Étape 4 — Empreintes \& Placement

Objectifs de l'étape

Cette étape fait le lien entre le monde logique du schéma électrique et le monde physique du PCB. Elle comprend deux sous-étapes distinctes :

• Association des empreintes : attribuer à chaque composant du schéma son empreinte physique (footprint), c'est-à-dire la représentation de son boîtier sur le PCB

• Placement : disposer les composants sur le PCB de manière optimale avant de procéder au routage

Le placement est souvent sous-estimé par les débutants, mais c'est pourtant lui qui détermine en grande partie la qualité du routage, les performances électriques, et la fabricabilité de la carte.

Les empreintes (Footprints)

Qu'est-ce qu'une empreinte ?

Une empreinte est la représentation physique d'un composant sur le PCB. Elle comprend :

• Les pastilles de soudure (pads) : zones de cuivre sur lesquelles les broches du composant seront soudées

• Le contour du boîtier (Courtyard) : zone réservée au composant, aucun autre composant ne peut empiéter dessus

• La sérigraphie (Silkscreen) : représentation graphique du composant imprimée sur le PCB pour faciliter l'assemblage

• Le nom de référence et la valeur : textes placés sur le calque de sérigraphie

• Le point d'ancrage (Origin) : point de référence du composant utilisé pour le Pick \& Place

Types de montage

Il existe deux grandes familles de composants selon leur mode de montage :

• Traversant (Through-Hole, THT) : les broches du composant traversent le PCB et sont soudées de l'autre côté. Plus robuste mécaniquement, facile à souder à la main. Idéal pour les connecteurs, les composants soumis à des contraintes mécaniques, et les prototypes.

• CMS (Composant Monté en Surface, SMD) : le composant est soudé directement sur la surface du PCB. Permet des composants beaucoup plus petits, une densité d'intégration plus élevée et un assemblage automatisé. Nécessite un équipement adapté pour la soudure manuelle (pointe fine, loupe).

Nomenclature des boîtiers CMS courants

{|l|c|p6cm|} Boîtier & Dimensions (L × l) & Usage typique
0402 & $1,0 \times 0,5\,\text{mm}$ & Résistances, condensateurs (soudure difficile à la main)
0603 & $1,6 \times 0,8\,\text{mm}$ & Résistances, condensateurs (soudure manuelle possible)
0805 & $2,0 \times 1,25\,\text{mm}$ & Résistances, condensateurs (confortable à la main)
1206 & $3,2 \times 1,6\,\text{mm}$ & Résistances, condensateurs de grande valeur
SOT-23 & $2,9 \times 1,6\,\text{mm}$ & Transistors, régulateurs simples
SOIC-8 & $4,9 \times 3,9\,\text{mm}$ & Circuits intégrés 8 broches
QFP-48 & Variable & Microcontrôleurs, pas $\geq 0,5\,\text{mm}$
QFN-32 & Variable & Circuits intégrés compacts, pad thermique
BGA & Variable & Composants haute densité, soudure impossible à la main

Association des empreintes sous KiCad

Méthodes d'association

KiCad propose deux méthodes pour associer les empreintes :

• Dans l'éditeur de symboles : l'empreinte est renseignée directement dans la propriété Footprint du symbole lors de sa création. L'association est alors automatique.

• Via l'outil d'assignation : Outils → Assigner les empreintes (ancien CvPCB). Permet d'assigner les empreintes composant par composant depuis une interface dédiée.

Vérification des empreintes

Avant de valider une empreinte, il est impératif de vérifier sa conformité avec la datasheet du composant réel :

• Pas entre les broches (pitch) : distance entre deux broches adjacentes. La moindre erreur ici rend le composant impossible à souder.

• Dimensions des pastilles : doivent être compatibles avec le procédé de soudure (soudure à la vague, refusion, manuelle)

• Dimensions du contour du boîtier : vérifier que le composant physique tient bien dans l'empreinte

• Numérotation des broches : la broche 1 du symbole doit correspondre à la broche 1 de l'empreinte. Une erreur ici est catastrophique.

• Présence d'un pad thermique : certains boîtiers (QFN, DFN, TO-263) ont un pad thermique sous le composant, nécessitant un perçage ou un via thermique sur le PCB

Création d'une empreinte personnalisée

Si l'empreinte n'existe pas dans les bibliothèques, il faut la créer via l'éditeur d'empreintes. La procédure recommandée :

• Ouvrir la datasheet du composant, page Recommended PCB Land Pattern ou Footprint

• Relever toutes les dimensions : pitch, dimensions des pads, espacement entre rangées de pads, dimensions du boîtier

• Créer les pads en respectant scrupuleusement ces dimensions

• Ajouter le contour du boîtier sur le calque F.Fab (représentation réelle) et le courtyard sur F.Courtyard (zone de dégagement)

• Ajouter la sérigraphie sur F.Silkscreen avec le repère de broche 1 clairement visible

• Sauvegarder dans une bibliothèque de projet dédiée

• Vérifier l'empreinte en 3D via Vue → Visionneuse 3D

Le placement des composants

Importer le schéma dans le PCB

Une fois les empreintes assignées, on génère la netlist et on l'importe dans l'éditeur PCB (PCBnew) : Fichier → Importer la netlist. Tous les composants apparaissent alors en tas dans un coin de la zone de travail, reliés par des ratsnests (fils blancs symbolisant les connexions à router).

Stratégie de placement

Le placement suit une logique précise :

• 1. Contraintes mécaniques d'abord : placer en premier les éléments dont la position est imposée mécaniquement : connecteurs (sur les bords), boutons (accessibles par l'utilisateur), LEDs (visibles), trous de fixation

• 2. Bloc d'alimentation : placer le régulateur et ses composants associés à proximité du connecteur d'alimentation

• 3. Composant principal : placer le microcontrôleur ou le composant central de la carte

• 4. Composants périphériques : placer les autres circuits intégrés à proximité des broches du microcontrôleur avec lesquelles ils communiquent

• 5. Composants passifs : placer les condensateurs de découplage, résistances et autres passifs au plus près des composants qu'ils servent

Règles de placement détaillées

Condensateurs de découplage

• Placer au plus près de la broche VCC du composant concerné, de l'autre côté du composant si nécessaire

• L'ordre de placement recommandé : condensateur $100\,\text{nF}$ le plus proche, condensateur $10\,\mu\text{F}$ un peu plus loin

• La connexion doit passer d'abord par le condensateur, puis rejoindre la broche VCC du CI : éviter que la piste VCC passe d'abord au CI puis revienne au condensateur (ce qui annule son effet filtrant)

Composants de puissance

• Prévoir une zone de dissipation thermique sous et autour des composants dissipatifs (régulateurs linéaires, drivers de puissance)

• Prévoir des vias thermiques sous les pads thermiques des boîtiers QFN/DFN pour évacuer la chaleur vers le plan de masse

• Éloigner les composants sensibles à la chaleur (cristaux, capteurs) des sources de chaleur

Composants sensibles

• Les cristaux et oscillateurs doivent être placés au plus près des broches d'horloge du microcontrôleur

• Les composants analogiques sensibles doivent être éloignés des sources de bruit numérique (lignes d'horloge rapides, lignes SPI)

• Les antennes WiFi, Bluetooth ou LoRa doivent dépasser du bord de la carte, sans plan de masse en dessous dans leur zone de rayonnement

Orientation des composants polarisés

• Orienter tous les composants polarisés (condensateurs électrolytiques, diodes, LEDs) dans le même sens pour faciliter l'assemblage et le contrôle visuel

• Orienter les circuits intégrés de manière à ce que le repère de broche 1 soit visible et non masqué par le composant lui-même

• Aligner les composants de même type dans la même orientation pour faciliter le contrôle visuel et le montage automatisé

Contraintes de fabricabilité (DFM)

Le placement doit respecter les contraintes de Design for Manufacturing :

• Espacement entre composants : minimum $0,2\,\text{mm}$ entre deux composants CMS (vérifier les exigences de votre fabricant)

• Zone de soudure à la vague : si la carte doit être soudée à la vague, les composants CMS au dos de la carte doivent être orientés correctement

• Fiducials : pour l'assemblage automatisé, ajouter au minimum 3 marqueurs fiduciaux (petits cercles de cuivre) en triangle asymétrique pour la reconnaissance optique de la machine Pick \& Place

• Edge Clearance : respecter une distance minimale entre les composants et le bord du PCB ($\geq 0,5\,\text{mm}$ minimum, $\geq 3\,\text{mm}$ recommandé pour les composants traversants)

Vérification du placement

Inspection visuelle

Avant de passer au routage :

• Activer la vue 3D (Vue → Visionneuse 3D) pour détecter les composants mal orientés, les chevauchements et les problèmes mécaniques évidents

• Vérifier que tous les composants sont du bon côté du PCB (face avant ou face arrière)

• Contrôler que les connecteurs sont bien positionnés sur les bords et dans le bon sens

• Vérifier la cohérence des repères de broche 1 et des polarités

Analyse du ratsnest

Après placement, observer l'enchevêtrement des ratsnests (fils blancs de connexion) :

• Un placement optimal donne des ratsnests courts et peu croisés : peu de connexions auront besoin de traverser la carte

• De nombreux croisements de ratsnests longs indiquent un placement sous-optimal : tenter de réorganiser les composants pour réduire ces croisements

• Activer la fonction Surbrillance du net (cliquer sur un net) pour visualiser toutes les connexions d'un signal spécifique et optimiser le placement des composants qui lui sont liés

Erreurs fréquentes à éviter

• Condensateurs de découplage trop éloignés : placés à l'autre bout de la carte, ils n'ont aucun effet filtrant utile

• Cristal éloigné du microcontrôleur : les pistes longues vers le cristal sont des antennes qui rayonnent et perturbent le reste du circuit

• Composant chevauchant un trou de fixation : une vis traversant un composant ou une piste de signal — penser à vérifier les zones de dégagement mécaniques

• Connecteurs inaccessibles : un connecteur au centre de la carte, entouré de composants, impossible à câbler une fois en boîtier

• Composant polarisé inversé : une LED ou un condensateur électrolytique monté à l'envers — parfois détectable à la vérification 3D

• Oubli des fiducials : la machine Pick \& Place ne peut pas s'orienter sans marqueurs fiduciaux

• Placement sans penser au routage : un placement visuellement agréable mais qui rend le routage impossible sans nombreux vias et croisements