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Techniques

Résoudre les défis modernes du routage de PCB

Par Mark Forbes, Director of Marketing Content, ALTIUM

Publication: 7 août

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« Chérie, j’ai rétréci les gosses ». « Après tout, le monde est très petit »...
 

A lire dans le N°117 d’Electronique Mag

Ce sont là des phrases bien connues des fans de Disney - mais elles pourraient aussi très facilement décrire la miniaturisation en cours des cartes de circuit imprimé (PCB) (Figure 1). Considérons les statistiques suivantes :

- La surface de la carte est restée relativement constante, tandis que le nombre de pistes par pouce carré a triplé au cours des 10 dernières années.

- Le nombre moyen de composants a quadruplé en 15 ans, tandis que la moyenne des interférences par pièce a diminué d’un facteur de 4 à 5.

- Le nombre de broches d’une conception a triplé et le nombre de connexions de broche à broche a doublé.

Par conséquent, les composants et les produits finis étant devenus de plus en plus petits, les mises en page et routages de PCB sont devenus plus denses et complexes. Au total, la miniaturisation et la complexité croissantes des PCB posent plusieurs défis aux concepteurs de PCB qui sont responsables de faire en sorte que tout tienne et tout fonctionne de manière fiable. Dans un sondage, 53 pour cent des réponses d’entreprises dans l’électronique ont déclaré que l’augmentation de la complexité des PCB était leur principal défi car elles tentaient de commercialiser rapidement et à moindre coût le produit le plus compétitif. Parmi les difficultés de routage de PCB les plus courantes, citons :

- Le routage de BGA comportant un nombre élevé de broches.

- La conception de PCB souples qui puissent tenir dans des produits de petite taille de forme irrégulière.

- L’augmentation de la densité de routage des PCB sans augmentation du nombre de couches.

- Le fait d’éviter les chutes de tension dans les conceptions de PCB complexes et multicouches.

- La garantie d’une intégration efficace ECAD-MCAD et une meilleure communication avec les fabricants.

- L’inclusion de points de test en quantité suffisante sur un PCB dense et complexe.

Une suite logicielle de routage de PCB dernier cri et unifiée permet de répondre à tous ces défis..

Résoudre les défis de routage des BGA

Les BGA sont une méthode courante de packaging des PCB et des circuits intégrés présentant un nombre élevé de broches ou extrêmement denses. Les concepteurs de PCB choisissent les BGA car ils peuvent être rentables tout en offrant la flexibilité nécessaire pour répondre à la miniaturisation et aux exigences fonctionnelles. Le problème est que lorsque le nombre de broches augmente et que les emplacements deviennent plus fins, le « BGA breakout », autrement dit le routage des BGA, devient plus difficile. Un routage inefficace peut entraîner un nombre accru de couches qui, à leur tour, entraînent une augmentation des coûts et peuvent introduire des problèmes d’intégrité du signal, de délamination et des problèmes de densité de vias.

En particulier, les BGA qui comptent plus de 1 500 broches présentent un défi unique pour le routage (Figure 2). Généralement, le routage est divisé en deux étapes. Tout d’abord, le concepteur doit connecter depuis les pastilles des BGA de surface vers les couches intérieures du PCB, autrement dit, le fanout. Ensuite, le concepteur doit connecter depuis ces traversées de couche interne vers le reste des composants du PCB. Souvent, le fait de router un grand BGA est le principal facteur déterminant du nombre de couches requises pour le routage.

Lorsqu’il est effectué manuellement, le processus de BGA breakout peut prendre plusieurs jours au concepteur de routage du PCB, mais un logiciel de routage de PCB peut aider à automatiser ce processus, en ramenant souvent le temps de routage à quelques minutes. De cette façon, un logiciel avancé de routage de PCB peut réduire les coûts de routage et les délais de mise sur le marché.

Outre l’autoroutage, le HDI (High Density Interconnect) peut également aider à résoudre les problèmes de routage de BGA. Voir la discussion sur le HDI plus loin dans cet article pour plus d’informations.

Dans quel volume voulez-vous faire tenir le PCB ?

Aux débuts de l’électronique, à l’époque où les choses étaient plus simples, chaque PCB était un rectangle simple, aux formes et aux dimensions prévisibles. Mais avec l’avènement de dispositifs médicaux portables par exemple et l’introduction de l’électronique dans presque tous les domaines imaginables, les PCB doivent désormais pouvoir être de forme circulaire ou irrégulière, et s’adapter à des espaces compliqués (Figure 3). Prouvant que nécessité fait loi, les routeurs de PCB ont mis au point des techniques de placement et de routage d’une extrême intelligence - et ont baptisé la plus pratique d’entre elles « rigid-flex design » (rigide souple).

Les cartes « rigid-flex » sont des PCB rigides traditionnels interconnectés avec un circuit imprimé souple qui peut être plié dans de petits espaces ou inséré dans de petites ouvertures. Lors de la conception d’une carte « rigidflex », les concepteurs doivent se soucier de plusieurs parties où peuvent surgir des problèmes. Par exemple, les pliages doivent être conçus avec précision pour que les panneaux s’alignent correctement sans contraindre les points de connexion, et l’empilement (la carte des couches de PCB) doit être conçu en tenant compte de ces pliages.

Historiquement les concepteurs de PCB utilisaient des modèles en papier pour simuler et tester les conceptions « rigid-flex ». Actuellement, le logiciel de routage de PCB de pointe prévoit la modélisation 3D des assemblages souples rigides - y compris les formes irrégulières - ce qui permet d’accélérer la conception et d’améliorer la précision de manière considérable.

Faire tenir plus de complexité dans des volumes encore plus réduits

Comme mentionné précédemment, l’autoroutage peut contribuer à optimiser le routage du PCB et à minimiser le nombre de couches. Une autre façon pour avoir plus de densité sur un PCB sans augmenter le nombre de couches consiste à utiliser le HDI - une technique de routage qui utilise des traces très fines et des traversées aveugles, des traversées enterrées et des micro-traversées (Figure 4). S’il est conçu correctement, le HDI peut permettre de réduire les coûts et d’accroître les performances.

Le HDI offre plusieurs options flexibles pour la topologie de routage et le routage de PCB. Mais si le HDI résout certains problèmes de routage et de densité, il pose ses propres problèmes, notamment4 :

- Limitation de l’espace de travail de la carte.

- Composants plus petits et espacement plus dense.

- Nombre accru de composants sur les deux faces du PCB.

- Pistes plus longues, ce qui augmente le temps de transmission du signal.

- Nombre de pistes requis plus important pour réaliser la carte.

Les concepteurs de PCB peuvent utiliser un logiciel de routage de PCB pour résoudre ces problèmes et éventuellement réduire le nombre de couches nécessaires.

Se protéger contre les chutes de tension

Les premiers PCB étaient dotés d’un réseau de distribution d’énergie très simple (PDN), constitué d’un grand plan de masse et d’un plan de puissance sur les couches intérieures. Cette manière de concevoir présentait plusieurs avantages, notamment un chemin de terre à faible impédance et une grande quantité de courant émise par cette masse de cuivre pour répondre à tous les besoins du circuit imprimé. Mais les PCB modernes ne sont pas si simples. Ils fonctionnent souvent sur plusieurs tensions, même pour le même circuit imprimé, ce qui nécessite plusieurs plans de masse et de puissance. Cela peut être la source de nombreux problèmes, tels que des problèmes thermiques et de délamination causés par le rétrécissement du plan de puissance (ce qui augmente la densité de courant) et des interférences électromagnétiques causées par des discontinuités dans le plan de masse.

Mais surtout, la rupture du plan de puissance entraîne une réduction de la quantité de cuivre dans le plan d’alimentation, ce qui réduit l’intensité transportée. Pendant la commutation, lorsque le courant est à son maximum, une mauvaise conception peut ne pas être en mesure de fournir suffisamment de courant, ce qui entraîne une chute de tension (également appelée DC drop ou IR drop) au niveau du circuit imprimé (Figure 5). Une tension insuffisante entraînera des dysfonctionnements qui, dans certains cas (comme dans les applications automobiles qui contrôlent la transmission, le moteur ou les fonctions de freinage) peuvent s’avérer catastrophiques. Pour compliquer les choses, ces chutes de tension sont souvent intermittentes et se produisent uniquement dans certaines conditions de commutation. Cela les rend difficiles à tester ou à diagnostiquer par des techniques manuelles.

Heureusement, une bonne suite logicielle de routage de PCB peut effectuer une analyse PDN, parfois appelée simulation DC d’intégrité du signal (PI-DC), qui vérifie que les plans, les traces et les traversées sur la carte ont une taille et des caractéristiques suffisantes pour répondre aux besoins de consommation d’énergie des dispositifs placés sur la carte. En identifiant les zones de la conception qui sont susceptibles de conduire à des chutes de tension problématiques, cette analyse permet aux concepteurs de créer des conceptions de PCB fiables et efficaces.

Amélioration de la communication et de la collaboration

Trop souvent, les ingénieurs électroniques et mécaniques travaillent indépendamment. Ce manque de communication et de collaboration peut donner lieu à des conceptions qui ne respectent pas le calendrier ; chaque demande de changement d’ingénierie (ECO) ajoute du temps et des coûts au développement du produit et réduit l’avantage concurrentiel de votre entreprise. Et même lorsque la conception est terminée, le fait de communiquer cette conception au fabriquant peut être une source de frustrations et d’inexactitudes, ce qui entraîne encore une augmentation du temps et des coûts de développement.

Le meilleur logiciel de routage de PCB résout les défis d’intégration ECAD-MCAD en :

- Intégrant de manière transparente le processus de conception mécanique dans votre outil de conception électronique.

- Partageant les informations de gestion de projet entre les domaines.

- Permettant la visualisation 3D de la conception PCB.

- Contribuant au contrôle d’espacement en temps réel des composants et des boîtiers mécaniques.

- Permettant des prototypes virtuels d’éléments de conceptions complexes tels que les sections souples rigides.

Vous évitez ainsi les problèmes de communication, terminez les conceptions dans les délais et respectez le budget.

Une fois la conception terminée, il est tout aussi important que votre suite logicielle de routage de PCB permette de créer la documentation qui indique à votre fabricant exactement ce que vous voulez. Par exemple, le fabricant doit savoir comment votre PCB et ses composants s’inscrivent dans la conception globale du produit et quels sont les composants nécessaires. La meilleure solution pour cela consiste à disposer d’impressions et de vidéos 3D qui indiquent clairement tous les détails de la conception complexe.

Incorporer des points test même sur des routages de pcb denses

À mesure que l’espace disponible sur les PCB diminue en raison de la densification des composants et de la miniaturisation, les cartes deviennent de plus en plus sensibles à la gigue, à la diaphonie et aux interférences électromagnétiques. Autrement dit, il est plus important que jamais de tester le PCB ; cependant, l’ironie veut que cela signifie également que l’espace disponible pour les points de test est minimisé. Les concepteurs de routage de PCB peuvent utiliser le logiciel de routage de PCB pour « concevoir pour les essais », en incorporant des points de contact pour des sondes volantes afin de permettre aux ingénieurs chargés des essais de tester les circuits (Figure 6).

Pour les PCB haute fréquence et dense, il est souvent difficile de réserver de l’espace pour les points de test. Mais les PCB qui ne donnent pas à la fabrication des points critiques d’accès risquent une couverture de test très faible (30 pour cent ou moins) et empêchent des tests critiques pourtant bien nécessaires. Une bonne couverture de test doit être comprise entre 70% et 80%.

Les techniques suivantes peuvent aider à avoir de l’espace supplémentaire pour les points de test :

- Laisser une bande de masque de soudure à l’extrémité de la pastille du composant.

- Ne pas couvrir l’ensemble de la pastille de la traversée avec le masque de soudure.

- Utiliser uniquement la partie de cuivre laissée exposée en tant que point pour une sonde de test.

Expérimenter ces techniques manuellement peut prendre un certain temps. Cependant, le logiciel de routage de PCB adéquat peut vous aider à concevoir facilement et rapidement pour les tests, ce qui se traduit par une conception de PCB de meilleure qualité et plus de performance.

Conserver un avantage compétitif en utilisant une suite logicielle de routage de pcb unifiée

Les progrès de la technologie PCB sont une épée à deux tranchants. Ils ont augmenté la puissance et le domaine d’application de l’électronique. Mais d’un autre côté, ils rendent également plus difficile le routage des circuits imprimés, car ils augmentent le risque de cycles de mise sur le marché plus longs et les coûts de production. Les concepteurs peuvent atténuer ces risques en utilisant un logiciel de routage de PCB unifié qui apporte l’automatisation nécessaire pour une commercialisation rapide dans le respect du budget. Les avantages supplémentaires liés à l’utilisation d’une suite logicielle de routage de PCB unifiée sont les suivants : interface utilisateur cohérente pour la conception, les tests, la gestion de projet et la collaboration ; un entrepôt unique de données pour accroître la précision et la sécurité ; et une efficacité accrue résultant de l’exécution de toutes les tâches de conception de PCB dans un environnement unique et cohérent.

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