Résoudre les défis modernes de la mise en page des PCB

Les avancées technologiques en matière de PCB sont une épée à double tranchant. Elles ont augmenté la puissance et l'applicabilité de l'électronique. Mais elles rendent également la conception de PCB plus difficile, augmentant le risque de cycles de mise sur le marché plus longs et de coûts de produit plus élevés. Les concepteurs peuvent atténuer ces risques en utilisant un logiciel de conception de PCB unifié qui fournit l'automatisation nécessaire pour mettre rapidement les produits sur le marché et respecter le budget.

INTRODUCTION

« Chérie, j'ai rétréci les gosses. » « C'est un petit monde après tout. » Ce sont des phrases bien connues des fans de Disney – mais elles pourraient tout aussi bien décrire la miniaturisation continue des conceptions de cartes de circuit imprimé (PCB) (Figure 1).

La surface des cartes est restée relativement constante, tandis que le nombre de pistes par pouce carré a triplé au cours des 10 dernières années.

Le nombre moyen de composants a quadruplé en 15 ans tandis que le nombre moyen de pistes par composant a diminué d'un facteur de 4 à 5x.

Le nombre de broches dans une conception a triplé et le nombre de connexions de broche à broche a doublé.

En conséquence, alors que les composants et les produits finis sont devenus plus petits, les agencements de PCB sont devenus plus denses et complexes. Ensemble, la miniaturisation croissante et la complexité des PCB posent plusieurs défis pour les concepteurs de PCB qui sont responsables de faire en sorte que tout s'adapte et fonctionne de manière fiable. Dans une enquête, 53 pour cent des répondants d'entreprises électroniques ont indiqué que l'augmentation de la complexité des PCB était leur principal défi alors qu'ils tentaient de mettre sur le marché le produit le plus compétitif plus rapidement et à moindre coût.(2) Parmi les points douloureux les plus courants de la conception de PCB, on trouve les suivants :

Le routage des matrices de billes à grand nombre de broches (BGAs). La conception de PCB flexibles qui s'adapteront dans des produits de petites tailles et de formes irrégulières. Augmenter la densité de l'agencement des PCB sans augmenter le nombre de couches. Éviter la chute de tension dans les conceptions de PCB complexes et multicouches. Assurer une intégration ECAD-MCAD efficace et une meilleure communication avec les fabricants. Inclure suffisamment de points de test sur un PCB dense et complexe

Tous ces défis peuvent être atténués par une suite logicielle de conception de PCB unifiée et à la pointe de la technologie.

Figure 1. Des brosses à dents aux grille-pain, des systèmes d'assistance à la conduite avancés (ADAS) aux équipements chirurgicaux avancés, des PCB de plus en plus complexes mais minuscules sont le cerveau derrière pratiquement chaque aspect de nos vies.

RÉSOUDRE LES DÉFIS DE ROUTAGE BGA

Les BGA sont une méthode courante pour l'emballage des PCBs et des circuits intégrés (CI) qui ont un nombre élevé de broches ou qui sont extrêmement denses. Les concepteurs de PCB choisissent les BGA car ils peuvent être rentables tout en offrant la flexibilité nécessaire pour répondre aux exigences de miniaturisation et de fonctionnalité. Le problème est que, à mesure que le nombre de broches augmente et que les pas deviennent plus fins, le "dégagement des BGA", c'est-à-dire, le routage des BGA devient plus difficile. Un routage inefficace peut conduire à un nombre accru de couches, ce qui, à son tour, augmente les coûts et peut introduire des problèmes d'intégrité du signal, de délaminage et de problèmes de ratio d'aspect des vias.

Termes à connaître

En particulier, les BGA avec plus de 1 500 broches présentent un défi unique pour le routage (Figure 2). Typiquement, le routage est divisé en deux étapes. D'abord, le concepteur doit connecter les pads BGA de surface aux couches internes du PCB – c'est-à-dire, le fanout. Ensuite, le concepteur doit connecter ces vias des couches internes au reste des composants sur le PCB.

Souvent, le simple routage à partir d'un grand BGA est le principal contributeur au nombre de couches nécessaires pour le routage. Lorsqu'il est effectué manuellement, le processus de dégagement du BGA peut prendre plusieurs jours à un concepteur de disposition de PCB – mais un logiciel de disposition de PCB peut aider à automatiser ce processus, réduisant souvent le temps de routage à de simples minutes. De cette manière, un logiciel de disposition de PCB avancé peut réduire les coûts de disposition de PCB et également réduire le temps de mise sur le marché.

En plus de l'autoroutage, l'Interconnexion à Haute Densité (HDI) peut également aider avec les problèmes de routage de BGA. Voir la discussion sur l'HDI plus loin dans ce document pour plus d'informations.

Figure 2. Router un grand BGA peut être chronophage ; les outils logiciels de disposition de PCB qui offrent une assistance automatisée pour le dégagement de BGA peuvent réduire le temps de routage de jours à minutes. Courtoisie de Engenious Designs

Les outils logiciels de disposition de PCB qui offrent une assistance automatisée pour le dégagement de BGA peuvent réduire le temps de routage de jours à minutes

VOUS VOULEZ QUE LE PCB S'ADAPTE OÙ ?

Dans les premiers temps plus simples de l'électronique, les PCB étaient toujours de gentils rectangles prévisibles. Mais avec l'avènement des dispositifs médicaux portables et l'introduction de l'électronique dans presque toutes les industries imaginables, les PCB doivent souvent être circulaires ou de quelque forme irrégulière, et s'adapter à des espaces difficiles (Figure 3). Prouvant que la nécessité est en effet la mère de l'invention, les concepteurs de disposition de PCB ont conçu des techniques de placement et de routage astucieuses – la plus pratique d'entre elles étant appelée conception rigide-flexible.

Les cartes rigide-flexible sont des cartes PCB rigides traditionnelles interconnectées avec un circuit imprimé flexible qui peut être plié dans de petits espaces ou inséré à travers de petites ouvertures. Lors de la conception d'une carte rigide-flexible, les concepteurs doivent considérer plusieurs domaines où des problèmes peuvent survenir. Par exemple, les courbures doivent être conçues avec précision pour que les cartes s'alignent correctement sans exercer de stress sur les points de connexion, et l'empilement (la carte des couches de PCB) doit être conçu en tenant compte de ces courbures.

Rappelant les poupées de papier, les concepteurs de PCB utilisaient auparavant des modèles en papier pour simuler et tester les conceptions rigide-flexible. Actuellement, les logiciels de disposition de PCB de pointe fournissent une modélisation en trois dimensions (3D) des assemblages rigide-flexible – y compris les formes étranges – ce qui permet une conception plus rapide et améliore considérablement la précision.

Figure 3. Cet assemblage de circuit Bluetooth rigide-flex s'insère dans un connecteur de scalpel auto-cautérisant. Avec l'aimable autorisation de Engenious Designs.

INTÉGRER PLUS DE COMPLEXITÉ DANS DES ESPACES PLUS PETITS

Comme mentionné précédemment, l'autoroutage peut aider à optimiser une disposition de PCB et à minimiser le nombre de couches. Une autre manière d'augmenter la densité sur un PCB sans augmenter le nombre de couches est d'utiliser l'HDI – une technique de disposition qui utilise des traces très fines et des vias aveugles, enterrés et des microvias (Figure 4). L'HDI peut offrir un coût inférieur avec une performance supérieure si conçu correctement.(3)

L'HDI offre plusieurs options flexibles pour la topologie de routage et la disposition du PCB. Cependant, bien que l'HDI résolve certains problèmes de routage et de densité, il pose son propre ensemble de problèmes, y compris les suivants (4) :

Espace de travail limité sur le circuit

Composants plus petits et espacement plus dense

Plus grand nombre de composants des deux côtés du PCB

Parcours de traces plus longs créant des temps de vol de signal plus longs

Plus de parcours de traces nécessaires pour compléter le circuit

Les concepteurs de PCB peuvent utiliser des logiciels de disposition de PCB pour aider à résoudre ces problèmes et potentiellement réduire le nombre de couches nécessaire.

Figure 4. Un exemple de modèle HDI pour des circuits larges et denses avec plusieurs BGAs à grand nombre de broches.

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SE PROTÉGER CONTRE LES CHUTES DE TENSION

Les premiers PCB présentaient des machines très simples et un réseau de distribution d'énergie (PDN), composé d'un large plan de masse et de composants de plan d'alimentation sur les couches internes. Les avantages d'une telle conception incluent un chemin de masse à faible impédance et une grande quantité de courant provenant de cette masse de cuivre pour alimenter tout besoin de CI. Mais résoudre les défis de disposition modernes des PCB n'est pas si simple. Ils fonctionnent souvent sous plusieurs tensions, même pour le même CI, ce qui nécessite plusieurs plans de masse et d'alimentation. Cela crée potentiellement toute une série de problèmes, tels que des problèmes thermiques et de délaminage causés par le rétrécissement du plan d'alimentation (qui augmente la densité de courant) et des interférences électromagnétiques causées par des discontinuités dans le plan de masse.

Mais surtout, la fragmentation du plan d'alimentation entraîne une réduction de la quantité de cuivre dans le plan d'alimentation, et donc une capacité de transport de courant moindre. Lors de la commutation, lorsque le courant est à son maximum, une conception médiocre peut ne pas être capable de fournir suffisamment de courant, ce qui entraîne une chute de tension (également appelée chute DC ou chute IR) au niveau du CI (Figure 5). Une tension insuffisante provoquera des dysfonctionnements, qui dans certains cas (comme dans les applications automobiles qui contrôlent la transmission, le moteur ou les fonctions de freinage) peuvent être catastrophiques. Pour compliquer les choses, de telles chutes de tension sont souvent intermittentes, se produisant uniquement sous certaines conditions de commutation. Cela les rend difficiles à tester ou à diagnostiquer avec des techniques manuelles.

Heureusement, une bonne suite logicielle de conception de PCB peut effectuer une analyse du réseau de distribution d'alimentation (PDN), parfois appelée analyse IR ou simulation d'intégrité de puissance DC (PI-DC), qui vérifie que les plans, les pistes et les vias sur la carte ont des dimensions et des caractéristiques suffisantes pour répondre aux exigences de consommation d'énergie des dispositifs sur la carte. En identifiant les zones de la conception susceptibles de conduire à des chutes de tension problématiques, une telle analyse permet aux concepteurs de créer des conceptions de PCB fiables et efficaces.

Figure 5. Même si chaque forme de cuivre a une résistance relativement faible de seulement 0,25Ω, elles ont provoqué la chute de la tension à la charge de 5V à 4,5V.

AMÉLIORER LA COMMUNICATION ET LA COLLABORATION

Trop souvent, les ingénieurs électriques et mécaniques travaillent en silos. Ce manque de communication et de collaboration peut entraîner des conceptions qui ne respectent pas leurs délais ; chaque ordre de modification d'ingénierie (ECO) ajoute du temps et des coûts au développement du produit et émousse l'avantage concurrentiel de votre entreprise. Et même lorsque la conception est terminée, communiquer cette conception au fabricant peut créer de la frustration et des inexactitudes – augmentant à nouveau le temps et le coût de développement.

Le meilleur logiciel de disposition de PCB résout les défis d'intégration ECAD-MCAD en faisant ce qui suit :

Intégrant de manière transparente les flux de travail de conception mécanique dans votre outil de conception électrique

Partageant les informations de gestion de projet à travers les domaines

Permettant la visualisation 3D de la conception du PCB

Supportant la vérification en temps réel des dégagements pour les composants et les enceintes mécaniques

Permettant les prototypes virtuels d'éléments de conception complexes comme les sections rigide-flex

Des fonctionnalités telles que celles-ci préviennent les ruptures de communication et aboutissent à des conceptions qui sont achevées dans les délais et le budget prévus.

Lorsque la conception est terminée, il est tout aussi important que votre suite logicielle de mise en page de PCB prenne en charge la création de documentation qui indique précisément à votre fabricant ce que vous souhaitez. Par exemple, le fabricant doit savoir comment votre PCB et vos composants s'intègrent dans la conception globale du produit et quels composants ils doivent avoir en stock. Cela est mieux accompli avec des impressions 3D et des vidéos qui communiquent clairement les détails de conception complexes.

INCORPORER DES POINTS DE TEST MÊME SUR DES MISES EN PAGE DE PCB DENSES

À mesure que l'espace disponible sur les PCB continue de se réduire en raison de l'augmentation de la densité des composants et de la miniaturisation, ils deviennent plus sensibles au jitter, au diaphonie et aux interférences électromagnétiques. Cela signifie que tester le PCB est plus important que jamais ; cependant, ironiquement, cela signifie également que l'espace disponible pour les points de test est minimisé. Les concepteurs de mise en page de PCB peuvent utiliser le logiciel de mise en page de PCB pour « concevoir pour le test », en incorporant des points de contact pour les sondes volantes afin que les ingénieurs de test puissent tester les circuits (Figure 6).

Les mises en page de PCB denses et à haute fréquence rendent souvent difficile la réservation d'espace sur le circuit pour les points de test. Mais les PCB qui ne donnent pas aux fabricants des points d'accès critiques risquent une très faible couverture de test (30 pour cent ou moins) et manquent des tests critiques nécessaires. Une couverture de sondage de test adéquate devrait être de 70 à 80 pour cent accessible. (5)

Les techniques suivantes peuvent aider à libérer de l'espace supplémentaire pour les points de test (6) :

Laissez une bande de masque de soudure à l'extrémité du pad du composant.

Ne couvrez pas entièrement le pad de la via avec du masque de soudure.

Utilisez uniquement la portion de cuivre exposée laissée ouverte comme point pour une sonde de test.

Expérimenter ces techniques manuellement pourrait prendre pas mal de temps. Cependant, le bon logiciel de conception de PCB peut vous aider à concevoir pour le test facilement et rapidement, résultant en une conception et une performance de PCB de meilleure qualité.

Figure 6. Il est important de concevoir pour le test, en fournissant des points de test adéquats dans l'agencement du PCB.

Il est important de concevoir pour le test, en fournissant des points de test adéquats dans l'agencement du PCB

GARDEZ UN AVANTAGE COMPÉTITIF EN UTILISANT UNE SUITE LOGICIELLE UNIFIÉE POUR L'AGENCEMENT DE PCB

Les avantages supplémentaires de l'utilisation d'une suite logicielle unifiée pour l'agencement de PCB incluent une interface utilisateur cohérente pour la conception, les tests, la gestion de projet et la collaboration ; un dépôt unique pour les données pour aider à augmenter la précision et la sécurité ; et une efficacité accrue résultant de la réalisation de toutes les tâches de conception de PCB dans un environnement unique et cohérent.

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