Bagaimana Saya Mempersiapkan PCB Saya untuk Fabrikasi? Mempercepat Perakitan PCB dengan Praktik Terbaik Desain
Dalam artikel ini, Parker Dillman, pimpinan EE dan salah satu pendiri MacroFab, membahas cara terbaik mempersiapkan desain PCB Anda untuk fabrikasi dan perakitan.
Dalam artikel ini, Parker Dillman, pemimpin EE dan salah satu pendiri MacroFab, membahas cara terbaik mempersiapkan desain PCB Anda untuk fabrikasi dan perakitan.
Ini adalah situasi umum:Anda adalah pengembang perangkat keras dan tenggat waktu menunggu untuk produk Anda berikutnya. Prototipe PCB yang buruk akan menunda proyek selama berminggu-minggu dan Anda perlu mengurangi risiko ini. Membuat PCB dirakit dengan benar untuk pertama kalinya, dengan cepat dan tanpa masalah, adalah yang terpenting.
Untuk meminimalkan potensi masalah ini, saya telah menyusun daftar beberapa tip untuk membantu mempersiapkan prototipe Anda berikutnya untuk pembuatan.
Periksa Ulang Jejak Kaki dan Paket
Memastikan footprint cocok dengan paket untuk komponen adalah cara pertama untuk menghindari hang-up manufaktur. Cara kuno mencetak PCB Anda di atas kertas dengan skala 1:1 dan kemudian melapisi bagian-bagian Anda hanya berjalan sejauh ini saat ini, mengingat betapa kecilnya beberapa komponen dan di bawah kontak paket seperti komponen BGA.
Periksa kembali apakah dimensi pada footprint cocok dengan unit desain Anda (mm atau mil).
Beberapa produsen komponen tidak ramah dan menggambar tata letak mekanis komponen seolah-olah melihat melalui PCB transparan yang jelas dari bawah. Pastikan untuk berhati-hati dengan ini.
Gambar 1. Silicon Labs EFM8UB10F8G dalam paket QFN20. Membandingkan tata letak yang digambar di Alat EDA dengan pola pendaratan di lembar data.
Jika alat EDA Anda dapat menggambar garis proyeksi dan dimensi, mungkin ada baiknya mengukur jejak kaki Anda dengan cara yang sesuai dengan gambar mekanis di lembar data komponen. Verifikasi unit pengukuran lembar data dan jejak kaki Anda.
Ini juga saat yang tepat untuk memeriksa pemetaan antara simbol skema dan jejak komponen Anda. Pinout pengatur tegangan, MOSFET diskrit, dan transistor biasanya dan mudah dibalik.
Komponen yang memiliki polaritas harus diperiksa jejaknya untuk memastikan tanda polaritas ditandai dengan jelas. Ini termasuk tanda pin satu IC, tanda katoda dioda, dan tanda kapasitor terpolarisasi.
Gambar 2. Menandai pin satu pada LED CREE.
Pilih Banyak Pilihan Substitusi Suku Cadang yang Diuji
Penundaan umum dalam produksi terjadi ketika suku cadang utama tidak tersedia dan tidak ada penggantian yang telah diuji dan disetujui. Jika bagian memiliki substitusi yang layak tetapi berada di jalur kritis sirkuit atau produk Anda, saya sangat menyarankan Anda membuat prototipe dan menguji dengan setiap substitusi sebelum pergi ke produksi. Ini mengurangi risiko yang terlibat saat beralih ke bagian pengganti di masa mendatang.
Gambar 3. Bagian End of Life pada Mouser ditandai sebagai NRND atau Tidak Direkomendasikan untuk Desain Baru
Jika Anda memiliki suku cadang unik yang tidak memiliki pengganti langsung (mikrokontroler, sensor khusus, dll.) periksa masa pakai suku cadang dari pembuatan suku cadang. Produsen akan menandai komponen yang akan dihentikan produksinya sebagai “Tidak Direkomendasikan untuk Desain Baru”.
Biasanya, produsen menjamin rentang hidup yang ditetapkan untuk pembuatan suku cadang dan akan memberi tahu pengguna suku cadang tersebut ketika suku cadang tersebut akan menjadi End of Life'd (EoL). Pastikan suku cadang yang Anda butuhkan akan tersedia hingga akhir masa pakai produksi produk Anda untuk membantu mencegah desain ulang produk yang mahal di masa mendatang.
Gunakan Modul Radio Pra-Bersertifikat
Jika produk Anda menggunakan Bluetooth atau WiFi, pertimbangkan untuk menggunakan modul radio pra-sertifikasi. Modul-modul ini adalah sistem pra-desain dan paket yang dijamin berfungsi dengan benar dengan nomor identifikasi FCC terkait. Menggunakan modul radio pra-sertifikasi meningkatkan kemungkinan sistem nirkabel berfungsi dengan baik dan juga akan mengurangi kemungkinan kegagalan pengujian kepatuhan emisi radio FCC dan CE.
Gambar 4. BuzzBox OSBeehives didukung oleh modul radio pra-sertifikasi Foton Partikel. Gambar Courtesy of OSBeehives.
Pertimbangkan Tata Letak Antena Nirkabel Anda
Jika Anda memutuskan bahwa penghematan biaya konektivitas nirkabel bergulir ke PCB Anda sepadan, tata letak PCB antena sangat penting. Untuk sebagian besar bagian konektivitas nirkabel (transceiver) akan ada tata letak yang direkomendasikan dari lembar data pabrikan. Mengikuti tata letak yang disarankan kemungkinan besar akan menjadi rute tercepat Anda menuju kesuksesan.
Ada beberapa hal yang harus diperhatikan saat melakukan layout PCB. Pertama, impedansi harus sesuai antara transceiver dan antena. Kedua, lembar data untuk transceiver harus memiliki rincian lebih lanjut tentang memilih antena yang tepat, merancang filter penyetelan, dan impedansi yang benar yang diperlukan untuk kinerja maksimum.
Saya sangat merekomendasikan melakukan pengujian pra-kepatuhan pada produk Anda jika Anda merancang konektivitas nirkabel Anda sendiri. Pengujian pra-kepatuhan diharapkan akan menangkap masalah yang nyata dengan desain Anda. Cari harmonik frekuensi dalam apa yang Anda tuju di jam, osilator, dan spektrum transmisi.
Jangan Lupakan Kapasitor Pemisah
Komponen listrik membutuhkan sumber tegangan yang stabil dan kapasitor decoupling harus disertakan pada PCB Anda di dekat setiap komponen aktif. Kapasitor decoupling berfungsi paling baik jika sedekat mungkin dengan pin daya komponen.
Gambar 5. Kapasitor decoupling memastikan bahwa Texas Instruments LVDS ini konverter memiliki kekuatan yang halus.
Untuk komponen yang lebih besar yang memiliki beberapa pin daya, Anda mungkin perlu memisahkan kapasitor di setiap pin daya. Bagian sensitif daya seperti sensor, ADC, dan FPGA, Anda mungkin ingin menyertakan tutup decoupling untuk pin ground juga. Kapasitor decoupling harus sejajar dari sumber daya dan komponen karena hal ini meningkatkan kinerja kapasitor.
Gambar 6. Kapasitor bypass atau decoupling harus ditempatkan sejajar dari sumber listrik.
Lindungi Papan Anda dengan Lebar dan Jarak Jejak yang Tepat
Jejak arus tinggi harus berukuran tepat untuk memastikan tidak membakar PCB Anda. Saya sarankan menggunakan kalkulator lebar jejak online untuk melakukan perhitungan. Jejak di bagian luar papan dapat menangani lebih banyak arus daripada internal karena lebih mudah bagi jejak eksternal untuk menghilangkan panas yang dihasilkan. Untuk menjaga panas tetap rendah, coba tentukan kenaikan suhu pada kalkulator lebar jejak menjadi 10C. Namun, jika Anda tidak memiliki ruang untuk jejak seluas itu, kenaikan suhu 20ºC tidak masalah untuk sebagian besar aplikasi.
Jika Anda tidak dapat merutekan jejak yang cukup lebar, Anda mungkin perlu menggunakan bobot tembaga yang lebih tebal yang akan meningkatkan kemampuan arus. Namun, meningkatkan ketebalan berat tembaga dapat menyebabkan masalah lebar jejak dan jarak minimal untuk Pemeriksaan Aturan Desain (DRC), jadi pastikan untuk mempertimbangkannya. Biasanya menjadi lebih tebal dengan berat tembaga akan membutuhkan lebar jejak dan ruang yang lebih besar dan meningkatkan harga harga per unit PCB Anda.
Gambar 7. Rute dipotong di antara bantalan untuk meningkatkan isolasi tegangan. Gambar Atas perkenan Scott Swaaley dari MAKESafe Tools.
Masalah yang sering diabaikan adalah memastikan jejak tegangan tinggi cukup terisolasi satu sama lain. Jika produk Anda terhubung ke tegangan listrik, Anda perlu memastikan bahwa tegangan tidak dapat melompati celah udara dan korsleting.
Pilih Perutean Regulator Catu Daya yang Tepat
Ada dua jenis utama regulator tegangan dalam sistem tertanam:regulator linier dan regulator switching. Setiap jenis memiliki panduan berbeda untuk tata letak dan perutean PCB.
Bekerja dengan Regulator Linier
Regulator linier mengambil kelebihan tegangan dan mengubahnya menjadi panas terbuang. Ini tidak efisien, tetapi regulator linier umumnya hanya membutuhkan kapasitor eksternal untuk bekerja dengan benar dan tidak terlalu berisik daripada regulator switching. Ada dua hal yang harus dipastikan agar regulator linier berfungsi dengan baik:
- Pertimbangkan pemilihan kapasitor Anda. Ikuti panduan pabrikan tentang jenis, nilai, dan lokasi kapasitor yang digunakan untuk melewati regulator. Biasanya kapasitor harus ditempatkan sedekat mungkin dengan pin input dan output regulator.
- Hati-hati dengan panasnya. Umumnya, ini berarti memastikan paket yang Anda pilih untuk regulator dapat menangani jumlah panas yang akan Anda hasilkan dan tata letak Anda dapat mendukungnya. Tembaga menuangkan dan melalui jahitan akan menjadi teman Anda di sini. Jika tuang tembaga tidak cukup besar, maka diperlukan heatsink.
Gambar 8. Regulator tegangan linier dengan tembaga tuang untuk pembuangan panas.
Bekerja dengan Regulator Switching
Regulator switching lebih efisien daripada regulator linier tetapi lebih rumit untuk dirancang. Biasanya, panas tidak menjadi masalah dengan regulator switching tetapi Anda harus hati-hati memilih komponen untuk memastikan regulator switching akan bekerja dengan benar. Regulator switching juga lebih rentan untuk menghasilkan medan elektromagnetik (EMF) yang tidak diinginkan dan menyebabkan kegagalan pada tahap kepatuhan FCC/CE suatu produk.
- Ikuti tata letak yang disarankan dari produsen dengan cermat. Tata letak ini telah diuji agar berfungsi dengan benar.
- Jaga agar loop umpan balik untuk pengalih sekecil mungkin. Ini akan mengurangi EMF dan resistensi parasit, induktansi, dan kapasitansi.
- Perhatikan baik-baik regulator pengalih Anda, kapasitor keluaran, peringkat ESR dan ESL. Saat mencari komponen, lembar data untuk regulator switching biasanya akan memberi tahu Anda di mana harus menyetel nilainya.
Untuk mendesain pengalih, saya suka menggunakan Texas Instruments Webench. Ini menghasilkan beberapa desain untuk spesifikasi yang Anda inginkan dan memberi Anda nomor bagian untuk induktor dan kapasitor yang Anda perlukan untuk mendesain pengalih dengan benar.
Sertakan Pereda Panas untuk Jejak dan Tuang Tembaga Besar
Bantalan tembaga dengan bantuan termal dibuat dengan menghubungkan bantalan ke jejak tembaga atau tuang menggunakan jalur sempit yang lebih kecil daripada menghubungkannya secara langsung. Relief termal mengurangi beban termal menyolder komponen ke pad. Ini mengurangi kemungkinan sambungan solder dingin karena tembaga membuang panas terlalu cepat.
Gambar 9. Relief termal pada bantalan SMT besar untuk meningkatkan penyolderan sambungan yang tepat.
Anda harus memperhatikan beban saat ini yang melalui area pelepas panas. Jika ini dirancang terlalu sempit, Anda dapat berakhir dengan sekering satu arah.
Optimalkan Desain Anda untuk Perakitan SMT
Biaya produksi dan waktu perakitan keduanya dipengaruhi secara positif bila Anda menggunakan komponen SMT sebanyak mungkin. Konektor SMT dapat dibuat jika konektor hanya akan dihubungkan selama perakitan produk (seperti memasang baterai lithium internal selama perakitan produk).
Gambar 10. Perkakas palet gelombang untuk memungkinkan penyolderan konektor lubang lebih cepat.
Terkadang bagian melalui lubang diperlukan. Konektor yang dihubungkan dengan manusia harus hampir selalu melalui lubang untuk mencegah bagian tersebut dilepas secara paksa selama operasi. Saat menggunakan bagian melalui lubang, bekerja sama dengan produsen kontrak Anda untuk mengetahui berapa banyak ruang yang Anda butuhkan untuk meninggalkan bagian sekitar untuk mengoptimalkan gelombang atau penyolderan selektif. Jika komponen lain terlalu dekat dengan kontak lubang tembus, produsen kontrak mungkin harus menyolder konektor secara manual, memperlambat proses perakitan Anda dan meningkatkan biaya.
Periksa Ulang Pemeriksaan Aturan Desain Anda
Memeriksa ulang pemeriksaan aturan desain Anda mungkin merupakan item terpenting dalam daftar ini. Tanyakan kepada pabrikan Anda tentang aturan desain mereka. Sebagian besar produsen memiliki tingkat aturan desain penskalaan yang berbeda. Jika Anda bisa lolos dengan aturan desain yang lebih besar dan lebih standar, Anda harus melakukannya.
Sebelum mengirim file desain Anda ke pabrikan Anda, saya sarankan Anda menjalankan DRC Anda untuk terakhir kalinya dan memeriksa hal-hal berikut:
- Jalankan pemeriksaan aturan desain (DRC)
- Periksa koneksi dan rute
- Gunakan "kabel udara" atau "garis tikus" alat EDA Anda untuk menunjukkan secara visual bantalan bagian mana yang terhubung satu sama lain pada jaringan sinyal
- Perbarui teks silkscreen untuk kode tanggal, versi PCB, atau metadata
Menutup
Saya harap artikel ini memandu Anda untuk meningkatkan proses desain PCB dan membantu Anda mengurangi risiko saat memesan rakitan PCB dan meningkatkan produksi produk Anda. Semakin banyak perencanaan yang Anda lakukan sebelum perakitan, semakin sedikit cegukan dalam produksi.
Untuk informasi tambahan, lihat wawancara saya dengan tim All About Circuits dan baca daftar periksa yang saya tulis untuk pertimbangan pra-FAB dan produksi.
Artikel Industri adalah bentuk konten yang memungkinkan mitra industri untuk berbagi berita, pesan, dan teknologi yang bermanfaat dengan pembaca All About Circuits dengan cara yang tidak sesuai dengan konten editorial. Semua Artikel Industri tunduk pada pedoman editorial yang ketat dengan tujuan menawarkan kepada pembaca berita, keahlian teknis, atau cerita yang bermanfaat. Sudut pandang dan pendapat yang diungkapkan dalam Artikel Industri adalah dari mitra dan belum tentu dari All About Circuits atau penulisnya.
