Étape 5 — Routage \& DRC

Objectifs de l'étape

Le routage consiste à tracer physiquement les pistes de cuivre qui relient électriquement les composants selon la netlist. C'est l'étape la plus chronophage du processus de conception PCB. Un bon routage garantit :

• La fabricabilité de la carte : respect des règles minimales du fabricant

• La fiabilité électrique : pistes correctement dimensionnées, sans risque de rupture ou de surchauffe

• Les performances électromagnétiques : minimisation des perturbations, des couplages parasites et des interférences

• La testabilité : accès aux signaux critiques pour le debug

Préparation avant routage

Définir les règles de design (Design Rules)

Avant de tracer la moindre piste, il est indispensable de renseigner les règles de design dans KiCad (Fichier → Propriétés du PCB → Contraintes de design) :

• Clearance minimum : espacement minimal entre deux conducteurs non reliés. Typiquement $0,2\,\text{mm}$ pour les fabricants courants (JLCPCB, PCBWay), $0,1\,\text{mm}$ pour les fabricants haute densité.

• Largeur de piste minimum : typiquement $0,2\,\text{mm}$ pour les signaux, plus large pour la puissance

• Diamètre de via minimum : typiquement $0,6\,\text{mm}$ (diamètre extérieur) avec un perçage de $0,3\,\text{mm}$

• Annular ring minimum : couronne de cuivre autour du perçage d'un via, typiquement $0,15\,\text{mm}$

Définir des classes de net

KiCad permet de définir des classes de net (Net Classes) pour appliquer des règles différentes selon le type de signal :

• Default : signaux logiques standard — largeur $0,25\,\text{mm}$, clearance $0,2\,\text{mm}$

• Power : alimentation et masse — largeur $0,5\,\text{mm}$ à $2\,\text{mm}$ selon le courant

• HF : signaux haute fréquence (USB, SPI rapide) — largeur calculée pour l'impédance contrôlée

• Sensitive : signaux analogiques — clearance augmentée pour réduire le couplage

Dimensionnement des pistes

Largeur en fonction du courant

La largeur d'une piste doit être calculée en fonction du courant qu'elle véhicule et de l'échauffement admissible. La règle empirique couramment utilisée :

• Piste externe (sur le PCB) : $1\,\text{A}$ par $0,5\,\text{mm}$ de largeur (avec $10°C$ d'échauffement admissible)

• Piste interne (couche enfouie) : $1\,\text{A}$ par $1\,\text{mm}$ de largeur (dissipation thermique moindre)

Des outils en ligne (PCB Trace Width Calculator, Saturn PCB Toolkit) permettent un calcul précis selon la norme IPC-2221.

|c|c|c| Courant max & Largeur recommandée (ext.) & Usage typique
$< 0,5\,\text{A}$ & $0,25\,\text{mm}$ & Signaux logiques, I2C, SPI
$0,5\,\text{A}$ & $0,5\,\text{mm}$ & Alimentation microcontrôleur
$1\,\text{A}$ & $1\,\text{mm}$ & Sortie régulateur 3,3 V
$2\,\text{A}$ & $2\,\text{mm}$ & Alimentation moteur, LED power
$5\,\text{A}$ & $5\,\text{mm}$ & Puissance, chargeur batterie

Impédance contrôlée

Pour les signaux haute fréquence (USB, HDMI, Ethernet, signaux RF), la largeur de piste doit être calculée pour obtenir une impédance caractéristique précise (typiquement $50\,\Omega$ pour les signaux RF, $90\,\Omega$ différentiel pour l'USB). Cette impédance dépend :

• De la largeur de la piste

• De l'épaisseur du diélectrique entre la piste et le plan de référence

• De la constante diélectrique du matériau du PCB ($\varepsilon_r = 4,4$ pour le FR4 standard)

Des calculateurs en ligne (KiCad Impedance Calculator, Polar Instruments) permettent de déterminer la largeur exacte à utiliser.

Stratégie de routage

Ordre de routage recommandé

• 1. Plans de masse et d'alimentation : créer les remplissages de cuivre (copper fills/zones) sur les calques dédiés avant de router les signaux

• 2. Signaux critiques : lignes d'horloge, signaux différentiels, paires USB, antennes RF — ces signaux ont les contraintes les plus strictes et doivent être routés en premier

• 3. Signaux d'alimentation : pistes d'alimentation et de masse des composants actifs

• 4. Signaux de communication : I2C, SPI, UART

• 5. Signaux secondaires : LEDs, boutons, signaux non critiques

Règles fondamentales de routage

Angles de piste

• Éviter les angles à $90°$ (angles droits) : à haute fréquence, ils créent des discontinuités d'impédance et peuvent générer du bruit

• Préférer les angles à $45°$ ou les courbes : meilleure propagation du signal et aspect plus professionnel

• Dans KiCad : activer le mode de routage Interactive Router avec l'option Corner mode 45°

Retour de courant et plan de masse

C'est l'un des concepts les plus importants et les moins bien compris en routage PCB :

• Tout courant circulant dans une piste doit revenir à sa source par un chemin de retour. Ce chemin emprunte naturellement la zone de plus faible impédance — en haute fréquence, c'est le plan de masse situé directement en dessous de la piste.

• Ne jamais interrompre un plan de masse sous une piste de signal critique : une coupure force le courant de retour à faire un détour, créant une antenne rayonnante et une boucle inductrice de perturbations.

• Placer un plan de masse continu sur le calque directement adjacent aux pistes de signal est la meilleure pratique pour garantir des retours de courant courts.

Séparation des domaines analogique et numérique

• Séparer physiquement les zones analogiques (capteurs, ADC, circuits audio) des zones numériques (microcontrôleur, bus de communication rapides)

• Relier les masses analogique et numérique en un seul point (star grounding) pour éviter les boucles de masse

• Ne pas router de signaux numériques rapides à proximité des pistes analogiques sensibles

Découplage et routage des alimentations

• La connexion au condensateur de découplage doit être la plus courte possible : piste courte et large entre le pad VCC du CI et le condensateur, puis retour vers le plan de masse

• Ne pas relier plusieurs condensateurs de découplage en chaîne sur une même piste : chacun doit avoir sa propre connexion directe au plan de masse

• Utiliser des vias larges et multiples pour les connexions de masse des composants de puissance

Utilisation des vias

Un via est un trou métallisé qui traverse le PCB pour connecter deux calques de cuivre :

• Limiter le nombre de vias sur les signaux critiques : chaque via ajoute une inductance parasite et une résistance

• Sur les signaux RF et haute fréquence : éviter tout via entre l'émetteur et l'antenne

• Pour les plans de masse : ajouter des vias de masse en grille (stitching vias) pour connecter les plans de masse des différents calques et réduire l'impédance de masse

• Pour les pads thermiques : placer une grille de vias thermiques (thermal vias) sous le pad pour évacuer la chaleur vers les couches internes

Le plan de masse (Ground Plane)

Pourquoi un plan de masse ?

Un plan de masse est une zone de cuivre continue couvrant la majeure partie d'un ou plusieurs calques du PCB. Ses avantages sont :

• Réduction de l'impédance de masse : une grande surface de cuivre a une résistance et une inductance très faibles

• Blindage électromagnétique : réduit le rayonnement et la sensibilité aux perturbations extérieures

• Chemin de retour optimal : le courant de retour emprunte le chemin de plus faible impédance, directement en dessous de la piste

• Dissipation thermique : le cuivre du plan de masse aide à répartir et dissiper la chaleur

Création du plan de masse sous KiCad

• Utiliser l'outil Ajouter une zone remplie (raccourci Z)

• Sélectionner le calque (typiquement B.Cu pour le plan de masse au dos)

• Sélectionner le net GND

• Dessiner le contour couvrant toute la carte

• Appuyer sur B pour remplir toutes les zones

• Vérifier que le plan est bien connecté à toutes les masses (aucun îlot de cuivre isolé)

Le DRC (Design Rules Check)

Principe

Le DRC (Design Rules Check) est l'équivalent de l'ERC pour le PCB : il vérifie automatiquement que le routage respecte les règles de design définies et que la netlist est complète.

Lancer le DRC sous KiCad

• Aller dans Inspecter → Vérificateur des règles de design

• Cliquer sur Lancer le DRC

• Analyser et corriger toutes les erreurs et avertissements

Les erreurs DRC les plus fréquentes

Clearance violation

Description : deux conducteurs non connectés sont trop proches.
Impact : risque de court-circuit lors de la fabrication (bavure de cuivre entre les deux conducteurs).
Solution : écarter les pistes ou réduire leur largeur. Si impossible, utiliser un via pour passer sur un autre calque.

Airwire restant (Unrouted net)

Description : un ou plusieurs nets de la netlist ne sont pas routés (le ratsnest blanc est toujours visible).
Impact : connexion électrique manquante sur le PCB — composant non relié.
Solution : router la connexion manquante. Si la connexion est intentionnellement absente, vérifier que la netlist est correcte (retour au schéma).

Pad not connected to copper zone

Description : un pad de masse n'est pas connecté au plan de masse (zone de cuivre GND).
Solution : remplir à nouveau les zones (touche B), vérifier que le net du pad correspond bien au net GND de la zone, réduire le thermal relief si nécessaire.

Via or pad outside board edge

Description : un via ou un pad dépasse du contour de la carte.
Solution : déplacer le composant ou le via à l'intérieur du contour de la carte.

Silkscreen over pad

Description : un texte de sérigraphie chevauche un pad de soudure.
Impact : problème d'assemblage, le texte peut interférer avec la soudure.
Solution : déplacer ou réduire le texte de sérigraphie.

Check-list avant génération des fichiers

• $\square$ Zéro erreur DRC (toutes corrigées ou justifiées)

• $\square$ Zéro ratsnest visible (tous les nets sont routés)

• $\square$ Plan de masse rempli et vérifié (aucun îlot isolé)

• $\square$ Condensateurs de découplage routés avec pistes courtes directement sur les broches VCC

• $\square$ Largeurs de pistes adaptées aux courants

• $\square$ Sérigraphie lisible, références et valeurs visibles, aucun texte sur un pad

• $\square$ Vue 3D vérifiée (orientation des composants, absence de chevauchement)

• $\square$ Contour du PCB défini sur le calque Edge.Cuts

• $\square$ Fiducials présents si assemblage automatisé prévu

• $\square$ Points de test (test points) placés sur les signaux critiques

Erreurs fréquentes à éviter

• Piste de masse en serpentin : relier les masses des composants en série (A → B → C → GND) crée des différences de potentiel de masse entre les composants. Toujours utiliser un plan de masse ou un routage en étoile.

• Piste sous un composant rayonnant : une piste rapide passant sous un cristal ou une antenne perturbe le signal

• Via sous un pad : certains fabricants n'acceptent pas les vias directement sous les pads de soudure (tenting non garanti)

• Coupure du plan de masse : une longue piste qui traverse le plan de masse de part en part crée une discontinuité critique pour les retours de courant

• Thermal relief inadapté : un thermal relief trop important sur les pads de masse des composants traversants rend la soudure difficile à la chaleur insuffisante

• Oubli du contour PCB : sans contour sur le calque Edge.Cuts, les Gerbers générés seront incomplets et rejetés par le fabricant