Petit guide rapide à destination des concepteurs de cartes de haute

A P P L I C A T I O N
Développement
Petit guide rapide
à destination des concepteurs
de cartes de haute qualité
Les recommandations de conception présentées ici par IDT permettent
de réaliser des cartes électroniques de haute qualité, répondant aux attentes
des utilisateurs. Une attention particulière est à porter aux documentations
essentielles et aux vérifications finales.
A
vant de se lancer dans la
conception d’une carte
électronique complexe,
quelle que soit sa taille, il
est nécessaire de bien identifier les
différentes étapes du projet. Classiquement, celles-ci passent de la
découverte du besoin jusqu’à la production finale avec, une fois le besoin
identifié, le développement du
concept final en considérant les
caractéristiques, les fonctions nécessaires, les interconnexions avec les
autres cartes, l’implantation, et les
dimensions finales approximatives
(figure 1).
A partir du concept, le schéma
détaillé du circuit imprimé avec ses
dimensions finales est alors tracé.
L’implantation des composants est
ensuite déterminée en fonction des
considérations fonctionnelles classiques de bruit électrique et de gestion thermique. La nomenclature
BOM (Bill Of Materials), qui est également générée à ce stade, contient
les composants choisis après analyse
des tensions et courants opérationnels maximums à chaque nœud
du circuit imprimé, ainsi que des
tolérances.
AUTEUR
Nicholaus
W. Smith,
ingénieur
d’application,
IDT.
que les broches du composant (selon
la surface disponible et la méthode
de soudage). Certains composants
viennent cependant dans des boîtiers
microscopiques et ne permettent pas
la présence de cuivre supplémentaire. Mais, même dans ce cas, une
bande de 2,5 à 3 mils (50 à 75 µm)
de vernis épargne doit être appliquée
entre chaque plage sur la carte.
La bonne pratique de conception doit
aussi respecter la « règle des 10 » : les
petits vias doivent avoir un diamètre
fini de 10 mils (250 µm) et une pastille avec une collerette de 10 mils ;
les pistes doivent être situées à
10 mils au moins du bord de la carte,
1 ORGANIGRAMME DE CONCEPTION D’UN CIRCUIT IMPRIMÉ
Classiquement, dans cet organigramme, les différentes étapes de la conception passent
de la découverte du besoin jusqu’à la production finale, en effectuant l’analyse
des caractéristiques, des fonctions nécessaires, des interconnexions avec les autres cartes,
de l’implantation et des dimensions finales.
Besoins
Concept
Schématique
Bloc diagramme au niveau carte
Besoins
satisfaits
Une attention particulière
à porter sur l’empreinte
des boîtiers
L’ensemble de la documentation
nécessaire pour un circuit imprimé
comprend les plans cotés du matériel, le schéma électrique, la
nomenclature, le fichier d’implantation, les coordonnées de placement
des composants, les plans et instructions d’assemblage, plus l’ensemble
des fichiers Gerber comprenant
tous les fichiers dont le fabricant a
besoin pour produire la carte. Etant
donné que les schémas sont les
documents qui contrôlent le projet,
leur exactitude et leur exhaustivité
sont bien évidemment déterminantes
(figure 2).
A ce niveau, une attention particulière est à porter sur les spécifications
du boîtier qui déterminent la taille de
l’empreinte de chaque composant
sur la carte. En concevant des plages
d’accueil sur le circuit imprimé, il est
en effet important de respecter l’empreinte recommandée par le fabricant, en s’assurant que le cuivre
exposé pour chaque broche est placé
correctement et légèrement plus
grand de 3 à 20 mils (75 à 500 µm)
Erreurs
Placement des composants
Première passe de routage
Vérification du routage
Rapport
Test
Tapeout
L’EMBARQUÉ / N°10 / 2015 /
39
A P P L I C A T I O N
Développement
couches supplémentaires
de plan de masse ou d’alimentation, reliées directement aux sources de chaleur par plusieurs vias.
L’utilisation de plans de
conduction thermique
pour distribuer uniformément la chaleur abaisse
radicalement les tempéraVout (+ 5V)
tures maximales en augmentant la surface de
carte servant au transfert
thermique avec l’atmosphère. Ainsi une bonne
propagation thermique
permet de distribuer la
chaleur uniformément
d’une source de chaleur
vers toutes les surfaces
exposées de la carte (voir
photo page suivante).
Avec une distribution de
chaleur uniforme, la formule suivante permet
d’estimer les températures
de surface :
P = (HeatCONVECTION) x (Area) x (ΔT)
Où :
P = Puissance dissipée sur la carte
Area = Surface de la carte (axe X *
axe Y)
ΔT = Température de surface - température ambiante
Heat CONVECTION = Constante de
convection
G7
H8
J9
K9
USB_OUT
USB_OU1T
H7
K8
BUCK5VR
BUCK5VT_SNS
E10
F10
LX
LX1
LX2
LX3
G8
H9
J10
K10
BST
BUCK5VR_IN
BUCK5VR_IN1
BUCK5VR_IN2
BUCK5VR_IN3
C16
0,1 µF/25 V
C1
47 nF/16 V
et le pas des pistes doit être de 10 mils
(5 mils d’espace, 5 mils de largeur de
piste, avec du cuivre 1-oz, soit 20 µm
environ). Les vias avec des diamètres
de trou de 40 mils (100 µm) ou plus
doivent avoir une collerette plus large
pour des raisons de fiabilité. 15 à
25 mils (40 à 60 µm) de distance supplémentaire au-delà des règles de
conception doivent être prévus pour
les plans de cuivre des couches
externes, entre plans de cuivre et broches. Ceci réduit le risque de pont de
soudure sur tous les points de soudure. La phase suivante consiste à
contrôler l’implantation des composants dès que leurs coordonnées sont
déterminées. Une revue d’implantation doit être faite juste après ce test,
et des ajustements doivent être effectués pour faciliter le routage et optimiser la performance.
Attention à la thermique !
Les composants absorbant plus de
10 mW ou drainant plus de 10 mA
doivent typiquement faire l’objet de
considérations thermiques et électriques spéciales. Les signaux sensibles doivent être contrôlés au
niveau impédance et blindés par
rapport aux sources de bruit en utilisant des plans de cuivre. Les composants de gestion d’énergie doivent
utiliser les plans de masse et les plans
d’alimentation pour évacuer la chaleur ; les connexions à courant élevé
40 / L’EMBARQUÉ / N°10 / 2015
C17
10 µF/25 V
VIN
+ 5V
R23
4,7 K
L2
3,3 µH
C18
0,1 µF
J8
F7
G6
GND15
GND16
GND17
2 CAPTURE DU SCHÉMA D’UN BLOC RÉGULATEUR D’UN RÉCEPTEUR
D’ALIMENTATION SANS FIL
Ce schéma illustre comment les numéros de broches, les noms, les valeurs et les classes nominales
doivent être correctement documentés (exemple pour le circuit IDTP9021R d’IDT).
C19
10 nF/10 V
D3
Green
GND Symbol
Component Value/Rating
Pin Number
Pin Name
doivent être réalisées en tenant
compte d’une chute de tension
acceptable pour la connexion.
Les transitions entre couches internes
qui supportent des courants élevés
doivent être réalisées par plusieurs
vias (2 à 4 en général) à chaque passage de couche, pour augmenter la
fiabilité, abaisser les pertes résistives
et l’impédance inductive et améliorer la conductivité thermique
(figure 3).
L’épaisseur de cuivre, le nombre de
couches, la continuité des chemins
thermiques et la surface de la carte
auront alors une incidence directe
sur la température de fonctionnement des composants. Ces températures de fonctionnement peuvent
être abaissées en ajoutant des
Revoir et affiner
la conception
In fine l’implantation des composants doit se faire dans l’ordre suivant : connecteurs, circuits de puissance, circuits sensibles et de
précision, composants critiques, puis
le reste. A ce stade, le schéma est
élaboré autour des différents compo-
3 TRANSFERT DE LA CHALEUR AU SEIN D’UNE CARTE
La conduction thermique des composants intégrés sur une carte est maîtrisée
grâce à l’utilisation de vias thermiques (E-PAD) et de plans de cuivre.
Source de chaleur (CI)
Couche
de matériau
diélectrique
Couche
en cuivre
Flux de chaleur
Vias thermiques/électriques
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Développement
sants de la carte, interconnectés
entre eux. La priorité de routage du
circuit est ensuite dictée par les
niveaux de puissance, la susceptibilité au bruit ou la génération de bruit,
et la capacité de routage. En général,
on utilise des largeurs de 10 à 20 mils
(25 à 50 µm) pour les pistes supportant 10 à 20 mA, et des largeurs de
5 à 8 mils (15 à 20 µm) pour les pistes
supportant moins de 10 mA. Les
signaux à haute fréquence (supérieurs à 3 MHz) et les signaux variant
très rapidement doivent être considérés avec soin s’ils sont routés en
présence de nœuds haute impédance.
A ce stade, l’implantation doit être
revue par l’ingénieur/concepteur en
chef, qui doit peaufiner l’implanta-
que le vernis épargne existe bien
entre les broches et les vias et que le
marquage est clair et concis.
En ce qui concerne l’empilement
des couches, il faut utiliser la première couche interne sous la face
des composants comme masse
(Ground) et affecter les plans d’alimentation à d’autres couches. Dans
le meilleur des cas, la carte doit être
équilibrée par rapport au point
médian de l’axe Z. À ce stade, il est
temps de considérer tous les autres
points spécifiques, et la carte doit
être corrigée sur la base du retour
d’informations généré par les différentes revues. Des listes de modifications doivent être produites et
vérifiées à chaque revue, jusqu’à ce
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tion physique et le routage de
manière itérative, jusqu’à ce que le
circuit soit optimisé vis-à-vis de
toutes les contraintes de conception.
Le nombre de couches dépend alors
des niveaux de puissance et de la
complexité d’alimentation, et des
couches sont ajoutées par paires,
puisque le revêtement de cuivre est
produit de cette façon. Les facteurs
importants influençant le fonctionnement sont notamment le routage des
signaux de puissance et les plans
d’alimentation, l’arrangement de
mise à la masse et la capacité de la
carte à fonctionner comme prévu.
Les inspections finales doivent permettre de vérifier le bon blindage des
nœuds et des circuits sensibles vis-àvis des sources de bruit, de s’assurer
Pendant toutes les étapes de l’implantation, le concepteur doit s’appuyer sur un contrôleur DRC
(Design Rule Checker, ou vérificateur de règles de conception) mis en
œuvre pour éviter les erreurs. Attention cependant : les DRC ne peuvent
déceler que les erreurs pour lesquelles ils ont été programmés. Et
ces jeux de règles DRC évoluent en
fonction des différents projets. Les
règles minimums à vérifier sont l’espace entre les boîtiers, les nets non
connectés (noms uniques identifiant
chaque nœud du circuit), les nets en
court-circuit, les violations d’espace
minimum, les vias trop proches des
plages de soudure, les vias trop
proches les uns des autres et les violations d’espace vertical. n
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