Menguasai Desain PCB: Panduan Komprehensif untuk Profesional

Papan sirkuit cetak, juga dikenal sebagai PCB, membentuk inti dari setiap perangkat elektronik saat ini. Komponen hijau kecil ini esensial untuk peralatan sehari-hari dan mesin industri sama sekali. Desain dan tata letak PCB adalah komponen penting dari fungsi setiap produk - ini adalah yang menentukan keberhasilan atau kegagalan sebuah peralatan. Dengan evolusi teknologi yang berkelanjutan, desain ini terus berkembang. Saat ini, kompleksitas dan harapan terhadap desain ini telah mencapai ketinggian baru, berkat inovasi insinyur listrik.

Kemajuan terbaru dalam sistem dan teknologi desain PCB telah memberikan dampak menyeluruh di seluruh industri. Sebagai hasilnya, aturan desain PCB dan proses produksi telah berkembang untuk mencapai tata letak dan kemampuan baru. Saat ini, jejak yang lebih kecil dan papan berlapis adalah hal yang umum dalam PCB diproduksi massal - desain semacam itu tidak pernah didengar tahun-tahun lalu. Perangkat lunak desain PCB juga telah membantu dengan progresi ini. Program-program ini menyediakan alat yang memungkinkan insinyur elektronik untuk merancang PCB yang lebih baik dari nol.

Meski dengan kemampuan yang ditingkatkan ini, tata letak papan PCB sulit dirancang. Bahkan insinyur elektronik paling berpengalaman mungkin kesulitan dalam membuat rangkaian pada PCB atau bagaimana merancang papan PCB sesuai dengan praktik terbaik di industri. Yang lebih sulit lagi adalah membuat papan berkualitas untuk memenuhi kebutuhan pelanggan. Dengan desain pelanggan, menyeimbangkan fungsionalitas PCB dengan praktik desain terbaik adalah proses yang terlibat. Itulah sebabnya kami telah menguraikan proses merancang PCB, termasuk beberapa aturan desain PCB esensial.

Menentukan Kebutuhan

Langkah pertama dari langkah-langkah utama desain PCB adalah kebutuhan. Untuk sebagian besar insinyur elektronik, persyaratan ini ditentukan oleh pelanggan, yang akan mencantumkan semua persyaratan yang harus dipenuhi PCB. Insinyur elektronik kemudian harus mengubah kebutuhan yang dicantumkan oleh klien ke dalam bentuk elektronik. Secara esensial, ini berarti menerjemahkannya ke dalam bahasa logika elektronik, yang akan digunakan oleh insinyur saat merancang PCB.

Kebutuhan proyek menentukan beberapa aspek desain PCB. Ini mencakup segalanya dari bahan hingga penampilan akhir PCB itu sendiri. Aplikasi PCB, seperti medis atau otomotif, seringkali akan menentukan bahan dalam PCB. Misalnya, banyak PCB medis untuk implan elektronik dibuat dengan dasar fleksibel. Ini memungkinkan mereka muat di ruang sempit sambil juga tahan terhadap lingkungan organik internal. Penampilan akhir PCB ditentukan sebagian besar oleh rangkaian dan fungsionalitasnya - misalnya, banyak PCB yang lebih kompleks dibuat dengan beberapa lapisan.

Insinyur elektronik akan menentukan dan mencantumkan kebutuhan ini, kemudian menggunakan daftar persyaratan ini untuk merancang skematik awal PCB, serta BOM.

Skematik

Desain skematik pada dasarnya adalah cetak biru yang digunakan oleh pabrikan dan insinyur lain selama proses pengembangan dan produksi. Skematik menentukan fungsi PCB, karakteristik desain, dan penempatan komponen. Perangkat keras PCB juga dicantumkan dalam skematik ini. Peralatan ini mencakup bahan PCB, komponen yang terlibat dalam desain dan bahan lain yang akan dibutuhkan pabrikan selama proses produksi.

Semua informasi ini terkandung dalam skematik selama tahap desain awal. Setelah menyelesaikan skematik pertama, desainer melakukan analisis awal, memeriksa masalah potensi dan mengeditnya jika perlu. Skematik kemudian diunggah ke alat khusus untuk digunakan dalam perangkat lunak desain PCB, yang dapat menjalankan simulasi untuk memastikan fungsionalitas. Simulasi ini memungkinkan insinyur untuk menangkap kesalahan desain apa pun yang mungkin terlewat selama pemeriksaan skematik awal. Setelah itu, desain elektronik rangkaian dapat dikonversi menjadi "netlist," yang mencantumkan informasi tentang konektivitas komponen.

Sambil mempertimbangkan desain skematik mereka, insinyur elektronik harus ingat beberapa dasar desain papan sirkuit yang krusial dari awal. Beberapa pertimbangan untuk diterapkan selama tahap pengembangan skematik meliputi yang berikut:

• 
  


• • Memilih Ukuran Panel PCB yang Tepat: Memilih ukuran papan yang paling kompatibel dengan peralatan yang akan digunakan adalah praktik terbaik yang dasar, namun sering dilupakan. Dengan cara ini, ruang ekstranya tidak terbuang sia-sia, jejak dijaga pada panjang minimum, dan biaya bahan keseluruhan tetap cukup rendah. Namun, penting untuk memastikan bahwa spesifikasi desain dioptimalkan untuk produksi massal. Pergi terlalu kecil dengan desain papan mungkin tidak layak untuk setup produksi massal yang menghasilkan cukup variasi antara potongan untuk mengganggu desain yang lebih kecil.
• • Pilih Grid yang Benar: Jarak grid selalu diatur dan diterapkan untuk cocok dengan sebagian besar komponen. Menjaga grid ini adalah salah satu hal yang paling bermanfaat yang dapat dilakukan insinyur untuk menghindari masalah jarak, jadi memilih yang terbaik untuk pekerjaan sangat penting. Jika beberapa bagian tidak bekerja sebaiknya dengan grid, desainer harus mencoba menemukan alternatif, atau, lebih baik lagi, menggunakan produk yang dirancang sendiri.
• • Terapkan DRC Seberapa Mungkin: Banyak perusahaan assembly PCB melakukan kesalahan menjalankan perangkat lunak pemeriksaan aturan desain (DRC) hanya di akhir proses desain. Ini memungkinkan kesalahan kecil dan pilihan desain yang mencurigakan menumpuk, resulting in lebih banyak kerja perbaikan di akhir proses desain. Sebaliknya, desainer harus memeriksa pekerjaan mereka dengan DRC seakibatkan yang dapat dilakukan. Ini memungkinkan mereka untuk menangani masalah yang diidentifikasi oleh DRC secepat mungkin dan meminimalkan jumlah perubahan besar di akhir proses desain. Akhirnya ini menghemat waktu dan memudahkan proses editing, sehingga tidak terlalu memberatkan.

Bill of Materials

Saat skematik dibuat, insinyur elektronik juga mengembangkan Bill of Materials, atau BOM, yang baik. Ini adalah daftar komponen yang digunakan dalam skematik papan sirkuit PCB. Setelah BOM dan skematik selesai, insinyur elektronik menyerahkan keduanya ke layout engineer dan component engineer. Insinyur ini memeriksa spesifik dan mendapatkan komponen yang diperlukan untuk proyek. Secara khusus, component engineer bertanggung jawab untuk memilih komponen yang cocok dengan skematik dalam hal tegangan dan arus operasional maksimum. Mereka juga bertanggung jawab untuk memilih peralatan yang jatuh dalam parameter ukuran dan biara yang wajar.

Lima aspek terpenting yang harus dipenuhi komponen BOM meliputi yang berikut:

• • Kuantitas: Jumlah komponen yang dibeli harus memenuhi, setidaknya, jumlah komponen yang dicantumkan dalam BOM.
• • Reference Designators: Setiap komponen harus diidentifikasi berdasarkan tempatnya dalam rangkaian pada PCB.
• • Nilai: Setiap komponen harus jatuh dalam rentang nilai tertentu, termasuk ohm, farad, dll. Biaya adalah faktor jika menjadi perhatian klien.
• • Footprint: Lokasi setiap komponen harus dicantumkan.
• • Nomor Bagian Pabrik: Lacak nomor bagian dalam case kegagalan, baik untuk pihak assembly maupun untuk referensi pabrik.

Selain pedoman BOM dasar ini, ide baik untuk mengingat beberapa pertimbangan sambil merumuskan baik BOM maupun skematik secara umum. Ini termasuk tips desain PCB berikut:

• • Integrasikan Komponen: Memilih komponen adalah salah satu pekerjaan terpenting sebagai desainer. Untuk membantu proses ini, Anda memiliki opsi untuk memilih komponen diskrit dengan nilai komponen tinggi atau rendah dan efek yang sama. Dengan mengintegrasikan komponen ini dan menghasilkan kategori nilai standar kecil, Anda dapat secara efektif menyederhanakan bill of materials dan menurunkan biaya produk.


• 


• • Terapkan Kapasitor Decoupling: Jangan pernah mencoba mengoptimalkan desain Anda dengan menghilangkan kapasitor daya. Banyak desainer menghindari kapasitor ini dalam upaya yang salah untuk mengurangi biaya. Kapasitor harganya rendah dan sangat awet, menambahkan ketahanan pada desain Anda. Kapasitor juga akan membantu menjaga ketertiban papan sirkuit Anda sambil menjaga biaya rendah. Fokus pada tips di atas jika Anda khawatir tentang BOM Anda.

Penempatan Komponen PCB

Setiap komponen harus memiliki tempatnya yang ditetapkan pada desain papan sirkuit. Memilih penempatan yang benar adalah bagian yang sulit. Menentukan tempat terbaik untuk elemen bergantung pada banyak faktor dan pertimbangan untuk desainer, termasuk manajemen termal, pertimbangan kebisingan listrik, dan fungsi PCB secara keseluruhan. Namun, dalam sebagian besar kasus, desainer akan menempatkan komponen dalam urutan berikut:

• • Connector
• • Rangkaian daya
• • Rangkaian sensitif dan presisi
• • Komponen kritis rangkaian
• • Semua elemen lain

Beberapa pertimbangan desain lainnya untuk diingat selama tahap siklus desain ini meliputi yang berikut:

• • Identifikasi dan Bagi Komponen yang Membingungkan dan Titik Uji yang Diperlukan: Jika ada komponen yang membingungkan pada PCB, letakkan di dekat titik uji yang diperlukan untuk deteksi kesalahan yang lebih tepat waktu.
• • Terapkan Cetak Silkscreen Secara Fleksibel: Cetak silkscreen dapat menandai berbagai informasi untuk digunakan oleh pabrik PCB, insinyur, assembly, dan penguji selama berbagai bagian proses assembly PCB. Pada silkscreen, ide baik untuk menandai fungsionalitas, tanda uji, dan arah penempatan komponen dan koneksi. Coba terapkan silkscreen di bagian atas dan bawah papan sirkuit cetak untuk menghindari pekerjaan duplikat sambil juga menjelaskan arah untuk assembly manual, menyederhanakan proses produksi.

Setelah komponen individu ini ditempatkan pada desain papan sirkuit cetak, sebaiknya lakukan putaran pengujian lagi untuk memverifikasi operasi yang tepat papan. Ini akan membantu mengidentifikasi pilihan desain yang bermasalah dan membantu mengidentifikasi penyesuaian potensial apa pun.

Routing

Setelah komponen ditempatkan pada PCB, langkah selanjutnya dalam dasar desain PCB adalah menghubungkannya semua. Setiap elemen pada papan terhubung melalui jejak, yang direalisasikan melalui routing yang tepat. Namun, routing memproses desain tersendiri, karena banyak pertimbangan yang harus dipertimbangkan desainer. Faktor-faktor ini meliputi tingkat daya, sensitivitas kebisingan sinyal, pembangkitan kebisingan sinyal, dan kemampuan routing.

Untungnya, mayoritas perangkat lunak desain PCB akan meroute jejak menggunakan netlist yang dikembangkan dari skematik. Program ini melakukannya dengan menggunakan jumlah lapisan yang tersedia untuk koneksi dan menghitung rute terbaik untuk memanfaatkan ruang. Program ini juga mengubah desain jika diperlukan. Ini dapat memerlukan banyak daya komputasi, terutama untuk model yang lebih besar. Hasilnya adalah proses routing yang lebih lama - program dapat membutuhkan lebih banyak waktu ketika komponen ditempatkan dalam susunan yang sangat padat.

Sementara sebagian besar perangkat lunak PCB akan meroute jejak sesuai dengan netlist dari skematik, perangkat lunak ini tidak universal. Tidak semua desainer PCB menggunakan perangkat lunak routing otomatis, dan bahkan mereka yang melakukannya cenderung memeriksa jejak untuk masalah. Ini selalu praktik yang bagus, karena bahkan komputer dapat menghasilkan hasil yang tidak disukai desainer.

Aturan jempol umum untuk jejak adalah bahwa yang memiliki lebar 10 hingga 20 mil mampu membawa arus 10 hingga 20 mA. Sementara itu, jejak dengan lebar 5 hingga 8 mil dapat membawa arus di bawah sepuluh mA. Ini adalah pertimbangan yang sangat penting untuk desain PCB arus tinggi atau desain untuk PCB dengan sinyal yang berubah dengan cepat, karena meroutenya ke node frekuensi tinggi akan memerlukan lebar jejak tertentu.

• 


• • Distribusikan Garis Daya dan Ground dengan Tepat: Sebagian besar desainer PCB akan melengkapi satu lapisan rangkaian untuk digunakan sebagai ground plane. Satu lagi biasanya akan dilengkapi sebagai power plane. Ini membantu mengurangi tingkat kebisingan pada PCB dan memungkinkan desainer untuk membuat koneksi resistansi sumber rendah. Salah satu praktik desain PCB yang baik adalah mendistribusikan garis sesuai dengan power plane sejauh mungkin. Ini membantu meningkatkan efisiensi dan mengurangi impedansi sambil memberikan jalur ground loop yang cukup.
• • Pertahankan Jejak Pendek: Pastikan jejak sempendek mungkin pada setiap tahap desain. Sementara sebagian besar proses assembly PCB mencakup langkah untuk mengoptimalkan panjang jejak, ini harus diterapkan pada setiap tahap desain. Aturan ini harus dipatuhi lebih ketat lagi saat desainer bekerja dengan rangkaian analog atau digital berkecepatan tinggi. Jenis rangkaian cetak ini, yang biasa ditemukan di mobil dan perangkat telekomunikasi, lebih parah dipengaruhi oleh impedansi dan efek parasit.

Pemeriksaan

Memeriksa desain adalah langkah paling penting dalam proses desain. Segmen proses ini mempertimbangkan segala sesuatu tentang desain, mencari masalah potensi yang menggebu-gebu desain PCB.

Misalnya, masalah umum dalam desain PCB adalah panas. PCB dengan desain termal sempurna dapat menjaga seluruh papan suhu yang konsisten dan seragam, mencegah titik panas. Namun, titik panas dan ketidakkonsistenan suhu semacam itu dapat disebabkan oleh sejumlah fitur desain, seperti variasi ketebalan tembaga, jumlah lapisan pada PCB, ukuran papan PCB yang lebih besar, dan keberadaan atau keberadaan jalur termal.

Pemeriksaan desain sederhana dapat menangkap masalah potensi dalam manajemen panas PCB, sebagian besar perangkat lunak DRC PCB juga dapat menangkapnya. Ada beberapa metode untuk menurunkan suhu operasional PCB, banyak dari mereka diminimalkan oleh dasar desain PCB. Beberapa tips pengelolaan panas ini meliputi:

• • Hubungkan ground plane atau power plane padat dengan lebih banyak lapisan secara langsung ke sumber panas PCB. Plane-plane ini biasanya lebih mampu dissipasi panas, karena cenderung mengandung lebih banyak tembaga.
• • Buat rute panas dan arus tinggi yang efektif untuk membantu mengarahkan dan dissipasi panas. Ini dapat membantu mengoptimalkan transfer panas.
• •. Maksimalkan area yang digunakan untuk transfer panas. Ini dapat membantu menjaga suhu lebih rendah di seluruh papan. Namun, ini adalah sesuatu yang harus dipertimbangkan awal dalam proses desain, karena dapat mempengaruhi ukuran papan.

Sebagian besar perangkat lunak DRC dapat menangkap masalah yang disebutkan di atas. Perangkat lunak DRC mengambil semua detail tentang desain CRC dan menentukan apakah tata letak memenuhi daftar parameter yang ditetapkan sebelumnya. Ini disebut aturan desain PCB. Ideally, seperti sebelumnya disebutkan, DRC harus digunakan selama proses desain untuk mengidentifikasi area masalah sejak awal. Namun, jika segalanya gagal, menggunakan DRC setelah semuanya selesai dapat menghemat banyak waktu desain dan kebingungan antara desainer dan perusahaan assembly.

Langkah pemeriksaan dalam proses desain tidak hanya mencakup pemeriksaan DRC - itu juga mencakup beberapa proses verifikasi fisik lainnya, termasuk pemeriksaan layout-versus-schematic (LVS), pemeriksaan XOR, pemeriksaan aturan listrik (ERC) dan pemeriksaan antena. Produsen PCB yang lebih lanjut mungkin menggunakan pemeriksaan dan aturan tambahan untuk meningkatkan yield, tetapi ini adalah pemeriksaan dasar yang biasanya digunakan oleh desainer dan produsen.

Selain itu, praktik yang baik untuk memverifikasi parameter manufaktur sebelum pengiriman. Sebelum mengirimkan desain akhir untuk produksi, desainer harus secara pribadi membuat dan memverifikasi parameter manufaktur PCB. Meski sebagian besar produsen bersedia mengunduh dan memverifikasi berkas desain untuk klien mereka, lebih baik untuk memeriksa kembali desain sebelum mengirimnya. Ini dapat membantu menghindari kebingungan atau kesalahpahaman dan dapat menghindari kerugian akibat produksi dengan parameter yang salah. Langkah verifikasi ini juga dapat mempercepat proses dengan mengurangi jumlah waktu yang diperlukan untuk memperbaiki dan memverifikasi ulang desain sebelum produksi dimulai.

Temukan Layanan Assembly untuk Desain Anda

Desain PCB dapat disederhanakan dengan menerapkan teknik dasar dan praktik terbaik di atas. Ini dapat menjadi lebih sederhana dengan bekerjasama dengan layanan supply dan assembly PCB yang bekerja dengan Anda untuk membuat PCB terbaik dan paling hemat biaya yang mungkin.

PCBCart adalah pemasok papan sirkuit cetak di seluruh dunia, dengan pelanggan setia di seluruh dunia. Kami tahu Anda tidak dapat menanggung biaya PCB berkualitas rendah, itulah sebabnya kami mengikuti standar kualitas internasional yang paling ketat. Kami juga tahu Anda memerlukan bahan hemat biaya, itulah sebabnya kami menawarkan PCB dengan harga yang tidak tertandingi. Kami menawarkan Anda layanan PCB terbaik dengan harga terendah yang mungkin untuk memungkinkan Anda fokus lebih sedikit pada pemasok dan lebih pada bisnis Anda.

Perwakilan layanan pelanggan ahli kami menunggu untuk membantu Anda. Hubungi kami hari ini untuk mempelajari lebih lanjut tentang aturan desain PCB dan proses assembly serta bagaimana kami dapat membantu Anda dengan proyek desain PCB Anda berikutnya. Jika Anda sudah memiliki desain dan ingin memulai assembly, silakan dapatkan kuotansi dengan mengklik tombol di bawah ini:

Sumber berguna:
• Persyaratan Berkas Desain PCB untuk Kuotansi dan Produksi Assembly PCB Cepat
• Layanan Pembuatan PCB Lengkap Dimulai dari 1 Potong
• Layanan Assembly PCB Turnkey Lanjutan - Beberapa Opsi Nilai Tambah
• Tips Desain PCB untuk Memanfaatkan Kemampuan Assembly PCBCart dengan Lebih Baik dan Menghemat Biaya
• Desain PCB untuk Memanfaatkan Kemampuan Manufaktur PCBCart dengan Lebih Baik