Comment réaliser le routage d’un PCB ?

Zachariah Peterson
|  Créé: June 4, 2021  |  Mise à jour: November 25, 2021
Routage de PCB

Le routage des pistes et des vias sur une conception de PCB est souvent considéré comme une tâche simple. Après avoir importé la carte et arrangé les composants sur celle-ci, il semble relativement facile de commencer à connecter les composants avec du cuivre. Bien que cela ait pu être vrai à l'époque des composants TTL DIP à faible vitesse sur des cartes simples, les exigences de conception actuelles sont beaucoup plus complexes. Les pistes sur un PCB peuvent être assorties d'exigences de conception très spécifiques destinées à garantir l'intégrité du signal pendant le routage.

Même si les traces peuvent avoir des exigences de routage spécifiques, les fonctions de routage les plus avancées des PCB actuels peuvent vous aider à définir et à suivre des règles de conception pour vos pistes. Les principales techniques de routage que vous utiliserez pour votre carte dépendent de la norme de signalisation avec laquelle vous travaillez et de la topologie de routage requise. Si c'est la première fois que vous concevez un PCB et que vous êtes prêt pour la phase de routage, ne vous tracassez pas. Nous allons vous montrer comment faire le routage d’un PCB et déterminer les exigences de routage que vous devez suivre dans votre PCB.

Commencer le routage du PCB

Tous les PCB doivent comporter du cuivre pour relier les composants sur la couche de surface ou les couches internes, appelées pistes. Ce que l'on qualifie de dispositif "simple" dépend de plusieurs facteurs qui détermineront la conception appropriée des pistes que vous utiliserez dans votre PCB. Voici quelques-unes des exigences importantes en matière de conception du routage que vous trouverez dans les normes de signalisation à basse et à grande vitesse :

  • La capacité de transport de courant des pistes, car les cartes à courant élevé peuvent nécessiter des pistes de grande taille, voire des polygones.
  • La largeur des pistes à utiliser sur la carte, qui garantira la manufacturabilité et affectera la diaphonie.
  • Tout signal à impédance contrôlée, qui nécessite une largeur spécifique qui doit être définie en fonction de l’empilage du PCB.
  • La topologie de routage, qui détermine la façon dont les pistes se connectent à plusieurs composants.
  • Les pertes totales le long d'une piste, qui déterminent la longueur maximale autorisée de la piste.
  • Le skew autorisé dans les bus parallèles et les paires différentielles. Les protocoles avec des horloges synchronisées à la source (SPI ou I2C) et les bus parallèles ont tous des spécifications de skew maximum.

En tant que concepteur, votre travail consiste à trouver un équilibre dans tous ces domaines et à déterminer quels sont les points les plus importants de la liste ci-dessus pour les différents nœuds. Par exemple, les conceptions à grande vitesse reposent sur une impédance contrôlée avec des paires différentielles, tandis que les conceptions à courant continu élevé doivent avoir des pistes larges qui n'ont pas nécessairement une impédance spécifique.

Pour commencer, examinons certaines des exigences de routage pour des cartes plus basiques. Ensuite, nous passerons à des conceptions plus avancées.

Routage des pistes d’un PCB simple

Si votre conception ne fonctionne pas à des vitesses élevées, elle n'est pas assez dense pour créer des problèmes de diaphonie et vos pistes doivent transporter du courant faible. Vous êtes généralement libre de sélectionner une largeur de piste qui s'adapte facilement aux broches et aux fils de vos composants. Les largeurs de piste comprises entre 5 et 15 mils peuvent être utilisées dans ces conceptions, car elles seront suffisamment petites pour être routées directement dans les pastilles de la plupart des composants. Un exemple basique avec un ampli-op est montré ci-dessous. Dans celui-ci, les pistes sont routées entre un circuit intégré à faible vitesse, quelques résistances et des condensateurs.

Comment réaliser le routage d'un PCB ?

Les conceptions plus simples comme celle-ci ne sont généralement pas affectées par l'impédance, les topologies de routage standards ou le courant élevé. Cependant, très peu de conceptions modernes sont suffisamment simples pour permettre de ne pas devoir déterminer de règles de routage. La plupart des conceptions modernes requièrent un certain niveau de conception des pistes.

Les règles de routage pour les PCB modernes

Les cartes d'aujourd'hui, même celles qui n'utilisent qu'un simple MCU et des étages de faible puissance, nécessitent un certain niveau de conception des pistes et des règles de routage pour garantir l'intégrité du signal. Les concepteurs doivent déterminer les exigences géométriques des pistes pour leurs connexions afin de garantir la fiabilité et l'intégrité du signal.

  1. Déterminez les exigences en courant d'une piste donnée ; le routage dans les circuits d’alimentation d'un PCB peut transporter un courant élevé.
  2. Si le courant sera très faible (moins de 1 A), déterminez si un contrôle d'impédance est nécessaire en consultant les fiches techniques de vos composants ou votre norme de signalisation.
  3. Calculez la largeur de piste nécessaire pour atteindre votre cible d'impédance si le contrôle d'impédance est nécessaire. Calculez également l'espacement nécessaire entre les pistes si des paires différentielles sont nécessaires.

Si le contrôle de l'impédance est nécessaire, il est probable qu'une topologie de routage sera mise en place avec des paires asymétriques ou différentielles. Assurez-vous de vérifier vos normes de signalisation pour déterminer vos exigences de routage. Ces exigences inclueront des éléments tels que le contrôle de perte (détermine la longueur totale), les exigences d'impédance et le décalage de longueur autorisé dans les paires différentielles ou dans un bus parallèle.

Une fois que vous avez déterminé les exigences de routage de votre carte, vous pouvez définir des règles de conception pour des nœuds spécifiques de votre conception. Cela implique de définir des largeurs de pistes minimales ou maximales dans vos règles de conception. Vos outils de routage utiliseront ces spécifications pour définir la largeur de piste lors du routage des pistes.

Impédance et topologie de routage

Lorsque vous avez besoin de contrôler l'impédance de votre circuit imprimé, vous devez déterminer l'impédance à l'aide de plusieurs méthodes. Il existe des formules que vous pouvez utiliser pour déterminer l'impédance dans votre conception, ou vous pouvez utiliser des applications plus spécialisées pour calculer l'impédance dont vous avez besoin dans votre conception. L'impédance des paires asymétriques et différentielles aura une géométrie définie qui est nécessaire pour garantir que les objectifs d'impédance sont atteints.

La façon la plus rapide de déterminer l'impédance est d'utiliser un logiciel de conception de PCB qui comprend un outil de calcul intégré. Toutes les applications de conception de PCB n'incluent pas ce type d’outil. Par ailleurs, les logiciels qui proposent cet outil fournissent des résultats avec des degrés de précision différents. Les meilleures applications de conception de PCB comprennent un solveur de champ électromagnétique qui calcule automatiquement la géométrie de la piste requise. Ces outils tiendront compte de la constante diélectrique et de la rugosité du cuivre de votre PCB. Ils utiliseront ces informations pour calculer la largeur de la piste et l'espacement de la paire différentielle nécessaires pour atteindre l’impédance escomptée.

Calcul de l'impédance d'un PCB
Le Layer Stack Manager dans Altium Designer comprend un solveur de champ électromagnétique de Simberian qui fournit des calculs d'impédance très précis à une fréquence donnée.

Les topologies de routage des pistes définissent la manière dont les pistes sont routées entre les entrées et les sorties des composants, ainsi que la manière dont les pistes sont raccordées les unes aux autres pour atteindre plusieurs composants. Par exemple, le routage DDR utilise une topologie fly-by, où un seul bus est raccordé pour atteindre plusieurs composants dans la conception. Dans un autre exemple, SPI utilise une topologie de bus similaire, mais avec une terminaison appliquée aux points de charge du bus. D'autres composants peuvent utiliser une topologie point à point pour atteindre plusieurs composants, ce qui est le plus courant lorsqu'une conception exige qu'un seul composant communique avec plusieurs charges sur une seule interface d'entrée/sortie. Assurez-vous de comprendre la topologie de routage nécessaire dans vos normes de signalisation et de savoir si ces pistes nécessitent un contrôle d'impédance.

Routage des pistes dans un PCB

Les pistes de votre circuit imprimé sont routées en pointant et en cliquant simplement sur des endroits de la carte. Au fur et à mesure, les pistes de cuivre seront fixées à l'endroit où l'utilisateur clique sur la souris, pour finalement s'étendre à travers la carte jusqu'à l'emplacement requis. Les outils de routage de votre application d'édition de PCB peuvent automatiquement tourner les coins (normalement à un angle de 45°) lorsque vous routez les pistes dans votre conception. Ils peuvent également placer des vias lorsque vous déplacez des pistes entre des composants du PCB.

Avant de commencer le routage de vos pistes, prenez le temps de développer une stratégie pour les différentes routes afin de vous assurer que vous n'utilisez pas trop de vias ou que vous ne devez pas ajouter des couches supplémentaires pour résoudre la carte. Votre stratégie de routage de circuit imprimé dépendra de la disposition de votre circuit imprimé. En effet, si trop de nœuds se croisent dans la configuration du circuit imprimé, il vous sera plus difficile de router les pistes sans transitions excessives entre les couches. Parfois, vous devrez commencer par les routes les plus faciles. Elles vous aideront à déterminer quelles routes demandent le plus de temps et d'efforts pour être entièrement acheminée dans la configuration du PCB.

Vias de routage de PCB
Certaines routes peuvent être très complexes, comme la sortie de ce BGA. Cette route passe par deux vias et se termine finalement sur la couche de surface

Voici quelques directives importantes à prendre en compte pour le routage des circuits imprimés :

  • Essayez de garder les pistes à impédance contrôlée pour une interface ou un protocole de signalisation spécifique sur la même couche.
  • Minimisez les transitions de via sur les protocoles à grande vitesse et les pistes RF.
  • Veillez à ne pas acheminer les pistes sur des séparations de plans et gardez la trace du chemin de retour dans votre PCB. La meilleure façon de le faire est d'utiliser des régions de masse uniformes.
  • Essayez de garder des pistes courtes et directes. Ne rendez pas les pistes plus longues qu'elles ne doivent l'être.
  • Pour le routage de courants élevés, n'ayez pas peur d'utiliser des polygones pour construire des conducteurs plus grands. Ceux-ci peuvent être utilisés pour créer n'importe quelle forme de conducteur.

L'intégrité du signal est un domaine intimement lié à la conception et au routage de l'empilage du PCB. La disposition des couches planes/GND/PWR, par rapport aux couches de signaux et au routage, est un facteur déterminant de l'intégrité du signal. Le routage sur des sections complètes de GND est le meilleur moyen de garantir que votre conception maintiendra l'intégrité du signal et sera immunisée contre les interférences électromagnétiques (diaphonie, bruit RF externe, bruit de l'alimentation, etc.). Cette simple directive et les règles de routage présentées ci-dessus permettront d'éviter ou de réduire de nombreux problèmes d'intégrité du signal et contribueront à garantir que votre carte reste fonctionnelle.

Les outils de routage les plus avancés qui peuvent vous aider à respecter les directives de base en matière de routage de PCB sont interactifs. En d'autres termes, ces outils sont semi-automatisés et vous permettent de définir des routes pour un groupe de signaux. Les outils de routage placeront les pistes de telle sorte qu'elles obéissent automatiquement à vos règles de conception. Dans ce type de routage, les règles de conception de vos nœuds et groupes de nœuds sont vérifiées automatiquement lors de la création de votre circuit imprimé. De nombreux programmes de conception gratuits et open source vous obligent à tout faire manuellement. Les programmes de conception de PCB avancés, comme Altium Designer, peuvent vous aider à rester productif pendant que vous travaillez sur l'achèvement de l'implantation de votre PCB et sur le routage des pistes autour de votre carte.

Directives de routage d'un PCB
Les fonctionnalités de routage interactives d'Altium Designer fournissent un routage semi-automatique intelligent des circuits imprimés qui obéit à vos règles de conception et aux exigences de routage de base.

Le routage de PCB est beaucoup plus facile lorsque vous utilisez l'ensemble des outils de conception de PCB d'Altium Designer®. Le moteur de règles de conception intégré d'Altium Designer vérifie automatiquement votre routage lorsque vous placez des pistes, ce qui vous permet de repérer et d'éliminer les erreurs avant de terminer la carte. Chaque utilisateur d'Altium Designer a également accès à un espace de travail dédié dans la plateforme cloud Altium 365. Les projets, les données sur les composants, les données de fabrication et toute autre documentation sur un projet peuvent être stockés et partagés avec les collaborateurs.

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A propos de l'auteur

A propos de l'auteur

Zachariah Peterson possède une vaste expérience technique dans le milieu universitaire et industriel. Avant de travailler dans l'industrie des PCB, il a enseigné à la Portland State University. Il a dirigé son M.S. recherche sur les capteurs de gaz chimisorptifs et son doctorat en physique appliquée, recherche sur la théorie et la stabilité du laser aléatoire. Son expérience en recherche scientifique couvre des sujets tels que les lasers à nanoparticules, les dispositifs électroniques et optoélectroniques à semi-conducteurs, les systèmes environnementaux et l'analyse financière. Ses travaux ont été publiés dans diverses revues spécialisées et actes de conférences et il a écrit des centaines de blogs techniques sur la conception de PCB pour de nombreuses entreprises. Zachariah travaille avec d'autres sociétés de PCB fournissant des services de conception et de recherche. Il est membre de l'IEEE Photonics Society et de l'American Physical Society

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