Directives relatives au placement des composants sur les circuits imprimés : influence du placement sur le routage, l’assemblage et la fiabilité

Table des Matières

1. Qu'est-ce que le placement des composants dans la conception de circuits imprimés ?

2. Comment commencer le placement des composants sur un circuit imprimé

3. Facteurs électriques et thermiques liés au placement des composants

4. Placement des composants du circuit imprimé pour la fabrication et l'assemblage

5. Conception pour les essais, l'inspection et l'accessibilité

6. Conclusion

7. FAQ

---

Le placement des composants sur un circuit imprimé ne se limite pas à leur insertion dans le châssis ; il s'agit d'une étape cruciale de sa conception. Un placement optimal influe directement sur la longueur des pistes, les trajets des signaux, la distribution de l'alimentation, les performances thermiques et la facilité de fabrication. Si les composants sont trop éloignés les uns des autres, il faudra peut-être allonger les pistes et multiplier les vias ultérieurement. De même, un mauvais positionnement des dispositifs rapides, des composants d'alimentation ou des éléments générant de la chaleur compliquera la gestion des signaux et la production.

 

Par conséquent, un placement judicieux des composants doit tenir compte des contraintes électriques, mécaniques, thermiques et de fabrication. Les règles de conception du circuit imprimé doivent non seulement considérer l'espacement entre les composants, mais aussi faciliter le routage ultérieur et prévoir un espace suffisant pour l'assemblage, l'inspection, les tests et les retouches.

 

Dans cet article, nous présenterons les principes d'agencement sur lesquels il faut se concentrer lors de la conception de circuits imprimés, sous plusieurs aspects : le concept de base du placement des composants, les étapes initiales d'agencement, la conception électrique et thermique, les exigences de fabrication et d'assemblage, ainsi que les tests et l'accessibilité.

 

Qu’est-ce que le placement des composants dans la conception de circuits imprimés ?

 

Le processus qui consiste à décider où et comment organiser les composants électroniques sur une carte de circuit imprimé est appelé placement des composants sur une carte. On peut le résumer à la conversion des relations de connexion du circuit dans le schéma en leur disposition physique réelle sur la carte.

 

Le placement optimal des composants sur un circuit imprimé prend en compte simultanément le flux du signal, la dissipation thermique, l'espace disponible, le routage, l'assemblage et les contraintes mécaniques. Les composants liés sont souvent placés au plus près les uns des autres, ce qui permet d'obtenir des pistes plus courtes et plus directes. Cependant, les composants à bruit élevé, fonctionnant à haute vitesse ou générant beaucoup de chaleur peuvent nécessiter des espacements ou des séparations spécifiques. Un placement approprié des composants permet de réduire le nombre de vias inutiles et de pistes complexes, d'améliorer les performances thermiques et de signal, et de simplifier la fabrication et l'assemblage du circuit imprimé.

 

Comment commencer le placement des composants sur un circuit imprimé

 

Un bon processus de placement des composants sur un circuit imprimé doit commencer par les éléments les plus rigides. Plutôt que de les placer un par un, il est préférable de déterminer d'abord la structure mécanique globale et les divisions fonctionnelles du circuit imprimé. Un ordre de placement pratique est le suivant :

 

1. Placez d'abord les composants mécaniques fixes.

 

Commencez par déterminer le contour de la carte, les trous de fixation, les connecteurs, les interrupteurs, les antennes, les zones interdites et autres contraintes mécaniques. Ces emplacements sont généralement déterminés par le boîtier, les interfaces ou la structure du produit ; il convient donc de les fixer avant d’installer les autres composants.

 

2. Divisez le circuit imprimé en différentes zones fonctionnelles.

 

On peut organiser le circuit imprimé selon des fonctions telles que l'alimentation, l'analogique, le numérique, la radiofréquence, les capteurs, la communication ou le contrôle. C'est une règle de conception très pratique, car elle permet d'éloigner les circuits bruyants des circuits sensibles. Par exemple, si possible, les zones à courant élevé ou à haute fréquence doivent être maintenues à une certaine distance des circuits analogiques et des circuits de capteurs de faible niveau.

 

3. Placez les composants critiques.

 

Les processeurs, les FPGA, les dispositifs de mémoire, les régulateurs, les transformateurs, les dispositifs de puissance et autres circuits intégrés majeurs ont généralement l'impact le plus important sur le routage ultérieur et les performances du circuit. Par conséquent, l'emplacement de ces composants doit être déterminé avant celui des composants plus petits et plus flexibles.

 

4. Ajouter des composants de support.

 

En fonction de la fonction électrique réelle, placez les condensateurs, résistances, filtres et autres composants critiques à proximité des appareils qu'ils alimentent.

 

5. Placez les composants passifs généraux en dernier.

 

Les résistances, condensateurs et autres composants passifs courants, dont l'emplacement est relativement flexible, peuvent être disposés une fois que la structure principale du circuit imprimé est déterminée.

 

En suivant cette séquence pour le placement des composants du circuit imprimé, l'agencement global est plus clair dès le départ, ce qui contribue également à réduire les conflits de routage ultérieurs, le couplage du bruit et les modifications d'agencement inutiles plus tard dans la conception.

 

Facteurs électriques et thermiques dans le placement des composants

 

Lors du placement des composants, il est généralement nécessaire de considérer simultanément les performances électriques et la gestion thermique. Il est difficile de se concentrer sur un seul aspect, car l'emplacement des composants influe souvent simultanément sur le routage, la qualité du signal et la dissipation thermique.

 

Si la distance entre les composants critiques est trop importante, la conception risque d'exiger ultérieurement un routage plus long, davantage de vias et des chemins de signaux plus complexes ; si les composants générant de la chaleur sont concentrés dans une même zone, des points chauds locaux peuvent se former. Par conséquent, il est généralement plus efficace de traiter ces problèmes dès la phase de conception du routage que de s'appuyer ultérieurement sur des mesures de routage ou de dissipation thermique.

 

Considérations électriques et de signalisation

 

Lors du placement des composants de circuits imprimés liés aux signaux, il convient d'examiner les relations entre les composants tout au long du flux de signal. Par exemple, un signal entre sur le circuit imprimé par un connecteur, traverse des circuits de protection et de filtrage, puis entre dans le circuit intégré d'interface, et enfin atteint le processeur. Il est préférable d'organiser le circuit imprimé selon cet ordre. Les avantages sont évidents : un routage plus court, l'absence de boucles répétitives et une gestion simplifiée des routages ultérieurs.

 

Lors de la conception proprement dite de circuits imprimés, vous pouvez vous concentrer sur la vérification des règles de disposition suivantes :

 

• Placez les dispositifs à haute vitesse tels que les processeurs, la mémoire, les oscillateurs et autres composants à proximité des composants auxquels ils sont directement connectés.

 

• Les lignes d'horloge, les paires différentielles et autres connexions critiques doivent être courtes et directes.

 

• Essayez de minimiser les retours en arrière inutiles des signaux, les croisements et les vias excessifs.

 

• Les signaux analogiques sensibles et les signaux de faible niveau doivent être tenus à l'écart des zones de commutation à courant élevé et à grande vitesse.

 

• Maintenez les signaux à haute vitesse en dessous d'un plan de référence continu afin d'éviter tout croisement ou division intempestive de ce plan.

 

• Les condensateurs de découplage doivent être placés au plus près des broches d'alimentation correspondantes, plutôt que de les placer aléatoirement après avoir laissé l'espace vide restant.

 

Si vous constatez qu'un réseau critique doit être acheminé sur une longue distance ou nécessite une augmentation continue du nombre de vias lors du routage initial, il n'est pas forcément nécessaire de se précipiter pour « optimiser le routage ». Dans de nombreux cas, il est préférable de vérifier d'abord le placement des composants sur le circuit imprimé et d'ajuster plus judicieusement la position des composants concernés, ce qui facilitera la résolution du problème.

 

Considérations thermiques

 

La gestion thermique, aspect souvent sous-estimé du placement des composants, est essentielle. Les processeurs, MOSFET, régulateurs de tension et résistances de puissance, par exemple, génèrent de la chaleur en fonctionnement. S'ils sont concentrés dans un espace restreint, même si la température d'un seul composant semble acceptable, un point chaud peut se former progressivement dans toute la zone.

 

Lors de la planification du placement des composants sur le circuit imprimé, nous prenons généralement également en compte les points suivants :

 

• Les dispositifs à haute puissance sont-ils trop concentrés et est-il nécessaire de les disperser de manière appropriée ?

 

• La position des dispositifs générateurs de chaleur est-elle adaptée à l'utilisation de la circulation d'air, de dissipateurs thermiques, de vias thermiques ou de grandes feuilles de cuivre ?

 

• Les composants sensibles à la température, tels que les capteurs et les dispositifs analogiques de précision, sont-ils trop proches de la principale source de chaleur ?

 

• Les composants de grande taille bloquent-ils les ventilateurs ou les principaux flux d'air ?

 

L'objectif n'est pas simplement de séparer tous les composants générant de la chaleur. Ce qui importe, c'est la destination finale de cette chaleur. Un placement judicieux des composants pour une gestion thermique optimale doit garantir un chemin de dissipation dégagé pour la principale source de chaleur et éloigner les composants sensibles à la température des zones directement exposées à la chaleur.

 

Placement des composants sur circuit imprimé pour la fabrication et l'assemblage

 

Même si une carte de circuit imprimé ne présente aucun problème de conception électrique, si l'emplacement des composants ne correspond pas au processus de fabrication, des problèmes peuvent survenir lors de l'assemblage. Par conséquent, avant de finaliser le routage, il est généralement nécessaire de le revérifier du point de vue de la fabrication : comment la carte sera soudée, inspectée et démontée, et si elle sera facile à retoucher en cas de problème.

 

Voici quelques règles pratiques de conception de circuits imprimés :

 

• Veillez à respecter un espacement approprié entre les composants.

 

Si les composants sont trop rapprochés, même si cela permet de gagner de la place sur la carte, le soudage, le contrôle AOI et les retouches ultérieures seront plus difficiles. L'espace nécessaire dépend de la taille du boîtier, de la méthode d'assemblage, de la méthode de détection et des capacités de production de l'usine d'assemblage de circuits imprimés.

 

• Faites attention aux bords de la planche et à la zone de démontage.

 

Si les composants sont trop proches du bord fraisé, de la découpe en V ou des zones de rupture, les contraintes mécaniques générées lors du démontage et de la manipulation peuvent affecter les joints de soudure ou les composants eux-mêmes. Par conséquent, il est généralement nécessaire de prévoir une marge de sécurité à ces endroits.

 

• Disposez les composants et orientez-les de manière raisonnable.

 

Les composants sensibles à l'orientation, tels que les diodes, les LED, les condensateurs polarisés et les circuits intégrés, doivent avoir leur polarité ou leur broche 1 clairement indiquée pour une identification aisée. Pour des composants de même type, il est possible, si les conditions le permettent, de les conserver dans la même orientation. Cependant, si cela influe sur le routage ou les performances thermiques, il n'est pas nécessaire de les aligner de force par souci d'esthétique.

 

• La disposition doit être coordonnée avec le processus de soudure proprement dit.

 

Les exigences relatives au positionnement et à l'espacement des composants varient selon les méthodes d'assemblage, telles que le brasage par refusion CMS, le brasage à la vague, le brasage sélectif et l'assemblage manuel. Par exemple, lors du brasage à la vague, il convient de prêter attention à l'orientation et à la hauteur des composants, ainsi qu'à l'absence d'obstruction de la zone de soudage par les composants de grande taille.

 

• N'oubliez pas de laisser de la place pour les réparations.

 

Lors des réparations, les techniciens peuvent avoir besoin de sondes, de pinces, de fers à souder ou de pistolets à air chaud. Si les composants sont obstrués par des éléments volumineux ou si l'espace de travail est quasi inexistant, les opérations de maintenance et de reprise ultérieures seront extrêmement difficiles.

 

En réalité, il n'existe pas de règles fixes d'espacement, de placement ou d'orientation des composants qui soient applicables à tous les circuits imprimés. Une approche plus fiable consiste à examiner le placement des composants avant la production en combinant les exigences réelles de fabrication (DFM) et d'assemblage. Cela permet de détecter plus tôt les problèmes de soudure, de test et de retouche, et de réduire ainsi la nécessité de modifier ultérieurement le schéma d'implantation pour la production.

 

Conception pour les essais, l'inspection et l'accessibilité

 

Le placement des composants sur un circuit imprimé ne se limite pas à la simple vérification de l'assemblage. Après la production de la carte PCBA, celle-ci doit généralement subir des tests électriques, une inspection, une programmation, un débogage et parfois même des retouches. Tous ces processus nécessitent des interventions physiques aux emplacements correspondants sur le circuit imprimé.

 

Rendre les points de test facilement accessibles

 

Pour les tests ICT ou par sonde volante, les points de test doivent être positionnés de manière à ce que les dispositifs ou les sondes puissent effectivement entrer en contact. Même si un point de test est correctement connecté dans le fichier CAO, s'il est situé sous un appareil volumineux ou trop près d'un connecteur haut, son utilisation peut s'avérer difficile lors des tests.

 

L'espacement approprié entre les points de test, entre les points de test et les composants, et entre les points de test et le bord de la carte varie selon la méthode de test et l'équipement utilisé par le fabricant. Par conséquent, l'accessibilité des points de test doit être prise en compte dès la phase de placement des composants sur le circuit imprimé, et non après le routage.

 

Envisager une inspection et une reprise.

 

La disposition des composants influe également sur les résultats de l'inspection. Si les composants sont trop rapprochés, l'inspection, qu'elle soit automatisée ou manuelle, sera beaucoup plus difficile. Pour les boîtiers BGA où les joints de soudure sont situés sous les composants, une inspection aux rayons X peut également s'avérer nécessaire.

 

La procédure de retouche reste la même. Si certains composants sont susceptibles de nécessiter un remplacement, un débogage ou des modifications techniques ultérieurement, il est préférable de prévoir un espace suffisant autour d'eux afin que les sondes, pinces, fers à souder ou outils à air chaud puissent fonctionner correctement. Ceci est particulièrement important pour les prototypes et les nouveaux produits, car ces projets sont plus susceptibles de nécessiter des modifications.

 

Vérifier l'accessibilité après l'assemblage final

 

L'évaluation de l'accessibilité ne peut se fonder uniquement sur le circuit imprimé nu. Elle doit également tenir compte de l'état final du produit assemblé. Par exemple, des composants tels que les interfaces de programmation et les connecteurs, qui semblent disposer d'un espace suffisant dans le logiciel de conception du circuit imprimé, peuvent être obstrués par des dissipateurs thermiques, des boîtiers, des câbles ou un autre circuit imprimé après installation, les rendant inutilisables.

 

La panélisation influe également sur le positionnement des composants. Si ces derniers sont trop proches des découpes en V, des points de connexion interrompus ou des bords fraisés, ils sont susceptibles de subir des contraintes mécaniques lors du démontage. Prévoir un espace suffisant dans ces zones permet de mieux protéger les composants et les joints de soudure.

 

En termes simples, le placement des composants sur un circuit imprimé doit non seulement faciliter l'assemblage de ce dernier, mais aussi simplifier les opérations de test, d'inspection, de débogage et de maintenance ultérieures.

 

Conclusion

 

Le placement correct des composants sur un circuit imprimé ne vise pas à améliorer l'esthétique du schéma, mais à faciliter le bon déroulement du processus de fabrication, d'assemblage et de test. De nombreux problèmes qui n'apparaissent qu'ultérieurement peuvent être identifiés et corrigés dès la phase de placement.

 

C’est pourquoi, dans les projets concrets, les règles de conception des circuits imprimés ne doivent pas se limiter à la conception CAO, mais doivent également être vérifiées en fonction des capacités de production réelles. PCBasic peut réaliser des analyses de fabricabilité (DFM) pour l’espacement des composants, les zones de bord de la carte, les méthodes de soudage, les points de test et la faisabilité, conformément aux exigences de fabrication et d’assemblage des PCBA, avant le lancement de la production. PCBasic propose également des services tels que la fabrication de PCB, l’approvisionnement en composants, l’assemblage CMS/DIP, l’inspection optique automatisée (AOI), le contrôle par rayons X, le test par sonde volante et les tests fonctionnels.

 

Si votre conception est finalisée, vous pouvez soumettre vos fichiers Gerber, votre nomenclature et vos fichiers d'assemblage à PCBasic, ce qui permettra à l'équipe d'ingénierie de PCBasic de vérifier les éventuels problèmes de fabrication et d'assemblage avant la production.

 

FAQ

 

Q1 : Que signifie « PCB place » ?

 

A1 : L’expression de recherche « placement sur PCB » fait généralement référence au placement des composants sur un circuit imprimé. En conception de circuits imprimés, le placement consiste à agencer les empreintes des composants sur la carte avant le routage détaillé, afin de répondre aux exigences électriques, mécaniques et de fabrication.

 

Q2 : Quels composants doivent être placés en premier sur un circuit imprimé ?

 

A2 : Commencez le placement des composants du circuit imprimé par les éléments soumis à des contraintes mécaniques, tels que les connecteurs, les interrupteurs, les trous de fixation, les antennes et les interfaces externes. Définissez ensuite les zones fonctionnelles et positionnez les circuits intégrés principaux, les dispositifs de puissance et les autres composants critiques avant les composants passifs courants.

 

Q3 : Comment le placement des composants affecte-t-il le routage du circuit imprimé ?

 

A3 : Un bon placement des composants permet de raccourcir les connexions critiques, de réduire les croisements de pistes et les vias inutiles, de simplifier le routage des paires différentielles et de l’alimentation, et d’offrir des chemins de signal plus directs. Un mauvais placement oblige souvent les pistes à emprunter des chemins plus longs et plus complexes.