Comment concevoir un PCB pour les débutants ? Guide ultime 2023

Ce billet est le premier d'une série sur Conception de PCB. Cette partie porte principalement sur les détails que vous devez connaître et utiliser avant de commencer la mise en page du PCB (à partir de maintenant, l'abréviation PP se retrouvera dans le texte), tandis que la deuxième partie portera principalement sur la conception des cartes de circuits imprimés elles-mêmes et post-traitement.

Les planches à pain sont bonnes pour le prototypage et un outil très utile, mais lorsque vous devez faire quelque chose de sérieux, vous devez savoir comment fabriquer votre PCB.

Création d'un PCB n'est pas facile, mais avec un peu de persévérance et de temps, ce guide vous aidera à créer votre premier PCB.

Anatomie du PP

Lorsque vous travaillez sur votre ordinateur, toute tâche semble abstraite, mais n'oubliez pas que vous travaillez avec des environnements physiques et des matériaux réels. Avant de commencer à étudier la conception des planches, il serait bien de comprendre comment elles sont fabriquées.

Si vous savez quoi et comment cela se fait, vous pouvez passer en toute sécurité à la section suivante.

Matériaux pour PP

Voyons d'abord quels matériaux sont utilisés pour la fabrication. La base du PCB est constituée d'un matériau solide non conducteur. Ce matériau est recouvert d'une couche de cuivre (ou autre métal), qui forme la couche conductrice.

Habituellement, la base est en fibre de verre, connue sous le nom de FR-4. C'est le matériau le plus couramment utilisé car il est résistant au feu, bon marché et a une faible conductivité intrinsèque.

D'autres types de matériaux sont utilisés pour les circuits hautes performances (RF), tels que la céramique ou le PTFE. Dans le cadre de ces articles, nous n'aborderons pas les circuits haute fréquence. Lorsque vous envoyez votre conception de PCB à la fabrication ou que vous fabriquez votre carte, les connexions électriques sont généralement effectuées en retirant des sections sélectionnées de cuivre d'une couche conductrice commune.

Couches

Les PCB monocouches sont très faciles à fabriquer et à concevoir. La variante PP la moins chère est unilatérale, c'est-à-dire que sur la fibre de verre, une seule couche de cuivre est utilisée. Si vous allez fabriquer du PP à la maison, ce sera très probablement à sens unique. Néanmoins, supposons que la disposition de votre carte ne rentre pas dans une seule couche. Dans ce cas, vous devrez utiliser des cavaliers externes pour les connexions électriques, ce qui peut déjà être gênant lors du montage de composants radio.

La plupart des projets commerciaux et de loisirs sont construits sur des cartes de circuits imprimés à deux couches. Leur utilisation vous permet de développer des solutions de conception de cartes plus complexes et élégantes.

Plus les structures deviennent complexes, plus les couches supplémentaires de métallisation PP nécessitent. Habituellement, deux couches suffisent, et s'il n'est pas nécessaire d'ajouter plus de couches, il vaut mieux ne pas le faire car les cartes multicouches sont beaucoup plus chères à fabriquer.

Rails en cuivre

Comme mentionné ci-dessus, les pistes de cuivre (connexions électriques) sont créées en éliminant l'excès de cuivre de la surface de la couche métallisée. Le deuxième article traitera plus en détail des aspects importants des connexions électriques.

vias

L'un des principaux composants des PCB est les vias, utilisés dans les cartes doubles et multicouches pour connecter électriquement une couche de placage à une autre.

Il existe plusieurs types de vias :

1. Vias traversants - le type le plus couramment utilisé, le trou est percé à travers toute la carte et plaqué pour créer un contact électrique avec les couches.

2. Vias aveugles - trous reliant la couche externe à une ou plusieurs couches internes.

3. Cachés (vias enterrés) - vias qui ne vont pas à l'extérieur et connectent les signaux sur les couches internes.

4. Micro-via ou uVia - micro-trous ou trous de petit diamètre et de faible profondeur, réalisés par laser ou forage avec contrôle de profondeur et reliant la couche externe à la couche interne.

C'est tout ce que vous devez savoir sur les vias.

Concepts de conception de circuits imprimés

Analysons quelques concepts supplémentaires pour la construction de cartes de circuits imprimés et abordons d'autres couches de PCB, dont le but doit être compris.

1. Soldermask - si vous demandez à quelqu'un ce qu'est une planche, il vous dira que c'est quelque chose de vert. Ce masque vert est le masque de soudure, qui protège le circuit imprimé et empêche la pâte à souder de pénétrer sur les contacts électriques indésirables de la carte. Et d'ailleurs, ce n'est pas forcément vert, mais presque n'importe quelle couleur. Tout dépend du fabricant de la carte.

2. Repères - Ce marquage spécial sur la carte permet aux systèmes de montage automatique de composants de calibrer et d'installer correctement les éléments sur la carte lors de l'installation. Ce sont de petits cercles de métal non recouverts d'un masque de soudure.

3. Sérigraphie - il s'agit d'une autre couche appliquée sur le panneau pendant la production. La sérigraphie consiste en des dessins sur le tableau qui donnent des conseils à l'utilisateur, identifient le composant sur le tableau par emplacement ou valeur, et d'autres informations.

4. Remplissages de cuivre - sections de cuivre qui sont électriquement connectées à la terre ou à l'alimentation ; la création de polygones est une partie très importante de la conception de PCB. Les polygones réduisent le bruit de l'appareil et éliminent l'excès de chaleur des puissants composants actifs.

Conception de schéma

Avant d'envisager la conception de cartes ou les schémas d'appareils, vous devez savoir ce que vous voulez concevoir. Vous devez considérer ce que vous voulez construire et choisir les bons composants.

Définissez vos objectifs

La première étape d'une conception d'appareil réussie consiste à avoir les bons objectifs pour ce que vous voulez atteindre. Vous devez toujours définir des objectifs intelligents pour votre projet, ce qui signifie :

1. Spécifique

2. Mesurable

3. Réalisable

4. Réaliste

5. limité dans le temps

Par exemple, j'ai commencé à travailler sur un projet personnel pour mes besoins. La lumière de la salle de bain de mon appartement est faible le soir, mais lorsque j'allume l'éclairage artificiel, la lumière est assez vive et pas inconfortable.

Il serait possible d'acheter une lampe de moins de puissance, mais disons qu'elles ne sont pas en solde ou qu'il n'y en a nulle part moins. Et j'ai décidé de fabriquer ma lampe qui changera de couleur et de luminosité et sera contrôlée sans fil.

Ça a l'air plutôt cool ; avant que l'idée ne sorte de ma tête, nous nous asseyons devant l'ordinateur et commençons à planifier. A ce stade, mes objectifs sont très larges :

1. la lampe doit être multicolore

2. dimmable

3. contrôle sans fil

Aucun de ces objectifs n'est spécifique au projet. Qu'entend-on par multicolore? Deux, trois ou n'importe quel nombre de couleurs ? Qu'est-ce qui est dimmable ? Contrôle sans fil, comment ? Wifi, Zigbee, Bluetooth ou peut-être voix ? Tous les moyens sont possibles.

Recadrons un peu nos objectifs pour les rendre intelligents :

· LED RVB haute luminosité réglables en continu recouvertes d'acrylique pour une diffusion uniforme de la lumière.

· Contrôle de la luminosité qui me permettra de choisir n'importe quelle luminosité de complètement éteinte à la luminosité maximale des LED.

· Interface Bluetooth Low Energy 4.0 pour contrôler les paramètres des appareils iOS et Android.

Maintenant, tous nos objectifs sont assez précis.

Visualisez votre concept

Maintenant que vous avez une idée claire de votre projet, il est temps de commencer à concevoir. Avant de commencer à chercher des composants et à dessiner des schémas, je vous suggère de développer une image claire de la façon dont votre conception devrait fonctionner. Nous devons dessiner un schéma fonctionnel de l'appareil, ce qui est lié à quoi et comment cela fonctionne.

Vous ne savez pas encore de quel type d'alimentation vous avez besoin ou quels connecteurs doivent se trouver sur la carte, mais vous savez déjà comment les composants seront connectés et quels composants supplémentaires seront nécessaires dans le projet.

C'est le bon moment pour considérer l'aspect esthétique de votre conception. Souhaitez-vous adapter la carte à un facteur de forme spécifique ? Faut-il tenir compte de l'ergonomie ? Pouvez-vous ouvrir votre projet dans un an et comprendre comment cela fonctionne ? Ces détails apparemment insignifiants distinguent un bon design d'un très bon design.

Sélection des composants

C'est peut-être l'étape la plus fastidieuse du processus de conception, mais c'est la clé de la réussite du projet. Choisir les bons composants déterminera si vous terminez un projet avec succès ou si vous l'abandonnez en désespoir de cause.

Les fabricants de circuits intégrés travaillent dur pour créer les composants les plus fonctionnels au moindre coût. Cependant, toutes les entreprises ne sont pas encore égales dans cette course, notamment en ce qui concerne la facilité d'utilisation des composants.

Lorsque l'on choisit parmi les millions de composants différents sur le marché, donner un guide de sélection complet est très difficile. Néanmoins, je peux vous donner quelques conseils pour vous aider à choisir les meilleurs composants pour votre application.

1. Vérifier la disponibilité

 Choisissez des composants qui sont en abondance et disponibles auprès de différents distributeurs. La dernière chose que vous voulez faire est de mettre votre projet en attente pendant quelques semaines ou même des mois simplement parce qu'un élément clé de votre projet est en rupture de stock chez le fournisseur.

2. Tenez compte du cycle de production de vos composants

 Parfois, les composants sont interrompus et vous devrez peut-être modifier le projet après une courte période ; cependant, si votre appareil est dans une seule instance, cela ne joue pas un rôle significatif.

3. Utilisez des filtres par composants

 De nombreuses boutiques en ligne proposent des filtres très fonctionnels sur le site par paramètres de composants, ainsi que par coût et disponibilité. Utilisez-les, sélectionnez les composants avec les paramètres optimaux pour vous, puis filtrez-les par coût.

4. N'oubliez pas la quantité minimale

 De nombreux composants ne sont vendus qu'en quantités minimales, à partir de 1000 pièces.

5. Choisissez le bon cas. 

Lors du choix des composants, faites attention au cas dans lequel il est produit. Vous ne devez pas acheter un composant que vous ne pourrez pas revendre plus tard.

6. Examiner le composant

 Avant d'acheter, assurez-vous d'étudier la documentation du composant afin qu'à l'avenir, son utilisation dans le projet ne pose aucun problème.

Après tout, les composants sont sélectionnés, vous pouvez les commander. J'aime commander via des magasins en ligne comme mouser.com ou digikey.com. Ceci, bien sûr, est purement ma préférence. Si vous connaissez d'autres fournisseurs pertinents, vous pouvez écrire à leur sujet dans les commentaires.

Dessinez vos connexions

La dernière étape avant de commencer à travailler avec le logiciel consiste à transférer sur papier certains des points clés du projet. L'option la plus appropriée consiste à peindre chaque bloc séparément sur différentes pages de cahier.

Vous pouvez également prendre toutes les notes nécessaires sur ce qui fonctionne et ce dont telle ou telle broche est responsable. Saisissez également les informations supplémentaires qui seront nécessaires au cours du processus de conception. Par exemple, il peut être fastidieux de chercher les adresses I2C du microcircuit dans la fiche technique et de les saisir dans un bloc note.

Une fois que vous avez terminé toutes les notes, vous pouvez passer au processus de conception de la carte de circuit imprimé elle-même.