Réalisation de cartes électroniques

Introduction à la fabrication d’un circuit imprimé

Préambule sur les circuits imprimés

Un circuit imprimé (PCB, pour Printed Circuit Board) est un support physique utilisé pour connecter électriquement et maintenir mécaniquement des composants électroniques dans un circuit.

Il se présente sous la forme d’une plaque, généralement un substrat rigide (mais parfois flexible), composée d'une ou plusieurs couches de matériaux conducteurs (comme le cuivre) séparées par un matériau isolant (diélectrique).

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Circuit imprimé

Rôle du circuit imprimé :
Structure d’un circuit imprimé :
Types de circuits imprimés :

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Carte double face

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Carte multicouches (2 couches internes de cuivre, 1 plan interne)

Fabrication d’un circuit imprimé ou PCB

La fabrication d’un circuit imprimé est un processus qui comprend plusieurs étapes :

La conception d'un circuit imprimé

La conception d’un circuit imprimé commence par la réalisation d'un schéma électronique, où sont définis les composants et leurs connexions. Elle se poursuit par le transfert d'une netlist de l'éditeur de schéma vers l'éditeur de PCB afin de réaliser le placement des composants sur la carte puis le routage des pistes sur une ou plusieurs couches de cuivre.

Le développement de circuits imprimés est généralement réalisé à l'aide d'une suite logicielle de conception électronique (Electronic Design Automation - EDA). A l'IUT de Haguenau, nous utilisons le logiciel KiCad depuis la rentrée universitaire 2024 (Altium Designer pendant 15 ans).

Le Schéma

Le schéma est une représentation graphique du circuit électronique. Il est constitué de symboles normalisés, représentant chaque composant du circuit (résistances, condensateurs, transistors, diodes, etc.), et de fils de connexion reliant les broches des symboles. Chaque composant y est identifié par une référence unique (par exemple, R1 pour une résistance ou U1 pour un circuit intégré), accompagnée éventuellement de ses valeurs ou spécifications (telles que la résistance en ohms ou la capacité en farads) comme illustré sur la figure ci-dessous.

image.png

Ce schéma est essentiel lors de la conception d’un circuit imprimé, car il décrit les interconnexions à reproduire sur le PCB pour garantir le fonctionnement attendu. Dans une suite logiciel de conception PCB, le schéma électronique joue un rôle central en tant que première étape du processus de création dont voici ses principales fonctions :

Ce schéma est ensuite traduit en un plan de PCB à partir d'une netlist qui permet de transférer les empreintes des composants et les équipotentiels afin de tracer les pistes. 

La carte de circuit imprimé

La carte de circuit imprimé est la réalisation physique du schéma, avec des empreintes physiques de composants positionnées sur la carte et des pistes en cuivre pour établir les connexions décrites dans le schéma. Les empreintes sont un ensemble de pastilles de cuivre qui correspondent aux broches d'un composant physique. Les composants eux-mêmes sont fixés au PCB via des pastilles de soudure, soit en traversant la carte (Through-Hole Technology), soit en surface (Surface-Mounted Device ou CMS).

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Une fois conçu, les couches de cuivre sont fabriquées par gravure, impression ou des procédés plus avancés comme la photolithographie pour former les pistes qui assurent les connexions électriques entre les différents empreintes des composants.

Chaque composant sera ensuite soudé sur son empreinte correspondante sur le circuit imprimé.




Vocabulaire

Un schéma

Un schéma hiérarchique

Un symbole électrique

Une Netlist

Une carte de circuit imprimé (ou PCB)

Une empreinte physique

Le traçage

Le simulateur Ngspice

Conception d'un PCB sous Kicad

Conception d'un PCB sous Kicad

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 :

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 une version plus récente sur Debian : voir les backports
Pour une version plus récente sur Ubuntu/Linux Mint : installer le PPA 

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

 Travail licencié sous licence  Attribution-NonCommercial-Partage 4.0 International (CC BY-NC-SA 4.0) 

Conception d'un PCB sous Kicad

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.

 Travail licencié sous licence  Attribution-NonCommercial-Partage 4.0 International (CC BY-NC-SA 4.0) 

Conception d'un PCB sous Kicad

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).

main_window.png

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 :

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 :

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.

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 !


Conception d'un PCB sous Kicad

Fabrication d'un PCB

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. 

          1. Ouvrez la fenêtre des contraintes
            Capture d’écran du 2024-04-27 14-55-04.png
          2. Configurez/modifiez les contraintes données du tableau

            Paramètres  

            Valeurs
            Isolation minimale
            0.2 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 :

            Capture d’écran du 2024-04-27 14-54-48.png

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

Marche à suivre :

      1. Cliquer sur le bouton "Ajouter une zone remplie"
        Capture d’écran du 2024-04-27 10-57-40.png
      2. Créer une zone sur la face routée
        Capture d’écran du 2024-04-27 10-57-51.png
⚠️ 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

Conception d'un PCB sous Kicad

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

OpenJDK 21 pour Windows

Mac
OpenJDK 21 pour MacOS
Linux
  • Pour Ubuntu
sudo apt-get install openjdk-21-jre
  • Pour Fedora
dnf install java-21-openjdk
  • Si installé avec le flatpak, Freeroting vous proposera d'installer de lui-même une version de OpenJDK. 

N'utilisez cette option que si vous utilisez flatpak pour installer KiCad.
L'avantage est que le flatpak est containerisé, ce qui signifie que si vous deviez désinstaller KiCad, la version de OpenJDK sera automatiquement supprimée.
Utiliser cette méthode avec les autres méthodes d'installation peut mener à des erreurs systèmes. 

Après avoir installé OpenJDK, suivez la procédure d'installation du plugin via le gestionnaire de plugin KiCad.

  

Conception d'un PCB sous Kicad

Générer les fichiers Geber sous KiCad pour la fraiseuse numérique de l'IUT

Définir l’origine de la carte simple face 

Générer les fichiers de tracé (couches physiques)

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Générer les fichiers de perçage

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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

Conception d'un PCB sous Kicad

Outils externes pour KiCad

 Travail licencié sous licence  Attribution-NonCommercial-Partage 4.0 International (CC BY-NC-SA 4.0) 

Utilisation de Kiri:Moto

Utilisation de Kiri:Moto

Configuration de Kiri:Moto

Utilisation de Kiri:Moto

Qu'est ce que Kiri:Moto

Schéma

Simulation d'un circuit

Simulation d'un circuit

Utilisation de l'outil de simulation intégré

Ressources: