Routage de circuits imprimés à haute vitesse
Il existe deux méthodes de routage pour les circuits imprimés : le routage automatique et le routage interactif. Avant le routage automatique, le routage interactif permet de pré-router les pistes en respectant des exigences plus strictes. Les pistes d'entrée et de sortie doivent éviter les routages parallèles adjacents afin de prévenir les interférences par réflexion. Des plans de masse doivent être ajoutés pour l'isolation lorsque cela s'avère nécessaire. Le routage sur les couches adjacentes doit être perpendiculaire, car un routage parallèle peut facilement engendrer des couplages parasites.
Le succès du routage automatique dépend d'une conception d'implantation bien pensée. Les règles de routage peuvent être prédéfinies, notamment le nombre de coudes de pistes, de vias et de pas.
En général, le routage exploratoire est effectué en premier pour connecter rapidement les pistes courtes. Il est suivi du routage labyrinthique, qui optimise les chemins de routage pour toutes les connexions. Il peut interrompre les pistes existantes si nécessaire et tente de les rediriger afin d'améliorer les performances globales.
1. Gestion des lignes électriques et terrestres
Même avec un routage optimal sur l'ensemble du circuit imprimé, les interférences dues à une conception inadéquate des lignes d'alimentation et de masse peuvent dégrader les performances du produit et parfois même affecter le rendement. Par conséquent, le routage des lignes d'alimentation et de masse doit être réalisé avec le plus grand soin afin de minimiser les interférences et de garantir la qualité du produit.
Tout concepteur électronique comprend les causes du bruit entre les lignes d'alimentation et de masse. Ici, nous nous concentrons uniquement sur les méthodes de réduction et de suppression du bruit :
(1) Il est bien connu que des condensateurs de découplage doivent être ajoutés entre les lignes d'alimentation et de masse.
(2) Optimisez la largeur des pistes d'alimentation et de masse, idéalement en élargissant les pistes de masse par rapport aux pistes d'alimentation. L'ordre de priorité est le suivant : pistes de masse > pistes d'alimentation > pistes de signal. La largeur typique des pistes de signal est de 0,2 à 0,3 mm, avec une largeur minimale de 0,05 à 0,07 mm. La largeur des pistes d'alimentation doit être comprise entre 1,2 et 2,5 mm.
Pour les circuits imprimés numériques, un plan de masse large peut être formé à l'aide de conducteurs larges pour créer un réseau de masse (les masses des circuits analogiques ne peuvent pas être utilisées de cette manière).
(3) Utilisez un plan de masse en cuivre de grande taille. Reliez les zones inutilisées du circuit imprimé à la masse pour créer ce plan. Vous pouvez également utiliser un circuit imprimé multicouche où l'alimentation et la masse occupent chacune une couche distincte.
2. Considérations relatives à la mise à la terre des circuits à signaux mixtes
De nombreuses cartes de circuits imprimés modernes ne contiennent plus de circuits purement numériques ou analogiques, mais intègrent les deux types. Par conséquent, le routage doit tenir compte des interférences mutuelles, notamment du bruit sur les plans de masse.
Les circuits numériques fonctionnent à des fréquences plus élevées, tandis que les circuits analogiques présentent une plus grande sensibilité. Pour les lignes de signal, les pistes haute fréquence doivent être acheminées aussi loin que possible des composants analogiques sensibles. Concernant les plans de masse, le circuit imprimé ne présente qu'un seul point de connexion externe. Par conséquent, la mise à la terre commune des composants numériques et analogiques doit être gérée en interne sur le circuit imprimé. À l'intérieur de celui-ci, les masses numériques et analogiques sont physiquement séparées et non interconnectées, sauf au niveau des points d'interface externes (par exemple, les connecteurs). Les masses numériques et analogiques partagent un seul point de connexion. Certains systèmes peuvent opter pour des masses isolées, selon la conception du système.
3. Acheminement des lignes de signal sur les plans d'alimentation (masse)
Lors du routage sur des circuits imprimés multicouches, l'espace inutilisé limité sur les plans de signal implique que l'ajout de couches supplémentaires entraîne un gaspillage de matériau, une complexification de la fabrication et une augmentation des coûts. Pour pallier ce problème, il est conseillé de privilégier le routage sur les plans d'alimentation (masse). Il est primordial de traiter d'abord les plans d'alimentation, puis les plans de masse, car le maintien de l'intégrité de ces derniers est essentiel.
4. Manipulation des brins de connexion dans les conducteurs de grande section
Dans les applications de mise à la terre (électrique) de grande surface, les pattes des composants y sont généralement connectées. Le traitement de ces pattes de connexion exige une attention particulière. Du point de vue des performances électriques, un contact total entre les pastilles des pattes du composant et la surface en cuivre est idéal. Cependant, cette approche présente des inconvénients potentiels pour le soudage et l'assemblage des composants.
① Le soudage nécessite des éléments chauffants de forte puissance.
② Cela conduit facilement à des joints de soudure froids.
Par conséquent, afin d'optimiser les performances électriques et les contraintes de fabrication, on utilise des pastilles en forme de croix, appelées écrans thermiques ou pads thermiques. Cette conception réduit considérablement le risque de soudures froides dues à une dissipation thermique excessive lors du brasage. Le même principe s'applique aux broches de connexion sur le plan de masse des cartes multicouches.
5. Le rôle des systèmes de réseau dans le routage
Dans de nombreux systèmes de CAO, le routage est déterminé par le réseau. Des grilles trop denses augmentent le nombre de chemins de routage, mais entraînent des pas trop petits et un volume de données excessif dans la zone de dessin. Ceci exige inévitablement une plus grande capacité de stockage et impacte significativement la vitesse de traitement des ordinateurs hôtes et des produits électroniques. Certains chemins deviennent redondants, comme ceux occupés par les empreintes de pastilles de composants, les trous de fixation ou les éléments de montage. À l'inverse, des grilles trop clairsemées réduisent drastiquement le nombre de chemins de routage, affectant fortement le taux de réussite. Par conséquent, un système de grille suffisamment dense est essentiel pour un routage efficace.
L'écartement standard entre les broches d'un composant est de 0,1 pouce (2,54 mm). Par conséquent, la base du système de grille est généralement fixée à 0,1 pouce (2,54 mm) ou à un multiple entier inférieur à 0,1 pouce, tel que 0,05 pouce, 0,025 pouce ou 0,02 pouce.
6. Vérification des règles de conception (DRC)
Une fois la conception du routage finalisée, il est essentiel de vérifier minutieusement sa conformité aux règles établies par le concepteur. Il convient également de s'assurer que ces règles répondent aux exigences du processus de fabrication des circuits imprimés. Les points d'inspection courants comprennent :
① Si l'espacement entre les pistes, entre les pistes et les pastilles de composants, entre les pistes et les vias, entre les pastilles de composants et les vias, et entre les vias est raisonnable et répond aux exigences de production.
2. Vérifier que les pistes d'alimentation et de masse ont une largeur suffisante et qu'elles sont bien couplées (faible impédance). Identifier les zones du circuit imprimé où les pistes de masse peuvent être élargies.
③ Si des mesures optimales ont été prises pour les pistes de signal critiques, telles que la minimisation de la longueur, l'ajout de pistes de blindage et la séparation claire des pistes d'entrée et de sortie.
④ Les sections de circuits analogiques et numériques ont-elles des plans de masse indépendants ?
⑤ Les éléments graphiques ajoutés après la mise en page (par exemple, icônes, annotations) risquent-ils de provoquer des courts-circuits de signal ?
⑥ Les géométries de traces sous-optimales ont-elles été modifiées ?
⑦ Des lignes de process sont-elles ajoutées au circuit imprimé ? Le vernis épargne est-il conforme aux exigences de fabrication ? Ses dimensions sont-elles appropriées ? Les marquages chevauchent-ils les pastilles des composants, ce qui pourrait compromettre la qualité de l’assemblage ?
⑧ Les bords extérieurs des plans d'alimentation/de masse sur les cartes multicouches sont-ils encastrés ? La présence de feuilles de cuivre exposées sur ces plans risque de provoquer des courts-circuits.
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