Saat merancang papan sirkuit cetak, Anda perlu mempertimbangkan bagaimana setiap lapisan papan akan memengaruhi lapisan lainnya. Jika Anda merancang papan dua sisi, misalnya, penting untuk mengetahui lapisan mana yang akan berada di atas atau di bawah lapisan lainnya agar Anda dapat menyesuaikan desain Anda sesuai dengan itu.
Panduan ini akan membantu Anda memahami apa itu susunan lapisan PCB, aturan desain susunan lapisan, serta pengaruh apa saja yang ditimbulkan oleh lapisan-lapisan yang berbeda terhadap produk akhir.
Apa itu Susunan Lapisan PCB?
Susunan lapisan papan sirkuit cetak (PCB) adalah pengaturan lapisan berbagai bahan dalam sebuah papan sirkuit cetak (PCB). Susunan lapisan PCB pada umumnya terdiri dari lapisan tembaga, lapisan isolasi, bidang ground, dan lapisan sinyal. Susunan lapisan PCB memengaruhi beberapa sifat papan sirkuit cetak, termasuk kinerja termal, kinerja interferensi elektromagnetik (EMI), respons terhadap tegangan dan regangan, serta integritas sinyal.
Lapisan Tembaga
Ada dua jenis lapisan tembaga, yaitu lapisan dalam dan lapisan luar. Lapisan tembaga dalam digunakan untuk menghubungkan komponen satu sama lain, sedangkan lapisan tembaga luar digunakan untuk koneksi ke perangkat eksternal. Ketebalan lapisan tembaga juga sangat penting. Ketebalannya harus 1 oz untuk lapisan dalam dan 2 oz untuk lapisan luar. Tembaga yang lebih tipis dapat memengaruhi kinerja sirkuit dan sulit untuk dirutekan. Tembaga yang lebih tebal lebih kokoh, tetapi juga meningkatkan biaya papan. Ketebalan tembaga harus dipilih berdasarkan persyaratan desain. Misalnya, ketebalan tembaga harus setidaknya 0,01 mm lebih lebar dari lebar jejak terbesar.
Lapisan Sinyal
Lapisan sinyal digunakan untuk mentransmisikan sinyal digital berkecepatan tinggi seperti sinyal data dan sinyal clock. Dua jenis lapisan sinyal yang paling umum adalah lapisan single-ended dan lapisan diferensial. Lapisan single-ended digunakan untuk mentransmisikan satu sinyal. Lapisan ini tidak memiliki referensi ground, sehingga sinyalnya rentan terhadap gangguan. Lapisan diferensial digunakan untuk mengangkut beberapa sinyal dengan referensi ground. Ini adalah jenis lapisan yang paling umum dan ideal untuk sirkuit RF dan komunikasi berkecepatan tinggi. Ketebalan lapisan sinyal harus 0,5 oz atau 1 oz. Ketebalan lapisan ditentukan oleh lebar jalur. Jalur harus setidaknya 0,004 mm lebih lebar dari lebar jalur.
Lapisan Isolasi
Lapisan isolasi digunakan untuk memisahkan lapisan tembaga dan mencegah terjadinya korsleting listrik. Dua jenis lapisan isolasi yang paling umum adalah epoksi FR-4 dan epoksi kaca. Epoksi FR-4 – Epoksi FR-4 adalah bahan berkualitas tinggi yang memiliki sifat-sifat unggul untuk digunakan pada PCB, termasuk sifat termal dan mekanis yang sangat baik. Ini adalah bahan isolasi yang paling umum digunakan. Epoxy kaca – Epoxy kaca adalah bahan isolasi berkualitas sangat tinggi. Bahan ini umumnya digunakan untuk papan kelas atas. Epoxy kaca lebih mahal daripada epoxy FR-4, tetapi mungkin sepadan dengan biayanya untuk papan yang sangat penting. Ketebalan lapisan isolasi harus 1,5 mm. Ketebalan lapisan ditentukan oleh lebar jalur. Jalur harus setidaknya 0,005 mm lebih lebar dari lebar jalur.
Bidang Dasar
Lapisan ground pada sirkuit digital berfungsi sebagai pelindung dari gangguan elektromagnetik, sekaligus sebagai jalur balik arus. Ketebalan lapisan ground harus 0,25 mm. Lebar lapisan ground harus 0,005 mm lebih lebar daripada lebar jalur sirkuit. Kombinasi tembaga-nikel lebih disarankan daripada lapisan ground yang hanya terbuat dari tembaga karena kemampuannya dalam melindungi, meskipun harganya lebih mahal dan konduktivitasnya lebih rendah. Lapisan tembaga tunggal kurang konduktif dan lebih rentan terhadap korosi, tetapi lebih murah dan lebih mudah diperoleh.
Susunan Lapisan PCB yang Direkomendasikan
Susunan PCB 4 lapis
Susunan lapisan papan sirkuit cetak (PCB) 4 lapis yang direkomendasikan di bawah ini didasarkan pada pengalaman industri dan penelitian mendalam. Susunan lapisan ini cukup umum sehingga dapat digunakan untuk berbagai jenis PCB.
Lapisan tembaga atas – Ketebalan tembaga: 1 oz, Bahan solder mask: FR-4, Ketebalan nikel: 1 oz atau 2 oz;
Lapisan tembaga bawah – Ketebalan tembaga: 1 oz, Bahan masker solder: FR-4, Ketebalan nikel: 1 oz atau 2 oz;
Lapisan isolasi – 1,5 mm polimida, Kekuatan dielektrik: 3000 V/mil;
Bidang ground – Tembaga 0,25 mm, Kekuatan dielektrik: 3000 V/mil.
Susunan PCB 6 lapis
Untuk desain dengan kepadatan chip yang tinggi dan frekuensi clock yang tinggi, disarankan untuk mempertimbangkan penggunaan papan PCB 6 lapis. Metode susunan lapisan PCB 6 lapis yang direkomendasikan ditunjukkan pada gambar berikut:
Metode penumpukan ini dapat menghasilkan integritas sinyal yang lebih baik; lapisan sinyal berdekatan dengan lapisan ground, lapisan daya dan lapisan ground disusun berpasangan, impedansi setiap lapisan jalur dapat dikendalikan dengan baik, serta kedua lapisan ground mampu menyerap garis medan magnet secara optimal. Selain itu, dengan adanya lapisan daya dan ground yang lengkap, metode ini dapat menyediakan jalur balik yang lebih baik bagi setiap lapisan sinyal.
Susunan Lapisan PCB 8 Lapis
Papan PCB 8 lapis umumnya digunakan pada sistem berkecepatan tinggi dan berkinerja tinggi. Beberapa lapisan tersebut digunakan sebagai bidang daya atau bidang ground, yang biasanya berupa bidang padat tanpa pembagian. Metode ini menggunakan bidang referensi ground berlapis-lapis, yang memiliki kemampuan sangat baik untuk meminimalkan jumlah dan dampak EMI.
Struktur 8 lapis tersebut adalah sebagai berikut:
Lapisan atas – Sinyal 1: permukaan komponen, lapisan rute mikrostrip, lapisan rute yang baik;
Lapisan ke-2 – Lapisan Ground: kemampuan penyerapan gelombang elektromagnetik yang lebih baik;
Lapisan ke-3 – Sinyal 2: lapisan rute stripline, lapisan rute yang baik;
Lapisan ke-4 – Lapisan Daya: membentuk penyerapan elektromagnetik yang sangat baik bersama lapisan di bawahnya;
Lapisan ke-5 – Lapisan Ground;
Lapisan ke-6 – Sinyal 3: lapisan rute stripline, lapisan rute yang baik;
Lapisan ke-7 – Lapisan Ground: kemampuan penyerapan gelombang elektromagnetik yang lebih baik;
Lapisan ke-8 – Sinyal 4: lapisan rute mikrostrip, lapisan rute yang baik.
Aturan Perancangan Susunan Lapisan PCB
Desain susunan lapisan PCB berkaitan dengan persyaratan fungsi sirkuit, integritas sinyal, EMI, EMC, biaya produksi, dan sebagainya. Berdasarkan hal tersebut, kami telah merangkum aturan-aturan desain ini untuk menjadi acuan Anda.
1. Menggunakan struktur lapisan genap
Pengalaman kami dalam merancang sirkuit selama ini menunjukkan bahwa desain tumpukan lapisan hampir selalu berupa struktur dengan jumlah lapisan genap, bukan ganjil.
- Menghemat Biaya
Biaya pemrosesan PCB berlapis ganjil jauh lebih tinggi daripada PCB berlapis genap. Hal ini disebabkan karena papan sirkuit berlapis ganjil memerlukan penambahan lapisan inti laminasi dalam proses pembuatan struktur lapisan inti.
- Hindari papan sirkuit bengkok
Tegangan laminasi yang tidak wajar dapat menyebabkan papan sirkuit melengkung. Semakin tebal papan sirkuit, semakin tinggi pula risiko melengkung. Papan sirkuit dengan jumlah lapisan ganjil mudah melengkung, sedangkan papan sirkuit dengan jumlah lapisan genap dapat menghindari melengkung.
2. Menentukan rute dan lubang penghubung
Arah pengkabelan pada lapisan sinyal yang sama harus konsisten dan tegak lurus terhadap arah pengkabelan pada lapisan sinyal yang berdekatan. Misalnya, arah pengkabelan pada satu lapisan sinyal dapat ditetapkan ke arah "sumbu Y", sedangkan arah pengkabelan pada lapisan sinyal yang berdekatan dapat ditetapkan ke arah "sumbu X".
3. Memilih susunan lapisan
- Penting untuk menentukan posisi lapisan yang tepat saat menggunakan teknologi microstrip.
- Rute sinyal berkecepatan tinggi pada microstrip dengan ketebalan minimum, dan letakkan lapisan sinyal di sebelah lapisan daya untuk kopling yang kuat.
- Lapisan daya dan ground harus ditempatkan sedekat mungkin.
- Penting untuk menjaga agar lapisan sinyal tetap terpisah.
4. Pilih Jalur Sinyal Pendek
Lapisan atas dan bawah pada PCB berlapis-lapis biasanya digunakan untuk menempatkan komponen dan sejumlah kecil jalur sinyal. Jalur sinyal ini sebaiknya tidak terlalu panjang agar dapat mengurangi radiasi langsung yang dihasilkannya.
5. kapasitor pemisah
Saat merancang PCB, penting untuk menggunakan kapasitor decoupling guna memastikan penyaluran daya yang optimal. Hanya lapisan atas dan bawah yang boleh digunakan sebagai lokasi pemasangan kapasitor decoupling. Efisiensi kapasitor-kapasitor ini sangat bergantung pada kualitas jalur, pad, dan via yang terkait. Untuk menjamin fungsionalitas yang optimal, panjang kabel harus sesingkat mungkin dan jarak antar via harus sedekat mungkin.
Pilihan Bahan dan Ketebalan untuk Susunan Lapisan PCB
Sebagaimana dijelaskan di atas, kita tahu bahwa ada tiga komponen utama yang membentuk susunan PCB: tembaga, bahan isolasi, dan lapisan ground. Pemilihan bahan dan ketebalan untuk setiap lapisan memengaruhi karakteristik kinerja produk akhir.
Lapisan tembaga—Terdapat berbagai jenis tembaga yang tersedia. Setiap jenis memiliki suhu leleh, konduktivitas listrik, dan koefisien muai panas yang berbeda. Pemilihan jenis tembaga biasanya ditentukan oleh persyaratan desain.
Selalu ingat bahwa semakin tebal lapisan tembaga, semakin kokoh desain secara keseluruhan. Namun, lapisan tembaga yang lebih tebal akan menambah biaya papan.
Lapisan isolasi—Bahan isolasi PCB yang paling umum adalah FR-4 epoksi, epoksi kaca, dan bahan berlapis parilen. Pemilihan masing-masing jenis ditentukan oleh lingkungan penggunaannya.
Lapisan isolasi sebaiknya setebal mungkin untuk perisai EMI dan untuk meningkatkan ketahanan papan. Namun, jika terlalu tebal, hal itu dapat memengaruhi kualitas jalur dan via.
Lapisan ground plane—Jenis ground plane yang paling umum adalah tembaga dan nikel. Pemilihan masing-masing jenis ditentukan oleh persyaratan desain dan jenis soldermask.
Ketebalan lapisan ground plane sebaiknya berkisar antara 0,1 mm hingga 0,25 mm. Lapisan ground plane yang lebih tebal akan berfungsi lebih baik, tetapi juga akan meningkatkan ukuran papan.
Kesimpulan
Dalam postingan blog ini, Anda telah mempelajari arti istilah ‘pcb stackup’ dalam konteks PCB. Kami juga memperkenalkan desain stackup PCB dan mengapa hal tersebut penting bagi proyek Anda. Jika ada pertanyaan seputar desain elektronik, silakan hubungi kami.
