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Les PCB

...conception, réalisationAlexis Polti

21 oct. 2018 Alexis Polti SE302 © 2018 page 2

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Contexte académique } sans modification


PCB : définitions

PCB : Printed Circuit Board (circuit imprimé) : empilement de couches de cuivre et d’isolants (substrat) destiné à recevoir les composants d’un système et à assurer leur interconnexion.


PCB : définitions

PCBempilage de couches successives de

cuivre (conducteur), sous forme de pistespads (plages d’accueil des broches des composants)vias : interconnexions entre différentes couches

isolantet en couches externes :

vernis épargne (soldemask)pâte à braser (solderpaste)sérigraphie

nombre de couches122n


PCB : les vias

Via : trou métallisé permettant d’interconnecter des pistes situées sur des couches différentes.

traversant / enterré / borgnestandard / micro-viadiamètres différents selon le type de couche(s) traversée(s)

signalplan

plan

plan

viavia

signal

signal


PCB : classes

Classes standards (norme NFC 93-713)

Les constructeurs peuvent proposer / demander d’autres valeurs de largeur / isolementLes diamètres de perçages dépendent souvent de l’épaisseur du PCBPrendre en compte les tensions présentes dans les espacements (norme IPC)D’autres normes existent : IPC-A-600, MIL P55110, MIL P50884…

Classe

Critère 1 2 3 4 5 6 7

largeur minimale des conducteurs 0.7 0.45 0.28 0.19 0.15 0.12 0.1

espace minimal entre conducteurs 0.6 0.45 0.28 0.19 0.15 0.12 0.1

largeur des pastilles 1.65 1.25 1.05 0.85 0.65 0.55

diamètre des trous traversants 0.8 0.7 0.6 0.45 0.35 0.3


PCB : réalisation

Étapes de réalisation d’un PCB

préparation des films

préparation des matériaux

génération des couches internes

perçage

génération des couches externes

solder mask

Ni Au / étamage

sérigraphie

découpage

test électrique

résine

insolation / révélation

ajout de cuivre

gravure

placage étain

résine

insolation / révélation

gravure

oxyde

empilage


PCB : réalisation

Étapes préliminairesDesign rule check (DRC)Rectifications mineuresMise en panneauxAddition des coupons de testsAddition des « plating thieving »Préparation des films à partir des fichiers fournis

Copper etchingSolder maskSolder pasteSérigraphie

Fichiers à fournirGERBERFichiers de perçage (Excellion)


PCB : réalisation

1. Préparation des matériauxdécoupe des strates de cuivre / isolant découpe des isolants inter-strates (pré-imprégné)passage à l’étuvenettoyage de surface

préparation des matériaux


PCB : réalisation

2. Génération des couches internespréparation de l‘empilage

génération de l’empilage


PCB : réalisation

2. Génération des couches internesdépôt de résine photosensible



PCB : réalisation

2. Génération des couches internesinsolation aux UV



PCB : réalisation

2. Génération des couches internesrévélation



PCB : réalisation

2. Génération des couches internesgravure puis suppression de la résine



PCB : réalisation

2. Génération des couches internesphase d’oxydation



PCB : réalisation

2. Génération des couches internesréalisation de l’empilage



PCB : réalisation

2. Génération des couches internesperçage

perçage


PCB : réalisation

3. Génération des couches externesnettoyage des trous et métallisation chimique


sans nettoyage avec nettoyage


PCB : réalisation

3. Génération des couches externesdépôt de résine photosensible



PCB : réalisation

3. Génération des couches externesinsolation / révélation



PCB : réalisation

3. Génération des couches externesplacage électrique de cuivre



PCB : réalisation

3. Génération des couches externesplacage électrique d’étain



PCB : réalisation

3. Génération des couches externessuppression de la résine



PCB : réalisation

3. Génération des couches externesgravure



PCB : réalisation

3. Génération des couches externessuppression de l’étain



PCB : réalisation

3. Génération des couches externesapplication du soldermask



PCB : réalisation

3. Génération des couches externesplacage nickel-or (ENIG), ou autre finition



PCB : réalisation

3. Génération des couches externesétamage



PCB : réalisation

3. Génération des couches externessérigraphie

découpage des panneauxinspectiontest électrique



PCB : flot de conception

en 2 mots :

Schémas PCB

Schéma :production des schémascréation d’une netlist (liste des connexions et des composants)importation dans l’outil de CAO PCB

PCB :import de la netlistplacement des composantsroutage (traçage des pistes)production des fichiers de sortierétro-annotation du schéma



Spécifications du produit

Définition des contraintes

Définition de l’empilage

Définition préliminaire de

la BOM

conception des bibliothèques Schémas



Schémas PCBforward annotation

back annotation

Analyse SI

PCB :mise en place des contraintes non entrées dans les schémasplacementfan out (sorties des composants)routage des nets critiques (horloges)routagegénération des planshabillageDRC / ERCgénération des fichiers de sortie

forward annotationproduction ou changement de la netlistconnexioncomposantstopologieclasse de net

back annotationmise à jour des schémastopologie, contraintesréférence (reference designator)swap (composants, portes, broches)



L’architecture du flot de conception doit être cohérente

Schémas

PCBdatabase commune

Analyse SI

BOM

Rapports

Fichiers de fabrication

•GERBER

•DRILL (perçage)

•Netlist

•DXF/3D (méca)

•…

Analyse température

Intégration mécanique

bibliothèques Contraintes


PCB : CAO

CAO Bibliothèquesunités, notations, …symboles (symbols)empilages (padstacks)empreintes (footprints, cells, packages)composants (parts, devices)modèles (SPICE, IBIS)modèles de cartesblocs ré-utilisables…


PCB : CAO (bibliothèques)

Symbolespurement logiquesportes élémentaires

champs fixespréfixe

champs variablesvaleurpart numberdescription…



Empilagescomposantsviasmires (fiducials)trous de montage



Empilagespads (pastilles) : ronds / rectangulaires

top, bottomsoldermask top, bottomsolderpaste top, bottomcouches internes (signaux + plans)

pastilles spécialesthermalsclearance

1 trouattention au diamètre (spécifié / fini)attribution d'un symbole de perçage (drill symbol)



Empreintes (cells, packages, footprints)pas d’informations logiquespurement physique (numéros de broches)

formées depadstackscontoursobstructionstexte (champs variables)



Composants (parts, devices)mapping symboles / empreintesintègre éventuellement plusieurs porteséventuellement modèle IBIS associépropriétés utilisateurs

référence fabricantprixcode fournisseur / interne…

définit le mapping pins / padsdéfinit les informations de swapping



CAO Bibliothèquesimportance des bibliothèquesfréquemment job à part entièreprocessus de création de composants souvent complexes

création de l’entréevalidation des modèlescontrôlevérification auprès des achatsAVL (Approved Vendor List)...


PCB : CAO

CAO Schémasles schémas doivent être complets

référencesvaleurtension / précision / diélectrique / …descriptioncode fournisseur / code interneprixlien vers datasheet…


PCB : CAO

CAO Schémasentrées des contraintesplacement des composants / symbolesconnexions, mise en place des propriétés topologiquesvérifications électriques (ERC)éventuellement mise en boîte (packaging)création de la netlist (forward annotation)


PCB : CAO

CAO SchémasEntrées des contraintes

sources / charges / terminaisons, topologiesclasses de nets (équipotentielles)

Quelles contraintes ?espacements, largeur des pistes

par classesignaux globaux (VDD, GND, …)bibliothèques à utiliserdivers fichiers de configuration


PCB : CAO

CAO SchémasPlacement des composants / symboles

grouper les composants par fonctioncomposants spéciaux (points de test)

Connexionutiliser les connexions par nomsutiliser les busutiliser les schémas hiérarchiquesutiliser les références croisées (renvois de pages)

Utiliser des commentaires

Variantesoptions (automatisables)commentaires, DNP (manuels)


PCB : CAO

CAO SchémasVérifications électriques (ERC)

Éventuellement mise en boîte (packaging)remplacement des symboles par le part correspondantregroupement des composants multi-symbolesassignation d'instances aux composants virtuelsmise à jour des propriétés au passagenumérotation des références

Création de la netlistformat propriétaireEDIFVerilog / VHDL / …


PCB : CAO

CAO PCBEntrée des contraintes

empilageimpédance caractéristiquesbesoin de plans d’alimentationsfaisabilité

placementrègles d’assemblagemaniabilité (connecteurs sur les bords…)minimisation des distances Manhattanséparation des zones bruitées / sensiblesdécouplagerépartition du poids / dissipation thermique

routagetopologies : ordre de connexion des composantsparallélisme : diaphonie (crosstalk)paires différentiellestemps de propagation / longueurovershoot / undershoot


PCB : définition des empilages

Doivent être équilibrés (symétriques) : nombre pair de couches.Déterminent l’impédance caractéristiques des pistes (cf. cours intégrité du signal)Nécessité d’avoir une couche plan adjacente à chaque couche piste.


PCB : les couches

Couches critiquesroutagefabricationsoldermasksolderpastedrill

Éléments de dessinoutlinecontoursmires (fiducials)originebordures de routageobstructionszones

Placementplacement outlinesinsertion outlineobstructions

Assemblageoutlinetextes

Sérigraphie (silkscreen)outlinestextesavant et après génération

Éléments spéciauxviaspoints de test


PCB : CAO

CAO PCBplacement des composantsmanuelautomatiqueswap

Contraintestopologiquesfonctionnalitéfabrication (soudage)


PCB : CAO

CAO PCBfan out : sortie des composants


PCB : CAO

CAO PCBroutage des nets critiquesroutage des nets


PCB : CAO

CAO PCBnets critiques

horlogespaires différentiellespistes analogiquespistes bruyantes (haute vitesse, fronts raides)

routagemanuelautomatique (contraint)semi-automatiqueexterne (intégrité du signal)

attention, un routage beau n'est pas forcément la meilleure solution…


PCB : CAO

CAO PCBsimulations

durant ou après le routagecrosstalk, délais, overshoot, undershootrétro annotation et bouclage éventuel

finalisationsangles teardrops, breakoutpoints de test

manuelsautomatiquesgrille / espacement minimum grandil vaut mieux les prévoir tôt !

suppression des antennes


PCB : CAO

CAO PCBgénération des plans

positif / négatifsuppression des îlots

habillagemires / locatinglogosrepérage des couches…


PCB : CAO

CAO PCB

DRC / ERCDesign Rules CheckElectrical Rules Check

Génération des fichiers de sorties

GERBERDRILLrapportsvérification, re-vérification, …


PCB : les composants

Montage :à piquer

peut nécessiter un placement manuelencombrants : réservés aux fortes puissances (alimentations secteur) et aux connecteurssoudage manuel ou à la vague

montés en surface : CMS (SMD)placement automatiquesur une ou deux face(s)soudage à la vague ou en refusion



Soudage :à la vague :

déplacement d’une vague d’étain en fusion sur le PCB, soudant au passage les composants exposés.contraintes :

direction de la vague influe sur le placement et le sens des composants,hauteur des composants,espacements grands entre pastilles (ponts).

refusion :dépôt de pâte à braser (nécessite un plan de « solder paste »)placement (et collage) des composants,chauffage de la carte.

mixtes :refusion + vaguedouble refusiondouble refusion + vague



Les boîtiers :rectangulaire usuels (résistances, capacités, inductances, LED)

020104020603080512101812…réseaux

capacitéstantales : A / B / C … / E ou X / V / ..chimiques : A / B / .. / Gà piquer : spécifier l’écartement / diamètre des broches



Les boîtiers :CI carrés

QFP (Quad Flat Pack)PQFP (Plastic Quad Flat Pack)TQFP (Thin Quad Flat Pack)

espacement0,4mm0,5mm0,65mm0,8mm1mm



Les boîtiers :CSP / LGA

PLCC



Les boîtiers :Ball Grid Array

BGALBGAFBGAuFBGA

espacement0.4mm0.6mm0.8mm1mm1.27mm

broches40…>2100



Les boîtiers :CI en ligne (CMS)

SOSSOPTSOPTSSOP

espacement0,4mm0,5mm0,65mm



Les boîtiers :Transistors

SOT523SOT323SOT223SOT23

Leds060308051210PLCC2

SMA / SMB / SMC



Conclusion :Phase critique : réalisation des bibliothèques.Les contraintes d’intégrité doivent être spécifiées en amont du design.Le routage doit pouvoir s’effectuer sous contraintes (process et IS)

DRC / ERConline / batch

Exemples de logiciels de CAO industriels :Expedition PCB (Mentor)Suite Allegro (Cadence)

Le routage n’est plus du dessin : c’est une phase critique de la réalisation des

systèmes électroniques (intégrité du signal)

Diapo 1Diapo 2Diapo 3Diapo 4Diapo 5Diapo 6Diapo 7Diapo 8Diapo 9Diapo 10Diapo 11Diapo 12Diapo 13Diapo 14Diapo 15Diapo 16Diapo 17Diapo 18Diapo 19Diapo 20Diapo 21Diapo 22Diapo 23Diapo 24Diapo 25Diapo 26Diapo 27Diapo 28Diapo 29Diapo 30Diapo 31Diapo 32Diapo 33Diapo 34Diapo 35Diapo 36Diapo 37Diapo 38Diapo 39Diapo 40Diapo 41Diapo 42Diapo 43Diapo 44Diapo 45Diapo 46Diapo 47Diapo 48Diapo 49Diapo 50Diapo 51Diapo 52Diapo 53Diapo 54Diapo 55Diapo 56Diapo 57Diapo 58Diapo 59Diapo 60Diapo 61Diapo 62Diapo 63Diapo 64

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