Dalam proses desain dan rekayasa balik produk elektronik, desain tata letak PCB merupakan langkah penting yang secara langsung memengaruhi kinerja sirkuit. Membuat tata letak PCB yang efektif merupakan tugas yang menantang, terutama jika Anda belum memiliki pengalaman yang cukup di bidang ini. Dalam artikel ini, Anda dapat mempelajari pedoman desain tata letak PCB kami agar dapat mengikuti semua praktik terbaik dan standar yang berlaku.
Apa Tata Letak PCB yang Ideal?
Apa sebenarnya tata letak PCB yang ideal itu? Sebenarnya, ini bukanlah desain yang baku; melainkan sebuah proses yang terus berkembang. Setiap desain sirkuit berbeda, begitu pula tata letaknya. Namun, ada beberapa aspek tertentu yang menjadi kesamaan dari semua tata letak yang berhasil. Mari kita lihat beberapa di antaranya.
– Lebar dan Panjang Jalur – Jika Anda ingin sirkuit Anda beroperasi dengan baik, Anda harus memastikan bahwa jalur Anda memiliki lebar dan panjang yang tepat. Ini berarti Anda juga harus memutuskan di mana menempatkannya. Lebar sangat penting untuk integritas sinyal digital. Semakin kecil lebarnya, semakin kecil kemungkinan untuk menangkap noise dan interferensi.
– Penempatan Ground – Penempatan ground dalam desain sirkuit Anda sangat kritis. Pertama, pastikan Anda memiliki koneksi ground yang cukup. Selanjutnya, pastikan semuanya terhubung ke ground analog umum.
– Penempatan Sinyal – Penempatan sinyal dalam desain Anda juga sangat penting. Pastikan sinyal-sinyal tersebut dirutekan dalam arah “dari dalam ke luar”. Artinya, Anda memulai dengan sinyal-sinyal yang paling penting dan berlanjut ke yang paling tidak penting. Jika Anda menggunakan diagram hierarkis untuk desain, hal ini akan jauh lebih mudah.
– Distribusi Daya – Distribusi daya juga penting. Anda perlu memastikan bahwa semua area berdaya tinggi dan berarus tinggi terhubung ke ground. Ini mencakup sirkuit daya, serta jalur arus tinggi.
#1 Tentukan Strategi Desain Sebelum Membuat Tata Letak
Sebelum memulai proses tata letak, Anda perlu menentukan strategi desain Anda. Hal ini mencakup hal-hal seperti jumlah lapisan, lebar jalur, dan jumlah tembaga yang akan digunakan. Untuk melakukannya, Anda harus memiliki gambaran yang jelas mengenai fungsi rangkaian tersebut dan apa yang ingin Anda capai darinya. Selain itu, Anda juga perlu memahami batasan-batasan proses pembuatan PCB. Berikut adalah beberapa strategi yang dapat Anda gunakan dalam tata letak papan sirkuit Anda:
– Perutean Standar – Perutean standar adalah strategi desain yang paling umum. Anda menggunakannya jika tidak memiliki persyaratan khusus untuk papan sirkuit Anda.
– Perutean Mikro – Jika Anda membutuhkan jalur yang sangat kecil dan koneksi yang sangat pendek, Anda sebaiknya menggunakan perutean mikro.
– Perutean Pohon – Jika Anda membutuhkan banyak koneksi yang harus didistribusikan secara efisien, Anda sebaiknya menggunakan perutean pohon. Perutean pohon biasanya digunakan pada papan kelas atas dengan banyak sinyal.
#2 Menetapkan Strategi Jangkauan
Setelah Anda menentukan strategi desain, Anda perlu menetapkan strategi footprint untuk papan sirkuit Anda. Anda harus memutuskan di mana akan menempatkan komponen-komponen pada papan sirkuit. Anda perlu membuat footprint untuk setiap komponen, dan menempatkannya pada papan sirkuit dengan cara yang masuk akal. Hal ini mencakup memastikan bahwa komponen-komponen ditempatkan dekat dengan titik-titik koneksi. Anda tidak ingin membuat tata letak yang mengharuskan papan sirkuit ditempatkan pada posisi tertentu. Hal ini akan mempersulit perakitan dan penggunaan produk.
#3 Aturan Penempatan Komponen PCB
1. perangkat pelindung antarmuka
Untuk perangkat pelindung antarmuka, Anda harus memasangnya sedekat mungkin dengan antarmuka. Selain itu, berikut adalah persyaratan penempatan komponen yang berbeda:
Urutan umum perangkat perlindungan petir pada sirkuit daya: varistor, sekring, dioda penekan, filter EMI, induktor, atau induktor mode umum.
Secara umum, urutan perangkat pelindung untuk sinyal antarmuka: ESD (tabung TVS), transformator isolasi, induktor mode umum, kapasitor, dan resistor.
2. Jarak antar komponen
Jarak minimum yang disarankan antar komponen:
- Jarak antara tepi pad komponen RC kecil adalah >0,3–0,7 mm;
- Antara komponen chip lainnya, antara SOT, antara SOIC dan komponen chip adalah 1 ~ 1,25 mm;
- Antara SOIC dan antara SOIC dan QFP adalah 1,5–2,0 mm;
- Jarak antara PLCC dan komponen chip, serta antara SOIC dan QFP adalah 2–2,5 mm;
- 3–4 mm antara PLCC.
- Jarak antara bagian luar bantalan komponen plug-in dan bagian luar bantalan komponen chip lebih besar dari 1,5 hingga 2 mm;
- Jarak tepi pad antara komponen plug-in yang telah disolder gelombang lebih besar dari 1 hingga 2 mm;
- Jarak antara BGA dan komponen yang berdekatan lebih besar dari 3–5 mm.
3. Perangkat yang Rentan Terhadap Gangguan
Perangkat yang rentan terhadap gangguan ESD, seperti perangkat NMOS dan CMOS, sebaiknya dijauhkan sejauh mungkin dari area yang rentan terhadap gangguan ESD (seperti tepi papan sirkuit tunggal).
4. Tata Letak Perangkat Jam
- Kristal, osilator kristal, dan distributor clock harus ditempatkan sedekat mungkin dengan perangkat IC terkait;
- Filter sirkuit jam (usahakan menggunakan filter tipe "∏") harus ditempatkan dekat dengan pin masukan jalur daya sirkuit jam;
- Apakah output osilator kristal dan distributor jam dihubungkan secara seri dengan resistor 22 ohm;
- Apakah pin output distributor jam yang tidak digunakan di-ground melalui resistor;
- Tata letak kristal, osilator kristal, dan distributor clock harus dijauhkan dari komponen berdaya tinggi, heat sink, dan perangkat penghasil panas lainnya;
- Apakah osilator kristal berjarak lebih dari 1 inci dari tepi papan dan perangkat antarmuka.
5. Kapasitor dan Filter
- Kapasitor harus ditempatkan dekat dengan pin catu daya, dan semakin kecil kapasitansinya, semakin dekat pula letaknya dengan pin catu daya;
- Filter EMI sebaiknya ditempatkan dekat dengan port input catu daya chip;
- Pada prinsipnya, setiap pin daya memiliki kapasitor kecil sebesar 0,1 uF dan satu atau lebih kapasitor besar sebesar 10 uF untuk sirkuit terpadu, yang dapat ditambah atau dikurangi sesuai dengan situasi tertentu.
#4 Aturan Perancangan PCB
Aturan perancangan jalur PCB adalah pedoman yang digunakan para perancang untuk menentukan penempatan dan perancangan jalur pada papan sirkuit cetak. Aturan-aturan ini membantu memastikan bahwa PCB yang telah jadi akan berfungsi dengan benar dan memenuhi semua spesifikasi kelistrikan yang disyaratkan. Terdapat berbagai macam aturan perancangan jalur yang dapat digunakan, dan aturan spesifik yang diterapkan akan bergantung pada desain tertentu serta persyaratan proyek.
1. Sambungan Trace, Sinyal, dan Daya
Ada beberapa hal penting yang perlu diperhatikan saat merancang jalur pada PCB:
– Pastikan lebar jalur Anda sesuai dengan arus yang akan mengalir. Jalur yang terlalu sempit akan menyebabkan panas berlebih dan potensi kegagalan; jalur yang terlalu lebar akan menjadi tidak perlu mahal.
– Perhatikan berbagai jenis bidang tembaga dan bagaimana Anda dapat memanfaatkannya. Bidang daya dan ground, misalnya, dapat sangat membantu dalam meminimalkan gangguan dan crosstalk.
– Pastikan Anda mempertimbangkan persyaratan impedansi yang berbeda antara sinyal digital dan analog. Sinyal digital perlu dirutekan dengan jalur berimpedansi rendah untuk meminimalkan pantulan dan crosstalk, sementara sinyal analog dapat dirutekan dengan jalur yang lebih tebal dan berimpedansi tinggi.
– Perhatikan jarak antar jalur, terutama saat merutekan sinyal berkecepatan tinggi. Jarak antar jalur memengaruhi kapasitansi jalur, yang pada gilirannya memengaruhi integritas sinyal.
– Pertimbangkan untuk menggunakan via untuk merutekan sinyal antar lapisan PCB yang berbeda. Hal ini dapat membantu meminimalkan panjang jalur dan mengurangi crosstalk.
– Pastikan Anda memiliki jarak yang cukup di sekitar pin daya dan ground. Area-area ini rentan terhadap busur listrik dan masalah termal, jadi penting untuk menjaganya tetap bebas.
Dengan mengikuti panduan sederhana ini, Anda dapat memastikan bahwa PCB Anda dirutekan dengan benar dan akan berfungsi sesuai yang diharapkan.
2. Sambungan Kelvin
Sambungan Kelvin, yang juga dikenal sebagai sambungan "force and sense", merupakan cara yang praktis untuk menghilangkan pengaruh penurunan tegangan pada kabel dalam rangkaian.
Meskipun pada skema tampaknya sama saja menempatkan koneksi pada pad resistor atau titik sembarang, jalur sebenarnya memiliki induktansi dan resistansi, dan dapat menyebabkan pengukuran Anda gagal jika Anda tidak menggunakan koneksi Kelvin.
#5 Masalah Pemanas
1. Tata letak termal
Ada tiga aspek utama terkait panas pada PCB:
- pembuangan panas melalui pelat komponen;
- panas dari PCB itu sendiri;
- panas dari bagian lain.
Menempatkan lapisan tembaga tambahan di sekitar komponen permukaan (surface mount) akan menambah luas permukaan untuk membuang panas secara lebih efisien. Beberapa lembar spesifikasi komponen (terutama dioda daya, MOSFET daya, atau regulator tegangan) memuat panduan mengenai penggunaan permukaan PCB sebagai pendingin.
2. Jalur Termal dan Pengaliran Panas
Via dapat digunakan untuk mentransfer panas dari satu sisi PCB ke sisi lainnya. Hal ini sangat berguna terutama ketika PCB dipasang pada heatsink di sasis yang dapat membantu menghilangkan panas lebih lanjut. Via berukuran besar mentransfer panas lebih efisien daripada via berukuran kecil. Banyak via mentransfer panas lebih efisien daripada satu via dan menurunkan suhu operasi komponen. Suhu operasi yang lebih rendah membantu meningkatkan keandalan.
Relief termal memperkecil jarak antara jalur sirkuit atau area pengisi dengan pin komponen agar proses penyolderan gelombang menjadi lebih mudah. Jarak yang lebih pendek ini bertujuan untuk meminimalkan pengaruhnya terhadap resistansi. Jika Anda tidak menggunakan heatsink pada pin komponen, suhu komponen mungkin akan lebih rendah karena adanya koneksi termal yang lebih baik ke jalur sirkuit atau area pengisi yang dapat menyebarkan panas; namun, hal ini akan mempersulit proses penyolderan dan pelepasan solder.
#6 Periksa Tata Letak Anda Berdasarkan Aturan Desain
Setelah tata letak PCB selesai, penting untuk memastikan bahwa pemeriksaan aturan kelistrikan (ERC) dan pemeriksaan aturan desain (DRC) telah dilakukan guna memverifikasi bahwa Anda telah memenuhi semua batasan yang ditetapkan. Kedua pemeriksaan ini memudahkan Anda dalam menentukan lebar celah, lebar jalur, persyaratan manufaktur umum, persyaratan kelistrikan kecepatan tinggi, serta persyaratan fisik lainnya untuk aplikasi spesifik Anda.
Pemeriksaan DRC adalah fitur dalam perangkat lunak EDA yang bertugas memeriksa desain sesuai dengan aturan yang ditetapkan dalam perangkat lunak tersebut. Ini adalah kesempatan terakhir untuk mendeteksi masalah desain sebelum proses produksi dimulai.
Kesalahan Tata Letak PCB yang Harus Dihindari
Ada banyak kesalahan umum yang sering dilakukan orang dalam mengikuti pedoman desain PCB. Namun, jika Anda menghindari kesalahan-kesalahan ini, Anda akan memiliki peluang yang jauh lebih besar untuk membuat tata letak yang sesuai dengan standar industri, mudah dirakit, dan memiliki risiko kegagalan yang rendah. Mari kita lihat kesalahan-kesalahan paling umum yang sering dilakukan orang saat mendesain tata letak PCB.
– Jalur yang Saling Berpotongan – Salah satu kesalahan terbesar yang sering dilakukan orang saat mendesain tata letak PCB adalah jalur yang saling berpotongan. Anda harus menghindari hal ini dengan segala cara. Jika Anda membuat jalur yang memotong jalur lain, hal itu akan menyebabkan korsleting.
– Jalur yang Terlalu Panjang – Anda juga harus menghindari pembuatan jalur yang jauh lebih panjang dari yang diperlukan. Hal ini akan membuat tata letak Anda kurang efisien, dan dapat menimbulkan masalah jika jalur tersebut terlalu panjang.
– Jalur Pendek yang Tersebar – Kesalahan lain yang sering dilakukan adalah membuat banyak jalur pendek yang saling terhubung sehingga membentuk "pulau". Hal ini tidak efisien dan dapat menimbulkan masalah.
– Penempatan Ground yang Hilang – Anda juga perlu memastikan bahwa penempatan ground dalam desain Anda sudah tepat. Ini termasuk memastikan bahwa semua jaringan terhubung ke ground plane.
– Terlalu Banyak Power Plane – Kesalahan umum lainnya adalah membuat terlalu banyak power plane. Hal ini sangat umum terjadi pada desain kelas atas. Namun, semakin banyak power plane akan menambah biaya dan kompleksitas desain Anda.
Alat untuk Tata Letak PCB
Seperti yang dapat Anda lihat, membuat tata letak PCB yang sukses merupakan tugas yang menantang. Anda perlu mempertimbangkan banyak faktor yang berbeda, dan Anda harus tahu cara mengatasi berbagai jenis masalah. Anda juga memerlukan beberapa alat bantu untuk memudahkan pekerjaan Anda. Berikut ini adalah beberapa di antaranya yang paling penting.
– Skema – Skema untuk sirkuit Anda menentukan seperti apa tata letak PCB Anda nantinya. Jika skema Anda salah, tata letak PCB Anda pun akan salah. Anda harus berhati-hati saat membuat skema. Semakin rumit sirkuitnya, semakin sulit untuk membuat skema yang benar.
– Sistem CAD – Ini adalah proses untuk merancang papan sirkuit cetak. Garis besar papan sirkuit cetak ditata sesuai dengan persyaratan. Berbagai simbol digunakan untuk mewakili komponen yang berbeda pada papan. Garis besar papan kemudian diubah menjadi file manufaktur berbantuan komputer (CAM). Perangkat lunak desain berbantuan komputer (CAD) yang digunakan untuk tujuan ini memiliki kemampuan untuk mengimpor dan mengekspor file CAM.
Kesimpulan
Membuat tata letak papan sirkuit cetak yang efektif merupakan tugas yang menantang dan rumit. Jika Anda tidak berhati-hati, Anda bisa membuat banyak kesalahan dan membuang-buang waktu. Namun, dengan mengikuti panduan tata letak PCB ini, Anda dapat menghasilkan desain yang baik, yaitu desain yang mudah dirakit dan memiliki risiko kegagalan yang rendah.
Pertanyaan yang Sering Diajukan
- Penyesuaian impedansi jalur sinyal;
- Isolasi spasial dari jalur sinyal lainnya;
- Untuk sinyal digital frekuensi tinggi, jalur diferensial bekerja lebih baik.
Tidak, kapasitor pemisah harus ditambahkan dengan nilai yang sesuai di lokasi yang tepat. Selain itu, perlu menggunakan nilai kapasitansi yang berbeda untuk menyaring sinyal-sinyal gangguan dengan frekuensi yang berbeda.
Lubang buta dapat meningkatkan kepadatan papan multilayer, mengurangi jumlah lapisan dan ukuran papan, serta secara signifikan mengurangi jumlah lubang tembus berlapis.
Namun, jika dibandingkan, lubang tembus lebih mudah diterapkan secara teknis dan biayanya lebih rendah, sehingga lubang tembus umumnya digunakan dalam desain.
Sirkuit analog dan sirkuit digital sebaiknya ditempatkan di area yang terpisah agar tidak saling mengganggu.
Saat merancang papan sirkuit berlapis-lapis, pastikan tidak ada lapisan ground atau daya yang terputus, karena lapisan daya dan ground berada di lapisan dalam.
Selain itu, pastikan bahwa lubang via yang dihubungkan ke ground benar-benar terhubung ke lapisan ground, sehingga beberapa titik uji dapat ditambahkan untuk sinyal-sinyal penting, yang memudahkan pengukuran selama proses debugging.
