Conception d'un PCB
Conception d'un PCB
Objectifs
Ce chapitre présente le processus complet de conception d'une carte électronique, depuis l'expression du besoin initial jusqu'au debug du PCB assemblé. Chaque étape est jalonnée de vérifications permettant de détecter et corriger les erreurs le plus tôt possible, avant que celles-ci n'engendrent des coûts de fabrication ou de reprise importants.
Le schéma ci-dessous illustre ce processus de manière synthétique :
Conception \& Simulation
Définition du besoin
La première étape de tout projet électronique consiste à définir précisément le cahier des charges : quelles sont les fonctions attendues du circuit ? Quelles sont les contraintes d'alimentation, de consommation, d'encombrement, de température de fonctionnement ? Cette phase permet de cadrer le projet et d'orienter les choix techniques qui suivront.
Choix de l'architecture électronique
Une fois le besoin défini, on choisit l'architecture générale du circuit : type de microcontrôleur, régulateurs d'alimentation, interfaces de communication, étages de puissance, etc. Cette étape inclut la sélection des composants principaux et la vérification de leur disponibilité chez les distributeurs.
Simulation
Avant toute réalisation physique, il est fortement recommandé de simuler le circuit ou ses blocs critiques à l'aide d'un outil de simulation comme LTspice ou KiCad Simulator. La simulation permet de :
Valider le comportement statique et dynamique du circuit
Vérifier les niveaux de tension et de courant aux points clés
Anticiper les problèmes de stabilité (oscillations, rebonds, surtensions)
Réduire le nombre d'itérations matérielles nécessaires
Schématique
Création du schéma électrique
Le schéma électrique est réalisé sous KiCad à l'aide de l'outil Eeschema. Il représente de manière symbolique l'ensemble des composants et leurs interconnexions. Un schéma bien structuré est indispensable pour la lisibilité, la maintenabilité et la vérification du circuit.
Quelques bonnes pratiques :
Organiser le schéma en blocs fonctionnels distincts (alimentation, microcontrôleur, interfaces, etc.)
Nommer explicitement les nets (signaux) pour faciliter le routage et le debug
Ajouter des valeurs et références claires sur chaque composant
Placer des marqueurs de puissance (
VCC,GND,+3V3, etc.) cohérents sur l'ensemble du schémaUtiliser des symboles conformes aux datasheets des composants
Pré-commande des composants
Dès la phase schématique, il est conseillé de vérifier la disponibilité et le prix des composants sélectionnés sur les plateformes de distribution (Mouser, Farnell, LCSC, etc.). Certains composants peuvent avoir des délais d'approvisionnement longs ; il vaut mieux l'anticiper avant de finaliser le design.
Vérification des symboles
Chaque symbole utilisé dans le schéma doit correspondre exactement au composant réel : brochage, numérotation des pins, polarité. Une erreur à ce niveau peut entraîner un court-circuit ou un composant non fonctionnel sur la carte finale.
Voir les règles de conceptionhttps://www.crepp.org/kicad/erc/Vérifications électriques (ERC)
Principe de l'ERC
L'ERC (Electrical Rules Check) est une analyse automatique réalisée par KiCad sur le schéma électrique. Elle détecte les erreurs de connexion qui ne sont pas visibles à l'œil nu et qui pourraient provoquer des dysfonctionnements sur le circuit réel.
Erreurs couramment détectées
Broches non connectées : une entrée ou une sortie laissée en l'air (floating) peut provoquer un comportement imprévisible
Conflits de sorties : deux sorties actives reliées ensemble (court-circuit logique)
Entrées non pilotées : une broche d'entrée non reliée à un net défini
Alimentation manquante : un composant sans connexion de masse ou d'alimentation
Nets non reliés : un fil qui se termine sans connexion (dangling wire)
Procédure
Il est impératif de corriger toutes les erreurs ERC avant de passer à l'étape de routage. Certains avertissements peuvent être ignorés s'ils sont justifiés (par exemple une broche volontairement laissée non connectée), auquel cas on les marque explicitement comme acceptés dans l'outil.
Voir la gestion de la schématiquehttps://www.crepp.org/kicad/erc/Empreintes \& Placement
Association des empreintes
Chaque composant du schéma doit être associé à une empreinte (footprint), c'est-à-dire la représentation physique du composant sur le PCB : forme des pastilles de soudure, contour du boîtier, sérigraphie. Cette association se fait via l'outil CvPCB de KiCad.
Il faut s'assurer que l'empreinte choisie correspond exactement au boîtier du composant réel (pas de montage, dimensions des pastilles, pas entre les broches).
Placement des composants
Le placement est une étape critique qui conditionne directement la qualité du routage et les performances électriques de la carte. Un mauvais placement peut générer des interférences, des boucles de masse problématiques ou des difficultés de fabrication.
Quelques règles de placement :
Placer les composants de découplage (condensateurs $100\,\text{nF}$) au plus près des broches d'alimentation des circuits intégrés
Regrouper les composants par blocs fonctionnels
Orienter les connecteurs vers les bords de la carte
Respecter les contraintes mécaniques (hauteur des composants, zones de dégagement, fixations)
Tenir compte du sens d'assemblage si la carte est destinée à un montage automatisé (Pick \& Place)
Routage \& DRC
Routage des pistes
Le routage consiste à tracer les pistes de cuivre qui relient électriquement les composants entre eux, en suivant les connexions définies dans le schéma (le netlist). Il peut être réalisé manuellement ou assisté par un auto-routeur.
Règles fondamentales de routage :
Adapter la largeur des pistes au courant qu'elles doivent conduire
Minimiser la longueur des pistes véhiculant des signaux rapides ou sensibles
Éviter les angles à 90° (préférer les angles à 45° ou les courbes)
Séparer les pistes de puissance des pistes de signaux analogiques sensibles
Prévoir un plan de masse continu sur un layer dédié pour réduire les interférences électromagnétiques
Respecter les espacements minimaux entre pistes (clearance) imposés par le fabricant
Vérification DRC
Le DRC (Design Rules Check) est l'équivalent de l'ERC pour le PCB : il vérifie automatiquement que le routage respecte les règles de fabrication définies :
Clearance : espacement minimal entre deux conducteurs non reliés
Largeur minimale de piste : en fonction des capacités du fabricant
Taille minimale des perçages : diamètre des vias et trous de composants traversants
Connexions manquantes : un net du schéma non routé sur le PCB (airwire restant)
Débordements de cuivre : piste sortant du contour de la carte ou chevauchant un composant
Comme pour l'ERC, toutes les erreurs DRC doivent être résolues avant de générer les fichiers de fabrication.
Voir les règles de routagehttps://www.crepp.org/kicad/erc/Comparaison \& Production
Comparaison schéma $\leftrightarrow$ PCB
Avant de générer les fichiers de production, une dernière comparaison entre le schéma électrique et le PCB est effectuée pour s'assurer de leur cohérence totale : aucun composant ne doit avoir été ajouté ou supprimé sur le PCB sans que le schéma ne soit mis à jour en conséquence.
Génération du dossier de fabrication
Le dossier de fabrication regroupe l'ensemble des fichiers nécessaires à la production de la carte :
Fichiers Gerber : un fichier par couche du PCB (cuivre recto/verso, masque de soudure, sérigraphie, contour de découpe)
Fichier de perçage : positions et diamètres de tous les trous (format Excellon)
BOM (Bill Of Materials) : liste complète des composants avec leurs références, valeurs et fournisseurs
Fichier Pick \& Place : positions et orientations des composants pour le montage automatisé en machine
Ces fichiers sont transmis au fabricant de PCB (JLCPCB, PCBWay, Eurocircuits, etc.) pour la fabrication et l'éventuel assemblage des cartes.
Voir la génération du dossier de fabricationhttps://www.crepp.org/kicad/erc/Montage \& Debug
Assemblage du PCB
Une fois les cartes nues reçues du fabricant, on procède à l'assemblage des composants, soit manuellement au fer à souder (pour les prototypes), soit à l'aide d'une machine de placement automatique et d'un four à refusion (pour les séries).
Avant toute mise sous tension, il est recommandé de réaliser une inspection visuelle ou automatique (AOI : Automated Optical Inspection) afin de détecter :
Les composants mal orientés ou inversés (polarité des condensateurs, sens des diodes et circuits intégrés)
Les soudures froides, manquantes ou en court-circuit
Les composants absents ou décalés de leur empreinte
Tests fonctionnels
Après l'assemblage, on procède à la mise sous tension progressive (via une alimentation de laboratoire avec limitation de courant) et aux tests fonctionnels :
Vérification des tensions d'alimentation sur les points de test
Test de chaque fonction du circuit (communication, acquisition, commande)
Mesure des consommations statique et dynamique
Tests en conditions limites (température, tension min/max)
Debug matériel
Si un dysfonctionnement est détecté, le debug matériel permet d'en identifier l'origine. Les outils utilisés sont :
Multimètre : vérification des tensions d'alimentation, continuité des pistes, résistances
Oscilloscope : observation des signaux numériques et analogiques, mesure des temps de propagation, détection de glitches
Analyseur logique : décodage des trames de communication (I2C, SPI, UART)
Sonde de courant : mesure de la consommation dynamique
Selon la nature du problème identifié, il peut être nécessaire de retourner à une étape précédente du processus (correction du schéma, modification du routage, remplacement d'un composant) et de relancer un cycle de fabrication.
Voir les bonnes pratiques de debughttps://www.crepp.org/kicad/erc/