Hard du Hard • Comment juger la qualité d'un PCB ?

Nous parlons souvent des composants, des circuits, de comment sont placés nos petites VRMs... Mais nous oublions souvent la base primordiale de la micro électronique : les PCBs en eux-mêmes. Car oui, les fondations de nos chers composants hardwares sont toutes aussi importantes que le reste des éléments électroniques et peuvent avoir des influences plus ou moins bonnes pour nos installations génératrices de bits. Pour aujourd'hui, nous donc allons parler de : 

Comment juger la qualité d'un circuit imprimé dans nos PC et l'influence de leur placement ?

Mille-feuilles à la résine et fibre de verre sur son lit de vernis

Nous allons commencer par la base de la base : la plaque contenant les pistes. Avant de réaliser des circuits sur plaque, les composants étaient montés sur des dispositifs appelés Turrets Boards avec des plaques en carton huilé ou en bakélite. Après la seconde guerre mondiale, les circuits imprimés apparaissent en utilisant une plaque de bakélite superposée d'une couche de cuivre dans lesquelles on taillait les pistes. Les circuits actuels sont apparus dans les années 70 : plus résistants et moins coûteux grâce à l'utilisation du combo fibre de verre et résine époxy. Depuis, les technologies n'ont que très peu évolué et le mille-feuille de fibre de verre et d'époxy est resté la principale source de circuits imprimés.

Les origines de l'électronique sont encore utilisées par certains fabricants en audio, mais imaginez la difficulté à intégrer des millions de transistors sur une telle plaque !

De nos jours, les circuits sont fabriqués sur plusieurs "faces" et permettent donc de leur attribuer des pistes ou des fonctions spécifiques : face de masse, alimentation numérique, alimentation de puissance, signaux... L'avantage est de profiter des capacités isolantes des couches époxy + fibres, limitant les interférences possibles entre pistes par proximité ou émission de signal. Dans certains cas aussi on augmente la résistance entre deux pistes - l'air ambiant n'étant pas forcément le meilleur résistant à cause de l'humidité présente - et permet de limiter les risques d'arcs électriques, tout comme l'ajout de vernis.

Voici l'exemple d'un sandwich de piste sur 4 couches, celles-ci étant reliées par des points de connexion métalliques appelés "via"

Dernier point important sur le support physique, il s'agit des vernis appliqués en surface. Si vous pensiez que les fabricants mettent de la peinture juste pour faire joli et vous vendre du marketing gaming celle-ci à une autre fonction bien plus utile - même si une simple couche transparente suffit, mais bon, le rouge et le noir ont la cote - qui est d'isoler électriquement les pistes, que ce soit entre-elles ou de l'environnement. Cette couche supplémentaire permet de limiter les impacts des impuretés présentes dans l'air ou d'un éventuel contact mécanique avec un conducteur. Par contre vu sa faible épaisseur, ne vous amusez pas pour autant à coller votre carte mère au châssis.

Des routes bien pist... heu, des pistes bien routées !

Si le support est important, il ne serait rien sans les pistes qui vont dessus. Celles-ci sont constituées d'une fine couche de cuivre sur chaque face du PCB qui est ensuite "gravée" - on enlève la matière en excès - pour obtenir notre circuit électronique : l'opération s'appelle le routage. Cette opération constitue principalement à dessiner sous logiciel de CAO - à part quelques fous qui utilisent encore des tables à dessin, les barbares - à quoi ressemble les pistes, les liens entre elles, les positions des composants... Bref c'est l'implantation de notre circuit électronique qui est effectuée.

Sur ce dessin issu du logiciel Eagles (un standard de l'industrie), on voit les composants reliés par des pistes dessinées en bleu (face de dessous) et rouge (face de dessus). Les points verts représentent les points de jonction entre pistes, faces et composants.

Mais parfois, les pistes font des angles étranges, des espèces de serpentins et autres zig-zag ou tout simplement paraissent dessinées à la main. Pas d'inquiétude, le chef de projet n'a pas oublié son PC allumé avec son enfant de 3 ans devant : dans nos installations où la fréquence est parfois très élevée,  les variations de forme des simples pistes de cuivre deviennent des composants passifs à part entière. Nous ne détaillerons pas le sujet - trop long et trop complexe pour maintenant, ce sera dans un autre épisode dédié - mais à haute fréquence nous pouvons concevoir des bobines et des condensateurs grâce aux pistes. Cela permet en modifiant les formes de créer des filtres, mais peut avoir l'effet inverse et créer des composants parasites. Pour éviter cela, il suffit de créer des pistes à largeur uniforme en limitant les angles trop bruts soit en les cassant soit en réalisant des courbes.

Sur la RTX 2080 FE, nous pouvons voir les pistes entre le PCIe et le GPU qui sont dans tous le sens : ça permet d'éviter des problèmes de perturbations liés à des changements de largeur de piste

Un dernier point sur les pistes : dans le cas des alimentations, les tensions et courants influencent comment nous devons tracer nos circuits pour éviter les problèmes. Comme nous l'avons dit, la résistance de l'air n'est pas aussi forte que nous le pensons ce qui peut produire des petits arcs électriques ou des perturbations entre deux pistes trop proches (un effet qui s'accentue si les différences de tensions sont élevées). Les pistes ont aussi une résistance qui dépend de la section de la piste ; comme celles-ci ont une épaisseur définie, il faut jouer sur la largeur pour modifier cette résistance. Si le courant est élevé et notre piste trop étroite, celle-ci va avoir du mal à prendre le courant, va trop chauffer et finir par fondre au mieux, prendre feu au pire - ne rigolez pas, c'est déjà arrivé à certains...

Un bon choix pour une bonne durée de vie

Au final, ça nous apporte quoi de savoir tout cela ? Et bien ces éléments sont importants pour une bonne gestion de nos périphériques et si nous avons l'occasion de voir comment est foutu le PCB, nous pouvons avoir une idée de la durée de vie de notre composant. Un PCB doit être rigide et bien dur afin de supporter le poids des composants - c'est le cas des cartes mères qui doivent supporter les ventirads par exemple - sans plier à terme. Un PCB qui ne bouge pas évite tout risque de rupture des pistes par élongation ou cassure. Lors de nos tests futurs sur certains composants, nous vous indiquerons ce type d'information.

Un bon PCB est aussi catégorisé par ses pistes et leurs utilisations afin d'être sûr de ne pas se retrouver avec un incendie de ce côté là. Vérifiez que les pistes servant au transport du courant sont soit larges, soit multipliées en plein de petites pistes : pensez au principe d'une corde de chanvre constituée de petits brins qui ne rompt pas d'un coup, mais casse petit à petit. Une piste large permet aussi d'évacuer un peu de chaleur - le cuivre étant un excellent conducteur calorifique - et d'augmenter la surface de contact des refroidisseurs surtout auprès des VRMs. Pour finir, une bonne utilisation de toutes les faces est importante : cela permet de mieux répartir les composants - surtout ceux qui chauffent - et d'éviter des perturbations entre pistes pour augmenter la durée de vie de votre matériel hardware.

Sur cette RTX 2080 Ti Gaming OC de GIGABYTE, la face de dessous permet de gérer le lissage des tensions et les circuits de gestion des phases pour les VRMs. En se positionnant en-dessous, les composants sont moins affectés par la chaleur environnante des circuits d'alimentation et de calcul.