Conseils de conception de circuits imprimés pratiques pour carte non-routable sur le logiciel de routage électronique

J'ai grandi à l'époque où la PlayStation n'existait pas encore. À l'époque, les consoles génériques régnaient aux côtés de leurs homologues haut de gamme comme la Super Nintendo et la Sega. J'ai découvert que je pouvais être très obstiné en jouant à Super Mario, où un drôle de personnage se met à tirer des boules de feu lorsque des champignons lui donne d’incroyables pouvoirs. J'ai perdu le compte du nombre de fois où j’ai joué et rejoué la totalité du jeu, même si j'ai toujours fini par être battu au dernier niveau. Comme il n'y avait pas de "Secours" et de "Continuer" à l'époque, j'ai passé d'innombrables heures à essayer de vaincre le crocodile.

Heureusement, j'ai été un peu plus malin pour résoudre les problèmes de routage de mon PCB causés par des contraintes dimensionnelles. Au début de votre carrière d'ingénieur en matériel informatique, vous pouvez croire que la conception des circuits imprimés est un processus amusant qui consiste à arranger des composants et à créer des connexions. Cette idée fausse est vite effacée, dès que vous devez passer plusieurs jours à faire un routage pour un projet qui vous paraissait pourtant simple. Si vous êtes confronté à des problèmes de routage, où un routage qui semble impossible, essayez des conseils de conception de circuits impriméspour démarrer votre stratégie de routage :

1. Utilisez des composants plus compacts
2. Pivotez les composants
3. Réorganisez vos composants
4. Utilisez des pistes, des vias, des dégagements plus petits
5. Utilisez un PCB multicouche

Pourquoi un PCB peut-il être non-routable ?

Si vous travaillez dans l'industrie depuis assez longtemps, vous savez que dans certains cas le routage peut s’avérer non seulement difficile, mais aussi impossible, pour plusieurs raisons bien différentes. Si vous débutez dans la conception des PCB, vous rencontrerez forcément un jour une situation complexe où l’agencement, le routage de la carte pose des problèmes extrêmement complexes.

Diverses raisons peuvent expliquer les impossibilités de routage. Nombre d’entre elles sont liées aux choix de l’agencement déterminés après la capture du schématique. Une stratégie d'agencement mal conçue, des composants mal choisis, des couches insuffisantes ou un mauvais empilage des couches, et des pistes mal dimensionnées sont autant de raisons pour lesquelles un routage peut devenir impossible. Dans certains cas, il suffit simplement que l’espace prévu soit insuffisant. Vous n'avez alors pas d'autre choix que d'augmenter la taille de votre carte. Cependant, avant d’agrandir votre carte et de mieux répartir vos composants, essayez certains de nos conseils de conception de circuits imprimés. Vous verrez alors que le routage redevient facile.

Conseils de conception de circuits imprimés si le routage est trop improbable

1. Utilisez des composants plus compacts

Si vous continuez d’utiliser des composants à trous traversants, vous devez avoir de bonnes raisons de le faire. Ils occupent des surfaces plus importantes par rapport à leurs homologues montés en surface. Les composants montés en surface sont disponibles sous différents facteurs de forme. Plus les facteurs de forme choisis sont petits, plus vous aurez de la place pour passer vos pistes en cuivre.

Si vous choisissez des matrices de billes (boîtiers BGA) au lieu de composants plats quadruples (QFP - quad flat package), vous aurez une meilleure surface disponible pour le routage. Bien entendu, l'utilisation de facteurs de forme plus petits peut rendre les réparations manuelles plus difficiles, car elles exigent un niveau de précision et de compétence technique plus élevé.

_{Conseils de conception de circuits imprimés : Choisissez des composants plus petits lorsque vous y êtes obligé.}

2. Pivotez les composants

Vous vous demandez peut-être comment des éléments rotatifs peuvent solutionner les problèmes d’un routage impossible ? Prenons par exemple la carte ci-dessous. Les deux circuits intégrés se font face, permettant de router facilement les pistes directement entre les deux puces sur la couche de surface. Si le CI de gauche pivote de 90 degrés, les pistes doivent passer par l'extérieur du CI pour établir les connexions nécessaires. S'il y a suffisamment d'espace sur la couche de surface, la rotation pourrait ne pas poser de problèmes, mais elle peut rendre difficile le placement des structures correspondant à la longueur. Si la couche est trop exiguë, vous risquez d’être confronté à un routage impossible.

_{Conseils de conception de circuits imprimés : Avec un CI caractérisé par un nombre de broches élevé, la rotation peut aligner les broches et rendre le routage beaucoup plus facile.}

3. Réorganisez vos composants

La réorganisation des composants est évidemment plus complexe qu’une simple rotation. Il s'agit de créer un plan de carte plus efficace avant de router les pistes. Le bon sens suffit parfois pour bien organiser les composants sans gaspiller d’espace si précieux. Les points suivants exigent toute votre attention :

• Placez les composants en cascade les uns à côté des autres et en séquence. Cela élimine les va-et-vient inutiles sur toute la carte.
• Consolidez les composants autant que possible. Par exemple, au lieu d'utiliser plusieurs petites résistances en parallèle ou en série, utilisez une seule résistance pour fournir la résistance souhaitée.
• Regroupez les composants en blocs fonctionnels et placez les blocs en interaction les uns près des autres. Cela réduit l'espace entre les groupes d'éléments qui doivent communiquer entre eux.
• Les composants qui doivent être connectés à un connecteur plat doivent être placés le plus près possible du connecteur. Les autres composants de la chaîne du signal doivent ensuite être mis en cascade comme indiqué ci-dessus.

Vous êtes probablement déjà bien informé sur la séparation des composants analogiques et numériques (CAN) dans les différentes sections d’une carte à signaux mixtes. Les convertisseurs analogiques/ numériques doivent alors chevaucher la ligne de séparation entre ces deux groupes de composants pour éviter les interférences entre signaux mixtes. Dans ce type d'agencement, placez les composants au plus près des CAN auxquels ils doivent être connectés, et éloignez les autres composants de cette partie de la carte.

^{Conseils de conception de circuits imprimés : Avec un CI caractérisé par un nombre de broches élevé, la rotation peut aligner les broches et rendre le routage beaucoup plus facile.}

4. Utilisez des pistes, des vias, des dégagements plus petits

De nombreuses conceptions anciennes de circuits imprimés n'étaient pas fabricables, mais de nombreuses contraintes de fabrication ont depuis été surmontées. Les concepteurs peuvent opter pour des vias, des pistes et des dégagements plus petits pour planifier des routages, allant jusqu'au régime IDH dans des panneaux très denses. Certaines conditions peuvent limiter votre capacité à utiliser systématiquement des pistes plus petites :

• Contrôle d’impédance : Lorsque des pistes sur votre carte se comportent comme des lignes de transmission, comme c'est le cas à des fréquences et des débits élevés, vous devrez utiliser le routage à impédance contrôlée. Cela limite la largeur de piste utilisable à des valeurs spécifiques.
• Paires différentielles : Les paires différentielles nécessitent un espacement spécifique pour que l'impédance différentielle prenne une valeur spécifique.
• Conception à courant fort Les pistes transportant un courant fort doivent être conçues avec une largeur spécifique pour limiter l'augmentation de la température.
• Conception avec tension élevée : Dans les cartes fonctionnant à haute tension, les pistes et autres conducteurs doivent être suffisamment espacés pour éviter les décharges électrostatiques. Veillez à vérifier les distances de dégagement et d’isolement entre les conducteurs exposés.

5. Utilisez un PCB multicouche

Le coût est certainement un des facteurs clés de la conception électronique. La plupart des nouveaux concepteurs choisissent des conceptions à simple ou double couche lorsqu'un PCB multicouche n’est pas immédiatement nécessaire. Le déplacement des connexions d'alimentation et de mise à la terre sur les couches intermédiaires d'un PCB est une excellente solution pour libérer un espace important sur la couche extérieure. La création d’un grand plan d'alimentation et de mise à la terre assure également une alimentation stable pour les composants du PCB.

_{Conseils de conception de circuits imprimés : Choisissez un PCB multicouche pour disposer d’un plus grand nombre de surface de routage.}

Les conceptions modernes sont construites sur des PCB à 4 couches au minimum. Ces cartes incluent un plan d'alimentation interne et un plan de masse, ce qui laisse les couches de surface disponibles pour vos composants. À mesure que la densité des pistes et des composants augmente, vous devrez utiliser plus de couches pour accueillir les pistes supplémentaires nécessaires pour vos connexions. Ces couches internes sont essentielles pour regrouper un plus grand nombre de composants sur une carte, car elles libèrent de l'espace sur les couches de surface. Utilisez les meilleures pratiques en matière d'empilage des PCB lorsque vous travaillez avec des cartes multicouches.

Est-il judicieux d’utiliser le routage automatique après ces changements ?

Les concepteurs expérimentés que je connais s’opposent toujours au routage automatique pour plusieurs raisons. Généralement, ils travaillent sur des conceptions très complexes dont les contraintes ne peuvent pas être prises en compte par des outils de routage automatique ordinaires. Dans certains cas, les résultats d'un routage automatique doivent être modifiés de toute façon, et le concepteur peut obtenir un meilleur routage sans violation des règles et sans utiliser le routage automatique.

Si vous souhaitez continuer d’apprendre des stratégies de routage des PCB, ou si vous aimez faire de nouvelles expériences, n’hésitez jamais à essayer le routage automatique. Les algorithmes fondamentaux des routeurs automatiques n'ont cessé de s'améliorer au fil du temps. Ils sont suffisamment puissants pour créer des routages cohérents entre toutes les couches d’un PCB.

Vous pouvez aussi choisir le routage automatique interactif, qui est une forme de routage automatique guidé. Avec ce type d'outil, le concepteur donne des instructions de haut niveau en sélectionnant des points spécifiques sur la carte, et le routeur comble les lacunes en routant les pistes entre les différents points. Vous pouvez router un plus grand nombre de pistes simultanément tout en respectant vos contraintes de conception. Après avoir vérifié que votre PCB est physiquement routable, vous pouvez commencer à effectuer manuellement certaines connexions critiques avant de laisser la partie automatisée de l'outil terminer le travail.

_{Conseils de conception de circuits imprimés : Le routage auto-interactif dirige les pistes entre différents points, et le routeur comble les écarts entre les points.}

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