Conseils et astuces sur les PCB

Selon votre point de vue, votre style de travail et votre expérience antérieure, vous pourriez penser qu'un PCB personnalisé pour un projet doit être commandé dès le début du processus de développement. Vous avez une idée, dessinez un schéma, disposez le tableau, commandez-le (ou gravez-le vous-même) puis assemblez-le. C'est souvent le cas, même si le PCB est parfait, vous avez négligé un problème à un tout autre niveau. Maintenant, vous devez en commander un autre suivi d'un troisième ou même d'un quatrième. Chaque itération prend une bouchée du budget du projet et empiète sur les délais. Pour éviter cela, je reporte généralement le plus longtemps possible l'engagement sur le premier PCB.

Le circuit lui-même doit être vérifié et testé d'une manière ou d'une autre. Peu importe à quel point votre première configuration de test ressemble à un nid de rats, elle fournira toujours des informations vitales pour savoir si tout fonctionne comme il se doit. Les composants câblés sur une carte de connexion de prototypage standard feront souvent le travail ici. Alternativement, vous pouvez utiliser du carton à bandes, mais je préfère parfois la structure "hérisson" construite sur un couvercle en étain (Figure 1 ). Cela vous donne un plan de masse décent, et les connexions soudées signifient que vous ne subissez pas de défauts intermittents dus aux contacts de connecteur floconneux. Les valeurs des composants peuvent être facilement modifiées jusqu'à ce que tout fonctionne de manière optimale. Si le circuit s'avère instable, vous pouvez déterminer le meilleur endroit pour placer des condensateurs de découplage et des condensateurs de petite valeur à la terre à des points le long du chemin du signal.

Lorsqu'il s'agit d'un projet basé sur un microcontrôleur, vous commencerez normalement avec une carte de développement prête à l'emploi. Dans ce cas, vous pouvez connecter des composants externes pour tester provisoirement le fonctionnement global et développer le firmware. Il est souvent facile de voir si vous aurez besoin d'inclure des précautions pour l'immunité aux interférences. Les problèmes CEM se révèlent en générant des signaux d'interférence que vous pouvez entendre sur une radio. Vous avez peut-être déjà remarqué que le circuit réagit mal aux sources d'interférences proches. Cela indiquera qu'une attention particulière à l'immunité aux interférences sera requise dans la disposition de la carte. Dans de nombreux cas, je câble les composants sur une maquette pour avoir une meilleure idée de la taille de la carte finie et d'un placement possible des composants et des commandes, ainsi que des prises pour l'alimentation et les signaux. Cela peut alors devenir un prototype pratique (Figure 2 ). Un client pourrait même l'utiliser pour effectuer des tests initiaux et suggérer des modifications qui peuvent ensuite être facilement testées. Une fois le circuit finalisé, vous pouvez alors porter votre attention sur le PCB. Jusqu'à présent, des composants câblés étaient probablement utilisés pour construire le circuit, mais le PCB final utilisera très probablement des SMD. La disposition de la maquette n'a probablement pas été optimisée en CEM car il n'y a pas de plan de masse, mais nous savons maintenant ce qui doit encore être amélioré.

Vous avez probablement déjà des schémas de circuit sous forme de croquis. Mais tous les outils logiciels de conception de PCB nécessitent d'abord la saisie du schéma de circuit. Chaque composant doit être spécifié très précisément. "Résistance 10 kΩ" ne suffira pas, il faut détailler le package, par exemple une résistance SMD de taille 0805. Choisir les bons composants est souvent très chronophage car il y a tellement de composants similaires. Ceci s'applique surtout aux connecteurs, interrupteurs, potentiomètres et similaires. Il est également nécessaire de déterminer que le composant choisi est effectivement disponible et de s'assurer que son contour sur le schéma du PCB est correct. Il est tellement frustrant de constater que votre magnifique circuit imprimé immaculé a un mauvais espacement des trous et que la prise USB ne rentre pas sur la carte. Soyez très prudent lors de la sélection des composants. Une chose que j'ai constatée en travaillant avec des résistances et des condensateurs SMD, c'est qu'ils ont l'air si grands et gérables à l'écran qu'il est facile de mal évaluer leur taille réelle. Cela peut être un problème si vous avez l'intention de remplir le tableau à la main. Les plus petits composants posent problème, du moins lors du soudage à la main. Vous devriez avoir quelques exemples de pièces à votre bureau pour effectuer une vérification rapide de la réalité. Personnellement, je trouve le contour 0805 le plus facile à souder. Je me souviens d'un projet conçu avec des composants de taille 0402 pour gagner de la place. Il s'est avéré extrêmement difficile de souder les composants pour construire le prototype, mais cette situation peut bien sûr être évitée si le PCB est livré assemblé. Une fois tous les composants sélectionnés, le schéma électrique peut être dessiné avec toutes les connexions. Incidemment, si une erreur se produit plus tard lors du dessin du circuit imprimé, vous devez toujours revenir au schéma de circuit et y apporter les modifications en premier. Le logiciel de mise en page de la carte garantit toujours que la disposition des pistes du circuit imprimé correspond au schéma de circuit.

Passons maintenant au circuit imprimé. Tout d'abord, vous devez vérifier l'espace physique dans lequel il doit s'adapter pour déterminer les dimensions et si une carte de circuit imprimé double face sera nécessaire. Vous pouvez désormais définir des fonctionnalités telles que des coins arrondis et des formes de contour spéciales. Vous pouvez les modifier plus tard, mais c'est plus facile si vous obtenez les mesures dès le départ. Les planches à double face sont généralement standard. Une carte de circuit imprimé simple face n'a pratiquement aucun avantage en termes de coût, mais elle peut simplifier le processus si vous avez l'intention de la graver vous-même. Dans la plupart des cas, lors de la première étape, je commanderai simplement cinq ou dix échantillons auprès d'un fournisseur de services de PCB pour m'éviter les tracas. Certains fournisseurs de PCB proposent également d'assembler des prototypes. Dans ce cas, assurez-vous à l'avance quels composants seront installés et tenez-en compte lors de la création du schéma de circuit. Une fois le contour défini, vous pouvez importer tous les composants du schéma de circuit et les placer initialement à l'écran à côté du contour du PCB. Vous pouvez ensuite les déplacer un par un sur le circuit imprimé et rechercher le bon emplacement, ce qui donne la piste PCB la plus courte et la plus directe. Ici, c'est un avantage si vous avez déjà tout construit sur une planche à pain au préalable. Vous avez alors déjà une idée de la façon de positionner les composants avec un nombre minimum de pistes croisées afin d'éviter les vias de l'autre côté. Lorsque tous les composants sont placés, vous pouvez démarrer le routeur automatique. Le logiciel essaie ensuite de connecter tous les composants comme dans le schéma de circuit. Cependant, il peut alors facilement arriver que le routage de la ligne soit sous-optimal d'un autre point de vue. Il peut y avoir des lignes de masse trop longues et emmêlées, ou le chemin "le plus court" entre VCC et GND via un condensateur de dérivation devient trop long et forme une antenne en boucle efficace. Les problèmes CEM sont alors inévitables. Vous devez au moins poser vous-même le sol et les lignes d'alimentation à l'avance, puis démarrer le routeur automatique. Je vais un peu plus loin et préfère router toutes les lignes à la main. Surtout, les circuits très simples ont généralement une structure claire (figure 3) et peut être facilement mis en œuvre.

Les plans de masse continus sont d'une grande aide. Pour cela, vous pouvez créer une surface de cuivre continue sur la face inférieure du circuit imprimé connecté à GND. Toutes les pistes porteuses de signaux restent au-dessus autant que possible. Là où il est inévitable que deux pistes se croisent, une piste se termine par un tampon avec un trou traversant plaqué (via) qui achemine le signal vers le bas vers une petite piste sur le plan inférieur, puis vers le haut à un autre point. Il est logique d'établir un système avec la disposition des voies, en faisant peut-être courir toutes les voies d'alimentation horizontalement et les voies porteuses de signaux verticalement autant que possible. Toute coupure dans le plan de masse doit être aussi courte que possible pour minimiser les chutes de tension. En fin de compte, un plan de cuivre continu permet d'obtenir le chemin le plus court possible vers la terre sur toute la surface de la carte ; une connexion traversante est tout ce dont vous avez besoin lorsqu'un composant a besoin d'une connexion à la terre. Les plans de masse peuvent faire des merveilles, comme en témoigne le SDR-Shield d'Elektor (Figure 4 ) projet. Ce circuit est un récepteur à ondes courtes sensible, il est donc important d'éviter toute interférence qui compromettrait ses performances. Le shield se branche directement sur un Arduino Uno. Au début, je craignais que le montage si près d'un microcontrôleur ne pose problème, mais tout s'est bien passé avec une réception sans problème. Un plan de masse sur la face inférieure agit comme un bouclier contre les signaux d'en bas, et les champs d'interférence d'en haut ont moins d'effet car la plupart des lignes de champ se terminent directement au sol et très peu sur les pistes conductrices minces.

La plupart des circuits imprimés ont besoin d'être connectés au monde extérieur. Les fiches ou prises de poste sont souvent utilisées sur le bord de la carte de circuit imprimé, comme avec l'Arduino, ou d'autres systèmes de plug-in standardisés. Lorsqu'il s'agit de projets expérimentaux ou de circuits imprimés pour l'éducation, des points de connexion plus grands sont souvent plus pratiques. Les trous ronds traversants de 4 mm acceptent directement les fiches bananes ainsi que les pinces crocodiles (Figure 5).

J'aime spécifier des coussinets rectangulaires à double face avec des trous traversants plaqués espacés de 5,08 mm. Ces points de connexion n'ajoutent aucun coût supplémentaire et peuvent être utilisés de manière très flexible ; vous pouvez souder des fils, utiliser des câbles crocodiles ou monter un bornier à vis. Pour des expériences très simples, les composants peuvent même simplement être enfichés directement dans les trous de contact (Figure 6).

Il existe également des PCB qui ne sont constitués que de points de connexion. Dans ce cas, vous n'avez pas besoin d'un schéma de circuit et vous pouvez commencer tout de suite avec le circuit imprimé. Pour une planche à pain compatible HF, j'ai créé un plan de masse continu des deux côtés. La plupart des points de contact se trouvent sur des îles isolées. Mais les points en bordure de terrain et plusieurs rangées continues sont reliés à la terre (Figure 7 ). De cette façon, la terre est facilement accessible partout par un chemin court, et vous disposez d'une surface de blindage relativement bonne.

Le logiciel utilisé pour fabriquer les PCB exécutera des tests automatisés pour trouver des circuits ouverts, des courts-circuits et des pistes parallèles fermées. Il existe cependant d'autres erreurs qui peuvent survenir à un tout autre niveau, que vous ne pourrez découvrir que par vous-même. L'objectif est que la première carte de circuit imprimé que vous commandez soit sans erreur, mais comme vous le savez, la loi de Murphy s'applique également ici. Avec le recul, j'estime que chaque deuxième PCB que j'ai reçu a eu au moins une erreur. Les changements de dernière minute sont souvent les coupables ici car ils peuvent générer un nouveau bug imprévu. Il y a aussi eu des erreurs commises dès le début du projet qui sont en quelque sorte passées inaperçues. Pour commander un PCB, vous devez convertir les informations en fichiers Gerber. Le logiciel crée des fichiers individuels pour les différentes couches du circuit imprimé et pour les trous de perçage. Vous pouvez trouver différents visualiseurs Gerber sur le Web, que vous pouvez utiliser pour afficher le résultat. Vous pouvez ensuite basculer entre les calques et obtenir une vue complètement différente. Il s'agit d'une autre étape importante du processus de vérification et a permis de découvrir de nombreux bogues manqués, même à ce stade, il existe encore une certaine incertitude quant à savoir si tout fonctionnera correctement à la fin. Une autre astuce qui peut aider à repérer les erreurs consiste à imprimer la mise en page et à placer les composants sur leur contour. Sur un projet sur lequel je travaillais, j'ai pensé que je pouvais sauter cela parce que le PCB était si magnifiquement simple et clairement structuré. Avec le circuit imprimé fraîchement déballé sur le banc et le fer à souder à température, cela m'a soudainement frappé : mauvais emballage de contour SO pour le boîtier du microcontrôleur ! Ce composant particulier est disponible dans un contour étroit ou large. Dans ce cas, je suis quand même allé de l'avant et j'ai assemblé le PCB en prolongeant toutes les broches du contrôleur d'un côté à l'aide de petites longueurs de fils (Figure 8).

C'est tellement frustrant; Je peux cependant généralement me consoler en trouvant d'autres ajustements qui profiteraient à la mise en page (dans ce cas, un meilleur étiquetage) afin qu'une nouvelle itération de PCB ne soit pas une perte complète (Figure 9).

Lorsqu'il s'agit de cartes très simples avec des composants câblés, par exemple pour des projets de formation, vous pouvez aller plus loin et construire une version de la carte à l'avance : collez une copie papier de la disposition du PCB sur une petite feuille de carton et percez des trous pour les fils des composants. Les composants peuvent ensuite être branchés à travers le carton et soudés en dessous. De courtes longueurs de fil sont ensuite utilisées à la place des pistes PCB. Cela vous donne une bonne chance de repérer les erreurs possibles. De plus, cela vous laisse avec un prototype utilisable à tester avant de vous engager dans la mise en page finale du circuit imprimé (Figure 10).

Beaucoup de ces stratégies de conception de circuits imprimés simples fonctionnent très bien avec de petits projets expérimentaux gérables, mais évidemment pas aussi bien avec des conceptions plus importantes. Le chef d'une grande entreprise peut très bien manquer de compréhension et dédaigner les schémas en carton, pensant qu'ils sont amateurs, une perte de temps et que tout ingénieur professionnel compétent devrait être capable de bien faire les choses du premier coup. Eh bien, en principe, c'est vrai, mais croyez-moi, des oublis et des erreurs se produisent inévitablement, et plusieurs ébauches sont souvent nécessaires, ce qui augmente à chaque fois les coûts et menace les délais du projet. Je peux seulement dire que la technique décrite ici a bien fonctionné pour moi; l'accent doit être mis sur les essais et les tests préliminaires afin de réduire le nombre de versions de la carte à commander.

Burkhard Kainka a travaillé comme professeur de physique pendant de nombreuses années avant de devenir indépendant en tant que développeur et auteur dans le domaine de l'électronique et des microcontrôleurs en 1996. Il dirige les sites Web www.elektronik-labor.de et www.b-kainka.de où vous trouverez de nombreux petits et grands projets intéressants ainsi que des informations sur les bases de l'électronique. Burkhard est un radioamateur passionné avec l'indicatif d'appel DK7JD.

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