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?

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 :

https://docs.kicad.org

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)  :
  • https://docs.kicad.org/
• Ressources externes :
  • Chaîne Youtube de Eric Perronin
  • Moodle de Eric Perronin (comporte des ressources sur KiCad et l'électronique en général)

 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

• Import des schématiques

  1. Accédez à l'outil d'importation en utilisant le chemin Fichiers > Importer > Fichier schématique Non KiCad.
     
     
     

  2. Changez le type de fichier cherché en fichier schématique Altium (*.SchDoc), sélectionnez votre fichier, puis cliquez sur ouvrir. 
     

• Import des circuits imprimés

  1. Accédez à l'outil d'importation en utilisant le chemin Fichiers > Importer > Fichier C.I. Non KiCad
     
     
     
  2. 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. 
     

• Import des symboles de composants

  • Import d'une librairie

    1. Ouvrez le gestionnaire de librairie des symboles via le chemin Préférences > Configurer les Librairies de Symboles
    2. Cliquez sur l'icône "Dossier".
    3. Changez le type de fichier en Librairie schématique Altium (*.SchLib, *.IntLib) puis cliquez sur ouvrir.
       

       Vos librairies de symboles sont maintenant importées ! 

• • Import d'un seul symbole
    

    1. Sélectionnez une librairie en cliquant dessus. Accédez à l'outil d'importation en utilisant le chemin Fichiers > Importer > Symbole.
       
       
       

    2. Changez le type de fichier cherché en fichier symbole Altium (*.SchLib), sélectionnez votre fichier, puis cliquez sur ouvrir. 
       
       
    3. Sauvegardez vos changements sous peine de ne pas avoir votre composant dans sa librairie
       
       

       Votre symbole est maintenant importé !

• Importation des empreintes de composants

  • Importation d'une librarie

    1. Ouvrez le gestionnaire de librairie des symboles via le chemin Préférences > Configurer les Librairies d'Empreintes.
       
    2. Cliquez sur l’icône "Dossier" puis sur l’élément "Altium Designer" de la liste qui vous est proposée. 
    3. Sélectionnez l'option "Librairie PCB Altium" puis cliquez sur "ouvrir".
       

       Vos librairies d'empreintes sont maintenant importées !

  • Importation d'une seule empreinte
    

    1. Sélectionnez une librairie en cliquant dessus. Accédez à l'outil d'importation en utilisant le chemin Fichiers > Importer > Symbole.
       
       
    2. Changez le type de fichier cherché en fichier symbole Altium (*.PcbLib), sélectionnez votre fichier, puis cliquez sur ouvrir. 
       
       
    3. 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 !

 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 : 
  • Sélectionner le menu Préférences>>Configurer les librairies de symboles…
  • Dans l'onglet "Librairies Spécifiques au Projet", ajoutez le chemin vers le fichier de symboles.
    

• Intégration de bibliothèques d'empreintes :
  • Sélectionner le menu Préférences>>Configurer les librairies d'empreintes…
  • Dans l'onglet "Librairies Spécifiques au Projet", ajoutez le chemin vers le fichier 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

• Préparation du PCB

  • Modifier la taille des perçages des composants

    •  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:

      •  Outils > Plugins externes > Set Hole Diameter
        
        
        
        
    • 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.
      
      
      

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. 

• Configuration de l'éditeur PCB pour  les machines de l'IUT

  • • CNC

      • Placement de l'origine du PCB
        
        

        1. Cliquez sur l’icône "placer  le point d'origine de la grille
           
           
        2. Cliquez en bas à droite du contour de la carte pour placer votre origine.
            

      • Configuration des contraintes d'isolation et de largeur de piste 
        

1. 1. 1. 1. 1. Ouvrez la fenêtre des contraintes
               
            2. 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 :

               

En cas de doute ou si vous remarquez une erreur dans les contraintes, vous avez accès à un projet KiCad template :
Template_KiCad.zip

• • Exportation du PCB

• • • Fichiers nécessaires 
      

      • Nécessite le gerber du bottom (B.Cu) OU du top (F.Cu), celui du détourage (Edge.cuts)

      • Optionnellement le fichier trous (.drl), et le fichier "textes" (User_1)

         

    • 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).
        
        

Marche à suivre :

1. 1. 1. Cliquer sur le bouton "Ajouter une zone remplie"
         
         
      2. Créer une zone sur la face routée
         
         

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 

sudo apt-get install openjdk-21-jre

dnf install java-21-openjdk

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 menu Fichier>>Tracer ou cliquer sur l'icône en forme de Plotter.
• La fenêtre suivante s'ouvre :

•  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.
    
• 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

• CAD

  • Freecad

    1. 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. 

  • Visualisation de schématique 

    1. 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.

• Ressources
  

  • Listing d'outils externes par KiCad

 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.