Mengatasi masalah desain PCB

Desain papan sirkuit tercetak (PCB) yang tepat sangat penting untuk kemampuan menghasilkan prototipe elektronik yang efisien secara operasional dan komersial. Hal ini terutama berlaku untuk aplikasi tertanam. Sirkuit tertanam bervariasi dalam ukuran dan jenis berdasarkan mikroprosesor, komponen, dan sistem operasi, tetapi terutama pada kompleksitas perangkat lunak, yang dapat bervariasi dari beberapa ratus byte hingga beberapa megabita kode.

Dari diagram sirkuit yang dikembangkan, dimungkinkan untuk melakukan simulasi dan desain PCB dengan mengekspor file Gerber/bor. Apa pun desainnya, para insinyur perlu tahu persis bagaimana rangkaian listrik (dan komponen elektronik) harus diatur dan bagaimana cara kerjanya. Untuk EE, menemukan perangkat lunak yang tepat untuk desain PCB bisa menjadi tugas yang menakutkan. Alat perangkat lunak yang ideal untuk satu proyek PCB mungkin kurang cocok untuk yang lain. EE menginginkan alat desain papan yang intuitif, menyertakan fungsionalitas yang berguna, cukup stabil untuk membatasi risiko, dan memiliki pustaka yang kuat yang membuatnya dapat diterapkan ke banyak proyek.

Masalah perangkat keras

Untuk proyek yang menargetkan Internet of Things, di mana integrasi merupakan pusat kinerja dan keandalan, integrasi bahan konduktif dan non-konduktif dalam PCB membutuhkan desainer IoT untuk mempelajari interaksi antara berbagai aspek listrik dan mekanik dari desain. Secara khusus, pemanasan listrik pada PCB menjadi faktor yang semakin kritis karena ukuran komponen terus menyusut. Pada saat yang sama, kebutuhan fungsional meningkat. Untuk mencapai kinerja berbasis prestasi seperti yang dirancang, respons suhu, perilaku komponen listrik di board, dan manajemen termal keseluruhan sangat penting untuk fungsionalitas dan keandalan sistem.

PCB harus diisolasi untuk memastikan perlindungan. Hubungan arus pendek dicegah dengan melindungi jejak tembaga yang ditempatkan di papan untuk menciptakan sistem elektronik. FR-4 lebih disukai sebagai bahan substrat daripada alternatif berbiaya lebih rendah seperti kertas berikat resin sintetis (SRBP, FR-1, FR-2) karena karakteristik fisik/mekanisnya, terutama kemampuannya untuk menyimpan data pada frekuensi tinggi, ketahanan yang tinggi terhadap panas, dan kemampuannya untuk menyerap lebih sedikit air daripada bahan lain. FR-4 banyak digunakan untuk konstruksi kelas atas dan untuk peralatan industri dan militer. Ini kompatibel dengan isolasi ultra-tinggi (vakum ultra-tinggi, atau UHV).

Tetapi FR-4 menghadapi sejumlah keterbatasan sebagai substrat PCB yang berasal dari pemrosesan kimia yang digunakan dalam produksi. Secara khusus, bahan tersebut rentan terhadap pembentukan inklusi (gelembung udara) dan garis-garis (gelembung udara memanjang), serta deformasi kain kaca. Ketidaksempurnaan ini menyebabkan inkonsistensi dalam kekuatan dielektrik dan merusak kinerja jejak PCB. Bahan kaca epoksi baru memecahkan masalah ini.

Bahan lain yang umum digunakan adalah polimida/fiberglass, yang mendukung suhu lebih tinggi dan lebih kaku, dan KAPTON, yang fleksibel, ringan, dan cocok untuk aplikasi seperti layar dan keyboard. Faktor yang perlu dipertimbangkan saat memilih bahan dielektrik (substrat) termasuk koefisien muai panas (CTE), suhu transisi gelas (Tg), konduktivitas termal, dan kekakuan mekanik.

PCB militer/aerospace memerlukan pertimbangan desain khusus, berdasarkan spesifikasi tata letak dan cakupan 100% design-for-test (DFT). Standar MIL-STD-883 menetapkan metode dan prosedur untuk menguji perangkat mikroelektronika yang cocok untuk digunakan dalam sistem militer dan kedirgantaraan, termasuk pengujian mekanik dan listrik, prosedur manufaktur dan pelatihan, dan kontrol lainnya, untuk memastikan tingkat kualitas dan keandalan yang seragam di seluruh berbagai aplikasi untuk perangkat tersebut.

Desain perangkat elektronik untuk sistem otomotif harus mengikuti serangkaian aturan selain memenuhi berbagai standar, seperti pengujian mekanik dan elektronik AEC-Q100 untuk sirkuit terpadu yang dikemas. Efek cross-talk dapat menghambat keselamatan kendaraan. Untuk meminimalkan efek tersebut, perancang PCB harus menetapkan jarak minimum antara sinyal dan saluran listrik. Desain dan standarisasi difasilitasi oleh perangkat lunak yang secara otomatis menyoroti aspek desain yang memerlukan modifikasi lebih lanjut untuk memenuhi batas interferensi dan kondisi pembuangan panas untuk menghindari kompromi pengoperasian sistem.

Gambar 1:Desainer Altium (Gambar:Altium)

Gangguan dari sirkuit itu sendiri bukan satu-satunya ancaman terhadap kualitas sinyal. PCB di mobil dibombardir dengan kebisingan yang berinteraksi dengan cara yang rumit dengan bodi mobil, menyebabkan arus yang tidak diinginkan di sirkuit. Dan puncak serta fluktuasi tegangan yang disebabkan oleh sistem pengapian mobil dapat mendorong komponen jauh di luar toleransi pemesinan mereka.