Desain PCB harus mempertimbangkan berbagai aspek seperti standard, material, mekanis dan kelistrikan, manajemen termal, EMC, proses manufaktur dan tentu saja biaya produksi.

Aspek Desain PCB

aspek desain

Pertimbangan Desain PCB

  1. Standard
  2. Properti Material
  3. Pertimbangan Mekanis
  4. Pertimbangan Kelistrikan
  5. Manajemen Termal
  6. Penempatan dan Orientasi Komponen
  7. Interkoneksi / Routing
  8. Kompatibiltas Elektromagnetik (EMC)
  9. Persyaratan Tes
  10. Dokumentasi

1. Standard Desain PCB

  • IPC-2221 Generic Standard on Printed Board Design
  • IPC-7351 Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standard
  • Standard Persyaratan umum keselamatan dasar dan kinerja esensial (tergantung peruntukan PCB)

2. Properti Material PCB

lapisan pada PCB

PCB terdiri dari beberapa lapisan atau disebut juga layer yang dilaminasi menjadi satu. Lapisan PCB terdiri dari lapisan dasar atau core, lapisan tembaga dan lapisan plating. terdapat juga lapisan tipis terluar dari bahan polimer atau soldermask. Pada saat desain, pemilihan jenis bahan dasar PCB tergantung pada penggunaannya. Terdapat beberapa jenis bahan dasar PCB antara lain FR2, CEM1, CEM3, FR4, FR5, teflon dan polymid. Masing-masing bahan memiliki karakteristik yang berbeda.

3. Pertimbangan Mekanis Pada Desain PCB

3.1. Ukuran Maksimum Panel PCB

Dalam pembuatan PCB ukuran panel PCB yang tersedia pada manufacture PCB harus menjadi pertimbangan desain. Mengetahui ukuran panel PCB sangat penting untuk menentukan bentuk dan ukuran dari PCB yang kita desain sehingga kita dapat memaksimalkan panel PCB untuk mendapakan jumlah PCB yang optimal. Hal ini tentu saja akan mempengaruhi harga PCB. Ukuran yang umum di pasaran adalah 640mm x 610mm.

ukuran optimum PCB

3.2. Panelisasi PCB

Panel PCB harus memiliki lubang tooling (tooling hole) untuk proses pabrikasi dan assembly. Lubang tooling memiliki diameter 156mil tanpa plating dan telakkan pada ketiga sudut panel dengan jarak dari tepi PCB 197mil.

panelisasi PCB untuk mass produksi
Panelisasi PCB
Panelisasi PCB

3.3. Fiducial Mark

PCB dengan komponen SMD harus memiliki tiga buah fiducial mark global dengan diameter pad 40mil dan clearance 120mil. Letakkan global fiduial sesuai dengan konfigurasi lubang tooling.

Fiducial Mark

4. Pertimbangan Kelistrikan Pada Design PCB

4.1. Distribusi Daya

grounding separation

Pishakan jalur ground untuk rangkaian referensi, analalog dan digital

sistem grounding

Arus digital yang mengalir pada jalur balik analog menghasilkan kesalahan voltase.

sistem grounding

Pin ground analog (AGND) dan digital (DGND) konverter data harus kembali ke ground analog sistem.

ground plane

Pemisahan ground plane region antara rangkaian analog dan digital

4.2. Decoupling

Kapasitor decoupling adalah kapasitor dengan nilai tertentu yang terletak sangat dekat dengan IC dan menghubungkan pin VCC dan GND pada IC tersebut. Tujuan penggunaan kapasitor decoupling : (1) menekan noise & memberikan catu daya yang stabil; (2) memberikan daya yang cukup ke IC dan menjaga tegangan tetap stabil; (3) meminimalkan efek negatif dari fluktuasi tegangan; (4) memberikan jalur balik arus pendek dan meminimalkan loop arus (mengurangi EMI).

Tempatkan kapasitor sedekat mungkin ke catu daya. Gunakan kapasitor yang lebih besar sebagai metode filter frekuensi rendah dan untuk mencegah droop tegangan. Tambahkan filter pasif jika perlu untuk memberikan isolasi yang diperlukan dari noise catu daya frekuensi tinggi

passive filter network

Tambahkan kapasitor decoupling sedekat mungkin ke IC. Gunakan kapasitor keramik / kapasitor induktansi rendah.   Jalur ke IC pastikan leber dan sependek mungkin.

nilai decoupling capasitor
peletakan decouping capacitor

4.3 Daya Dukung Arus

Besarnya arus yang dapat melewati jalur tembaga tergantung dari lebar dan ketebalan lapisan dari jalur tembaga. Semakin tebal dan lebar jalur tembaga maka semkain besar arus yang bisa dilewatkan ke jalur tersebut. Buat jalur selebar mungkin agar jalur tembaga tidak terbakar/putus ketika arus yang cukup besar mengalir pada jalur tersebut. Namun terkadang tidak memungkinkan dan tidak praktis membuat jalur selebar mungkin karena luasan PCB yang terbatas atau hambatan desain lainnya. Berikut beberapa hal yang perlu kita perhatikan dalam pembuatan jalur untuk arus yang besar:

4.3.1. Membuat Jalur Sependek Mungkin

Jalur tembaga yang panjang akan meningkatkan resistansi dari jalur tesebut. Dengan membuat jalur sependek mungkin maka dapat diminimalkan rugi-rugi daya pada jalur. Kehilangan daya dapat menyebabkan banyak panas pada PCB sehingga umur PCB menjadi lebih pendek.

4.3.2. Menghitung lebar jalur dan peningkatan panas yang sesuai

Lebar jalur pada PCB merupakan fungsi dari parameter seperti arus yang melewati jalur tersebut, tebal tembaga, dan kenaikan suhu yang diijinkan dalam desain. IPC-2221 memberikan rekomendasi kapasitas arus untuk lebar jalur dengan berbagai variasi peningkatan panas. Kenaikan suhu yang diijinkan pada PCB adalah 10 derajat celcius. Namun dapat juga ditingkatkan hingga 20 derajat celsius jika bahan PCB memungkinkan untuk kenaikan suhu tersebut.

current carrying capacity
rekomendasi lebar jalur

4.3.3. Menambahkan timah pada jalur

Jika tidak mungkin membuat jalur yang cukup besar maka lakukan penambahan timah pada jalur PCB. Timah pada jalur tembaga akan menambah ketebalan dari jalur dengan resistansi yang rendah (resistansi timah lebih rendah dari resistansi tembaga). Dengan bertambahnya tebal jalur maka kapasitas arus dari jalur akan meningkat tanpa harus memperlebar ukuran jalur tesebut.

4.3.4. Menggunakan Polygon Pour

Letakkan polygon pour tepat di bawah IC dan kemudian membuat beberapa vias untuk menghubungkan polygon pour dengan jalur yang lebih lebar. Jika desain PCB adalah PCB multilayer, gunakan internal layer atau power plane layer untuk mendapatkan jalur yang lebar.

4.4. Electrical Clearances & Creepage

Electrical clearances adalah isolasi kelistrikan antara dua konduktor, merupakan jalur terpendek antara dua bagian konduktif, atau antara bagian konduktif dan permukaan pembatas peralatan, diukur melalui udara. Sedangan electrical creepage adalah jalur terpendek antara dua bagian konduktif, atau antara bagian konduktif dan permukaan pembatas peralatan, diukur sepanjang permukaan insulasi. Pada perancangan PCB, aturan electrical clearance dan creepage menjadi sangat penting terutama pada perspektif keamanan produk ketika tegangan operasi normal lebih besar dari 30VAC atau 60VDC.

creepage vs clearance
minimum electrical clearance for PCB

5. Manajemen Thermal Pada Design PCB

Banyak komponen seperti Analog-to-Digital-Converter (ADC) dan OpAmp sangat peka terhadap perubahan suhu. Sinyal dari komponen-komponen tersebut dapat berubah seiring dengan naik atau turunnya suhu sehingga perlu isolasi secara thermal. Berikut beberap hal yang dapat dilakukan untuk isolasi thermal:

  1. Letakan komponen yang peka terhadap panas sejauh mungkin dari komponen yang menghasilkan panas (sertakan heat-sink bila perlu).
  2. Gunakan pola pelepas panas (thermal relief) untuk setiap layer koneksi ground atau tegangan.
  3. Jangan menghubungkan jalur yang lebih lebar dari [10 mil] langsung ke komponen SMT (lihat 4.3.2 untuk hubungan antara lebar jalur dan kenaikan temperature)
  4. Tambahkan cutout untuk memisahkan antara komponen yang peka terhadap suhu dengan komponen yang menghasilkan panas.
  5. Hindari penggunakan polygon pour di bawah komponen yang sensitif terhadap suhu.

6. Penempatan dan Orientasi Komponen Pada Design PCB

6.1. Orientasi Komponen

Gunakan kisi penempatan komponen: 100mil, 50mil, 25mil. Polaritas komponen dan pin pertama IC harus berorientasi secara konsisten (dalam arah yang sama) di seluruh desain yang diberikan. Orientasi komponen yang disarankan adalah 0°, 90°, 180°, 270°.

orientasi komponen

6.2 Jarak Antar Komponen

Usahakan untuk tidak meletakkan komponen lebih dekat dari 125 mil dari tepi PCB. Atur jarak antar komponen (minimum clearance) sebesar 100mil. Rekomendasi kepadatan komponen adalah 70% dari keseluruhan luas PCB dan tidak boleh lebih tinggi dari 90%.

penempatan komponen

7. Interkoneksi Pada Design PCB

7.1 Pad

land requirement

7.2. Via

Via banyak digunakan untuk berbagai macam kebutuhan seperti menghubungkan sinyal dari satu layer ke layer lain, thermal pad, fanout dan lain-lain. Jangan meletakkan Vias tidak di bawah bagian komponen dengan logam kecuali untuk menghubungkan bagian komponen dengan logam ke jalur tembaga.

7.2.1. Via Stitching

7.2.2. Via Thermal Pad

Komponen SMD terkadang dilengkapi dengan die pad yang terdapat pada bagian bawah IC.Die pad digunakan untuk thermal management atau integritas sinyal. Detail spesifikasi thermal pad biasanya tercantum pada datasheet komponen. Namun secara umum diameter via yang adalah 10mil dengan jarak antar via sebesar 48mil.

thermal pad

7.2.3 Via Fanout

7.3. Routing

Berikut beberapa rekomendasi dalam melalukan routing jalaur PCB

  • Tambahkan tear drop pada jalur tembaga yang tehubung dengan Pad terutama untuk jalur yang kecil.
tear drop
  • Lebar jalur digital minimal 8mil. Lebar jalur untuk arus yang tinggi dapat dilihat pada 4.3.2
  • Spasi pad ke pad minimal 10mil.
  • Spasi jalur ke jalur minimal 8mil.
Routing PCB
  • Gunakan sudut jalur 45 derajat dan atau 90 derajat.
Routing PCB
  • Buat Jalur PCB sependek dan seoptimal mungkin.
Routing PCB

7.4 Test Point

Sediakan titik uji (test point) untuk semua node pada sisi solder PCB, termasuk pada pin IC yang tidak terpakai. Test point dapat berupa true-hole lead, via atau atau permukaan pads. Distribusikan Test point harus secara merata pada area PCB.

test point pada PCB

8. Proteksi ESD Pada Design PCB

Electro Static Discharge (ESD) merupakan aliran listrik antara dua objek yang bermuatan listrik secara tiba-tiba. Pelepasan muatan listrik statis secara tiba-tiba menghasilkan loncatan lucutan listrik yang sangat tinggi sehingga dapat merusak perangkat elektronika. Oleh karena itu proteksi terhadap ESD menjadi sangat penting untuk mencegah kerusakan komponen elektronika.

Salah satunya dengan menambahkan rangkaian dua buah diode dengan bias mundur yang menjepit jalur masukan/keluaran ke jalur tegangan dan ground. Selain menggunakan rangkaian dioda, layout dan desain PCB juga sangat penting untuk menekan ESD. Berikuk adalah beberapa hal yang perlu anda lakukan pada desain PCB untuk proteksi ESD

8.1 Hindari loop rangkaian

8.2 Gunakan ground plane

8.3 Buat jalur sependek mungkin

8.4 Kurangi induktansi parasitik di sekitar rangkaian proteksi

8.5 Buat jalur input/output sejauh mungkin dari pinggir PCB

9. EMC Pada Design PCB

Referensi

  1. IPC-2221, Generic Standard on Printed Board Design, 1998, Institute for Interconnecting and Packaging Electronics Circuit
  2. Clutter-Hammer, Printed Circuit Board Design Guidelines, Rev 1.04
  3. Brooks, Douglas, Signal Integrity Issues and Printed Circuit Board Design, 2003, Prentice Hall PTR
  4. Henry W. Ott, Noise Reduction Techniques in Electronic System-2nd Ed,1939, A Wiley-Interscience Publication
  5. R.S. Khandpur, “Printed Circuit Board: Design, Fabrication and Assembly”, McGraw-Hill, 2005
  6. “PCB Design Guidelines for reducing EMI”, Texas Instrument, https://www.ti.com/lit/an/szza009/szza009.pdf
  7. ” Best Practices for Board Layout of Motor Drivers”, Texas Instrument, http://www.ti.com/lit/an/slva959a/slva959a.pdf
  8. “AN 114: Board Design Guidelines for Intel Programmable Device Packages”, Intel, https://www.intel.com/content/dam/www/programmable/us/en/pdfs/literature/an/an114.pdf