Qu'est-ce qu'un PCB ? Le guide ultime

Un PCB (de l'anglais Printed Circuit Board), ou circuit imprimé en français, est un circuit électrique dont les composants et les conducteurs sont intégrés à une structure mécanique.

Un circuit imprimé est formé de composants et de conducteurs

Qu'est ce qu'un circuit imprimé ?

PCB : définition et fabrication

Un circuit imprimé (ou PCB en anglais) est un circuit électrique dont les composants électroniques et les conducteurs sont intégrés à une structure mécanique. Un PCB est composé de plusieurs couches de cuivre couvertes d’un matériau isolant.

En plus de ses nombreux composants, les circuits imprimés nécessitent des connecteurs tels que des pistes de cuivre, des pads, et des dissipateurs thermiques.

Les différentes couches sont gravées par un procédé chimique. La structure principale est plaquée, puis couverte d'un masque de soudure non conducteur et d'une sérigraphie. Cette dernière indique l'emplacement des composants électroniques sur la carte.

Le circuit imprimé est construit en alternant des couches de cuivre conductrices et des couches de matériau isolant non conductrices.

Pendant la phase de fabrication, les couches internes sont gravées afin de laisser apparaître les pistes de cuivre qui serviront à connecter les composants du circuit. Après la gravure, le matériau isolant est laminé à la surface des couches de cuivre jusqu'à ce que le circuit imprimé soit achevé.

Les pistes relient électriquement différentes zones du circuit imprimé. Les pads, une fois perforés, établissent une liaison électrique, soit entre les composants soudés à travers le PCB, soit entre les différentes couches de cuivre.

Parfois, les pads non perforés servent à souder des composants dit “montés en surface” (CMS). Les dissipateurs thermiques permettent d’assurer le contrôle de la température du circuit imprimé.

Pour que le circuit imprimé fonctionne de manière optimale, il est très important d’avoir un projet bien préparé et organisé. C’est là qu’intervient le meilleur logiciel unifié de conception de PCB, Altium Designer.

Une fois l'ensemble des couches gravées et assemblées, les composants sont posés sur les couches externes du circuit imprimé. Les composants montés en surface sont posés automatiquement par des robots tandis que les composants traversants sont placés manuellement.

Toutes ces pièces sont ensuite soudées sur la carte par l'intermédiaire de techniques telles que la soudure par refusion ou la soudure à la vague. Enfin, l'assemblage final est plaqué, puis le masque de soudure et la sérigraphie sont appliqués.

Les différents types de PCB

Il existe différents types de circuits imprimés. Ils sont adaptés à leurs différentes utilisations telles que pour les équipements industriels, le milieu medical, le milieu aéronautique, pour les automobiles ou encore les luminaires.

Les PCB simple face

Comme leur nom l’indique, les circuits simple face ont une seule face de cuivre qui est déposée sur un support isolant.

Ce type de circuit, peu coûteux, ne permet pas de réaliser des assemblages de composants de haute densité. Ces PCB sont peu résistant aux contraintes mécaniques, ce qui limite leur utilisation à des applications grand public.

Les circuits imprimés double face

Dans les circuits double face, le support isolant est pris entre deux couches de cuivre, avec un côté pour les composants et un pour les soudures.

Cette disposition autorise le croisement de pistes de potentiel différent sur les faces opposées ce qui permet d’augmenter la densité de composants.

Les PCB multicouches

Enfin, dans les circuits multicouches, on troue un empilage de couches électriques (pouvant aller jusqu’a 22 couches dans des applications rares) séparées par un isolant très fin. Les couches doivent toutes être parfaitement superposées entre elles et communiquer par des vias ou des trous métallisés.

Les outils pour réaliser ce type de circuits sont souvent assez coûteux. Cela résulte souvent en une production en grande série afin de rentabiliser sa fabrication.

Les PCB rigides ou flexibles/souples

Les circuits imprimés flexibles sont fabriqués à partir de matière isolante fine telle que le plastique et peuvent donc s'adapter aux boitiers des appareils. La flexibilité permet une économie d’espace et une réduction du coup de production.

Ces PCB sont souvent utilisés dans les applications spéciales de très haute densité d’intégration comme les claviers d’ordinateurs, ou encore dans les radio-étiquettes.

Zoom sur l'histoire du circuit imprimé

Avant d'aller plus loin dans la définition d'un PCB, il est nécessaire de comprendre d'où viennent ces cartes électroniques. En effet, ces dernières ont parcouru bien du chemin avant l'apparition de conceptions HDI aux centaines de trous et de circuits dont les connexions électriques sont maintenant capables d'alimenter n'importe quel appareil, des smartphones aux fusées, en passant par les moniteurs cardiaques.

Le voyage qui a transformé nos cartes de câblage en circuits imprimés flexibles, et qui continuera de faire évoluer cette technologie, nous a offert une belle aventure.

Avant l'émergence des PCB, les circuits électriques étaient conçus en attachant des fils individuels directement aux composants. Les composants métalliques étaient soudés à l'aide de fils pour obtenir des chemins conducteurs.

Les plus grands circuits, qui accueillaient de nombreux composants, pouvaient contenir une quantité impressionnante de fils. Il n'était donc pas rare que ces derniers s'emmêlent ou qu'il soit nécessaire d'agrandir la place occupée par le circuit.

Le débogage était alors complexe et la fiabilité faible. Quant à la fabrication, elle était longue et impliquait souvent un soudage manuel des composants aux connexions filaires.

Les règles de nœuds sont établies en vue du routage lors du dessin du schéma

Connexion des composants aux nœuds sur les circuits imprimés

Éliminez les fils en utilisant du cuivre pour router les nœuds sur les couches de votre circuit imprimé. À partir du schéma, placez les composants et connectez les broches aux couches de la carte tout en garantissant un placement intelligent des nœuds.

Commencez par un routage automatique, puis réalisez un routage manuel des nœuds les plus importants. Grâce au routage automatique, Altium Designer vous assiste lors de cette étape.

• Comparez les performances des fils à celles des nœuds d'aujourd'hui.
  Découvrez les avantages et les inconvénients de la conception avec une platine d'expérimentation
• Consultez votre schéma pour évaluer la pertinence d'un empilage de couches, puis découvrez notre document Empilez correctement les couches de vos circuits imprimés
• Commencez votre routage une fois tous vos composants positionnés en tenant compte des meilleures pratiques en matière de routage pour réussir votre circuit après un routage automatique

Une fois que vous avez estimé le nombre de nœuds dans votre schéma et évalué les besoins de votre circuit en termes de routage, il est temps de considérer les contraintes et les règles de conception d'un PCB.

Du schéma au placement des composants d'un PCB, en passant par le routage

Aujourd'hui, les logiciels de conception vous offrent des fonctionnalités de capture de schémas qui vous permettront de transformer vos cartes et leurs composants en circuits imprimés.

À partir de ces schémas, les concepteurs répartissent les composants sur une carte virtuelle dont les dimensions ont été définies par l'ingénieur mécanique de l'équipe de conception. Ensuite, les composants sont placés et le routage est effectué dans le respect de règles de conception afin d'atténuer le bruit.

Ce résultat est rendu possible par un placement minutieux des plans de mise à la masse et une planification soignée de l'impédance.

Les dispositifs électroniques modernes imposent de nombreuses contraintes : circuits flexibles aux composants montés en surface ou assemblages complexes.

Il est cependant possible de simplifier le processus de fabrication grâce à un logiciel capable d'assurer un suivi précis et sécurisé des trous, des pistes et des matériaux.

La conception de ces appareils sera également optimisée par la capture de schémas, une fonction qui permet de convertir en toute simplicité les fichiers de données tout au long du processus de conception.

Les paramètres de routage des paires différentielles sont définis à partir du panneau des propriétés

Tirez parti d'un environnement de CAO unifié pour créer le routage de vos circuits imprimés

Les concepteurs de cartes électroniques consultent les concepteurs de PCB afin de déterminer les meilleures pratiques en termes de placement des composants, d'empilage de couches, de spécification des nœuds et de sélection des matériaux de base.

L'achat et la chaîne d'approvisionnement sont deux facteurs à prendre en compte lors du choix de ces matériaux. C'est pourquoi les bibliothèques de composants intégrées à l'outil de conception offrent des informations sur l'approvisionnement et le coût, en parallèle des paramètres électriques.

Les partenaires de fabrication pourront ainsi s'assurer que les matériaux choisis lors de l'empilage des couches sont en adéquation avec les processus de fabrication pratiques.

• Simplifiez la synchronisation des schémas avec le circuit imprimé grâce à un bon logiciel de schémas
• Utilisez un logiciel de CAO qui vous permet d'unifier la gestion des bibliothèques de PCB partagées
• Unifiez et personnalisez vos conceptions de PCB grâce à des requêtes et à des règles personnalisées, flexibles et cohérentes

À partir de vos empreintes et des dimensions maximales, tirez parti de l'environnement unifié d'Altium pour effectuer un routage dans le respect des règles de conception.

Nos conseils pour concevoir des circuits imprimés dans l'environnement unifié d'Altium Designer

Année après année, les circuits imprimés continueront à gagner en complexité. Par chance, les logiciels de conception gagnent, eux aussi, en efficacité pour simplifier encore et toujours les processus de conception.

Lorsque vous concevez des PCB, transmettre aux fabricants des informations précises sur l'emplacement du cuivre et des trous sur votre carte ou encore sur l'application de la pâte à souder devrait être le dernier de vos soucis.

Ainsi, plus votre circuit compte de couches, plus votre logiciel de CAO devra être abouti pour vous permettre d'atteindre tous vos objectifs.

Altium Designer vous offre tous les outils dont vous avez besoin pour concevoir et construire votre circuit imprimé au sein d'une plateforme unifiée. De la capture du schéma à la fabrication de la carte en passant par la validation, par la définition des dimensions, par le dessin des contours, par le routage et par les empreintes des composants, Altium est là pour vous aider.

Les règles peuvent ainsi être établies pendant la structure des schémas pour vous permettre de définir les pistes haute vitesse et d'assurer ainsi le contrôle de l'impédance.

De même, les composants sont accessibles à partir d'une bibliothèque partagée pour que les contraintes physiques et électriques soient prises en compte lors de leur sélection.

Définissez les paires différentielles pendant la capture des schémas grâce aux directives de conception

Simplifiez votre conception de circuits imprimés grâce aux outils unifiés d'Altium

Ne soyez plus inquiet à l'idée que les informations capturées dans votre schéma ne soient pas intégrées au routage de votre PCB. C'est évident, votre circuit imprimé et le substrat associé, le cuivre, les trous, les couches et les pistes exigent un processus de fabrication minutieux. Cependant, vous pouvez simplifier cette étape en vous assurant de disposer de sorties précises et faciles à lire.

Grâce à son environnement unifié, Altium intègre un outil de routage qui permet aux concepteurs de respecter précisément les noeuds dessinés sur votre schéma. Lors de la capture du schéma, utilisez ainsi les directives pour partager les contraintes de conception avec votre concepteur.

Quant aux contours dessinés par votre équipe mécanique, ils sont importés en toute simplicité dans l'outil de routage d'Altium. Les bibliothèques de composants vous offrent une communication parfaite et cohérente dans chacun des outils de l'environnement de conception unifié.

Enfin, les calculateurs d'impédance respectent les spécifications définies dans le schéma.

• Réussissez votre schéma dès le premier essai grâce à l'outil d'Altium en commençant à utiliser les règles de conception schématique
• Créez les empreintes de vos composants en vue de leur placement sur votre circuit imprimé et définissez leur placement à l'aide de l'assistant d'empreintes conformes à la norme IPC
• Connectez vos composants en tracant les nœuds pour les relier selon les modes de routage
• Faites contrôler l'ajustement de votre PCB par votre équipe mécanique : validez la forme et la fonctionnalité de votre circuit grâce à l'intégration de la CAO mécanique.

L'environnement unifié d'Altium Designer rassemble tous les outils dont vous avez besoin.

Tout d'abord, grâce à l'outil de schémas, disponible dans le répertoire de projet, vos circuits sont capturés et vos nœuds sont définis. Lors de cette étape, vous pouvez également établir des règles et des contraintes qui seront intégrées à l'environnement de routage.

De cette manière, votre concepteur restera en permanence informé en toute simplicité. De plus, les dessins mécaniques sont facilement importés dans l'environnement unifié pour vous garantir des contours d'une précision optimale.

Les bibliothèques de composants sont désormais partagées. Ainsi, vous n'avez plus à jongler entre plusieurs outils de CAO distincts. Lorsque vous disposez de bibliothèques de composants partagées à l'échelle de l'entreprise, les concepteurs de votre circuit sont en mesure de sélectionner des composants accessibles à un stade avancé du cycle de conception.

De cette façon, vous êtes certain que le routage de votre circuit imprimé sera toujours pertinent lorsque celui-ci sera prêt à être fabriqué. Le routage des nœuds devient plus avancé grâce à des outils unifiés de calcul de l'impédance.

Enfin, les plans sont définis au plus tôt à partir du gestionnaire des empilages de couches, de façon à ce que les signaux à haute vitesse puissent être routés sur des lignes rubans adjacentes au plan de masse.

Allez de l'avant et confiez les tâches les plus fastidieuses de vos projets à un logiciel de conception de circuits imprimés qui ne manque pas de puissance.

Logiciel le plus performant de sa catégorie, Altium Designer vous aidera à concevoir et à produire des PCB en parfaite adéquation avec les exigences du marché de l'électronique actuel.