Les bases du routage d’un PCB : De la conception à la production

Lors de la conception d'un produit électronique, la transformation de la schématique au PCB transforme l'idée à la réalité. En effet, la schématique est encore un concept virtuel alors que le PCB, lui sera réel.

Le routage d’un PCB est une étape essentielle dans la conception électronique. Un bon design garantit fiabilité, performances et facilité de fabrication. Cet article vous guide pas à pas à travers les étapes clés du routage, du stack-up à la fabrication, en passant par le placement des composants, la stratégie de routage, et la génération des fichiers de production.

1 Définition du Stack-up : La fondation du PCB

Le stack-up définit la structure du PCB et influence :

• L’intégrité du signal (Signal Integrity - SI)
• Le réseau d’alimentation (Power Delivery Network - PDN)
• La dissipation thermique
• Les contraintes de fabrication

Comment définir le stack-up ?

Un bon stack-up doit être pensé en amont en fonction des besoins du circuit :

• Nombre de couches (2, 4, 6 ou plus)
• Épaisseurs et types de matériaux (pré-preg, core)
• Répartition des plans de masse et d’alimentation
• Impédance contrôlée pour signaux rapides

Pourquoi choisir 4 ou 6 couches ?

• 2 couches → Simple, économique, mais peu adapté aux signaux rapides.
• 4 couches → Bon compromis, permet d’avoir une masse continue et une meilleure distribution de l’alimentation.
• 6 couches et plus → Indispensable pour les circuits haute vitesse (DDR, PCIe, RF, etc.) et les designs denses.

Agencement des couches : Règles essentielles

Exemple de stack-up 4 couches

1️⃣ Signal
2️⃣ Masse (GND)
3️⃣ Alimentation (VCC) / Signal interne
4️⃣ Signal

Pourquoi ?

• Une masse complète permet un retour de courant optimal.
• Les couches doivent être symétriques en cuivre pour éviter la déformation à la fabrication.
• Un plan d’alimentation adjacent à un plan de masse réduit l’inductance et améliore le PDN.

Stack-up 6 couches optimisé

1️⃣ Signal
2️⃣ Masse (GND)
3️⃣ Signal interne / Alimentation (VCC)
4️⃣ Signal interne / Alimentation (VCC)
5️⃣ Masse (GND)
6️⃣ Signal

Pourquoi ?

• Les signaux rapides sont bien référencés par des plans proches, limitant les interférences.
• Une distribution homogène du cuivre réduit les problèmes de fabrication.

un article expliquant les défaut de torsion et d'arcage de PCB intéressant

https://www.ncabgroup.com/fr/blog/pcb-bow-and-twist/

2 Placement des composants : Une étape stratégique

Avant de commencer le routage, il faut bien organiser le placement des composants.

Discussion avec la mécanique

Le placement ne se fait pas seul : il doit être en accord avec les contraintes mécaniques.

• Alignement avec le boîtier
• Contraintes de hauteur et d’accès pour la maintenance
• Positionnement des connecteurs

Définir une stratégie de placement avant de commencer

Un bon placement évite de recommencer le routage en cours de route.

• Tout sur une seule face ? → Réduction des coûts d’assemblage.
• Séparer les composants bruyants et sensibles ? → Améliore la compatibilité électromagnétique (EMC).
• Isoler l’analogique et le numérique ? → Évite les interférences entre signaux.

3 Routage des pistes : Réflexion avant action

Le routage ne consiste pas seulement à connecter les composants : il faut penser en amont aux contraintes électriques et mécaniques.

Retour de courant : À ne pas négliger

Chaque piste de signal génère un retour de courant. Le chemin du retour doit être optimisé pour éviter le bruit et la diaphonie.

• Toujours placer un plan de masse sous les signaux rapides.
• Éviter les coupures dans les plans de référence pour ne pas perturber le retour de courant.

Signal Integrity et PDN : Un équilibre à trouver

Questions à se poser avant de router :

• Les signaux doivent-ils être en couche interne ou externe ?
• Faut-il une impédance contrôlée (50Ω, 90Ω) ?
• Quelle largeur et espacement pour minimiser les interférences ?
• Le PDN est-il suffisamment robuste pour éviter les chutes de tension ?

Stratégie de routage : Préparer avant d’agir

• Une mauvaise organisation peut obliger à recommencer à mi-parcours.
• Identifier les signaux critiques en premier (horloges, bus haute vitesse).
• Vérifier l’espace disponible avant de router les alimentations et masses.
• Utiliser des outils de simulation pour anticiper les problèmes.

4 Vérification et validation du design : L’étape la plus importante

Un PCB mal vérifié peut compromettre tout un projet. Chaque étape doit être contrôlée :

1. Vérification du schéma

• Les connexions sont-elles correctes ?
• Les valeurs des composants sont-elles exactes ?

2. Vérification des bibliothèques de composants

• Empreintes et dimensions correctes ?
• Numérotation et orientation conformes ?

3. Vérification du placement

• Respect des contraintes mécaniques ?
• Distance suffisante entre les composants ?

4. Vérification du routage

• Aucune piste ne traverse un plan coupé ?
• Respect des règles de fabrication (DRC) ?
• Simulation de l’intégrité du signal et du PDN ?

Ne jamais sauter cette étape sous peine de découvrir les erreurs trop tard !

5 Génération des fichiers de production : Adapter aux besoins de l’EMS

Une fois la conception validée, il faut préparer les fichiers pour la fabrication.

Fichiers Gerber

Dessins des couches cuivre, sérigraphie, masque de soudure.

Fichier de perçage (NC Drill)

Diamètres et emplacements des trous.

Fichier BOM (Bill Of Materials)

Liste des composants avec références et fournisseurs.

Fichier Pick & Place

Coordonnées des composants pour l’assemblage automatique.

Adapter les fichiers à l’EMS pour éviter des coûts supplémentaires

Discuter en amont avec le fabricant pour éviter les incompréhensions et frais de dossier élevés.

• Respecter leurs capacités de production (min pitch, via, épaisseur cuivre).
• Vérifier les tolérances de perçage et d’alignement.
• Fournir un fichier d’assemblage clair pour minimiser les erreurs.

💡 Astuce : Toujours vérifier les fichiers Gerber avec un visualiseur (ex. Gerbv) avant l’envoi au fabricant.

Conclusion : Un bon routage, un bon produit !

Un PCB bien conçu garantit un projet réussi. En respectant ces bonnes pratiques et en anticipant les contraintes dès le départ, vous maximisez vos chances d'obtenir un circuit fiable, performant et facile à produire.