Conception d'un PCB sous Kicad
- Qu'est ce que KiCad?
- Importation de bibliothèques
- Création et édition du schéma électronique
- Fabrication d'un PCB
- Autoroutage sous KiCad
- Générer les fichiers Geber sous KiCad pour la fraiseuse numérique de l'IUT
- Installation et création de plugins pour KiCad
- Outils externes pour KiCad
- Démarche générale de la conception à la fabrication de PCB
Qu'est ce que KiCad?
KiCad? Késako?
Avant de commencer
Ce guide suppose que vous avez des bases en électroniques (Connaître le fonctionnement des résistances/condensateurs, différencier le courant et la tension, etc...). Avoir un prototype sur une breadboard est optionnel mais vivement recommandé, car vous pourrez traiter les problèmes en amont et éviter des révisions inutiles.
KiCad est une suite de logicielle de conception électronique ( Electronic Design Automation - EDA) comparable à Altium Designer. Il permet de saisir des schémas, de réaliser les dessins des circuits imprimés (Printed Circuit Board – PCB, appelé également "typon" ou plus simplement "carte") correspondants et de produire les fichiers de fabrication (fichiers gerber) en vue de leur réalisation. Il permet également de visualiser la carte en 3D et de simuler les circuits électroniques.
KiCad est distribué sous licence GPL (GNU General Public License) et est donc totalement gratuit et libre d'usage. Il est de plus disponible pour la plupart des OS (Windows, macOS, Linux).
KiCad intègre 6 outils pour concevoir des cartes électroniques :
- Un éditeur de schématique avec l'outil de simulation ngspice intégré
- Un éditeur de circuit imprimé avec de la visualisation 3D intégrée
- Un éditeur d'empreinte et de symbole de circuit intégré/composant
- Un outil de visualisation des Gerbers
- Un outil permettant de calculer des régulateurs, taille de vias, paire différentielles, etc...
Le but de ce tutoriel n'est pas de présenter de manière exhaustive toutes les possibilités de ce logiciel mais simplement de vous guider dans les opérations de base afin de mener à bien la conception de circuits imprimés de base en simple en double face. KiCad offre de nombreuses autres possibilités et, si vous souhaitez aller plus loin, vous êtes invités à consulter les différentes aides en ligne et tutoriaux disponibles à l'adresse suivante :
Où le télécharger ?
KiCad est téléchargeable à l'adresse suivante.
Pour Windows, téléchargez l'exécutable et installez-le comme un programme normal.
Pour Ubuntu/Debian, KiCad est disponible dans les dépôts :
sudo apt install kicad
Pour Linux ou pour récupérer la dernière version sur Ubuntu/Debian, utilisez le flatpak mis à disposition par KiCad. Ce moyen d'installation est recommandé car il n'est pas limité à une distribution (ex: PPA pour Ubuntu) et il vous assurera également que votre version sera toujours à jour dans les plus brefs délais.
Ressources
- Documentation officielle de KiCad (possibilité de choisir la version et la langue) :
- Ressources externes :
Travail licencié sous licence Attribution-NonCommercial-Partage 4.0 International (CC BY-NC-SA 4.0)
Importation de bibliothèques
Import des projets, symboles et empreintes Altium vers KiCad
⚠️ Détails à prendre en compte
Il est fort probable que certaines des empreintes/symboles des librairies Altium de l'IUT soient déjà présentes de base dans KiCad.
Exemple:
Dans le cadre de la SAE 1.01 Robot suiveur de ligne, un connecteur appelé "DB-15" est utilisé. Un symbole/empreinte est fournie dans la librairie Altium de l'IUT.
En recherchant "DB" dans la librairie de KiCad, on ne trouve que le "DB-25" et "DB-9".
La solution est de prendre la liste des connecteurs D-Sub et se rendre compte que le véritable nom du connecteur est "DA-15".
Il suffit ensuite de choisir entre le "Plug" et "Receptacle" (Prise mâle et Prise femelle) en fonction des attentes du PCB.
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Import des schématiques
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Import des circuits imprimés
- Accédez à l'outil d'importation en utilisant le chemin Fichiers > Importer > Fichier C.I. Non KiCad
- Gardez le type de fichier cherché en tout formats supportés (il existe plusieurs types de fichiers C.I. Altium, cela permet de tous les visualiser) , sélectionnez votre fichier, puis cliquez sur ouvrir.
- Accédez à l'outil d'importation en utilisant le chemin Fichiers > Importer > Fichier C.I. Non KiCad
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Import des symboles de composants
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Import d'une librairie
- Ouvrez le gestionnaire de librairie des symboles via le chemin Préférences > Configurer les Librairies de Symboles
- Cliquez sur l'icône "Dossier".
- Changez le type de fichier en Librairie schématique Altium (*.SchLib, *.IntLib) puis cliquez sur ouvrir.
Vos librairies de symboles sont maintenant importées !
- Ouvrez le gestionnaire de librairie des symboles via le chemin Préférences > Configurer les Librairies de Symboles
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Import d'un seul symbole
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Sélectionnez une librairie en cliquant dessus. Accédez à l'outil d'importation en utilisant le chemin Fichiers > Importer > Symbole.
- Changez le type de fichier cherché en fichier symbole Altium (*.SchLib), sélectionnez votre fichier, puis cliquez sur ouvrir.
- Sauvegardez vos changements sous peine de ne pas avoir votre composant dans sa librairie
Votre symbole est maintenant importé !
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Importation des empreintes de composants
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Importation d'une librarie
- Ouvrez le gestionnaire de librairie des symboles via le chemin Préférences > Configurer les Librairies d'Empreintes.
- Cliquez sur l’icône "Dossier" puis sur l’élément "Altium Designer" de la liste qui vous est proposée.
- Sélectionnez l'option "Librairie PCB Altium" puis cliquez sur "ouvrir".
Vos librairies d'empreintes sont maintenant importées !
- Ouvrez le gestionnaire de librairie des symboles via le chemin Préférences > Configurer les Librairies d'Empreintes.
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Importation d'une seule empreinte
- Sélectionnez une librairie en cliquant dessus. Accédez à l'outil d'importation en utilisant le chemin Fichiers > Importer > Symbole.
- Changez le type de fichier cherché en fichier symbole Altium (*.PcbLib), sélectionnez votre fichier, puis cliquez sur ouvrir.
- Après avoir fait les éventuelles modifications, sélectionnez la librairie dans laquelle vous voulez sauvegarder votre empreinte (Pour faciliter les choses, utilisez l'outil "Filtre" pour pouvoir trouver votre librairie plus facilement). Cliquez sur "valider" pour sauvegarder votre travail.
Votre symbole est maintenant importé !
- Sélectionnez une librairie en cliquant dessus. Accédez à l'outil d'importation en utilisant le chemin Fichiers > Importer > Symbole.
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Travail licencié sous licence Attribution-NonCommercial-Partage 4.0 International (CC BY-NC-SA 4.0)
Création et édition du schéma électronique
Créer un nouveau projet
Comme la majorité des logiciels CAO (Conception Assistée par Ordinateur), KiCad fonctionne par l'intermédiaire de projets. Un projet CAO se compose d'un ensemble de fichiers, habituellement organisés dans un même répertoire de travail. Ces fichiers sont essentiels pour la conception de votre circuit imprimé et sont interdépendants. Il est donc crucial d'éditer vos fichiers (typons, schémas, etc.) en utilisant le gestionnaire de projet intégré de KiCad pour s'assurer que les liens entre eux soient correctement mis à jour.
La création de projet s'effectue à travers le gestionnaire de projet KiCad et chaque circuit imprimé (carte) devra avoir son propre projet.
Gestionnaire de projet KiCad
Le gestionnaire de projet KiCad est un outil qui crée et ouvre des projets KiCad et lance les autres outils KiCad (éditeurs de schémas et de cartes, visualiseur Gerber et outils utilitaires).
La fenêtre du gestionnaire de projet KiCad est composée d'une arborescence à gauche affichant les fichiers associés au projet ouvert et d'un lanceur à droite contenant des raccourcis vers les différents éditeurs et outils.
Les projets KiCad contiennent au moins un fichier de projet, un schéma et une conception de carte. Les schémas peuvent contenir plusieurs feuilles, chacune dans son propre fichier, mais un projet ne peut contenir qu'une seule carte. KiCad s'attend à ce que le fichier de projet, le fichier de feuille racine schématique et le fichier de carte portent tous le même nom.
Procédure pour créer un nouveau projet KiCad :
- Lancer le logiciel KiCad. Le gestion de projet KiCad s'ouvre et apparaît comme ci-dessus.
- Sélectionner le menu Fichiers>>Nouveau Projet... à partir du gestionnaire de projet.
- Sélectionner/Créer le répertoire de travail pour votre projet.
- Saisir le nom du projet dans le champ Nom du fichier et cliquer sur le bouton Enregistrer.
Après cette étape, vous devez avoir dans le répertoire racine sélectionné un nouveau dossier intitulé avec le même nom que votre projet et contenant les trois fichiers ci-dessous :
- Un fichier avec l'extension ".kicad_pro" comportant les différentes informations propres à votre projet
- Un fichier avec l'extension ".kicad_pcb " qui est le typon de votre carte.
- Un fichier avec l'extension ".kicad_sch" qui est le schéma de votre carte.
Gestion des bibliothèques
KiCad dispose de nombreuses librairies de symboles et d'empreintes (footprints) de composants qui couvrent la majorité des besoins. Toutes les bibliothèques de KiCad sont installées et activées par défaut.
La gestion (configuration) des bibliothèques se fait à partir du menu Préférences.
Gestions des bibliothèques de symboles
Intégration de nouvelles bibliothèques
Afin d'utiliser de nouvelles bibliothèques, il est nécessaire de définir leur chemin d'accès dans votre projet KiCad.
- Intégration de bibliothèques de symboles :
- Intégration de bibliothèques d'empreintes :
Importation de bibliothèques Altium Designer : se reporter à la section xxxx
Saisir le schéma électrique de la carte à réaliser
Afin de réaliser la saisie du schéma de votre carte, il suffit de double cliquer sur le fichier schématique (encore vide) via le gestionnaire du projet.
L’éditeur de schéma s’ouvre avec une feuille vide !
Fabrication d'un PCB
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Préparation du PCB
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Modifier la taille des perçages des composants
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Lors de la création du PCB, il est possible que les trous des composants de la librairie soient plus petits que l'outil utilisé dans la machine. Pour parer à cela, vous pouvez utiliser le plugin "Set Hole diameter" par seigedigital. Celui ci vous permettra de saisir une taille pour tous les trous traversants du circuit.
Pour l'utiliser , suivez la procédure sur le GitHub puis ouvrez l'éditeur de PCB. Cliquez ensuite sur le menu suivant: - Après cela, une fenêtre contextuelle avec un champ d'entré va apparaitre. Vous pouvez maintenant entrer la valeur désirée et cliquer sur "OK" pour valider.
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Notez que la valeur par défaut est de 0.8 mm et qu'il n'y a pas de valeur maximale à laquelle le plugin se bloque. En cas de doute, demander à un professeur.
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Configuration de l'éditeur PCB pour les machines de l'IUT
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- Ouvrez la fenêtre des contraintes
- Configurez/modifiez les contraintes données du tableau
Paramètres
Valeurs Isolation minimale 0.3 mm MAX Largeur de piste minimale 0.4 mm Largeur minimale d'anneau 0.5mm Diamètre minimum du trou traversant 0.6mm ->Il s'agit ici du plus petit forêt dont l'IUT dispose.
Deux choses importantes:
Pour beaucoup de composants, les fabricants utilisent des broches ayant des diamètres égal à ± 0.5 mm. Cette valeur par défaut devrait convenir pour la plupart des circuits intégrés que vous allez rencontrer.
Si vous êtes amenés à devoir modifier la taille des broches, suivez la convention F7.5 de la KLC (Convention Librarie KiCad).Diamètre minimum du via 1.1 mm
Vous devriez arriver à un résultat similaire à celui-ci :
- Ouvrez la fenêtre des contraintes
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En cas de doute ou si vous remarquez une erreur dans les contraintes, vous avez accès à un projet KiCad template :
Template_KiCad.zip
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Exportation du PCB
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Fichiers nécessaires
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Nécessite le gerber du bottom (B.Cu) OU du top (F.Cu), celui du détourage (Edge.cuts)
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Optionnellement le fichier trous (.drl), et le fichier "textes" (User_1)
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Spécificités de l'exportation
- Ajoutez un plan sur le F.Cu (Face supérieure cuivre) si vous avez créé votre circuit imprimé sur cette couche. Si vous utilisez la face inférieure, répétez l'opération sur B.Cu (Face inférieure cuivre).
- Ajoutez un plan sur le F.Cu (Face supérieure cuivre) si vous avez créé votre circuit imprimé sur cette couche. Si vous utilisez la face inférieure, répétez l'opération sur B.Cu (Face inférieure cuivre).
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Marche à suivre :
⚠️ Attention
Ne mettez aucun net (GND, +5V, etc..) ou vous risquez d'avoir un conflit avec tout autre plan de masse/d'alimentation du circuit pouvant mener à un court-circuit voire pire !
Votre éditeur de circuit imprimé est désormais correctement configuré
Autoroutage sous KiCad
Configuration de l'autoroutage sous KiCad
Actuellement, KiCad ne dispose pas d'un outil de routage automatique intégré. Il y a cependant la possibilité d'utiliser l'extension KiCad Freerouting.
Installation de l'extension Freerouting
Pour faire fonctionner l'extension, il es nécessaire d'installer une version d'OpenJDK </= à OpenJDK 21 sur votre ordinateur.
Raison technique:
Pour pouvoir fonctionner, l'extension a besoin d'une version JRE (Java Runtime Environnement) < à JRE 17. OpenJDK 21 est une version stable et à code ouvert de Java et est recommandée par le développeur
Système d'exploitation (OS) |
Dépot OpenJDK recommandé pour l'OS |
Windows |
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Mac |
OpenJDK 21 pour MacOS |
Linux |
N'utilisez cette option que si vous utilisez flatpak pour installer KiCad. |
Après avoir installé OpenJDK, suivez la procédure d'installation du plugin via le gestionnaire de plugin KiCad.
Générer les fichiers Geber sous KiCad pour la fraiseuse numérique de l'IUT
Définir l’origine de la carte simple face
- Sélectionner la couche de cuivre B_Cu.
- Sélectionner l’item Origine des Coord de Perçage/Placement à partir du menu Placer.
- Placer l’origine dans le coin inférieur droit de votre carte.
Générer les fichiers de tracé (couches physiques)
- Sélectionner le format du tracé Gerber à partir du menu déroulant.
- Paramétrer le répertoire de sortie pour organiser la sauvegarde des fichiers Gerber au niveau de la racine du projet ou dans un nouveau dossier.
- Il est conseillé de créer un dossier spécifique à la racine du projet pour stocker tous les fichiers Gerber qui vont être générés par la suite.
- Il est conseillé de créer un dossier spécifique à la racine du projet pour stocker tous les fichiers Gerber qui vont être générés par la suite.
- Dans la zone Couches incluse, sélectionner toutes les couches physiques (cuivre, contour, texte…) qui sont utiles à la fabrication de votre carte simple face avec la fraiseuse numérique (CNC) de l'IUT :
- Cuivre (obligatoire) : B_Cu
- Contour de la carte (obligatoire) = Edge_Cuts
- Texte (optionnel) = User.1
- Valider les options suivantes :
- Cocher l’option Utiliser origine de perçage/placement.
- Cliquer sur le bouton Tracer pour générer les fichiers de tracé.
Générer les fichiers de perçage
- Dans la fenêtre Tracer précédente, cliquer sur le bouton Créer fichiers de Perçage.
- La fenêtre suivante s’ouvre :
- Paramétrer les options de perçage suivants :
- Cocher l’option Origine des Coord de perçage/placement.
- Cocher le format Excellon.
- Cocher l’option Trous métallisés et non métallisés en 1 seul fichier.
- Une fois les options paramétrées, cliquer sur le bouton Créer Fichier de perçage pour générer le fichier de perçage.
- Fermer les 2 fenêtres.
Installation et création de plugins pour KiCad
Kicad dispose d'une API ainsi qu'un gestionnaire de plugin permettant à l'utilisateur d'ajouter
https://adoptium.net/fr/temurin/releases/?os=windows
Outils externes pour KiCad
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CAD
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Freecad
- KicadStepUpMod:
KicadStepUpMod est un outil développé par easyw permettant d'importer une fichier *.kicad_pcb dans Freecad. Ce module (Add-on) va automatiquement créer une plaque PCB, les perçages et placer les composants sur cette plaque.
Ce module permet aussi d'ouvrir les fichiers librairies d'empreinte *.kicad_mod et d'inspecter leurs perçages en 3D. Il est alors également possible de créer le modèle 3D de ce composant dans Freecad.
Il est également possible de modifier la plaque dans Freecad et de recharger les modifications dans KiCad.
Le développeur met une documentation (en anglais) à disposition avec des liens vers des vidéos YouTube explicatives.
- KicadStepUpMod:
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Visualisation de schématique
- Kicanvas
Kicanvas est un script Javascript permettant de visualiser dans un navigateur Web le schématique d'un projet Kicad. Kicanvas est développé par Thea Flowers, une ingénieure en électronique américaine. Ce projet dispose d'une version stand-alone permettant de visualiser des documents d'un dépôt GitHub. Il est également possible d'utiliser l'API fournie ou d'ajouter le Javascript au code d'un site web.
Cet outil se base sur des composants standard du web et marche donc sur tout navigateur de bureau. Le support des navigateurs web mobiles est en cours d'implémentation.
- Kicanvas
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Ressources
Travail licencié sous licence Attribution-NonCommercial-Partage 4.0 International (CC BY-NC-SA 4.0)
Démarche générale de la conception à la fabrication de PCB
CNC/PCB
logiciels à utiliser dans cet ordre :
- Kicad
- Gilles
- Flatcam
- Autoleveler
- John
- Mach4 mill
Kicad
pour concevoir le PCB
Une fois le PCB créé, placer l'origine de perçage en bas à droite pour gravure BOTTOM.
Puis, choisir fichier fabrication gerber, cocher :
- B.Cu : gravure
- Edge.Cuts : détourage
- User1 : si il y a du texte
- utiliser origine de perçage
Choisir fichier de fabrication perçage, cocher :
- utiliser origine de perçage
- millimètre
- format des zèros décimal
- trous métalisés et trous non métalisés en un seul fichier
Paramètres :
- clearence : ~1.5 fois la taille de l'outil de gravage : 0.2 mm (taille de l'outil 0.12 mm)
- kicad violations (contraintes?) : 12, 12 et 12 mil
fichiers créés :
- B.Cu*.gbr
- Edge.Cuts*.gbr
- User1*.gbr (si il y a du texte)
- *drl
Gilles
pour lancer FlatCam et générer le GCode
Une fois les fichiers exportés par Kicad, les copier dans le dossier vide :
"CNCTechnoDrill/FichierExport"
Si le dossier n'est pas vide, supprimer les fichiers.
Puis exécuter Gilles.exe qui se trouve dans "CNCTechnoDrill" : FlatCam est exécuté.
FlatCam
pour générer le GCode
Vérifier le résultat du GCode dans FlatCam :
- traits bleus fins : gravure
- traits jaunes : déplacement machine
- traits bleus épais : détourage
Vérifier les pistes pour voir si il n'y a pas de trous dans la gravure.
fichiers créés :
- dans "CNCTechnoDrill/GCode/*.nc"
AutoLeveler
modifie le GCode pour que la gravure respecte les différences de hauteur du PCB en procédant par palpage de différents points du PCB.
Ouvrir fichier de gravure :
"CNCTechnoDrill/GCode/gravure.nc"
Répondre Oui à la question changer les paramètres,
Choisir :
- XY Feed : 2000 (déplacement horizontal en mm/min)
- Z Feed : 50 (déplacement vertical)
- Probe Depth : -0.3 (Z auquel descendre si il n'y a pas de PCB sous l'outil, le Z d'origine étant le haut du PCB)
- Probe Clearence : 0.3 (Z lors du déplacement de l'outil entre les points de palpage)
- Point Spacing : 8 mm (espace entre chaque point de palpage : à changer suivant la taille du PCB)
- Probe Safe High : 40 mm (hauteur de l'outil à la fin du palpage)
Cliquer sur Autolevel puis Enregistrer.
John
combine tous les GCode dans un seul fichier.
Fichier créé :
"CNCTechnoDrill/GCode/ToutLeGCode.nc"
Mach 4 Mill
pour graver le circuit
Activer la machine pour pouvoir ouvrir le capôt.
Placer le PCB :
- avec le scotch double-face
- bien nettoyé
- contre la pince
- vérifier que sa taille est suffisante pour la gravure
- vérifier que toute la surface du PCB est bien à plat
Vérifier le contact électrique : stylet contre PCB et la lumière bleue doit s'allumer.
Refermer le capôt.
Cliquer sur Activer/Désactiver
Cliquer sur Référence, l'outil de la machine est retiré, et les origines XY sont réinitialisées.
Ouvrir fichier GCode "ToutLeGCode.nc" et l'éxécuter.