Panduan dasar desain PCB yang dapat dipakai

Karena ukuran dan dimensinya yang kecil, hanya ada sedikit standar papan sirkuit tercetak untuk pasar Internet of Things yang dapat dipakai yang sedang berkembang. Sampai mereka muncul, kita harus bergantung pada apa yang telah kita pelajari tentang pengembangan tingkat dewan dan pengalaman manufaktur dan dengan hati-hati mempertimbangkan bagaimana penerapannya pada tantangan unik yang muncul di sana. Tiga area yang harus kita perhatikan secara khusus adalah:bahan permukaan papan, desain RF/microwave, dan jalur transmisi RF.

Bahan PCB
Lapisan PCB terdiri dari laminasi, yang dapat dibuat dari bahan atau laminasi FR4 (fiber reinforced epoxy), polimida, atau Rogers. Isolasi antara lapisan yang berbeda disebut pre-preg.

Perangkat yang dapat dikenakan menuntut tingkat keandalan yang tinggi, yang menjadi masalah saat perancang PCB dihadapkan pada pilihan untuk menggunakan FR4, yang merupakan bahan fabrikasi PCB yang paling hemat biaya, atau bahan yang lebih canggih dan lebih mahal.

Jika aplikasi PCB yang dapat dipakai membutuhkan material berkecepatan tinggi dan berfrekuensi tinggi, FR4 mungkin bukan jawaban terbaik. FR4 memiliki konstanta dielektrik (Dk) 4,5, sedangkan bahan Seri Rogers 4003 yang lebih maju memiliki Dk 3,55, sedangkan seri pendampingnya Rogers 4350 memiliki Dk 3,66.

Dk dari laminasi mengacu pada kapasitansi atau energi antara sepasang konduktor di sekitar laminasi dibandingkan dengan pasangan konduktor dalam ruang hampa. Pada frekuensi tinggi, diinginkan untuk memiliki kerugian yang sangat kecil, sehingga Dk 3,66 di Rogers 4350 akan lebih diinginkan untuk sirkuit frekuensi tinggi dibandingkan FR4, yang memiliki Dk 4,5

Biasanya, jumlah lapisan bervariasi dari empat hingga delapan lapisan untuk perangkat yang dapat dikenakan. Penataan lapisan sedemikian rupa sehingga jika itu adalah PCB delapan lapis, ia menyediakan ground dan power plane yang cukup untuk mengapit lapisan perutean. Dengan demikian, efek riak dalam crosstalk dijaga agar tetap minimum dan interferensi elektromagnetik atau EMI berkurang secara signifikan.

Pada tahap tata letak papan, jadwal tata letak sedemikian rupa sehingga bidang tanah kokoh di sebelah lapisan distribusi daya. Ini menciptakan efek riak rendah dan kebisingan sistem berkurang hingga hampir nol. Ini sangat penting untuk subsistem RF.

FR4 memiliki faktor disipasi (Df) yang tinggi dibandingkan material Rogers, terutama pada frekuensi tinggi. Nilai Df untuk laminasi FR4 kinerja yang lebih tinggi berada di kisaran 0,002, urutan besarnya lebih baik daripada FR4 biasa. Namun, laminasi Rogers adalah 0,001 atau kurang. Sebuah perbedaan yang berarti dalam kerugian penyisipan demikian dibuat ketika bahan FR4 dikenakan frekuensi tinggi. Insertion loss didefinisikan sebagai hilangnya daya sinyal dalam transmisi dari titik A ke B yang dihasilkan dari penggunaan laminasi seperti FR4, Rogers, atau bahan lainnya.

Masalah fabrikasi
PCB yang dapat dikenakan memerlukan kontrol impedansi yang lebih ketat, yang merupakan elemen penting untuk perangkat yang dapat dikenakan, menghasilkan perambatan sinyal yang lebih bersih. Sebelumnya, toleransi standar adalah +/-10% untuk jejak pembawa sinyal. Itu tidak cukup baik untuk frekuensi tinggi, sirkuit berkecepatan tinggi saat ini. Persyaratan sekarang adalah untuk +/-7% dan dalam beberapa kasus +/-5% atau bahkan lebih rendah. Variabel ini dan lainnya berdampak negatif pada fabrikasi PCB yang dapat dikenakan yang memiliki kontrol impedansi yang sangat ketat, sehingga membatasi jumlah toko fabrikasi yang dapat membuatnya.

Laminasi dari bahan berfrekuensi sangat tinggi milik Rogers dipertahankan hingga +/-2% dari toleransi Dk. Beberapa bahkan dapat menahan +/-1% toleransi DK, dibandingkan dengan toleransi 10% Dk pada laminasi FR4, oleh karena itu kerugian penyisipan sangat rendah saat kedua bahan dibandingkan. Ini akan membatasi kerugian transmisi dan penyisipan di Rogers hingga kurang dari setengahnya, dibandingkan dengan bahan FR4 tradisional.

Dalam kebanyakan kasus, biaya adalah yang terpenting. Namun, Rogers menawarkan laminasi kerugian yang relatif rendah dengan kinerja frekuensi tinggi pada titik biaya yang dapat diterima. Untuk aplikasi komersial, dapat digunakan bersama dengan FR4 berbasis epoksi untuk PCB hibrida dengan beberapa lapisan menjadi bahan Rogers dan lainnya FR4.

Saat memilih laminasi Rogers, frekuensi adalah pertimbangan utama. Karena frekuensi meningkat melebihi 500 megahertz (MHz), perancang PCB cenderung lebih menyukai material Rogers daripada FR4, terutama untuk sirkuit RF/microwave karena material ini berkinerja lebih baik saat jejak dikontrol dengan ketat.

Bahan Rogers juga menawarkan kerugian dielektrik yang rendah dibandingkan dengan FR4 dan memberikan Dk yang stabil untuk rentang frekuensi yang luas. Plus, mereka menawarkan kerugian penyisipan rendah yang ideal untuk operasi frekuensi tinggi.

Koefisien ekspansi termal (CTE) untuk Rogers 4000 Series memiliki stabilitas dimensi yang luar biasa. Ini berarti bahwa ketika PCB melewati siklus reflow dingin, panas, dan sangat panas, ekspansi dan kontraksi papan sirkuit dijaga pada batas yang stabil pada frekuensi yang lebih tinggi dan siklus suhu yang lebih tinggi dibandingkan dengan FR4.

Dalam situasi penumpukan laminasi hibrida, Rogers dapat dengan mudah dicampur dengan FR4 kinerja tinggi menggunakan teknik pemrosesan fabrikasi umum, sehingga relatif mudah untuk mendapatkan hasil fabrikasi yang baik. Laminasi Rogers tidak memerlukan persiapan khusus.

FR4 biasanya tidak bekerja dengan baik sejauh kinerja listrik yang andal, tetapi bahan FR4 berkinerja tinggi, memang memiliki karakteristik keandalan yang baik, seperti Tg yang lebih tinggi, biaya yang relatif lebih rendah, dan kemampuannya untuk digunakan dalam berbagai aplikasi mulai dari yang sederhana desain audio untuk aplikasi gelombang mikro yang kompleks.

Halaman berikutnya>