Configuration des contraintes de conception : Guide complet des spécifications, des règles et du dépannage

Réponse Rapide (30 secondes)

Une configuration correcte des contraintes de conception est la base d'une carte de circuit imprimé (PCB) fabricable et fonctionnelle. Elle implique la configuration du système de vérification des règles de conception (DRC) dans votre logiciel EDA pour qu'il corresponde aux capacités physiques de l'usine de fabrication et aux exigences électriques du circuit.

Contraintes Physiques : Définissez les largeurs minimales des pistes, les dégagements et les tailles des vias pour éviter les courts-circuits et les coupures pendant la gravure et le placage.
Contraintes Électriques : Définissez les profils d'impédance, les espacements des paires différentielles et l'adaptation de longueur pour l'intégrité des signaux à haute vitesse.
Limites de Fabrication : Alignez les paramètres avec les capacités spécifiques de votre fabricant (par exemple, APTPCB (APTPCB PCB Factory)) pour éviter les retards de production.
Validation : Exécutez toujours une vérification DRC et DFM complète avant de générer les fichiers Gerber.
Gestion des Fichiers : Enregistrez votre configuration comme modèle (design rule file setup) pour standardiser les projets futurs.

Quand la configuration des contraintes de conception s'applique (et quand elle ne s'applique pas)

L'établissement d'un ensemble de contraintes robuste est essentiel pour la plupart des flux de travail professionnels, mais comprendre quand appliquer des règles strictes et quand utiliser des valeurs par défaut plus souples permet de gagner du temps.

Quand une configuration stricte des contraintes de conception est requise :

Conception Numérique à Haute Vitesse : Les interfaces comme DDR, PCIe ou USB nécessitent des règles précises d'impédance et d'adaptation de longueur.
HDI (High Density Interconnect): Les conceptions utilisant des microvias, des vias borgnes/enterrées ou des BGA à pas fin (< 0,5 mm) nécessitent des contraintes physiques strictes.
Haute Tension/Puissance: Les normes de sécurité (UL/IEC) dictent des règles spécifiques de lignes de fuite et de distances d'isolement qui doivent être appliquées via des contraintes.
Production de Masse: Lors du passage du prototype au volume avec APTPCB, les contraintes doivent correspondre aux limites du contrôle statistique des processus (SPC) pour garantir un rendement élevé.
PCB Rigides-Flexibles: Ceux-ci nécessitent des contraintes uniques pour le rayon de courbure et les zones de transition afin de prévenir les défaillances mécaniques.

Quand une configuration complexe peut être inutile:

Cartes de Dérivation Simples (Breakout Boards): Une carte à 2 couches connectant un connecteur à des embases fonctionne souvent bien avec les règles "conservatrices" par défaut (par exemple, 10 mil trace/espacement).
Simulation Uniquement Schématique: Si vous ne simulez que le comportement logique ou analogique dans SPICE sans mise en page, les contraintes de mise en page physique ne s'appliquent pas.
Dessin Mécanique: La création d'une carte factice non électrique pour les vérifications d'ajustement nécessite des dimensions mécaniques mais ignore les règles de dégagement électrique.
Prototypage Brut (Breadboarding): Les prototypes câblés à la main n'utilisent pas de gestionnaires de contraintes EDA.

Règles et spécifications

Le tableau suivant présente les paramètres critiques requis pour une configuration complète des contraintes de conception. Ces valeurs représentent les capacités standard de l'industrie. Des valeurs plus strictes sont possibles mais peuvent augmenter les coûts.

Catégorie de règle	Valeur/Plage Recommandée	Pourquoi c'est important	Comment vérifier	Si ignoré
Largeur Minimale de la Piste	0.075mm - 0.127mm (3-5 mil)	Garantit que l'agent de gravure ne sur-grave pas le cuivre, provoquant des circuits ouverts.	DRC: Contrainte de Largeur	Pistes cassées (ouvertures) ou haute résistance.
Dégagement Minimum (Espacement)	0.075mm - 0.127mm (3-5 mil)	Empêche les éléments en cuivre de se relier pendant la fabrication.	DRC: Contrainte de Dégagement	Courts-circuits entre les réseaux.
Taille Minimale du Trou de Via	0.2mm - 0.3mm (8-12 mil)	Les forets mécaniques ont une limite avant que la casse ne devienne fréquente ; les plus petits nécessitent un perçage laser.	DRC: Taille du Trou	Casse du foret ou placage manqué.
Anneau Annulaire	0.1mm - 0.15mm (4-6 mil)	Garantit que le trou de perçage reste entièrement entouré par le pad de cuivre malgré la tolérance d'alignement.	Vérification DFM / DRC	Éclatement (foret frappant le bord du pad), connexion ouverte.
Expansion du Masque de Soudure	0.05mm - 0.075mm (2-3 mil)	Prend en compte le décalage d'alignement du masque afin que le masque ne couvre pas le pad soudable.	Inspection avec Gerber Viewer	Mauvaise soudure, masque sur le pad (saut de soudure).
Tolérance d'Impédance	±10% (Standard)	Adapte la ligne de transmission à la source/charge pour éviter la réflexion du signal.	Calculateur d'Impédance	Perte d'intégrité du signal, corruption des données.
Espacement des paires différentielles	Calculé (ex. 4-8 mil)	Détermine l'impédance différentielle et la réjection du bruit de mode commun.	DRC: Règle de paire différentielle	Problèmes EMI, décalage temporel, perte de signal.
Cuivre au bord de la carte	0.3mm - 0.5mm (12-20 mil)	Empêche le cuivre d'être exposé ou ébarbé lors du routage/rainurage en V.	DRC: Dégagement du contour de la carte	Courts-circuits au châssis, corrosion, décollement du cuivre.
Barrière de masque de soudure	0.1mm (4 mil) min	Empêche les ponts de soudure entre les pastilles adjacentes (en particulier les CI à pas fin).	Analyse DFM	Ponts de soudure (courts-circuits) pendant l'assemblage.
Perçage au cuivre	0.2mm - 0.25mm (8-10 mil)	Empêche le foret de toucher accidentellement une piste de couche interne.	DRC: Trou au cuivre	Courts-circuits internes (très difficiles à déboguer).
Expansion du masque de pâte	1:1 ou réduction de -10%	Contrôle le volume de pâte à souder déposée sur la pastille.	Vérification du plan d'assemblage	Ponts de soudure (trop) ou joints secs (pas assez).
Largeur de dégagement thermique	0.2mm - 0.3mm	Équilibre la capacité de transport de courant avec la soudabilité (isolation thermique).	Vérification visuelle / Plan d'alimentation	Joints de soudure froids (impossible de chauffer la pastille) ou surchauffe.

Étapes de mise en œuvre

La configuration des contraintes est un processus séquentiel. Passer directement au routage sans cette base entraîne un travail de reprise considérable.

Étape 1: Recueillir les capacités du fabricant Avant d'ouvrir le logiciel, obtenez la fiche de capacités de votre fabricant.

Action : Téléchargez les listes de capacités "Standard" et "Avancées".
Paramètre clé : Largeur/espacement minimum des pistes et taille minimale du perçage.
Vérification d'acceptation : Confirmez si votre conception nécessite "Avancé" (coût plus élevé) ou correspond au "Standard".

Étape 2 : Définir l'empilement des couches Les contraintes dépendent de la distance physique entre les couches.

Action : Saisissez le nombre de couches, le poids du cuivre et l'épaisseur du diélectrique dans le gestionnaire d'empilement EDA.
Paramètre clé : Constante diélectrique (Dk) et épaisseur.
Vérification d'acceptation : Vérifiez que l'épaisseur totale de la carte correspond aux exigences du boîtier mécanique.

Étape 3 : Créer des classes de nets Regroupez les signaux ayant des exigences similaires pour appliquer les règles efficacement.

Action : Créez des classes pour "Alimentation", "Masse", "RF", "Paires_Différentielles" et "Par_Défaut".
Paramètre clé : Liste des membres de la classe.
Vérification d'acceptation : Assurez-vous que les nets haute tension sont séparés des nets analogiques basse tension sensibles.

Étape 4 : Configurer les règles physiques (La configuration du fichier de règles de conception) Appliquez les limites de fabrication aux classes de nets.

Action : Définissez la largeur minimale, le dégagement et les styles de via pour chaque classe.
Paramètre clé : 0,1 mm (4 mil) pour HDI, 0,15 mm (6 mil) pour standard.
Vérification d'acceptation : Le logiciel devrait vous empêcher de router une piste plus petite que la limite.

Étape 5 : Configurer les règles électriques Définissez les contraintes pour l'intégrité du signal.

Action : Définir les profils d'impédance (par exemple, 50Ω asymétrique, 100Ω différentiel) et les attribuer à des couches spécifiques.
Paramètre clé : Largeur de trace par couche pour l'impédance cible.
Vérification d'acceptation : Utiliser le calculateur intégré pour confirmer que la largeur atteint l'impédance cible à ±10% près.

Étape 6 : Définir les règles mécaniques et DFM Définir les contraintes pour les caractéristiques non électriques.

Action : Définir les dégagements pour les trous de montage, les bords de la carte et les corps des composants (Courtyards).
Paramètre clé : Dégagement du corps du composant (généralement 0,25 mm).
Vérification d'acceptation : S'assurer qu'aucun composant ne se chevauche ou ne dépasse du bord de la carte, sauf intentionnellement.

Étape 7 : Exécuter un DRC de base Tester la configuration avant le routage.

Action : Exécuter une vérification des règles de conception (DRC) sur la carte non routée (vérification du placement).
Paramètre clé : 0 erreurs (ou seulement les erreurs "non routées" attendues).
Vérification d'acceptation : Résoudre immédiatement toute violation de placement de composant.

Étape 8 : Enregistrer et créer un modèle Ne répétez pas ce travail.

Action : Exporter les règles dans un fichier.
Paramètre clé : Extension de fichier .rul, .dru ou .cns.
Vérification d'acceptation : Importer ce fichier dans un projet vierge pour vérifier que les paramètres sont transférés correctement.

Modes de défaillance et dépannage

Même avec une configuration minutieuse des contraintes de conception, des erreurs se produisent. Cette section associe les symptômes courants à leurs causes profondes dans la logique des contraintes.

1. Symptôme : Nombre massif d'erreurs "Violation de dégagement".

Cause : Le dégagement global par défaut est défini plus serré que l'espacement des pastilles du boîtier.
Vérification : Examinez la règle "Par défaut" par rapport à la règle spécifique du "Composant".
Solution : Créez une règle spécifique pour les composants à pas fin (par exemple, BGA ou QFN) qui autorise un écart plus petit (par exemple, 3.5 mil) uniquement dans cette zone (règle basée sur une zone/Room).
Prévention : Utilisez des "Zones" ou "Régions" dans votre outil EDA pour appliquer des règles plus strictes uniquement là où c'est nécessaire.

2. Symptôme : Avertissements de discontinuité d'impédance.

Cause : La largeur de piste change lors du passage entre les couches, mais la contrainte n'a pas tenu compte des différentes épaisseurs diélectriques.
Vérification : Révisez le profil d'impédance pour chaque couche dans le gestionnaire d'empilement.
Solution : Assurez-vous que le gestionnaire de contraintes attribue une largeur spécifique pour la Couche 1 (par exemple, 5 mil) et la Couche 3 (par exemple, 4.5 mil) pour maintenir 50Ω.
Prévention : Utilisez des règles de largeur basées sur l'impédance plutôt que des règles de largeur fixe.

3. Symptôme : Carte non routable (impossible de compléter les connexions).

Cause : Les contraintes sont trop conservatrices (par exemple, exigent un espacement de 10 mil sur une carte dense).
Vérification : Comparez la densité de la carte (nets par pouce carré) aux règles de conception.
Solution : Passez à des capacités de fabrication "Avancées" (par exemple, descendez à 4 mil de piste/espacement) après avoir confirmé le coût avec APTPCB.
Prévention : Effectuez une étude de faisabilité sur la densité des composants avant de définir les règles.

4. Symptôme : Violations "Antenne" ou "Thermal sous-alimenté".

Cause: Les rayons de décharge thermique sont trop minces ou la connexion au plan est trop restrictive.
Vérification: Inspectez les règles de décharge thermique pour les vias de puissance.
Correction: Augmentez la largeur des rayons ou réduisez le nombre requis de rayons de 4 à 2 pour les zones denses.
Prévention: Définissez des règles thermiques spécifiques pour les vias à courant élevé par rapport aux vias de signal.

5. Symptôme: La carte ne réussit pas les tests d'ajustement mécanique ou de chute.

Cause: Les contraintes de placement des composants ont ignoré les zones de contrainte.
Vérification: Examinez les exigences de configuration des tests de chute; composants lourds placés trop près du centre ou des lignes de V-score.
Correction: Ajoutez une contrainte "Keep-Out" pour les composants lourds près des bords de la carte ou des trous de montage.
Prévention: Importez le boîtier mécanique (fichier STEP) dans l'outil PCB et définissez des règles de dégagement 3D.

6. Symptôme: Arrêt de fabrication (EQ) concernant les anneaux annulaires.

Cause: La configuration des contraintes de conception utilisait des valeurs "nominales" sans tenir compte de la tolérance de perçage.
Vérification: Vérifiez si la règle est Diamètre du pad - Diamètre du perçage >= 2 * Anneau annulaire min.
Correction: Augmentez la taille du pad ou diminuez la taille du perçage dans la bibliothèque/les règles.
Prévention: Ajoutez toujours 0,1 mm à la taille du perçage pour déterminer la taille minimale du pad.

7. Symptôme: Déséquilibre de phase de la paire différentielle.

Cause: La contrainte vérifiait la longueur totale mais pas la "phase statique" au sein de la paire.
Vérification: Recherchez "Tolérance de phase" dans les règles de la paire différentielle.
Correction : Ajouter des bosses d'ajustement de phase (routage en serpentin) au point de désadaptation, pas seulement à la fin.
Prévention : Activer le "DRC en ligne" pour les paires différentielles afin de visualiser les erreurs de phase pendant le routage.

8. Symptôme : Éclats de masque de soudure.

Cause : L'écart entre les pastilles est à peine plus grand que l'expansion du masque, laissant une minuscule bande de masque non fabricable.
Vérification : Calculer Pad Gap - (2 * Mask Expansion).
Correction : Si l'éclat résultant est < 3 mil, regrouper l'ouverture du masque (ouvrir le masque sur les deux pastilles).
Prévention : Définir une règle "Minimum Solder Mask Sliver" dans la section DFM de vos contraintes.

Décisions de conception

La mise en place efficace des contraintes de conception ne concerne pas seulement les paramètres logiciels ; elle est directement liée à la réalité de la fabrication et à la fiabilité à long terme.

Connexion aux données de fabrication (SPC) Les concepteurs avancés utilisent les données de spc chart setup des productions précédentes pour éclairer leurs contraintes. Si le contrôle statistique de processus (SPC) d'une usine montre que les pistes de 4 mil ont un Cpk (capacité de processus) de 1,33 mais que les pistes de 3,5 mil tombent à 0,9, le concepteur doit définir la contrainte à 4 mil pour assurer un rendement élevé. APTPCB fournit des retours sur ces capacités pour vous aider à optimiser vos directives DFM.

Fiabilité et tests Les contraintes dictent également la fiabilité mécanique. Pour les produits soumis à des tests de choc et de vibration, le drop test setup influence la proximité à laquelle les composants peuvent être placés par rapport aux trous de montage. Une règle de contrainte devrait définir une zone "Keep-Out" d'au moins 5 mm autour des points de montage pour prévenir les fractures des joints de soudure lors d'un événement de chute.

Portabilité des fichiers Le design rule file setup est un atout précieux. En sauvegardant des ensembles de contraintes vérifiés pour différentes technologies (par exemple, "4-Layer_Standard_FR4.rul" vs "6-Layer_Impedance_Rogers.rul"), les équipes réduisent le temps de configuration et éliminent les erreurs humaines.

FAQ

1. Quelle est la différence entre les contraintes DRC et DFM ? Le DRC (Design Rule Check) est un contrôle strict de réussite/échec au sein de votre logiciel, basé sur les règles que vous définissez. Le DFM (Design for Manufacturing) fait souvent référence à une analyse plus large effectuée par le fabricant pour vérifier les problèmes de rendement, les pièges à acide et les éclats qu'un DRC de base pourrait manquer.

2. Puis-je modifier les contraintes de conception à mi-parcours d'un projet ? Oui, mais c'est risqué. Le resserrement des contraintes (par exemple, l'augmentation du dégagement) peut entraîner des violations DRC massives nécessitant un nouveau routage. Le relâchement des contraintes est plus sûr, mais ne doit être effectué que si le fabricant confirme sa capacité.

3. Comment gérer les contraintes pour la haute tension ? Vous devez configurer une règle spécifique de "Creepage" (distance de fuite). Le dégagement standard est la distance la plus courte à travers l'air ; le creepage est la distance le long de la surface. Les réseaux haute tension nécessitent leur propre classe avec un espacement significativement plus grand (par exemple, >2mm pour la tension secteur).

4. Pourquoi mon fabricant me demande-t-il de modifier mes contraintes ? Si vos contraintes sont plus strictes que nécessaire (par exemple, une trace de 3 mil alors que 5 mil suffiraient), cela réduit le rendement et augmente les coûts. Inversement, si vos contraintes sont trop lâches pour la densité des composants, la carte peut être inmanufacturable.

5. Les contraintes affectent-elles le coût du PCB ? Absolument. Les règles qui exigent des fonctionnalités "avancées" (par exemple, trace < 4 mil, perçage < 0,2 mm, vias borgnes) déclenchent des niveaux de prix plus élevés. Maintenir les contraintes dans les spécifications "standard" permet de réduire les coûts.

6. Comment définir les contraintes pour une trace de 50 ohms ? Vous ne pouvez pas simplement "définir" 50 ohms ; vous devez calculer la largeur de la trace qui résulte en 50 ohms en fonction de votre empilement (épaisseur et constante diélectrique). Vous entrez cette largeur calculée dans le gestionnaire de contraintes physiques.

7. Qu'est-ce que la règle "Minimum Solder Mask Sliver" ? Cette règle garantit qu'il y a suffisamment d'espace entre les ouvertures du masque de soudure pour imprimer une bande de masque. Si cette bande est trop fine (< 3-4 mil), elle s'écaillera pendant l'assemblage, provoquant des ponts.

8. Dois-je faire confiance aux règles par défaut dans Altium/Eagle/KiCad? Non. Les règles par défaut sont souvent des placeholders génériques. Elles peuvent être trop conservatrices (gaspillant de l'espace) ou trop agressives (dépassant les capacités de fabrication standard). Chargez toujours un ensemble de règles basé sur les spécifications de votre fabricant spécifique.

9. Comment les contraintes gèrent-elles les conceptions rigides-flexibles ? Le rigide-flexible nécessite des règles "spécifiques à la région". La zone flexible a besoin de contraintes différentes (par exemple, une largeur de trace plus grande, un routage courbé, pas de vias) par rapport aux sections rigides.

10. Qu'est-ce qu'une "Salle" dans la gestion des contraintes ? Une Salle est une zone géométrique définie sur la carte où des règles spécifiques s'appliquent. Par exemple, sous un BGA, vous pourriez autoriser un espacement de 3,5 mil, tandis que le reste de la carte nécessite 5 mil.

11. Pourquoi est-ce que j'obtiens des erreurs "Net non routé" même lorsque cela semble connecté ? Cela arrive souvent si le centre de la trace ne s'aligne pas exactement sur le centre du pad, ou si la largeur de la trace est légèrement plus grande que le pad, empêchant le logiciel d'enregistrer la logique de connexion.

12. Comment vérifier que mes contraintes d'impédance sont correctes ? Utilisez un visualiseur de PCB ou un calculateur d'impédance avant la fabrication. Après la fabrication, demandez un rapport de test TDR (Time Domain Reflectometry) à l'usine pour valider que la carte physique correspond à la conception.

Glossaire (termes clés)

Terme	Définition
DRC (Design Rule Check)	Processus logiciel qui vérifie la disposition par rapport à la configuration des contraintes de conception définies.
Clearance	La distance physique minimale requise entre deux éléments conducteurs (nets) pour éviter les courts-circuits.
Creepage	La distance la plus courte entre deux conducteurs le long de la surface du matériau isolant.
Annular Ring	L'anneau de cuivre autour d'un trou percé ; essentiel pour assurer la connexion de la via à la piste.
Net Class	Un groupe de connexions électriques (nets) qui partagent les mêmes règles physiques ou électriques.
Stackup	L'agencement des couches de cuivre et des matériaux diélectriques (Prepreg/Core) dans le PCB.
Impedance Control	Gestion des dimensions des pistes pour maintenir une résistance AC (impédance) spécifique pour les signaux à haute vitesse.
Via-in-Pad	Une technique de conception où la via est placée directement dans le pad du composant (nécessite des contraintes spécifiques et des étapes de fabrication).
Aspect Ratio	Le rapport entre l'épaisseur de la carte et le diamètre du trou percé ; limite la capacité de placage.
Courtyard	La limite physique incluant le corps du composant et la zone de dégagement d'assemblage nécessaire.
Thermal Relief	Un motif en étoile reliant un pad à un plan, empêchant les effets de dissipateur thermique pendant le soudage.
Solder Mask Expansion	L'écart entre le pad de cuivre et le bord de l'ouverture du masque de soudure.

Conclusion

Une configuration méticuleuse des contraintes de conception fait la différence entre un cycle de production sans accroc et un projet bloqué par des requêtes d'ingénierie (EQs). En traduisant les limitations physiques de l'usine et les besoins électriques de votre circuit en règles logicielles précises, vous assurez fiabilité et performance.

Que vous configuriez des cartes FR4 standard ou des interconnexions complexes à haute vitesse, commencer avec les bonnes règles permet d'économiser du temps et de l'argent. Pour des spécifications de fabrication vérifiées afin de remplir votre gestionnaire de contraintes, ou pour examiner votre préparation DFM, l'équipe d'ingénieurs d'APTPCB est prête à vous aider.

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