Panduan Desain PCB: Standar dan Pertimbangan Utama

Desain PCB harus mempertimbangkan berbagai aspek. Aspek tersebut meliputi standar, material, mekanis dan kelistrikan. Manajemen termal, EMC, dan proses manufaktur juga harus dipertimbangkan. Tentu saja, biaya produksi tidak boleh diabaikan.

Aspek Desain PCB

Pertimbangan Desain PCB

1. Standard
2. Properti Material
3. Pertimbangan Mekanis
4. Pertimbangan Kelistrikan
5. Manajemen Termal
6. Penempatan dan Orientasi Komponen
7. Interkoneksi / Routing
8. Kompatibiltas Elektromagnetik (EMC)
9. Persyaratan Tes
10. Dokumentasi

1. Standard Desain PCB

Dalam desain PCB (Printed Circuit Board), ada beberapa standar yang dapat dijadikan acuan. Salah satu standar yang umum digunakan adalah IPC (Association Connecting Electronics Industries). IPC mengeluarkan serangkaian standar. Standar ini mencakup berbagai aspek desain PCB. Aspek tersebut termasuk ukuran, tata letak komponen, routing jalur, toleransi, dan banyak lagi. Berikut adalah beberapa standar IPC yang umum digunakan:

• IPC-2221: Standar Desain PCB Umum – Menyediakan pedoman umum untuk desain PCB. Ini termasuk spesifikasi bahan, toleransi, tata letak jalur, dan keandalan.
• IPC-2222: Standar Tata Letak Komponen – Memberikan pedoman tentang tata letak komponen pada PCB. Ini mencakup ukuran, jarak antara komponen, orientasi, dan kriteria lainnya.
• IPC-2223: Standar Desain PCB Fleksibel – Menyediakan pedoman untuk desain PCB fleksibel dan fleksibel-berangkai. Ini mencakup spesifikasi bahan, toleransi, tata letak jalur, dan keandalan.
• IPC-2224: Standar Desain PCB Berlubang-dalam – Ini adalah panduan untuk desain PCB berlubang-dalam (multilayer). Panduan ini mencakup spesifikasi bahan, toleransi, tata letak jalur, dan keandalan.
• IPC-6012: Standar Kualitas PCB – Merupakan standar untuk kualitas PCB, termasuk spesifikasi bahan, toleransi, pelapisan, tata letak jalur, dan keandalan.
• IPC-7351: Standar Model Komponen – Menyediakan model komponen standar untuk digunakan dalam desain PCB, termasuk footprint (jejak) dan parameter lainnya.

Selain standar IPC, terdapat pula standar lain yang digunakan dalam desain PCB, tergantung pada industri atau aplikasi spesifik. Penting untuk selalu memperhatikan standar persyaratan umum untuk keselamatan dasar dan kinerja esensial produk yang berlaku. Pilihlah standar yang sesuai dengan peruntukan PCB, kebutuhan proyek, dan industri yang anda kerjakan.

2. Properti Material PCB

PCB terdiri dari beberapa lapisan atau disebut juga layer yang dilaminasi menjadi satu. Lapisan PCB terdiri dari lapisan dasar atau core, lapisan tembaga dan lapisan plating. terdapat juga lapisan tipis terluar dari bahan polimer atau soldermask. Pada saat desain, pemilihan jenis bahan dasar PCB tergantung pada penggunaannya. Terdapat beberapa jenis bahan dasar PCB antara lain FR2, CEM1, CEM3, FR4, FR5, teflon dan polymid. Masing-masing bahan memiliki karakteristik yang berbeda.

3. Pertimbangan Mekanis Pada Desain PCB

3.1. Ukuran Maksimum Panel PCB

Dalam pembuatan PCB ukuran panel PCB yang tersedia pada manufacture PCB harus menjadi pertimbangan desain. Mengetahui ukuran panel PCB sangat penting. Ini menentukan bentuk dan ukuran dari PCB yang kita desain. Dengan demikian, kita dapat memaksimalkan panel PCB untuk mendapatkan jumlah PCB yang optimal. Hal ini tentu saja akan mempengaruhi harga PCB. Ukuran yang umum di pasaran adalah 640mm x 610mm.

3.2. Panelisasi PCB

Panel PCB harus memiliki lubang tooling (tooling hole) untuk proses pabrikasi dan assembly. Lubang tooling memiliki diameter 156mil tanpa plating dan telakkan pada ketiga sudut panel dengan jarak dari tepi PCB 197mil.

3.3. Fiducial Mark

PCB dengan komponen SMD harus memiliki tiga buah fiducial mark global dengan diameter pad 40mil dan clearance 120mil. Letakkan global fiduial sesuai dengan konfigurasi lubang tooling.

4. Pertimbangan Kelistrikan Pada Design PCB

4.1. Distribusi Daya

Pisahkan jalur ground untuk rangkaian referensi, analalog dan digital

Arus digital yang mengalir pada jalur balik analog menghasilkan kesalahan voltase.

Pin ground analog (AGND) dan digital (DGND) konverter data harus kembali ke ground analog sistem.

Pemisahan ground plane region antara rangkaian analog dan digital

4.2 Decoupling

Kapasitor decoupling adalah kapasitor dengan nilai tertentu. Ia terletak sangat dekat dengan IC. Kapasitor ini menghubungkan pin VCC dan GND pada IC tersebut. Tujuan penggunaan kapasitor decoupling antara lain untuk menekan noise dan memberikan catu daya yang stabil. Kapasitor ini juga memberikan daya yang cukup ke IC dan menjaga tegangan tetap stabil. Selain itu, kapasitor decoupling juga meminimalkan efek negatif dari fluktuasi tegangan. Kapasitor ini memberikan jalur balik arus pendek dan meminimalkan loop arus untuk mengurangi EMI.

Tempatkan kapasitor sedekat mungkin ke catu daya. Gunakan kapasitor yang lebih besar sebagai metode filter frekuensi rendah dan untuk mencegah droop tegangan. Tambahkan filter pasif jika perlu untuk memberikan isolasi yang diperlukan dari noise catu daya frekuensi tinggi

Tambahkan kapasitor decoupling sedekat mungkin ke IC. Gunakan kapasitor keramik / kapasitor induktansi rendah.   Jalur ke IC pastikan lebar dan sependek mungkin.

4.3 Daya Dukung Arus

Besarnya arus yang dapat melewati jalur tembaga tergantung dari lebar dan ketebalan lapisan dari jalur tembaga. Semakin tebal dan lebar jalur tembaga maka semkain besar arus yang bisa dilewatkan ke jalur tersebut. Buat jalur selebar mungkin agar jalur tembaga tidak terbakar/putus ketika arus yang cukup besar mengalir pada jalur tersebut. Namun terkadang tidak memungkinkan dan tidak praktis membuat jalur selebar mungkin karena luasan PCB yang terbatas atau hambatan desain lainnya. Berikut beberapa hal yang perlu kita perhatikan dalam pembuatan jalur untuk arus yang besar:

4.3.1. Membuat Jalur Sependek Mungkin

Jalur tembaga yang panjang akan meningkatkan resistansi dari jalur tesebut. Dengan membuat jalur sependek mungkin maka dapat diminimalkan rugi-rugi daya pada jalur. Kehilangan daya dapat menyebabkan banyak panas pada PCB sehingga umur PCB menjadi lebih pendek.

4.3.2. Menghitung lebar jalur dan peningkatan panas yang sesuai

Lebar jalur pada PCB adalah fungsi dari beberapa parameter. Parameter tersebut termasuk arus yang melewati jalur, tebal tembaga, dan kenaikan suhu yang diijinkan dalam desain. IPC-2221 memberikan rekomendasi kapasitas arus untuk lebar jalur dengan berbagai variasi peningkatan panas. Kenaikan suhu yang diijinkan pada PCB adalah 10 derajat celcius. Namun dapat juga ditingkatkan hingga 20 derajat celsius jika bahan PCB memungkinkan untuk kenaikan suhu tersebut.

4.3.3. Menambahkan timah pada jalur

Jika tidak mungkin membuat jalur yang cukup besar maka lakukan penambahan timah pada jalur PCB. Timah pada jalur tembaga akan menambah ketebalan dari jalur dengan resistansi yang rendah (resistansi timah lebih rendah dari resistansi tembaga). Dengan bertambahnya tebal jalur maka kapasitas arus dari jalur akan meningkat tanpa harus memperlebar ukuran jalur tesebut.

4.3.4. Menggunakan Polygon Pour

Letakkan polygon pour tepat di bawah IC. Kemudian buat beberapa vias untuk menghubungkan polygon pour dengan jalur yang lebih lebar. Jika desain PCB adalah PCB multilayer, gunakan internal layer atau power plane layer untuk mendapatkan jalur yang lebar.

4.4. Electrical Clearances & Creepage

Electrical clearances adalah isolasi kelistrikan antara dua konduktor. Ini merupakan jalur terpendek antara dua bagian konduktif. Jalur ini juga dapat antara bagian konduktif dan permukaan pembatas peralatan yang diukur melalui udara. Electrical creepage adalah jalur terpendek antara dua bagian konduktif. Ini juga bisa antara bagian konduktif dan permukaan pembatas peralatan. Pengukurannya dilakukan sepanjang permukaan insulasi.

Pada perancangan PCB, aturan electrical clearance dan creepage menjadi sangat penting. Pentingnya terutama pada perspektif keamanan produk. Hal ini berlaku ketika tegangan operasi normal lebih besar dari 30VAC atau 60VDC.

5. Manajemen Thermal Pada Design PCB

Banyak komponen seperti Analog-to-Digital-Converter (ADC) dan OpAmp sangat peka terhadap perubahan suhu. Sinyal dari komponen-komponen tersebut dapat berubah seiring dengan naik atau turunnya suhu sehingga perlu isolasi secara thermal. Berikut beberap hal yang dapat dilakukan untuk isolasi thermal:

1. Letakan komponen yang peka terhadap panas sejauh mungkin dari komponen yang menghasilkan panas (sertakan heat-sink bila perlu).
2. Gunakan pola pelepas panas (thermal relief) untuk setiap layer koneksi ground atau tegangan.
3. Jangan menghubungkan jalur yang lebih lebar dari [10 mil] langsung ke komponen SMT (lihat 4.3.2 untuk hubungan antara lebar jalur dan kenaikan temperature)
4. Tambahkan cutout untuk memisahkan antara komponen yang peka terhadap suhu dengan komponen yang menghasilkan panas.
5. Hindari penggunakan polygon pour di bawah komponen yang sensitif terhadap suhu.

6. Penempatan dan Orientasi Komponen Pada Design PCB

6.1. Orientasi Komponen

Gunakan kisi penempatan komponen: 100mil, 50mil, 25mil. Polaritas komponen dan pin pertama IC harus berorientasi secara konsisten (dalam arah yang sama) di seluruh desain yang diberikan. Orientasi komponen yang disarankan adalah 0°, 90°, 180°, 270°.

6.2 Jarak Antar Komponen

Usahakan untuk tidak meletakkan komponen lebih dekat dari 125 mil dari tepi PCB. Atur jarak antar komponen (minimum clearance) sebesar 100mil. Rekomendasi kepadatan komponen adalah 70% dari keseluruhan luas PCB dan tidak boleh lebih tinggi dari 90%.

7. Interkoneksi Pada Design PCB

7.1 Pad

7.2. Via

Via banyak digunakan untuk berbagai macam kebutuhan. Contohnya adalah menghubungkan sinyal dari satu layer ke layer lain, thermal pad, dan fanout. Jangan meletakkan Vias di bawah bagian komponen dengan logam kecuali untuk menghubungkan bagian komponen dengan logam ke jalur tembaga.

7.2.1. Via Stitching

Via stitching merupakan teknik yang digunakan dalam desain PCB untuk meningkatkan kinerja grounding dan mengurangi gangguan elektromagnetik (EMI). Teknik ini melibatkan penggunaan sejumlah besar via yang ditempatkan secara merata di sekitar area tertentu pada PCB. Penempatan ini biasanya di sekitar ground plane atau power plane.

Kegunaan utama dari via stitching adalah sebagai berikut:

• Grounding yang lebih baik: Dengan menempatkan vias yang saling terhubung di sekitar bidang tanah, via stitching membentuk jalur grounding. Jalur tersebut memiliki resistansi rendah dan induktansi rendah. Ini membantu mengurangi perbedaan potensial dan noise pada bidang tanah, serta memastikan distribusi tegangan yang seragam di seluruh PCB.
• Penekanan loop arus: Dalam desain PCB, loop arus yang besar dapat menciptakan medan magnetik yang kuat, menyebabkan masalah EMI. Via stitching membantu membagi loop arus menjadi loop yang lebih kecil dan berpotensi mengurangi radiasi elektromagnetik yang tidak diinginkan.
• Pengendalian EMI: Dengan mengurangi loop arus dan memperbaiki grounding, via stitching membantu mengontrol dan mengurangi EMI. EMI ini dapat mengganggu kinerja sirkuit. Ini juga dapat berinterferensi dengan komponen elektronik lainnya.
• Pengendalian lintasan balik (return path): Lintasan balik arus merupakan faktor penting dalam desain PCB yang dapat mempengaruhi kinerja sirkuit. Dengan menggunakan via stitching di sekitar bidang tanah atau daya yang berdekatan dengan lintasan sinyal, lintasan balik arus dapat ditingkatkan. Hal ini mengurangi jalur balik yang panjang. Selain itu, meningkatkan integritas sinyal.
• Perbaikan stabilitas daya: Penggunaan via stitching pada bidang daya dapat membantu memperbaiki stabilitas tegangan. Ini juga dapat mengurangi fluktuasi tegangan yang tidak diinginkan pada komponen sensitif.

Penempatan dan distribusi vias stitching harus diperhatikan dengan cermat untuk mencapai hasil yang diinginkan. Penggunaan via stitching yang tepat dapat membantu meningkatkan kualitas sinyal, mengurangi EMI, dan meningkatkan kinerja keseluruhan PCB.

7.2.2. Via Thermal Pad

Komponen SMD terkadang dilengkapi dengan die pad yang terdapat pada bagian bawah IC.Die pad digunakan untuk thermal management atau integritas sinyal. Detail spesifikasi thermal pad biasanya tercantum pada datasheet komponen. Namun secara umum diameter via yang adalah 10mil dengan jarak antar via sebesar 48mil.

7.2.3 Via Fanout

Via fanout adalah proses dalam desain PCB. Proses ini melibatkan penempatan dan routing via. Tujuannya adalah untuk menghubungkan jalur sinyal pada lapisan atas PCB ke lapisan bawah atau sebaliknya. Ini terutama digunakan ketika ada komponen yang memiliki banyak pin yang harus dihubungkan ke jalur sinyal yang sesuai.

Proses via fanout melibatkan penempatan vias di sekitar pad komponen dan penghubungan vias tersebut ke jalur sinyal yang tepat. Via fanout harus dirancang sedemikian rupa sehingga memastikan jalur sinyal yang efisien dan memenuhi persyaratan tegangan, impedansi, dan integritas sinyal.

Penting untuk memperhatikan faktor-faktor seperti panjang jalur sinyal, jarak antar-vias, dan lintasan balik arus saat merancang via fanout. Tujuan utama dari via fanout adalah memastikan transfer sinyal yang baik. Ini juga mengurangi gangguan lintas-sinyal (crosstalk). Ia mempertahankan kualitas sinyal yang baik di seluruh PCB.

Desainer PCB dapat menggunakan teknik via fanout yang tepat. Ini memungkinkan mereka mengoptimalkan routing jalur sinyal. Hal ini juga memastikan kinerja yang baik dari desain PCB secara keseluruhan.

7.3. Routing

Berikut beberapa rekomendasi dalam melalukan routing jalaur PCB

• Tambahkan tear drop pada jalur tembaga yang tehubung dengan Pad terutama untuk jalur yang kecil.

• Lebar jalur digital minimal 8mil. Lebar jalur untuk arus yang tinggi dapat dilihat pada 4.3.2
• Spasi pad ke pad minimal 10mil.
• Spasi jalur ke jalur minimal 8mil.

• Gunakan sudut jalur 45 derajat dan atau 90 derajat.

• Buat Jalur PCB sependek dan seoptimal mungkin.

7.4 Test Point

Sediakan titik uji (test point) untuk semua node pada sisi solder PCB, termasuk pada pin IC yang tidak terpakai. Test point dapat berupa true-hole lead, via atau atau permukaan pads. Distribusikan Test point harus secara merata pada area PCB.

8. Proteksi ESD Pada Design PCB

Electro Static Discharge (ESD) merupakan aliran listrik antara dua objek yang bermuatan listrik secara tiba-tiba. Pelepasan muatan listrik statis secara tiba-tiba menghasilkan loncatan lucutan listrik yang sangat tinggi sehingga dapat merusak perangkat elektronika. Oleh karena itu proteksi terhadap ESD menjadi sangat penting untuk mencegah kerusakan komponen elektronika.

Salah satunya dengan menambahkan rangkaian dua buah diode dengan bias mundur yang menjepit jalur masukan/keluaran ke jalur tegangan dan ground.

Selain menggunakan rangkaian dioda, layout dan desain PCB juga sangat penting untuk menekan ESD. Berikuk adalah beberapa hal yang perlu anda lakukan pada desain PCB untuk proteksi ESD

• Hindari loop rangkaian
• Gunakan ground plane
• Buat jalur sependek mungkin
• Kurangi induktansi parasitik di sekitar rangkaian proteksi
• Buat jalur input/output sejauh mungkin dari pinggir PCB

Referensi

1. IPC-2221, Generic Standard on Printed Board Design, 1998, Institute for Interconnecting and Packaging Electronics Circuit
2. Clutter-Hammer, Printed Circuit Board Design Guidelines, Rev 1.04
3. Brooks, Douglas, Signal Integrity Issues and Printed Circuit Board Design, 2003, Prentice Hall PTR
4. Henry W. Ott, Noise Reduction Techniques in Electronic System-2nd Ed,1939, A Wiley-Interscience Publication
5. R.S. Khandpur, “Printed Circuit Board: Design, Fabrication and Assembly”, McGraw-Hill, 2005
6. “PCB Design Guidelines for reducing EMI”, Texas Instrument, https://www.ti.com/lit/an/szza009/szza009.pdf
7. ” Best Practices for Board Layout of Motor Drivers”, Texas Instrument, http://www.ti.com/lit/an/slva959a/slva959a.pdf
8. “AN 114: Board Design Guidelines for Intel Programmable Device Packages”, Intel, https://www.intel.com/content/dam/www/programmable/us/en/pdfs/literature/an/an114.pdf