oh, il est bien plus difficile de concevoir des circuits imprimés que des circuits. » Chaque ingénieur électricien présent s'est tourné et l'a regardé avec une telle incrédulité – vous n'imaginez pas leur tête !

Warner : Que c'est drôle ! Et d'après vous, à quoi pensaient-ils tous ?

Hartley : Ils étaient en colère, car en fait, ces deux types bousculaient leur vision des choses. Et cela parce qu'il y a eu une époque où la conception de cartes électronique consistait simplement à connecter des points sur une carte et qu'il s'agissait plus d'un art que d'une science. Ce n'était pas très difficile à l'époque. Certains ingénieurs pensaient qu'il en était toujours ainsi, mais au cours des 25 à 30 dernières années, la conception de circuits imprimés est devenue une véritable tâche d'ingénierie. Nous avons toujours dû résoudre les complexités du placement et du routage, tout en assurant la fabricabilité. Aujourd'hui, vous devez faire tout cela tout en comprenant l'intégrité du signal et la théorie des champs, ainsi que la façon dont les circuits fonctionnent. Comme vous m'avez entendu le dire cette année, dans ce cours sur la distribution de la puissance électrique, à l'IPC APEX, l'énergie réside dans les champs. Une fois que vous comprenez cela, vous commencez à vraiment comprendre les flux énergétiques dans un circuit. Cela change complètement la façon dont vous devriez concevoir des circuits. Les gens qui comprennent parfaitement la véritable nature des deux professions comprennent aussi que la conception de cartes est vraiment la tâche la plus difficile. C'est pourquoi j'ai posé la question et c'est pourquoi je pense que la plupart d'entre vous ont été surpris, parce que vous ne vous attendiez pas à entendre leur réponse. Tout comme les deux types de 2008, ils ont dit : « C'est certain, la conception de la carte est plus difficile. »

Warner : Et ils parlaient clairement en se basant sur des connaissances acquises par expérience car ils exerçaient tout comme vous dans le domaine depuis bien longtemps. Je pense que la plupart d'entre nous pourrait penser que si nous mettions les professionnels de la conception dans une hiérarchie basée sur la difficulté, les ingénieurs électriciens seraient plus élevés dans l'ordre hiérarchique.

Hartley : Exactement. Le travail de l'ingénieur électricien nécessite une formation technique plus approfondie que pour la conception de cartes, mais une fois que ces connaissances sont acquises, les défis quotidiens sont plus importants dans le domaine de la conception de circuits imprimés. Je rencontre parfois des personnes qui font les deux et qui pensent que le travail de l'ingénieur électricien est plus difficile, mais ce sont des exceptions.

Warner : Donc selon vous, la conception de circuits imprimés est devenue beaucoup plus complexe. En particulier, lorsque vous entrez dans les domaines de la RF, des micro-ondes, des ondes millimétriques et du numérique haute vitesse, elle semble devenir incroyablement complexe.

Hartley : Eh bien, la réalité est que les concepteurs de cartes doivent posséder une certaine connaissance de la théorie des circuits. Ils doivent pouvoir regarder un schéma et savoir ce qui se passe. Ils n'ont pas besoin de connaître les détails intimes du circuit mais ils doivent comprendre suffisamment son fonctionnement pour savoir ce que le processeur et le FPGA font, comment la mémoire interagit dans le circuit, comment les composants sont pilotés et comment on y accède. Ce sont tous les éléments qu'ils doivent comprendre suffisamment pour savoir comment les composants doivent être placés les uns par rapport aux autres afin que les lignes de transmission routées se comportent comme prévu. Et ils doivent comprendre la théorie des champs et les problèmes d'intégrité du signal, comme le contrôle de l'impédance et la terminaison appropriée des éléments. Ils doivent savoir comment configurer le bus d'alimentation. Où placez-vous les condensateurs de découplage, sous la matrice à billes ou à côté ? La réponse à cette question dépend entièrement de la position des plans sur la carte. De nombreux ingénieurs ne le savent pas, alors que la plupart des concepteurs de circuits imprimés le savent. Il y a beaucoup d'ingénierie impliquée dans la conception des circuits imprimés de nos jours.

Warner  : Depuis que je suis revenue dans ce secteur vers 2009, j'ai remarqué qu'on demandait à de nombreux ingénieurs très brillants de concevoir leurs propres cartes. Quand je me suis retirée temporairement du secteur en 1998, ces deux rôles étaient la plupart du temps distincts. Les ingénieurs électriciens ne sont tout simplement pas conscients de ce qu'ils ne savent pas en ce qui concerne le routage des cartes, et plus particulièrement des cartes performantes, et malheureusement, cela pose beaucoup de problèmes inattendus.

Hartley : Oui, mais savez-vous ce qui se va passer ? Ils vont faire les mêmes fautes que la plupart des gens font lorsqu'ils passent à ce domaine, comme concevoir des traces trop petites pour être fabriquées, juste pour simplifier le routage. Ils ne vont pas concevoir en vue des processus d'assemblage, de fabrication ou de vérification des cartes. Ils ne vont pas équilibrer le cuivre à l'intérieur de la carte et en surface. Ils utiliseront les mauvais diélectriques sur la carte ou ils placeront les plans et traceront les couches de manière à ne pas créer des empilements équilibrés ou des champs bien confinés. Ils vont faire toutes ces choses que les nouveaux ingénieurs souhaitent classiquement faire et que les concepteurs de cartes expérimentés savent instinctivement qu'il ne faut pas faire. J'ai connu des ingénieurs qui souhaitaient concevoir une carte avec un nombre impair de couches. Chaque concepteur expérimenté sait bien que ça ne se fait pas et il sait aussi pourquoi.

Warner : Il est regrettable que les mêmes erreurs continuent de se répéter, avec chaque nouvelle personne. J'ai beaucoup de compassion pour elles !

Hartley : Ne serait-ce pas fantastique d'avoir un cours de formation essentiel quelque part pour pouvoir enseigner aux gens qui le désirent la façon correcte de concevoir des circuits imprimés ?

Warner : On s'attendrait à ce que ces informations soient désormais intégrées aux cours d'ingénierie électronique.

Hartley : Effectivement, on s'y attendrait. Un autre problème triste, c'est qu'un grand nombre d'ingénieurs électroniciens ne se rendent pas compte de l'utilité de PCB West.

Warner : Mon Dieu ! Les cours que vous y enseignez valent de l'or, sans parler du niveau d'expertise. Vous êtes là, tout comme le Dr. Eric Bogatin, Gary Ferrari, Susy Webb et beaucoup d'autres. Tous les anciens combattants qui ont souffert de toutes ces erreurs et qui sont devenus des experts, désireux d'enseigner à d'autres les raccourcis à prendre et les erreurs courantes à ne pas commettre.

Hartley : La valeur des cours qui sont enseignés à PCB West est énorme ! En plus des personnes que vous avez mentionnées, il y a aussi Dan Beeker, Mark Finstad, Phil Zarrow, Keven Coates, Doug Brooks, Mike Creeden et Doug Smith, pour n'en nommer que quelques-uns. Des enseignants viennent aussi d'usines de fabrication et d'assemblage, de fournisseurs de matériaux, d'entreprises de CAO, en plus de nombreux autres experts du secteur.

Warner : Ce qui m'amène à ma prochaine question : vous êtes devenu un gourou de l'intégrité du signal et de la haute vitesse. Comment en êtes-vous arrivé là ?

Hartley : Eh bien, tout a commencé à la fin des années 70, lorsque je faisais le routage de carte de RF. Comme j'étais aussi un ingénieur électronicien, l'ingénieur de RF avec lequel je travaillais faisait énormément confiance dans ce que je faisais parce qu'il savait que je comprenais ses objectifs et ce dont il avait besoin. Nous avons donc bien travaillé ensemble. Grâce à lui, j'ai commencé à saisir le concept d'un guide d'ondes. En fait, beaucoup de gens pensent que seuls les circuits RF ont des guides d'ondes, car c'est ainsi que les ingénieurs y réfèrent dans ce domaine. La vérité est que toute ligne de transmission qui fonctionne au-dessus des basses fréquences est un guide d'ondes. Une ligne de signal et son chemin de retour dirigent les champs à travers le diélectrique... c'est un guide d'ondes. Oui, les circuits RF sont des guides d'ondes, mais il en est de même pour la plupart des circuits. Ainsi, cela a commencé dans les années 70 avec cet ingénieur de RF. Pendant un certain temps, je suis repassé à la conception numérique, jusqu'au milieu des années 80. Mais c'est vers la fin des années 80 que les temps de montée des circuits intégrés sont devenus suffisamment rapides pour créer des problèmes de bruit et d'EMI dans nos circuits. Franchement, aucun d'entre nous ne comprenait pourquoi. Nous étions tous en train de nous gratter la tête en nous demandant : « Pourquoi ces problèmes ? » Ce que nous ne savions pas, c'est qu'ils n'étaient pas liés à la fréquence d'horloge du circuit, ils étaient liés aux temps de montée. Il m'a fallu quelques années, de la fin des années 80 au début des années 90, pour comprendre cela en observant les circuits en laboratoire, en mesurant les champs qui émanaient d'eux à l'aide de sondes en champ proche et d'un analyseur de spectre et en observant les temps de montée du signal. J'ai finalement réalisé qu'il y avait une relation directe entre le temps de montée du signal et les champs provenant de ces circuits. Une fois que j'avais compris cela, tout a commencé à se mettre en place. Ensuite, je suis allé à PCB West pour la première fois en 1993 et j'ai assisté au cours de Lee Ritchey. J'ai réalisé, en écoutant son cours, que ce type connaissait bien son domaine. J'ai appris énormément de choses de lui auxquelles je n'avais jamais pensé auparavant, mais tout cela avait du sens. Les pièces du puzzle s'adaptaient à tout ce que j'avais appris jusqu'alors. Donc, j'ai essayé de rassembler toutes ces pièces pendant une période de deux à trois ans pour finalement produire un plan pour contrôler l'intégrité du signal dans les circuits, et contrôler et contenir les champs afin d'éliminer les bruits et les problèmes d'interférence. J'ai abouti à toutes ces données en combinant l'expérience avec la formation. C'est à cette époque que j'ai commencé à acheter des livres. Entre 1990 et aujourd'hui, j'ai acheté plus de 100 livres différents.

Vous ne pouvez pas nommer un seul auteur qui a écrit un livre sur l'intégrité du signal, la conception à haute vitesse, l'EMI ou le contrôle du bruit, que je ne possède pas. Henry Ott, Dr. Howard Johnson, Dr. Eric Bogatin, Dr Bruce Archambeault. Tous ces gars – je possède tous leurs livres et je possède tous les livres des autres auteurs de leur genre. Kimmel et Gerke, Terrell et Keenan, Ralph Morrison – tous les livres que vous pouvez imaginer. Il s'agissait donc de combiner ce que je savais déjà avec la lecture, puis d'assembler les données, deux par deux.

Au cours d'une période de dix ans allant de 85 à 95, je suis arrivé à un stade où je comprenais extrêmement bien ces problèmes. C'est en 1996 que j'ai commencé à enseigner, car je pensais : « J'en sais assez à propos de cela, je peux probablement transmettre à d'autres certains de mes conseils et de mes connaissances. » Et c'était là mon but : aider les autres.

Warner : C'est fantastique, et je sais que beaucoup de personnes ont bénéficié de votre volonté d'enseigner. En outre, vous êtes aussi un professeur naturel.

Hartley : Merci, c'est gentil de votre part.

Warner : Mais oui, vous l'êtes vraiment. Les gens aiment suivre vos cours parce que vous enseignez d'une manière si claire que même une personne comme moi, sans formation technique, peut vous comprendre.

Hartley : C'est tout à fait mon objectif. Un grand nombre de gens qui fréquentent ces cours sont des concepteurs de circuits imprimés qui n'ont pas de passé dans l'ingénierie. Pourtant, ils comprennent que la conception de cartes de circuits est devenue une discipline d'ingénierie. Ils ont besoin de comprendre le sujet et mon objectif est de le transmettre d'une manière aussi claire que possible.

Warner : La première fois que nous nous sommes rencontrés, Rick, nous avons discuté du fait que nous souhaitions tous deux que plus de concepteurs rendent visite à leurs fournisseurs de cartes pour en savoir plus sur la façon dont les cartes sont fabriquées. Pourriez-vous expliquer cela et partager quelques conseils à l'intention des ingénieurs et des concepteurs de circuits imprimés que nous mettrons dans notre prochaine lettre d'information  ?

Hartley : Je serai ravi de le faire.

Warner : Très bien, merci beaucoup, Rick. Je suis impatiente de poursuivre cette conversation et de transmettre certaines de vos sagesses durement gagnées.

Hartley : Je suis moi aussi impatient. En attendant, merci, Judy.