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Grâce aux gains de performances des ordinateurs de bureau, à l’accès à des ressources cloud, et à la disponibilité d’outils de simulation avancés, les ingénieurs peuvent désormais modéliser la performance de systèmes électroniques avec un niveau élevé de détails dans le domaine virtuel, et aussi dans le domaine physique grâce à des prototypes.

Dans le domaine virtuel, il est désormais possible d’analyser non seulement les possibilités fréquentielles et les niveaux de bruit des circuits à signaux mixtes, mais aussi d’évaluer leur compatibilité électromagnétique, avant même d’avoir placé un seul circuit intégré sur un circuit imprimé (PCB). De telles simulations permettent d’obtenir un degré de confiance élevé dans la conception sans avoir à investir dans un équipement de test à haute performance pour effectuer une analyse approfondie d’une conception de circuit. La simulation contribue à éviter les erreurs dans l’implantation du circuit, afin que le test final puisse être réalisé rapidement et facilement à l’aide de moyens loués.

Des outils économiques, comme ceux fournis dans Altium et LabView de National Instruments permettent non seulement des outils d’effectuer les simulations SPICE essentielles à l’évaluation de la performance analogique du circuit de base, mais également de déterminer les performances de la conception une fois assemblée. Les simulateurs de couches de circuit imprimé, par exemple, peuvent déterminer les parasites associés aux pistes routées, tandis que les analyseurs d’intégrité des signaux permettent d’identifier les problèmes potentiels de diaphonie et de bruit.

Prototypage matériel et production en petite série

Malgré les capacités de simulation disponibles aujourd’hui, il y a de nombreux cas où rien d’autre qu’un prototype ne fera l’affaire. L’équipe pourra être amenée à utiliser une implantation matérielle pour tester certaines hypothèses trop difficiles ou trop longues à mettre en oeuvre dans l’environnement virtuel. Par exemple, il peut s’agir d’une boucle de commande programmée pour tourner sur un microcontrôleur, qu’il faut évaluer en temps réel par rapport à des signaux réels afin de vérifier si elle est bien stable face à différents scénarios cibles. Un simulateur de jeu d’instructions logiciel peut tout simplement ne pas être capable de fournir des résultats en temps voulu, ni d’être piloté par des données d’entrée réalistes. Un autre scénario peut consister à évaluer les performances de différentes antennes face à une conception RF, ce qui peut s’avérer plus facile en connectant ces différentes antennes à un prototype matériel.

Il se peut aussi que le projet ait progressé au point de nécessiter des essais sur le terrain et des tests d’acceptation préliminaire par le client. Dans le contexte de l’Internet des objets (IoT) en particulier, il est important de voir comment plusieurs dispositifs fonctionnent en réseau les uns avec les autres et avec le Cloud. À ce stade, l’équipe doit envisager les options de prototypage, voire de production en petite série, permettant de fournir suffisamment de matériel pour réaliser un essai satisfaisant sur le terrain.

Plusieurs options s’offrent à l’équipe. La meilleure option dépendra de divers facteurs. Les possibilités vont de l’ajout de cartes E/S filles sur mesure à un ordinateur monocarte (SBC) existant, jusqu’à la commande d’une production en petite série auprès d’un partenaire en services de fabrication électronique (EMS). Si l’objectif est de s’assurer que le logiciel fonctionnera comme prévu lors d’un test des fonctions de base avec du matériel dans la boucle, il vaudra mieux utiliser un SBC compatible et faire fabriquer une carte E/S prototype si aucune carte du commerce ne dispose des interfaces requises, ou n’est assez performante. Même si la conception finale nécessite la conception d’une carte sur mesure, utilisant éventuellement une autre variante du MCU embarqué, le prototype fournira assez d’informations utiles pour se justifier et minimiser les modifications logicielles nécessaires à la version de production. En isolant les E/S sur mesure sur une carte fille, l’équipe pourra minimiser le temps et les coûts nécessaires à la réalisation d’un prototype viable.

Prototypes sur mesure

Dans certains cas, l’utilisation de matériel standard associé à des E/S sur mesure ne donnera pas d’aussi bons résultats qu’un prototype entièrement conçu sur mesure. Pour tester des hypothèses sur l’intégrité des signaux, il faut parfois concevoir un circuit imprimé aussi proche que possible du modèle de production final. Les essais sur le terrain nécessitent souvent du matériel rentrant dans une enveloppe physique ou un budget énergétique très limité. Il faut alors choisir entre la capacité d’un labo interne à construire un prototype fonctionnel, et les délais et le coût d’un matériel tout assemblé fourni par un partenaire EMS.

Si la complexité des composants matériels est relativement faible, une maquette breadboard peut s’avérer viable. Cela pourra être un bon choix dans le cas où l’on aura opté pour un SBC associé à une carte E/S fille sur mesure, puisque le nombre de composants à monter sur la maquette breadboard sera relativement faible. Si la majorité des composants nécessaires sont discrets, il sera plus facile de trouver des composants traversants compatibles avec les plateformes de type breadboard. Les distributeurs expérimentés pourront conseiller l’équipe de conception sur les types de boîtiers disponibles pour le prototypage, et permettant le passage à des boîtiers CMS pour la production finale.

Importance des types de boîtiers

Le choix du type de boîtier est un facteur important pour déterminer s’il vaut mieux commander des prototypes tout équipés à un EMS, ou réaliser une partie de l’assemblage dans le labo de l’équipe de conception. Une approche courante consiste à utiliser des outils comme ceux d’Altium ou d’Autodesk pour concevoir un circuit imprimé, puis de monter les composants nécessaires sur ce circuit pour obtenir un prototype. Pour suivre cette approche, l’équipe doit pouvoir compter sur une certaine maîtrise de la conception et sur l’accès à des outils de labo et de test peu coûteux.

Contrairement à l’option breadboard, les concepteurs peuvent aussi bien choisir d’utiliser des composants traversants que des composants CMS. Cependant, il y a des limites pratiques à ce qui peut être assemblé et soudé de manière réaliste dans un environnement de type labo. Cela s’explique simplement par la différence de précision entre des mains humaines et des équipements pick-and-place automatiques capables de placer de minuscules composants avec une précision en dixièmes de millimètre. Dans une certaine mesure, la tension superficielle de la crème à braser en fusion - en supposant qu’elle ait été déposée de manière suffisamment précise sur le circuit imprimé - permettra de recentrer les petits composants discrets. Toutefois, il est indéniablement plus facile de monter à la main des composants discrets en gros boîtier CMS ou en version traversante, que des composants CMS en boîtier 0402 voire plus petit.

De la même manière, les boîtiers CMS à pattes en périphérie, tels que les boîtiers QFP, seront plus faciles à placer et à souder en laboratoire, que des boîtiers BGA (Ball-Grid Array ou matrice de billes), puisque le technicien pourra voir si les pattes sont bien alignées avant de les souder. De nombreux circuits intégrés sont proposés en différents boîtiers pour montage en surface, de sorte que les variantes QFP peuvent être utilisées pour la production en petite série et le prototypage, tandis que les variantes BGA ou CSP (Chip Scale Package, ou puce billée) sont utilisées pour la grande série. Les distributeurs ayant l’expérience de l’assistance à la conception pourront vous conseiller sur les composants convenant à une approche double, dans laquelle le prototype utilise une variante adaptée à l’assemblage manuel, et la carte finale une variante moins coûteuse ou plus compacte, adaptée à l’assemblage automatique. Les outils de simulation aideront à identifier tout modification de l’intégrité des signaux, ou du routage des E/S, qui pourrait s’avérer nécessaire pour faciliter le passage du prototype à la production.

Outils de table pour faciliter l’assemblage en labo

Il existe un large éventail d’outils de table courants, comme des fers à souder à pointe fine, pour faciliter l’assemblage en labo. Aujourd’hui, le microscope est une aide essentielle pour monter des dispositifs à pas fin sur des PCB nus. Le stéréomicroscope à zoom fournit généralement un éclairage annulaire pour faciliter le placement précis des composants et l’inspection après refusion. Un système de dépose de crème à braser est un autre équipement important. En général, ce type d’équipement fait appel à de l’air comprimé pour appliquer une quantité contrôlée de crème à braser sur le circuit imprimé de manière reproductible. Un niveau élevé de contrôle de la dépose facilite grandement le montage de boîtiers, tels que les QFP, comportant un grand nombre de pattes étroitement espacées.

Pour l’opération de refusion, le technicien peut utiliser une plaque chauffante pour assurer la refusion de petites zones de la carte à la fois. Il est également possible de monter tous les composants avant de faire passer le tout dans un four de refusion de table.

Étant donné qu’un certain nombre de joints de soudure seront défectueux, sauf pour les techniciens les plus expérimentés, des outils de test et de reprise seront indispensables. Les plaques chauffantes et les outils à air chaud permettent de faire fondre les joints des composants mal alignés ou défectueux, en vue d’une reprise. Pour les tests, un multimètre est indispensable car il permet de sonder toutes les plages d’accueil et les pistes externes pour vérifier la connectivité. Farnell stocke toute une gamme d’outils de laboratoire fabriqués par des spécialistes comme Metcal et Weller, et dispose de toute l’expertise nécessaire pour vous conseiller sur les possibilités qu’offrent ces outils pour l’assemblage et la reprise de prototypes.

Récapitulatif

De nombreuses options et plusieurs compromis s’offrent aux équipes de conception pour créer et utiliser des prototypes lors du développement de produits. Les distributeurs expérimentés peuvent fournir de précieux conseils sur l’approvisionnement en composants adaptés à l’assemblage en labo et sur les meilleurs conditionnements de livraison aux partenaires EMS, ainsi que sur la manière dont les choix de boîtiers et les options de conditionnement peuvent être modifiés pour s’adapter à la production finale. En outre, ils peuvent conseiller les équipes sur les meilleurs outils à utiliser, si l’assemblage en interne est la meilleure voie à suivre. Il ne manque plus alors que l’imagination et les compétences d’un ingénieur pour transformer une idée de produit en réalité.

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