Menguasai Desain PCB: Panduan Langkah demi Langkah

Desain PCB membutuhkan pemikiran yang sangat cermat; semakin cermat dan berpengalaman seorang desainer, semakin baik papan yang dihasilkan.

1. Tahap Persiapan:

Ini melibatkan persiapan pustaka komponen dan skema. Untuk membuat papan yang baik, tidak hanya penting untuk mendesain skema dengan benar, tetapi menggambar papan juga merupakan bagian penting. Sebelum memulai desain PCB, pastikan pustaka komponen untuk skema (SCH) dan PCB sudah siap. Meskipun Anda dapat menggunakan pustaka yang disediakan oleh perangkat lunak desain, pustaka tersebut sering kali tidak memiliki opsi yang sesuai, jadi sebaiknya buat sendiri berdasarkan dimensi standar komponen yang dipilih. Idealnya, mulailah dengan pustaka komponen PCB, diikuti oleh pustaka SCH. Pustaka PCB memiliki persyaratan yang lebih ketat karena secara langsung memengaruhi pemasangan papan; pustaka SCH lebih lunak, berfokus pada pendefinisian properti pin dan korespondensinya dengan komponen PCB (perhatikan pin tersembunyi di pustaka standar). Setelah itu, rancang skema, dan setelah selesai, Anda dapat memulai desain PCB.

2. Desain Struktur PCB:

Berdasarkan dimensi papan yang ditentukan dan posisi mekanis, gambarkan tata letak PCB di lingkungan desain, tempatkan konektor, tombol/sakelar, lubang sekrup, lubang perakitan, dll. yang diperlukan. Pertimbangkan dan tentukan area pemasangan kabel dan non-pengkabelan (misalnya, seberapa besar area di sekitar lubang sekrup yang ditetapkan sebagai area non-pengkabelan).

3. Tata Letak PCB:

Tata letak berarti menempatkan komponen pada papan. Jika persiapan sebelumnya dilakukan dengan benar, Anda dapat membuat netlist dari skema (Desain -> Buat Netlist) lalu mengimpornya ke tata letak PCB (Desain -> Muat Net). Anda akan melihat semua komponen ditumpuk dengan fly line yang menunjukkan koneksi. Sekarang, Anda dapat memulai tata letak komponen berdasarkan prinsip-prinsip berikut:

1. Dibagi secara wajar berdasarkan kinerja kelistrikan, secara umum menjadi: area sirkuit digital (rentan terhadap gangguan dan menghasilkan gangguan), area sirkuit analog (sensitif terhadap gangguan), dan area penggerak daya (sumber gangguan).
2. Komponen-komponen yang melengkapi fungsi yang sama harus ditempatkan sedekat mungkin, disesuaikan untuk memastikan koneksi yang paling sederhana; juga, sesuaikan posisi relatif blok fungsional untuk menyederhanakan interkoneksi.
3. Untuk komponen yang lebih berat, pertimbangkan posisi dan kekuatan pemasangan; elemen penghasil panas harus ditempatkan terpisah dari komponen yang sensitif terhadap suhu, dan tindakan konveksi termal harus dipertimbangkan jika perlu.
4. Komponen driver I/O harus ditempatkan di dekat tepi papan dan dekat dengan konektor.
5. Pembangkit jam (misalnya osilator kristal) harus ditempatkan sedekat mungkin dengan perangkat yang menggunakan jam tersebut.
6. Kapasitor decoupling harus ditempatkan di antara masukan daya dan pin ground dari setiap sirkuit terpadu (umumnya kapasitor keramik frekuensi tinggi); untuk sirkuit yang padat, pertimbangkan untuk menambahkan kapasitor tantalum di sekitar beberapa sirkuit terpadu.
7. Dioda pelepasan (misalnya, 1N4148) harus ditambahkan ke kumparan relai.
8. Tata letaknya harus seimbang dan teratur, hindari kesan terlalu banyak atau terlalu berantakan.

Sangat penting untuk mempertimbangkan ukuran aktual (luas dan tinggi) komponen dan posisi relatifnya untuk memastikan kinerja kelistrikan dan kelayakan produksi dan pemasangan. Selain itu, dengan asumsi bahwa prinsip-prinsip di atas dapat tercermin, sesuaikan penempatan komponen untuk kerapian dan estetika—komponen yang serupa harus disusun secara seragam dan konsisten, menghindari tampilan yang "berantakan". Langkah ini memengaruhi keseluruhan tampilan papan dan kemudahan pemasangan kabel berikutnya, jadi upaya yang signifikan harus dicurahkan untuk itu. Selama tata letak, untuk area yang tidak pasti, pemasangan kabel awal dapat dilakukan untuk pertimbangan menyeluruh.

4. Pengkabelan:

Pengkabelan merupakan langkah paling krusial dalam keseluruhan proses desain PCB, yang secara langsung memengaruhi kinerja PCB. Secara umum, ada tiga tingkatan pengkabelan: Pertama adalah konektivitas dasar—jika pengkabelan tidak tersambung dan terdapat banyak jalur kabel, papan tersebut dianggap tidak memenuhi syarat. Kedua adalah memenuhi persyaratan kinerja kelistrikan, yang merupakan standar untuk menentukan apakah PCB memenuhi syarat. Setelah mencapai konektivitas, sesuaikan pengkabelan dengan hati-hati untuk kinerja kelistrikan yang optimal. Terakhir, ada estetika; jika pengkabelan Anda tersambung tetapi terlihat kacau dan berwarna-warni, terlepas dari kinerja kelistrikan yang baik, kualitasnya mungkin dianggap buruk, yang mempersulit pengujian dan pemeliharaan. Pengkabelan harus rapi dan teratur, menghindari persimpangan yang kacau. Pertimbangan ini harus diimbangi dengan kinerja kelistrikan dan persyaratan khusus lainnya; jika tidak, desain dapat kehilangan fokus.

Saat memasang kabel:

1. Biasanya, mulailah dengan kabel daya dan kabel ground untuk memastikan kinerja listrik. Jika kondisi memungkinkan, lebarkan kabel daya dan kabel ground, idealnya buat kabel ground lebih lebar dari kabel daya, dengan mengikuti hierarki: ground > daya > sinyal. Lebar kabel sinyal biasanya berkisar antara 0.2 hingga 0.3 mm, dengan lebar minimum 0.05 hingga 0.07 mm; kabel daya berkisar antara 1.2 hingga 2.5 mm. Untuk PCB digital, kabel ground yang lebar dapat membentuk loop, yang menciptakan jaringan ground (ini tidak cocok untuk sirkuit analog).
2. Pra-pengkabelan untuk persyaratan yang lebih ketat (seperti saluran frekuensi tinggi) harus menghindari saluran tepi masukan dan keluaran paralel yang berdekatan untuk meminimalkan gangguan pantulan. Isolasi tanah mungkin diperlukan; pengkabelan pada lapisan yang berdekatan harus tegak lurus, karena pengkabelan paralel dapat menyebabkan kopling parasit.
3. Pastikan casing osilator terhubung ke tanah; jaga agar jalur clock tetap pendek dan hindari ekstensi yang tidak perlu. Area ground di bawah rangkaian osilator clock dan bagian rangkaian logika kecepatan tinggi khusus harus ditingkatkan, untuk menghindari interferensi dari jalur sinyal lainnya.
4. Gunakan sudut 45 derajat untuk pemasangan kabel, bukan 90 derajat, untuk mengurangi radiasi sinyal frekuensi tinggi (untuk saluran dengan permintaan tinggi, pertimbangkan untuk menggunakan busur ganda).
5. Saluran sinyal tidak boleh membentuk lingkaran; jika tidak dapat dihindari, buatlah lingkaran sekecil mungkin; minimalkan lubang untuk saluran sinyal.
6. Saluran kritis harus dijaga tetap pendek dan tebal, dengan landasan pelindung di kedua sisi.
7. Gunakan konfigurasi “ground-signal-ground” saat mengirimkan sinyal sensitif dan noise melalui kabel datar.
8. Sinyal utama harus memiliki titik uji yang disediakan untuk produksi dan pemeliharaan.
9. Setelah pemasangan kabel skematik selesai, optimalkan pemasangan kabel; setelah pemeriksaan jaringan awal dan verifikasi pemeriksaan DRC, isi area yang tidak terhubung dengan ground, gunakan lapisan tembaga besar untuk sambungan ground, hubungkan area yang tidak digunakan pada PCB sebagai ground. Atau, pertimbangkan papan multilayer, alokasikan satu lapisan masing-masing untuk daya dan ground.

Persyaratan Proses Pengkabelan PCB

1. Garis: Umumnya, kabel sinyal harus berukuran 0.3 mm (12 mil), kabel listrik 0.77 mm (30 mil) atau 1.27 mm (50 mil); jarak antar kabel dan antara kabel dan bantalan harus ≥ 0.33 mm (13 mil). Dalam aplikasi kepadatan tinggi, pertimbangkan untuk menggunakan dua kabel di antara pin IC, dengan lebar 0.254 mm (10 mil) dan jarak minimum 0.254 mm (10 mil). Dalam keadaan khusus, ketika pin komponen berdekatan, pertimbangkan untuk mengurangi lebar dan jarak yang sesuai.
2. Bantalan: Bantalan (PAD) dan via (VIA) harus memenuhi persyaratan dasar: diameter bantalan harus ≥ 0.6 mm lebih besar dari diameter lubang; misalnya, gunakan ukuran bantalan/lubang 1.6 mm/0.8 mm (63 mil/32 mil) untuk resistor, kapasitor, dan IC berkabel umum, dan 1.8 mm/1.0 mm (71 mil/39 mil) untuk soket, pin, dan dioda seperti 1N4007. Dalam praktiknya, ukuran bantalan sesuai dengan dimensi komponen aktual, dan jika memungkinkan, sedikit tingkatkan ukuran bantalan.
3. Melalui: Ukuran via standar adalah 1.27 mm/0.7 mm (50 mil/28 mil). Dalam skenario pemasangan kabel dengan kepadatan tinggi, ukuran via dapat dikurangi, tetapi tidak berlebihan, mungkin menggunakan 1.0 mm/0.6 mm (40 mil/24 mil).
4. Persyaratan Jarak untuk Bantalan, Garis, dan Vias:
   • PAD dan VIA: ≥ 0.3 mm (12 mil)
   • PAD dan PAD: ≥ 0.3 mm (12 mil)
   • PAD dan TRACK: ≥ 0.3 mm (12 mil)
   • TRACK dan TRACK: ≥ 0.3 mm (12 mil) Dalam situasi kepadatan tinggi:
   • PAD dan VIA: ≥ 0.254 mm (10 mil)
   • PAD dan PAD: ≥ 0.254 mm (10 mil)
   • PAD dan TRACK: ≥ 0.254 mm (10 mil)
   • TRACK dan TRACK: ≥ 0.254 mm (10 mil)

5. Optimasi Pengkabelan dan Sablon:

“Tidak ada yang terbaik, hanya lebih baik!” Terlepas dari seberapa cermat Anda mendesain, setelah selesai, Anda akan menemukan banyak area untuk modifikasi. Umumnya, waktu yang dihabiskan untuk mengoptimalkan kabel dua kali lebih lama dari yang dihabiskan untuk kabel awal. Setelah puas dengan tata letaknya, tembaga dapat dituangkan (Tempat -> Bidang Poligon). Tembaga biasanya diaplikasikan ke tanah (memperhatikan pemisahan tanah analog dan digital), dan untuk papan multilayer, daya mungkin juga memerlukan tembaga. Mengenai sablon sutra, pastikan tidak menghalangi komponen atau tertutup oleh via dan bantalan. Saat mendesain, teks pada lapisan bawah harus dicerminkan untuk menghindari kebingungan.

6. Pemeriksaan Jaringan, DRC, dan Inspeksi Struktural:

Pertama, pastikan desain skematik sirkuit sudah benar. Kemudian, lakukan pemeriksaan koneksi fisik (NETCHECK) antara berkas jaringan PCB yang dihasilkan dan berkas jaringan skematik, segera lakukan penyesuaian berdasarkan hasil keluaran untuk menjamin koneksi kabel yang benar. Setelah pemeriksaan jaringan berhasil, lakukan pemeriksaan DRC dan sesuaikan desain berdasarkan hasil keluaran untuk memastikan kabel PCB memenuhi kinerja listrik. Terakhir, periksa lebih lanjut dan konfirmasikan struktur pemasangan mekanis PCB.

7. Fabrikasi:

Sebelum ini, ada baiknya dilakukan proses peninjauan.

Desain PCB memerlukan perhatian yang sangat detail, mempertimbangkan semua faktor dan berupaya mencapai kesempurnaan untuk memastikan terciptanya papan yang baik.