Nous allons aborder dans cet article le placement de composants avec KICAD. C’est la phase préliminaire lorsque vous effectuez un routage de PCB. C’est un travail relativement important, j’ai beaucoup de choses à vous expliquer. Ne fermez pas la page, laissez-vous guider au travers de ce document.

Placement des composants avec Kicad.

Le design d’un PCB consiste à :

• Choisir des dimensions et une forme du support en époxy en fonction du contexte dans lequel sera utilisée la carte.
• Placer les composants de manière judicieuse.
• Dessiner les pistes de cuivre (connexions électriques) en respectant des règles strictes.

Je vais aborder avec vous chacune des étapes afin d’obtenir ainsi un circuit de qualité professionnel.

Choix des dimensions et forme du PCB.

Plusieurs approches peuvent être choisies, vous n’avez aucune idée précise du boitier que vous allez utiliser, vous allez peut-être même ne pas mettre votre circuit dans un boitier…

Dans ce cas vous pourriez partir sur une dimension arbitraire qui bien sûr sera capable de contenir tous les composants de manière confortable. Pour les techniques de gravure type perchlorure ou gravure CNC, il existe la dimension format « Europe » de 100/160mm.

Je trouve cependant sympa, l’idée de choisir un boitier répondant à des exigences de votre application et de travailler avec une forme et dimensions du PCB conforme à l’élément choisi.

En effet, à l’heure actuelle, les possibilités qu’offrent les fabricants de PCB’s sont très larges et de plus, les fournisseurs de boitiers mettent à votre disposition les fichiers 3D pour vous aider dans votre conception.

Voici un exemple, les informations données par le constructeur vous permettront de placer vos connecteurs de manières précises pour une intégration parfaite dans le boitier.

Le principe reste plus moins le même avec les boitiers que vous pourriez imprimer vous-même.

Voici un ancien article qui traite brièvement des possibilités offertes avec les fichiers 3D et les logiciels associés.

Pour mon application, j’ai décidé de prendre un support de carte « clipsable » sur rail din de chez « OKW ». Je trouvais que c’était intéressant au vu du rapport qualité-prix de ce système.

Comme déjà expliqué, il est très facile de récupérer les fichiers 3D au format « stp » du fabricant pour avoir toutes les informations précises.

À partir de schéma du boitier, il est facile de dessiner le PCB qui sera glissé dans celui-ci.

En analysant de plus près les différentes parties du module, il est facile de détecter les zones où il faudra interdire le placement des composants sous peine de ne pouvoir glisser la carte une fois le travail terminé. Tout cela est représenté sur les figures ci-dessous.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Je ne peux pas faire ici un cours sur les outils 3D, mais sachez qu’il en existe différents en téléchargement, pour ma part, j’utilise DesignSpark Mechanical, que je trouve très bien pour ce type de besoins.

À partir de ce genre d’outil, il est facile d’extraire un fichier de type « DXF » qui sera bien utile pour l’utiliser dans Kicad pour dessiner automatiquement le contour de votre PCB et y ajouter les zones interdites (zones où vous ne pouvez pas placer de composants).

Pour terminer le travail dans l’outil 3D, je vous propose de dessiner (à l’aide de l’outil adéquat du logiciel) un contour qui déterminera la zone de placement ainsi que deux petits rectangles sur les deux extrémités correspondant à un petit dépassant en plastique du boitier.

Une fois cela réalisé, vous cachez le reste des éléments du boitier pour ne garder que le PCB et les zones d’interdiction.

Voilà le résultat :

Dernière chose avant de poursuivre, si vous constatez que le référentiel (voir la figure ci-dessus) est dans l’image, alors faites en sorte de déplacer votre dessin comme sur la figure ci-dessous, cela vous facilitera l’intégration dans Kicad.

Tout dépend bien sûr du logiciel que vous utilisez, mais l’idée de référentiel est commune à tous ces outils.

Avec l’outil « DesignSpark Mechanical » il est très facile de sauver le travail dans un fichier de type « DXF ». Les fichiers « DXF » sont très courants dans le domaine du dessin industriel et très portables d’un outil à l’autre.

 

Exemple, Kicad est en mesure d’importer un fichier de ce type pour créer le contour du PCB plutôt que de le dessiner avec les outils de dessin inclus dans Kicad.

Mon avis personnel est le suivant, les outils comme Eagle (version 6.4) et Kicad ne sont pas du tout puissants pour réaliser des dessins complexes. J’ai appris à passer par d’autres logiciels plus adaptés au dessin pour générer des fichiers « DXF ». Une fois ce fichier « DXF » en main, qu’il soit simple ou complexe, ça reste un jeu d’enfant pour l’importer dans Eagle ou Kicad.

Vous allez certainement me dire que pour réaliser un simple rectangle comme c’est le cas ici, que c’est un peu superflu de passer par des outils 3D. Vous avez raison, mais je voulais vous montrer le principe, car pour des boitiers plus complexes, c’est vraiment génial !! J’ai par ailleurs réalisé un petit article montrant quelques exemples.

Vous pouvez également utiliser d’autres outils 3D, le principe doit rester le même.

Il est difficile de passer en revue tous les détails dans cet article, je vous propose de me poser vos questions en commentaires.

Importation du fichier DXF dans Kicad.

Cliquer sur « Examiner » pour sélectionner le fichier « DXF » préalablement enregistré et respecter les différentes options comme représentées sur la figure ci-dessous.

Voilà le résultat.

Les spécialistes vont me dire que c’est un contour très particulier pour une forme de PCB, c’est vrai, mais nous supprimerons les lignes superflues à la fin du travail. Il est important que vous sachiez où se trouvent les zones interdites pour toute la suite de votre travail.

Maintenant, vous êtes en mesure de placer vos différents composants.

Souvenez-vous, dans l’article précédent, je vous avais montré comment importer tous les composants, nous allons faire de nouveau l’opération. Si vos composants sont déjà dans votre fenêtre avant d’avoir importé le contour en « DXF », c’est pareil.

Placement des composants de manière judicieuse.

C’est une partie qui n’est pas spécialement évidente lorsque l’on n’a pas beaucoup d’expérience. Je vais ici vous guider étape par étape pour placer correctement les différents éléments.

Voici les grandes lignes :

• Dans notre cas, nous allons placer tous les connecteurs sur la périphérie du PCB pour une connexion aisée des ressources par la suite. En règle générale c’est souvent le cas !
• Tous les autres composants vont être placés pour minimiser la longueur des pistes de cuivre, je vais vous montrer tout cela en détail.

Pour commencer le placement, je vous propose de régler votre grille à 50mils (1.27mm).

Pour déplacer un composant, il suffit de cliquer sur celui-ci et d’appuyer sur la touche « M » ou un clic droit puis « Déplacer »

Voici un exemple pour le connecteur 40 broches.

Pour la suite, il faut prendre votre schéma de principe à vos côtés pour poursuivre le travail et respecter une certaine logique pour placer les composants.

Je prends comme exemple les connecteurs pour les entrées logiques (J1, J2, J3,…), nous allons les placer dans un ordre chronologique sur la carte.

Pour une meilleure visibilité, je vous conseille de désactiver le calque avec le nom du composant comme sur la photo ci-dessous, cela allège votre dessin.

Il suffit de décocher ceci :

Le dessin s’en trouve allégé.

Idem pour le « chevelu », dans un premier temps il est intéressant de le désactiver pour plus de clarté.

Pour rechercher un composant, il suffit de parcourir tous les composants ou utiliser le raccourci « CTRL +F »

Attention au sens des composants, placez-les comme sur la photo ci-dessous.

Poursuivre le travail avec les 8 borniers des sorties ainsi que le bornier de l’alimentation en +24V.

Comme vous pouvez le voir sur la photo ci-dessus, j’ai délibérément décalé le bornier J18 des autres pour bien le différentier.

Prenons chacune des entrées sur le schéma de principe.

Je suppose que vous l’avez compris, il va falloir regrouper tous les éléments de « IN1 » près du bornier « J1 » et idem pour les autres.

Voici un exemple.

Cependant le placement des trois nouveaux éléments n’est peut-être pas tout à fait optimisé. Souvenez-vous, je vous ai dit qu’il fallait réduire au maximum les longueurs des pistes de cuivre au moment du routage. Pour vérifier cela, il est nécessaire de réafficher le chevelu.

Pour illustrer tout cela, je vais anticiper légèrement le travail, je vais commencer à router les trois éléments que je viens de placer. Le routage consiste à remplacer les liaisons blanches du chevelu par des pistes de cuivre.

Le résultat de droite est plus optimisé, une simple rotation de 90° ou 180° d’un ou de plusieurs composants peut souvent simplifier les choses.

Dans cet exemple U1 et R1 on subit une rotation. Je vous conseille pour une meilleure visibilité, de déplacer les étiquettes des composants. Le même principe, un simple clic sur l’étiquette suivi de la touche « M » pour la déplacer.

Je vous avoue que cet exemple est assez simple, mais toute fois très important à prendre en compte pour la suite de votre travail. En effet le placement et le routage reste malgré tout un travail d’expérience, lors de vos débuts, vous risquez de vous « prendre souvent la tête ». Il faut rester patient !!

Je vous déconseille vivement de commencer votre routage AVANT D’AVOIR PLACÉ TOUS VOS COMPOSANTS, car vous devrez certainement revoir le positionnement de certaines parties, cela vous fera perdre beaucoup de temps !

Au passage, une autre option pour le chevelu, c’est de sélectionner uniquement le « chevelu local » lorsque vous sélectionnez un composant.

Cela permet d’avoir beaucoup plus de clarté lors du placement des composants tout en voyant les connexions du composant que vous déplacez.

C’est à vous de voir ce que vous préférez.

J’aimerais revenir sur un point, je vous ai dit qu’il était préférable de router votre après le placement de tous les composants, c’est vrai, mais vous pouvez faire une petite exception dans certains cas. Si l’on reprend les quelques composants en rapport avec une sortie de notre montage (voir la photo ci-dessus), vous pouvez effectuer un routage des quelques composants pour valider votre placement. Ensuite, si vous êtes satisfaits, il suffira de dupliquer cet assemblage pour toutes les autres sorties. Je vous montre de nouveau un exemple.

Je trouve que cette organisation me semble correcte, je vais donc la reproduire pour le reste des sorties.

Pour affiner le placement des autres composants, je vous propose de régler votre grille sur 25mil.

C’est à vous maintenant, je vous propose de poursuivre tout le travail jusqu’au bout, essayez de placer tous vos composants. Jouez le jeu avant de lire la suite du document. Vous allez vous prendre la tête, c’est normal, c’est un passage obligé ☺.

 

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Ok, si tout est terminé, vous pouvez lire la suite. En fait, vous avez certainement commis toutes sortes d’erreurs. Je vais essayer de passer en revue un certain nombre d’entre elles et vous expliquer mon point de vue. En fait je trouve que parfois on assimile mieux les choses si l’on est confronté soit même aux différents problèmes.

Il faut savoir que dans certaines entreprises, le routage de cartes est un métier à part entière. Il faut beaucoup d’expérience pour être vraiment à l’aise.

Le but ici est de vous expliquer les grands principes pour que vous puissiez vous débrouiller dans vos différents projets.

Voici un exemple de placement que je viens de réaliser pour vous.

Les quelques conseils qui me viennent à l’esprit

Les espaces laissés entre tous les composants et l’écart entre les pastilles.

Je vous montre quelques photos de PCB’s que j’ai réalisés avec différentes technologies de composants et de PCB’s.

Gravure au perchlorure en double face (réaliser moi-même avec du matériel de base).

Ce n’est pas toujours facile de s’imaginer ce à quoi ressemblera le routage à la fin, il y a des pistes de cuivre dans tous les sens. J’ai entouré en rouge quelques passages de pistes entre les pastilles. On peut voir tout de suite que certains passages sont étroits.

Passer entre les pastilles est inévitable bien sûr, c’est même nécessaire pour pouvoir « trouver son chemin ». Une des difficultés du routage est de trouver un chemin entre une pin et une autre sans croiser une autre piste de cuivre.

Votre placement de composants devra entre autres tenir compte de tout cela. Je vous rendrai d’autres explications au moment du routage.

Gravure chimique par des firmes spécialisées.

On voit tout de suite que le principe reste le même, on peur remarquer cependant que certaines pistes sont plus fines que les autres. Lorsque vos PCB’s sont gravés par des firmes spécialisées, vous pouvez vous permettre de choisir des pistes plus fines.

Attention cependant, que vous serez tenu de respecter une section minimale en fonction des courants qui circuleront à travers ces pistes, j’y reviendrai.

Deuxième exemple.

On peut constater certaines pistes avec des sections de cuivre plus large, voir même des zones de cuivre très grandes. Ces grandes surfaces de cuivres sont notamment utilisées pour les alimentations à découpage.

Avant de poursuivre, je voudrais revenir sur la modification des pastilles du connecteur 40 broches.

J’ai augmenté la taille des pastilles, mais attention, je les ai décentrées. Un connecteur avec un grand nombre de pastilles comme celui-ci vous obligera à passer avec une piste de cuivre entre les deux colonnes.

Je reviendrai sur les sections des pistes au moment du routage !

L’identification des composants.

Lorsque vous allez déplacer et faire tourner vos composants, la désignation de ceux-ci va certainement se chevaucher.

Je vous conseille de les déplacer comme vous l’avez fait avec les composants.

Il y a deux écoles, les mettre d’office en dessous du composant ou les mettre juste à côté. Pour ma part, lorsque c’est possible, je préfère les mettre juste à côté, mais dans certains cas c’est difficile.

Chevauchement des composants.

Les encadrements en blanc autour des composants ne peuvent pas se chevaucher, c’est une règle dans Kicad.

Voici un exemple :

S’il y a des croisements, Kicad le détectera au moment de la vérification des règles de conceptions.

Kicad vous le montre à l’aide des petites flèches rouges.

Il sera obligatoire d’exécuter les règles de conception à la fin de votre routage pour valider votre travail avant de faire fabriquer votre PCB, c’est fondamental !!

J’y reviendrai plus tard.

Arrangement des composants.

Comme vous pouvez le constater, les arrangements des composants ne sont pas identiques entre J2, J3, J4, l’ordre des diodes et des résistances est alterné. En fait c’est tout simplement pour gagner un peu de place.

Je pense malgré tout que cet arrangement pourra nous donner de bons résultats.

Je vais vous montrer un autre point important, c’est la distance minimale acceptable entre deux zones de cuivre.

Comme on le sait, une piste et une pastille de composant sont en réalité du cuivre. On le sait également des fils de cuivre qui ne sont pas au même potentiel ne peuvent en aucun cas se toucher !!

Kicad va veiller pour vous à ce que tout cela n’arrive pas.

Dans l’exemple ci-dessous, les deux encadrés gris ne se touchent pas, donc pas de problème. Par contre, les deux petits cercles jaunes représentent des zones interdites. En deux mots si vous voulez faire passer une piste au niveau de la petite flèche bleue, il faudra que cette piste soit inférieure ou égale à cette distance.

Dans les dernières versions de Kicad, le logiciel vous interdira même de passer dans cette zone.

Voici un petit exemple, la piste rouge reste à l’extérieure du cercle jaune.

Pendant le placement d’une piste, Kicad vous montre également en gris foncé cette distance minimale.

Lors de mes débuts, je gravais toutes mes cartes moi-même au perchlorure et je vous avoue que même si je suis parvenu à avoir de très bons résultats, ce n’est pas toujours facile. Une des erreurs les plus fréquentes avec cette technique, c’est d’avoir du cuivre qui n’est pas bien dissout, par exemple entre deux pastilles de cuivre proche l’une de l’autre. La deuxième, certaines pistes ont subi plus d’agressions chimiques, elles sont trop érodées, et il y a des micros coupures. L’idée était de choisir les pistes pas trop fines pour éviter les micros coupures, et laisser suffisamment d’espace entre les zones de cuivre pour éviter des points de contact parasites.

Par exemple :

Même si la piste se trouve en dehors de la zone interdite, j’ai toujours pris l’habitude de laisser plus d’espace dans la mesure du possible.

Ceci dit, je le répète cette vision est plus à prendre en compte avec les techniques anciennes de gravure.

Par chance, avec les différentes sociétés spécialisées dans la fabrication des PCB’s, vous pouvez suivre leurs prescriptions de fabrication, vous pouvez donc laisser la piste comme montrée sur la figure ci-dessous.

Réduction du « chevelu »

Comme expliqué, il faut essayer de réduire un maximum la distance et le croisement des liaisons du chevelu, mais attention vous ne parviendrez pas à réduire toutes les connexions.

Voici un exemple :

La liaison en surbrillance vous le montre, mais il n’est pas possible de la réduire.

Idem pour toutes les connexions reliées à la masse.

Vous allez voir, pour la masse et les alimentations on aura affaire à d’autres techniques, j’y reviendrai.

Essayez d’avoir un résultat similaire à la photo ci-dessous avant de poursuivre votre travail, c’est important.

Voilà, je vais terminer cette première partie, ici. C’est une phase relativement complexe, mais elle est très importante, c’est la base pour bien commencer votre routage.

Dans la partie 2, je vous expliquerai toutes les étapes à réaliser pour obtenir un routage correct et efficace.

Nous arrivons à la fin ce cet article, toutes mes félicitations pour être arrivé jusqu’au bout.

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A bientôt,

Denis.