Première création de PCB et astuces
Première publication le mar. 06 décembre 2022
Je me suis récemment lancé dans l’aventure de la réalisation de PCB. Afin d’éviter les désillusions liés aux débogage matériel du circuit électronique, je suis parti avec un montage qui fonctionnait déjà : mon module de suivi APRS pour mon talkie FT-4X. Le schéma électronique avait déjà été réalisé via eeschema de Kicad lors de la réalisation en mode plaque à trous du module, il me fallait maintenant m’atteler à l’usage de l’éditeur de PCB de Kicad. Je ne parlerais pas ici de l’attribution des empreintes de composants qui se fait dans eeschema, cela est plutôt bien traité par différent articles ou tutoriels. En aparté, j’ai également eu à créer le modèle d’empreinte du potentiomètre.
Je vais ainsi m’attarder dans cet article sur le routage en lui-même et partager des astuces que j’ai collecté au fil de cette réalisation grâce aux retours d’autres.
Création du PCB
Ci-dessous se trouve donc la toute première version du PCB routé. Le plan de masse est situé sur la face arrière du PCB et les pistes sont de 0.75mm.
J’échange régulièrement via Discord notamment avec d’autres électroniciens, bidouilleurs et /ou radioamateur, je leur avais partagé ce PCB en demandant leurs retours. Ils ont bien plus d’expérience sur les PCBs que moi ;-)
J’ai ainsi reçu les retours suivants.
- l’Arduino est peut être difficilement accessible. Dans cette configuration initiale, le transistor Q1 pourrait poser problème pour brancher le cordon USB à l’Arduino. Il faudrait le positionner au bord de la carte. Je n’y avais pas pensé lors de mon premier essai, mais en effet, si il y un contrôleur avec de la connectique dédié, ne pas oublier de laisse l’accès à ces connectiques.
- alignement des résistances (le trait jaune), il serait mieux toutes les aligner, c’est plus esthétique, mais le but du PCB est aussi de faire quelque chose de plus propre.
- dégager certains pastilles (cercles verts) qui pourrait provoquer des problèmes.
Je m’étais également rendu compte qu’il manquait l’arrivée de l’alimentation de la carte. Il serait possible de passer via l’entrée USB de l’Arduino, ce que je ne voulais pas, je souhaitais passer par son entrée 5V de l’Arduino. Après quelques ajustements, j’ai donc réalisé une deuxième version en tenant compte des commentaires précédents et en demandant à nouveau des retours sur cette nouvelle mouture.
Moins de retour bien entendu qui était plus fonctionnel et cosmétique que réellement technique:
- ajouter 4 trous à chaque extrémité, et oui, il faudra pouvoir arriver le PCB une fois l’ensemble des composants soudés dessus.
- compacter un peu plus les composants sur le PCB en rapprochant les résistances de l’Arduino. J’ai d’ailleurs gagner 1cm de hauteur sur le PCB.
Après ces ajustements, je suis finalement arrivé à cette version finale du PCB, il est également possible d’admirer la vue 3D de la carte fourni par Kicad.
Satisfait du résultat, j’ai généré le fichier Gerber et je l’ai transmis au fabricant de PCB. Quelques temps plus tard, j’ai reçu le PCB et je me suis rendu compte d’une légère coquille, rien de grave cependant. Le texte « APRS Tracker – F4IHA - 2022 » n’était au final pas sur la bonne couche. Je l’avais laissé sur la même couche F Cu au lieu de la couche F. Silkscreen.
Pour les personnes intéressés, le PCB est disponible sur le dépot Github du tracker APRS.
Des conseils pour les prochains projets
Durant mes différentes échanges en quête de recommandation pour ma carte, j’ai récolté des précieux conseils sur la réalisation de PCB. Je trouve intéressant de les repartager, la littérature étant assez pauvre sur le sujet. Contrairement au développement logiciel où il est possible d’itérer facilement et rapidement pour résoudre les problèmes, améliorer les choses, le développement d’une carte matériel est plus complexe. Router un PCB n'est pas quelque chose de simple une fois que l’on regarde dans les détails, il y a des compromis à faire, des pièges à éviter etc... Le débogage et les optimisations nécessitant une nouvelle fabrication de la carte, cela rajoute du temps lors de la création, coûte plus (il faut refaire une nouvelle carte). Il est important de se définir une stratégie, comme en développement logiciel, une stratégie pour la mise au point, pour la réalisation d'un bon routage et pour l’obtention d’une bonne mécanique.
Points de test matériel
La mise en place de points de tests servant au débogage matériel mais surtout aux lits à clous pour les test automatiques.
Isolement des fonctions et déboguage hardware
Afin de réaliser la mise au point du PCB, il est important de savoir à l’avance ce qui sera tester afin de placer des points de connexion/déconnexion aux endroits stratégiques. Il faut pouvoir isoler les fonctions électroniques pour éviter de devoir couper des pistes. Un exemple, si l’alimentation de la carte est ratée alors avec des points de soudure correctement positionnés il est possible d’alimenter toutes les autres fonctions de la carte avec une alimentation de laboratoire et ceci sans devoir couper des pistes ou retirer des composants.
Ce n’était pas nécessaire dans mon projet puisque le montage fonctionne déjà cependant dans le cadre d’un nouveau design il ne faut pas hésiter à abuser du débogage matériel. Sur la photo ci-dessous, les 2 pastilles très proches reliées via un point de soudure permettent de modifier le circuit électronique.
Dans certains montages, il serait possible de mettre en place ce type d’organisation à la sortie de l’alimentation. Le reste de l’électronique est déconnectée. Avec de la soudure, une résistance de charge est alors connectée pour contrôler la ou les tensions avant d'alimenter le reste du circuit. Si jamais il y a un régulateur à découpage dont le réglage de sortie n'est pas bon, ou si des composants sont mal montés (genre un condensateur au tantale malencontreusement monté à l'envers) dans l'électronique, cela permet de ne pas tout griller au premier allumage. Ensuite, soit une résistance 0 Ohms est posée, soit un PCB définitif est fabriqué.
Ce genre d’élément de débogage matériel serait alors intégré entre chaque fonction électronique afin de les tester le plus indépendamment possible des autres fonctions. Il n’y a en effet rien de pire que les problèmes en cascades. Il vaut mieux itérer sur chacune des fonctions.
Il faut en abuser pour ne pas à avoir à virer des composants, couper des pistes, lever des pattes de composants, ou autre création obligatoire d'oeuvre d'art pendant la mise au point.
Usage d’une ligne de garde
La mise en place de ligne de garde peut se montrer intéressante. En général un espacement de λ/10 suffit. λ étant la fréquence maximale dont on veut se protéger, en CEM (Compatibilité Electro-Magnétique) on la connaît en regardant la norme et la fréquence appliquée.
Mais pourquoi faire cela ? Les pistes en bord de carte peuvent se coupler avec l'environnement (un boitier, un autre pcb, la main, ou on ne sait quoi).
Sur l'image ci-dessus on observe le couplage du champ électrique à droite. C'est potentiellement le chemin que peut emprunter un courant perturbateur (couplage capacitif) pour retourner à la terre. Ca peut donner des bizarreries, du bruit etc... L'idée est ainsi de n'avoir aucune piste en bord de carte en fermant ce dernier avec une masse.
Gestion des courants de surface
Il est important de faire attention aux distances d'isolement entre les relais mais aussi aux lignes de fuites, c'est à dire aux courants de surface qui peuvent courir sur le PCB (voir les fentes entre les relais).
Pour conclure
Le bon placement des composants est nécessaire pour réaliser un bon routage. On ne place pas une partie analogique sensible entre la partie numérique et une alimentation à découpage. On se dit "bah ouais c'est évident" mais une fois le chevelu en face des yeux les pièges commencent.
Le mieux c'est de router par fonction électronique et faire des îlots en respectant le chaînage des courants. L'esprit du chaînage c’est l'alimentation à gauche et à droite il y a une succession de fonction électroniques les unes derrières les autres comme une chaîne. La sensibilité des fonctions pourra être retrouvé de la moins sensible à gauche vers la plus sensible à l’extrémité droite.
Les éléments cités ci-dessus sont des conseils et des retours de bonnes pratiques. Il n’existe pas au final de recette magique mais plutôt un ensemble de bonne pratique pour réaliser le routage d’une carte électronique. Plusieurs personnes (F6ITU, F4INX, Loïc, F4HVX) ont permis la création de cet article grâce à leur retour pertinent tout au long de la réalisation du PCB, avec une mention spéciale pour Vincent !