🔧 Projet PCB - Semestre 6

Année Universitaire : 2022-2023
Semestre : 6
Crédits : 2 ECTS
Spécialité : Conception Électronique

PART A - Présentation Générale du Projet

Vue d'ensemble

Ce projet consiste à concevoir et réaliser une carte électronique complète (PCB) de A à Z avec Altium Designer. L’objectif est de créer un objet connecté interactif intégrant interface tactile capacitive, LED RGB adressables, alimentation autonome sur batterie, et microcontrôleur STM32. Le projet couvre toutes les étapes : spécifications, schématiques, routage, fabrication, assemblage, et tests.

Résultat attendu :

Une carte électronique fonctionnelle prête pour l’intégration dans un boîtier, avec tous les fichiers de fabrication professionnels.

Compétences développées :

• Maîtrise d’Altium Designer (outil professionnel de conception PCB)
• Conception de schémas électriques hiérarchiques et modulaires
• Création de bibliothèques de composants (symboles et empreintes PCB)
• Routage multicouche avec respect des contraintes de fabrication
• Génération des fichiers de production (Gerber, BOM, pick-and-place)
• Modélisation 3D et intégration mécanique
• Assemblage et débogage de circuits électroniques

Contexte pédagogique

Prérequis du cursus :

• Circuits et Filtres Analogiques (S5) : conception de circuits analogiques, amplificateurs, filtres
• Électronique Fonctions Analogiques (S6) : alimentation, régulation de tension, gestion de puissance
• Microcontrôleur (S6) : programmation STM32, périphériques (GPIO, timers, communication)
• Architecture Matérielle (S6) : bus, interfaces, signaux numériques

Compétences mobilisées :

• Lecture et interprétation de datasheets techniques
• Calculs de dimensionnement (régulateurs, découplage, pistes)
• Choix de composants selon contraintes (coût, disponibilité, performance)
• Validation et tests de circuits électroniques

Applications futures :

• Projets IoT : conception de cartes custom optimisées pour applications connectées
• Prototypage rapide : du concept au prototype fonctionnel en quelques semaines
• Production : passage du prototype à la fabrication en série
• Intégration système : synergie électronique, mécanique, logiciel embarqué

PART B - Expérience Personnelle et Contexte d’Apprentissage

Organisation et ressources

Le projet était structuré en plusieurs étapes sur le semestre :

Phase 1 : Spécifications et architecture (2 semaines)

• Définition du cahier des charges
• Choix des composants
• Schéma bloc fonctionnel

Phase 2 : Schématiques (3 semaines)

• Création des bibliothèques de composants
• Dessin des schémas électriques
• Vérifications électriques (ERC)

Phase 3 : Routage PCB (4 semaines)

• Placement des composants
• Routage des pistes
• Plans de masse et alimentation
• Vérifications design rules (DRC)

Phase 4 : Fabrication et assemblage (2 semaines)

• Génération fichiers Gerber
• Commande fabrication
• Assemblage et tests

Environnement de travail :

• Logiciel : Altium Designer 22
• Fabricant : JLCPCB ou PCBWay (Chine)
• Assemblage : manuel avec fer à souder
• Tests : multimètre, oscilloscope, programmation STM32

Concept et architecture

Idée du projet :

Carte électronique interactive combinant interface tactile intuitive et affichage visuel dynamique via LED RGB. L’utilisateur interagit avec des zones tactiles capacitives et reçoit un retour visuel immédiat sous forme de séquences lumineuses colorées. Alimentation autonome sur batterie pour portabilité.

Architecture système :

Le système est organisé en modules fonctionnels interconnectés :

Schéma fonctionnel :

Batterie → Régulateur → STM32 ←→ Capteurs tactiles
                  ↓              ↓
              LED RGB ←─────── USB Type-C

Modules développés :

1. Alimentation (Alimentation_PCB.SchDoc)

Circuit de gestion d’alimentation avec :

• Connecteur USB Type-C pour charge et programmation
• Régulateur de tension 5V → 3,3V (pour STM32 et périphériques)
• Protection batterie Li-Ion (charge/décharge)
• Convertisseur DC-DC boost/buck si nécessaire
• Condensateurs de découplage (100 nF, 10 µF)

Composants principaux :

• Régulateur linéaire LDO (AMS1117-3.3) ou switching (LM2596)
• Diodes de protection Schottky
• Inductances de filtrage
• Réseau de condensateurs (céramiques + électrolytiques)

2. Microcontrôleur (MicroContrôleur.SchDoc)

Circuit STM32F103 avec :

• Oscillateur externe 8 MHz (quartz + condensateurs 22 pF)
• Condensateurs de découplage sur chaque alimentation (100 nF)
• Connecteur SWD pour programmation/débogage (4 broches : SWDIO, SWCLK, GND, 3.3V)
• Bouton reset
• LED de statut
• Pull-up sur BOOT0 (mode normal)

Connexions :

• GPIO pour LED RGB (PA0 → data LED)
• GPIO pour capteurs tactiles (PB8-PB11)
• UART pour debug (PA9/PA10)
• USB (PA11/PA12) si utilisé

3. LED RGB (LED_RGB.SchDoc)

Chaîne de LED adressables WS2812B :

• 8 à 16 LED RGB connectées en série
• Alimentation 5V (important : ne pas alimenter en 3,3V)
• Résistance de protection sur data (470 Ω)
• Condensateur de découplage par LED (100 nF proche de chaque LED)

Protocole :

• 1 fil de données (protocole propriétaire WS2812)
• Timing critique (nécessite PWM précis du STM32)
• Chaque LED reçoit 24 bits (8R + 8G + 8B) puis transmet au suivant

4. Interface tactile (Touch.SchDoc)

Capteurs tactiles capacitifs :

• 4 à 8 zones tactiles (pads PCB en cuivre)
• Contrôleur tactile dédié (TTP223 ou équivalent) ou GPIO STM32
• Résistances de pull-up/down
• Condensateurs de filtrage anti-bruit

Principe :

• Capacité change quand doigt approche
• Détection par mesure de temps de charge/décharge
• Sensibilité ajustable par résistance

Création des bibliothèques de composants

Symboles schématiques (.SchLib) :

Pour chaque composant, création du symbole selon normes IEEE :

• Résistance : rectangle avec valeur
• Condensateur : deux barres parallèles
• Inductance : spirale
• Circuits intégrés : rectangle avec broches numérotées

Propriétés à définir :

• Nom du composant (Designator : R1, C1, U1…)
• Valeur (Value : 10k, 100nF, STM32F103…)
• Description
• Référence fournisseur (Supplier Part Number)
• Datasheet (lien)

Empreintes PCB (.PcbLib) :

Pour chaque composant, création du footprint :

• Résistances/condensateurs SMD : format 0603, 0805, 1206
  • 0603 : 1,6 mm × 0,8 mm (petits, difficiles à souder)
  • 0805 : 2,0 mm × 1,25 mm (bon compromis)
  • 1206 : 3,2 mm × 1,6 mm (gros, facile à souder)
• Circuits intégrés :
  • LQFP-48 pour STM32F103 (pitch 0,5 mm)
  • SOT-23 pour régulateurs
  • DIP/SOP pour autres CI

Définition empreinte :

• Pads (taille, forme, spacing)
• Sérigraphie (outline composant, numéro broche 1)
• Courtyard (zone réservée autour composant)
• Modèle 3D (fichier STEP pour visualisation)

Exemple : résistance 0805

Pad 1 : 1,2 mm × 1,4 mm à (-0,95, 0)
Pad 2 : 1,2 mm × 1,4 mm à (+0,95, 0)
Silkscreen : rectangle 2,0 mm × 1,25 mm

Schématiques et hiérarchie

Organisation hiérarchique :

Le projet utilise plusieurs feuilles de schéma :

Main.SchDoc : schéma principal

• Blocs fonctionnels (alimentation, MCU, LED, touch)
• Connecteurs inter-modules
• Vue d’ensemble du système

Schémas secondaires :

• Alimentation_PCB.SchDoc : détail circuit alimentation
• MicroContrôleur.SchDoc : détail STM32 et périphériques
• LED_RGB.SchDoc : chaîne de LED
• Touch.SchDoc : capteurs tactiles

Avantages de la hiérarchie :

• Clarté : chaque feuille a une fonction
• Modularité : modification d’un module sans toucher aux autres
• Réutilisabilité : modules réutilisables dans autres projets

Connexions inter-feuilles :

• Ports (Port) : points d’entrée/sortie d’une feuille
• Netlist : Altium gère automatiquement les connexions

Routage du PCB

Spécifications de la carte :

• Dimensions : environ 80 mm × 60 mm (adaptée au boîtier)
• Couches : 2 couches (Top + Bottom) suffisant pour ce projet
• Épaisseur cuivre : 35 µm (1 oz)
• Finition : HASL (Hot Air Solder Leveling) ou ENIG (nickel/or)
• Vernis épargne (solder mask) : vert
• Sérigraphie : blanc

Étapes de routage :

1. Définition du contour (carte_plexi_outline.PcbDoc)

Outline de la carte selon le boîtier :

• Forme rectangulaire ou custom
• Trous de fixation (M3 typiquement)
• Découpes pour connecteurs (USB Type-C)

2. Placement des composants

Règles de placement :

• Alimentation : près du connecteur USB
• STM32 : au centre, accès facile pour routage
• LED RGB : en périphérie ou selon design visuel
• Capteurs tactiles : sur edge de la carte ou face arrière
• Condensateurs de découplage : au plus près des broches d’alimentation

Considérations :

• Hauteur composants (sous boîtier)
• Zones thermiques (régulateur chauffe)
• Accessibilité pour soudure
• Sens des composants polarisés

3. Routage des pistes

Ordre de priorité :

1. Alimentation (3,3V, 5V, GND) : pistes larges
2. Signaux critiques (data LED, oscillateur)
3. Signaux GPIO standards
4. Signaux secondaires

Largeurs de pistes :

Calcul : 1 A nécessite environ 1 mm de largeur sur cuivre 35 µm.

Plans de masse :

• Plan GND sur Bottom layer (cuivre plein)
• Vias de connexion GND fréquents
• Découplage capacitif efficace

4. Règles de conception (Design Rules)

Configuration Altium :

• Clearance minimum : 0,2 mm (sécurité fabrication)
• Largeur piste minimum : 0,2 mm
• Diamètre via : 0,6 mm (trou 0,3 mm)
• Distance pad-piste : 0,2 mm

5. Vérifications

DRC (Design Rule Check) :

• Aucune violation de clearance
• Pas de piste trop fine
• Pas de via trop proche du bord

ERC (Electrical Rule Check) sur schéma :

• Toutes les broches connectées
• Pas de court-circuit
• Alimentations correctes

Génération des fichiers de fabrication

Fichiers Gerber :

Format standard pour fabrication PCB. Un fichier par couche :

Fichiers complémentaires :

BOM (Bill of Materials) : Liste exhaustive des composants avec :

• Référence (R1, C5, U1…)
• Valeur (10k, 100nF, STM32F103…)
• Boîtier (0805, LQFP-48…)
• Quantité
• Fournisseur et référence (Mouser, DigiKey…)

Pick and Place : Fichier CSV pour assemblage automatique (si fabriqué industriellement). Coordonnées X,Y et rotation de chaque composant.

3D Export : Fichier STEP pour vérification mécanique et intégration dans boîtier (SolidWorks, Fusion 360).

Modélisation 3D et boîtier

Fichiers 3D disponibles :

• Carte_PCB.step : carte électronique avec composants
• Boitier_PCB.step : boîtier inférieur
• Couvercle_PCB.step : couvercle supérieur
• Plaque_tactile_PCB.step : interface tactile
• Assemblage_plecs_bois.step : assemblage complet

Intégration mécanique :

• Vérification des interférences (composants vs boîtier)
• Accès USB Type-C
• Visibilité LED RGB
• Zones tactiles accessibles
• Fixations M3

Difficultés rencontrées

Création de bibliothèques : Chronophage et minutieux. Erreur dans empreinte = PCB inutilisable. Importance de vérifier dimensions dans datasheet.

Routage contraint : Espace limité, nombreux composants. Nécessité de compromis entre idéal (pistes courtes) et faisable.

Vérifications et erreurs : DRC/ERC peuvent générer des centaines d’erreurs. Il faut toutes les corriger avant fabrication.

Choix des composants : Disponibilité, coût, taille. Certains composants en rupture de stock. Prévoir des alternatives.

PART C - Aspects Techniques Détaillés

1. Altium Designer - Fonctionnalités

Modules principaux :

Raccourcis utiles :

• P + W : placer un fil (wire)
• P + N : placer un net label
• P + P : placer un composant (part)
• T + R : tracer une piste (track route)
• T + V : placer un via
• Shift + S : afficher/masquer couches
• 3 : vue 3D

2. Technologies PCB

Types de vias :

Finitions de surface :

3. Règles de conception PCB

Pistes d’alimentation :

Largeur en fonction du courant :

• 0,1 A : 0,15 mm minimum
• 0,5 A : 0,4 mm
• 1 A : 0,8 mm
• 2 A : 1,5 mm

Ces valeurs supposent cuivre 35 µm et élévation température 10°C.

Découplage :

Condensateurs de découplage pour chaque circuit intégré :

• 100 nF céramique au plus près de chaque broche VDD/VSS
• 10 µF électrolytique ou céramique par groupe de CI
• Pistes courtes (< 5 mm idéalement)

Oscillateur :

Circuit critique pour STM32 :

• Pistes courtes et symétriques
• Plans GND autour (garde)
• Condensateurs 22 pF proches du quartz
• Pas de pistes de signal qui croisent

Impédance contrôlée :

Pour signaux haute vitesse (USB, Ethernet, HDMI) :

• Largeur piste calculée selon impédance cible (50 Ω, 90 Ω…)
• Distance au plan de référence
• Paires différentielles appariées

4. Processus de fabrication

Étapes de fabrication industrielle :

1. Impression : transfert motif sur substrat
2. Gravure : retrait du cuivre non protégé
3. Perçage : trous vias et composants traversants
4. Placage : dépôt cuivre dans les trous
5. Vernis épargne : application solder mask
6. Sérigraphie : impression textes et repères
7. Finition : HASL, ENIG, etc.
8. Test électrique : vérification continuités et isolations
9. Découpe : séparation des panneaux

Délais et coûts :

Pour fabricants chinois (JLCPCB, PCBWay) :

• 10 PCB 100×100 mm, 2 couches : 5-10 €
• Délai fabrication : 24-48h
• Expédition express : 3-7 jours
• Total : environ 30 € et 1 semaine

5. Assemblage et soudure

Composants CMS (SMD) :

Techniques de soudure :

• Fer à souder : pour 0805 et plus gros, ou faible quantité
• Plaque chauffante : pour circuits complexes
• Four à refusion : industriel ou DIY (contrôleur PID)

Étapes soudure manuelle :

1. Appliquer flux sur pads
2. Étamer un pad
3. Positionner composant avec pince
4. Souder premier côté
5. Souder second côté
6. Vérifier avec loupe

Pâte à souder et refusion :

1. Appliquer pâte à braser (seringue ou pochoir)
2. Placer composants (pince ou pick & place manuel)
3. Chauffer progressivement jusqu’à 220-250°C
4. Refroidir lentement

6. Tests et validation

Tests de continuité :

• Multimètre en mode testeur de continuité
• Vérifier alimentations (pas de court-circuit VCC-GND)
• Vérifier connexions critiques

Tests fonctionnels :

• Alimenter en 5V via USB
• Vérifier 3,3V en sortie régulateur
• Programmer STM32 via SWD
• Tester LED RGB (une par une)
• Tester capteurs tactiles

Débogage problèmes courants :

• Pas d’alimentation : vérifier régulateur, condensateurs
• Programmation impossible : vérifier connexions SWD, reset
• LED ne s’allument pas : vérifier alimentation 5V, data line
• Tactile ne répond pas : vérifier sensibilité, connexions

PART D - Analyse Réflexive et Perspectives

Compétences acquises

Maîtrise logicielle : Altium Designer est un outil professionnel complexe. La courbe d’apprentissage est raide, mais les compétences sont directement applicables en entreprise (standard industrie avec Eagle, KiCad).

Vision système : Le projet oblige à penser l’électronique dans sa globalité : schémas, routage, mécanique, fabrication, coût. Compréhension du cycle complet conception → production.

Rigueur et attention aux détails : Une erreur dans le PCB coûte temps et argent (refabrication). Importance des vérifications systématiques (DRC, ERC, revue manuelle).

Points clés à retenir

1. Composants = fondation : Choisir les bons composants dès le départ. Vérifier disponibilité, coût, et alternatives. Une rupture de stock peut bloquer le projet.

2. Bibliothèques = investissement : Créer des bibliothèques propres et vérifiées. Réutilisables dans projets futurs. Gain de temps énorme.

3. DRC/ERC = amis : Ne jamais ignorer les erreurs. Toutes corriger avant fabrication. Un warning peut cacher un problème grave.

4. Découplage = stabilité : Condensateurs de découplage ne sont pas optionnels. Instabilité, resets aléatoires, comportement erratique sinon.

5. Plans de masse = impératif : Un bon plan de masse améliore considérablement stabilité, bruit, et facilite routage.

Applications pratiques

Prototypage rapide : Capacité à concevoir et commander des PCB custom pour projets personnels ou professionnels en quelques jours. Les services en ligne (JLCPCB, PCBWay, Eurocircuits) ont révolutionné l’accès au prototypage professionnel.

Objets connectés : Compétence clé pour IoT : concevoir cartes optimisées (taille, consommation, coût) plutôt que cartes dev généralistes. Les produits commerciaux nécessitent des PCB custom adaptés aux contraintes mécaniques et de production.

Produits commerciaux : De prototype à production : optimisation coûts, DFM (Design For Manufacturing), assemblage automatisé. Comprendre les contraintes industrielles dès la conception évite les mauvaises surprises en production.

Consulting et services : Service de conception PCB très demandé. Nombreux clients (startups, makers, PME) ont des idées mais pas les compétences pour réaliser le PCB. Marché en croissance avec l’essor de l’IoT et du hardware open-source.

Retour d'expérience

Points forts du projet :

• Résultat tangible et satisfaisant (PCB physique fonctionnel)
• Liberté créative dans conception et choix techniques
• Utilisation d’outil professionnel reconnu (Altium Designer)
• Compétences valorisables en entreprise et projets personnels
• Compréhension globale du cycle conception-fabrication-assemblage

Défis relevés :

• Temps d’apprentissage significatif d’Altium (interface dense, nombreuses fonctionnalités)
• Gestion simultanée de nombreux aspects (électrique, mécanique, fabrication, coût)
• Stress du “moment de vérité” à réception du PCB
• Soudure CMS exigeante techniquement pour débutants

Améliorations et évolutions possibles :

• Ajout connectivité sans fil (Bluetooth LE, WiFi ESP32)
• Intégration capteurs supplémentaires (température, accéléromètre)
• Réduction de taille par optimisation placement et passage 4 couches
• Assemblage professionnel pour meilleure qualité et reproductibilité
• Ajout protection ESD et circuits de sécurité pour robustesse

Ouvertures et perspectives

Vers des projets plus complexes :

• PCB multicouches avancés : 6-8 couches, HDI (High Density Interconnect), flex et rigid-flex
• Signaux haute vitesse : DDR3/4, PCIe, USB 3.0 avec contrôle d’impédance et routing différentiel
• RF design : antennes (PCB, chip, externe), adaptation d’impédance, isolation RF
• Gestion de puissance : convertisseurs DC-DC haute efficacité, dissipation thermique, courants élevés
• Certification produit : conformité CE, FCC, RoHS pour commercialisation

Évolutions technologiques :

• Miniaturisation continue : composants 0201, 01005, wearables
• Intégration système : SiP (System in Package), SoC avec tout intégré
• Matériaux avancés : substrats haute fréquence (Rogers), thermiquement conducteurs
• Fabrication additive : impression 3D de PCB pour prototypage ultra-rapide
• AI-assisted design : placement et routage assistés par intelligence artificielle

Outils alternatifs :

• KiCad : solution open-source mature, communauté active
• EasyEDA : éditeur en ligne gratuit avec fabrication intégrée (JLCPCB)
• Fusion 360 Electronics : gratuit pour étudiants et hobbyistes (Autodesk)
• Eagle : historique, racheté par Autodesk, version gratuite limitée

Conseils pour réussir

Méthodologie projet :

1. Planification rigoureuse : Définir spécifications claires avant de commencer. Modifications en cours = pertes de temps et risques d’erreurs. Faire des choix techniques dès le début (alimentation, interfaces, taille).

2. Bibliothèques vérifiées : Investir du temps dans création/vérification des empreintes. Une erreur de pad = PCB inutilisable. Toujours comparer avec datasheet officielle et vérifier dimensions critiques.

3. Vérifications systématiques : DRC et ERC ne sont pas optionnels. Corriger toutes les erreurs avant fabrication. Un warning apparemment mineur peut révéler un problème grave. Revue manuelle en complément.

4. Prototypage progressif : Tester modules critiques sur breadboard avant intégration PCB. Valider alimentation (stabilité, ondulation), oscillateur (démarrage, stabilité), communications (bus, UART) avant routage final.

5. Documentation continue : Documenter choix techniques, calculs, problèmes rencontrés au fur et à mesure. Précieux pour débogage futur et projets similaires. Inclure schémas annotés, BOM détaillée, notes d’assemblage.

6. Règles de conception strictes : Plans de masse solides, découplage systématique, largeurs de pistes adaptées, clearances respectées : ces règles garantissent fiabilité et réduisent les surprises désagréables.

Ressources utiles :

• Forums et communautés : EEVblog, r/PrintedCircuitBoard, Altium Community, KiCad forums
• Formation en ligne : Altium Academy (gratuit), Udemy PCB courses, YouTube (Phil’s Lab, Robert Feranec)
• Littérature technique : “The Art of Electronics” (Horowitz & Hill), “High Speed Digital Design” (Howard Johnson), “PCB Design for Real-World EMI Control” (Armstrong)
• Outils complémentaires : calculateurs de pistes en ligne, simulateurs d’intégrité de signal, outils d’analyse thermique

Bilan et conclusion

Synthèse de l’expérience :

Ce projet PCB constitue une expérience formatrice complète, permettant de passer du schéma théorique à un produit physique fonctionnel. La courbe d’apprentissage d’Altium Designer, bien que raide, se révèle un investissement rentable : l’outil offre un contrôle précis et professionnel sur chaque aspect de la conception.

Compétences développées :

• Maîtrise d’un outil de CAO électronique professionnel
• Vision système de la conception (électrique + mécanique + fabrication + coût)
• Rigueur dans la vérification et la validation
• Autonomie complète de la spécification à la réalisation
• Compréhension pratique des contraintes industrielles

Impact professionnel :

Les compétences en conception PCB sont très valorisées dans l’industrie électronique moderne. Capacité à concevoir ses propres cartes = autonomie dans le prototypage, opportunités dans l’IoT, les startups hardware, et le consulting technique. C’est un différenciateur clé pour un ingénieur électronique ou systèmes embarqués sur le marché du travail.

Perspective d’évolution :

Ce projet est un point de départ vers des réalisations plus complexes. Les possibilités d’évolution sont infinies : connectivité sans fil, capteurs avancés, miniaturisation poussée, technologies de pointe (multicouches, HDI, flex). La capacité à itérer rapidement du concept au prototype physique est un atout majeur dans l’innovation technologique actuelle.

Message de conclusion :

Concevoir un PCB, c’est matérialiser une idée. C’est transformer des schémas théoriques et des simulations en un objet physique et fonctionnel. C’est comprendre que l’électronique est une discipline pratique où chaque détail compte, où la théorie rencontre les contraintes du monde réel. C’est aussi réaliser que tous les objets électroniques qui nous entourent (smartphones, IoT, drones, wearables) ont été conçus ainsi, une carte à la fois, par des ingénieurs passionnés.

La satisfaction de tenir sa propre carte PCB fonctionnelle, fruit de semaines de conception et de débogage, est unique. Chaque projet, même simple, apporte son lot de défis techniques et de leçons apprises. L’important est de continuer à pratiquer, d’oser essayer de nouvelles techniques, et de ne jamais cesser d’apprendre dans ce domaine en constante évolution.

Liens avec les autres cours :

• Microcontrôleur - S6 : programmation STM32, périphériques, interruptions
• Électronique Fonctions Analogiques - S6 : circuits d’alimentation, régulateurs
• Électronique Fonctions Numériques - S6 : bus I2C/SPI, logique numérique
• Architecture Matérielle - S6 : compréhension hardware, interfaçage

Projet réalisé en 2022-2023 à l’INSA Toulouse, Département Génie Électrique et Informatique.