Desain PCB untuk Pemula: Panduan Langkah demi Langkah untuk Membuat Papan Pertama Anda

Papan pertama yang dikirim oleh seorang pemula biasanya datang kembali dengan salah satu dari tiga masalah: jejak konektor berada setengah milimeter dari bantalannya, jejak daya menjadi hangat di bawah beban, atau paket Gerber yang harus dikirimkan oleh pabrikan melalui email kepada Anda sebelum pekerjaan dapat dimulai. Tak satu pun dari itu adalah kesalahan sirkuit. Itu adalah keputusan tata letak dan penyerahan yang dibuat setelah skema berfungsi di layar.

Untuk desain pertama, jalur yang dapat diandalkan sempit. Pertahankan papan satu sisi atau dua lapis, tempatkan setiap konektor dan lubang pemasangan sebelum merutekan satu jalur, ukur jalur daya dari tabel saat ini alih-alih dilihat secara kasat mata, dan selesaikan dengan pemeriksaan aturan desain yang sesuai dengan apa yang sebenarnya dapat diproduksi oleh pabrikan Anda. Bagian di bawah ini menjelaskan alasan setiap langkah tersebut ada dan berapa biayanya jika Anda melewatkannya.

Mulailah Dengan Skema dan Jejak yang Dapat Anda Verifikasi

Skema bukanlah dokumen yang Anda selesaikan sebelum pekerjaan desain "nyata" dimulai. Netlistlah yang menentukan tata letak, daftar bahan baku, dan gambar perakitan, dan setiap ketidakcocokan yang tersisa di dalamnya menjadi jejak tembaga yang harus Anda potong nanti.

Habiskan waktu ekstra di perpustakaan alih-alih di tata letak. Repositori terbuka dan situs distributor penuh dengan jejak kaki yang digambar oleh pengguna lain, dan bantalan yang terlalu sempit 0,2 mm masih terlihat meyakinkan di layar sementara membuat penyolderan tangan hampir tidak mungkin dilakukan.

• Salin pola lahan yang direkomendasikan dari lembar data komponen daripada menggambar sendiri.
• Konfirmasikan orientasi pin 1 dan periksa apakah bagian tersebut dicerminkan ketika berada di sisi bawah.
• Pastikan setiap halaman tapak tidak tumpang tindih dengan halaman tetangganya.
• Cocokkan jumlah pad dari tapak kaki dengan simbol sebelum mengimpor keduanya ke dalam tata letak.

Jika Anda masih membangun model mental dari keseluruhan aliran, panduan dasar-dasar desain PCB, pilihan tumpukan, dan tip pemecahan masalah layak dibaca sebelum Anda menggunakan alat tata letak di akhir pekan.

Papan Satu Sisi atau Dua Lapis Biasanya Cukup

Untuk proyek pertama, satu atau dua lapisan hampir selalu membawa sirkuit, dan papan yang lebih sederhana lebih murah untuk dibuat, lebih cepat sampai, dan jauh lebih mudah untuk dikerjakan ulang ketika terjadi kesalahan.

Papan satu sisi menempatkan setiap jejak di bagian bawah tembaga dan setiap bagian di atas. Tidak ada vias berlapis yang perlu dikhawatirkan, dan jika satu jejak harus melintasi jejak lainnya, Anda menyelesaikannya dengan tautan kawat alih-alih mendesain ulang. Itulah sebabnya banyak proyek pertama — pengatur waktu, kerusakan sensor, driver transistor tunggal — hanya bersifat satu sisi.

Hasil akhir permukaan lebih penting daripada yang diharapkan oleh pemula. OSP, bahan pengawet kemampuan solder organik, menghasilkan tembaga pipih yang dapat disolder dengan baik, memiliki umur simpan yang wajar, dan harganya lebih murah dibandingkan pelapisan emas. Papan OSP satu sisi adalah pilihan pertama yang masuk akal karena hanya ada sedikit papan yang dapat rusak oleh besi solder yang kikuk.

Papan PCB OSP Satu Sisi PCB OSP satu sisi menggunakan perawatan permukaan film solderabilitas organik (OSP), yang ramah lingkungan dan tidak beracun. Mereka menawarkan bantalan yang sangat datar, ... Lihat Produk →

Dua lapisan memberi Anda ground plane berkelanjutan di satu sisi, yang merupakan peningkatan kebisingan dan kualitas sinyal terbesar yang tersedia dengan biaya yang sangat sedikit. Jika desain Anda mencakup regulator switching, bus SPI, atau kristal, mulailah dengan dua lapisan.

Pindah ke Empat Lapisan Saat Perutean atau Kebisingan Menuntutnya

Empat lapisan tidak lagi menjadi kemewahan ketika kepadatan sinyal atau kecepatan jam meningkat. Pengaturan standar yang ramah bagi pemula adalah sinyal, ground, daya, sinyal: setiap jejak mendapat bidang referensi kontinu tepat di bawahnya, yang menghilangkan sebagian besar dugaan jalur kembali yang mengganggu tata letak dua lapis.

Langkah dari dua lapisan ke empat adalah nyata tetapi biasanya lebih kecil dari yang ditakutkan orang, dan ini menghasilkan papan yang lebih tenang dengan waktu tata letak yang jauh lebih sedikit. Pembuatan empat lapis standar dengan masker solder hijau dan lapisan OSP adalah tempat berakhirnya banyak desain serius pertama.

PCB OSP Hijau 4 Lapisan Empat lapis double-sided green OSP boards, using high-Tg FR-4 substrate and environmentally friendly OSP (organic soldering flux) surface treatment process, the green s... Lihat Produk →

Tempatkan Komponen Sebelum Anda Merutekan Apa Pun

Penempatan menentukan sebagian besar kesulitan perutean Anda. Pemula sering kali menempatkan komponen secara kasar, memulai perutean, dan baru kemudian menemukan bahwa konektor harus dipindahkan.

1. Tempatkan konektor, sakelar, LED, dan lubang pemasangan terlebih dahulu, karena enklosur menentukan ke mana konektor tersebut akan dipasang.
2. Tambahkan komponen dengan batasan mekanis berikutnya: kristal, antena, heatsink, apa pun yang memiliki area penahan.
3. Letakkan setiap kapasitor pelepasan kopling sedekat mungkin dengan pin daya yang dilayaninya, pada sisi yang sama jika ruang memungkinkan.
4. Susun komponen-komponen yang tersisa sehingga koneksi antar komponen tetap pendek, lalu mulailah perutean.

Jaga jarak tembaga setidaknya 0,3 mm dari garis luar papan kecuali jika pabrikator menyatakan sebaliknya, dan ingat bahwa tepi bergaris V atau beralur menghilangkan material setelah perakitan. Jangan mengubur titik uji di bawah bagian yang tinggi, dan tinggalkan ruang pemeriksaan di sekitar apa pun yang perlu Anda ukur — Andalah yang akan mengukurnya.

Ukuran Jejak Dari Saat Ini, Bukan Dari Kebiasaan

Lebar jejak adalah keputusan termal sebelum hal lainnya. Jejak yang terlalu sempit untuk arusnya memanas, dan kenaikan suhu tersebut — bukan arusnya saja — inilah yang pada akhirnya merusak laminasi atau sambungan solder.

Kurva IPC-2221 berada di belakang hampir setiap kalkulator lebar jejak online, dan polanya sederhana: lebar bertambah lebih cepat daripada yang ada saat ini. Perpindahan dari 1 A ke 2 A pada ketebalan tembaga yang sama akan mengalikan lebar yang dibutuhkan sekitar 2,6, bukan dua. Jejak lapisan dalam juga menjadi lebih panas karena laminasi memerangkap panas, sehingga jejak dalam membutuhkan sekitar 2,6 kali lebar setara lapisan luarnya.

Perlakukan angka-angka tersebut sebagai nilai minimum hanya untuk suhu. Penurunan tegangan, impedansi terkontrol, dan arus sekering semuanya memiliki lebar dorong yang lebih tinggi.

Ketika sebuah desain benar-benar membawa arus, berat tembaga dan penyelesaian permukaan menjadi keputusan tata letak daripada detail pembelian. Dua ons tembaga kira-kira membagi dua lebar meja, dan hasil akhir solder bebas timah, seperti yang digunakan pada papan bebas timah dua sisi yang dibuat untuk listrik dan elektronik otomotif, layak untuk ditentukan sejak awal karena akan mengubah proses dan permukaan tempat Anda akan menyolder.

PCB Solder Bebas Timah Hijau Dua Sisi Untuk Listrik & Elektronik Otomotif Papan berlapis timah bebas timah hijau dua sisi. Penghalang logam tebal yang dibentuk oleh lapisan timah memiliki kinerja pembuangan panas yang sangat baik dan kemampuan menangani ... Lihat Produk →

Geometri juga penting. Rutekan pada 45 derajat, bukan 90, pertahankan loop arus tinggi secara fisik kecil, dan jalankan jejak sinyal di tanah yang tidak terputus di mana pun tumpukan memungkinkannya.

Jalankan DRC Melawan Batas Nyata Pabrikan

Pemeriksaan aturan desain bukanlah formalitas yang disimpan sampai akhir. Tetapkan aturan Anda dari kemampuan yang dipublikasikan fabrikator sebelum Anda memulai, lalu jalankan pemeriksaan setelah penempatan dan sekali lagi setelah perutean.

Pabrik multilapis dapat menampung lebar dan jarak garis 3/3 mil — papan berlapis emas 6 lapis dengan geometri seperti itu merupakan produksi rutin bagi banyak pabrik tersebut — namun merancang dengan ukuran 6/6 mil membuat papan pertama yang lambat tidak menghasilkan apa-apa dalam performa dan meninggalkan margin terhadap variasi etsa dan harga yang lebih murah.

Sebelum mengekspor, hapus pemeriksaan berikut:

• Jaring tidak terhubung dan satu bantalan, yang biasanya berarti simbol skema tidak pernah dikabelkan.
• Pelanggaran jarak antara jejak, bantalan, dan tuang tembaga.
• Layar sutra dicetak di atas bantalan yang terbuka, sehingga mengganggu pasta solder.
• Cincin berbentuk lingkaran dan ukuran bor di bawah minimum pabrikan.
• Pad yang tumpang tindih atau terduplikasi, seringkali tertinggal saat tapak sedang diedit.

Kemudian ekspor Gerber dalam format RS-274X, satu file per lapisan, ditambah file bor NC dalam unit yang cocok dan catatan teks singkat yang mencantumkan jumlah lapisan, ketebalan papan, berat tembaga, permukaan akhir, dan persyaratan impedansi apa pun. Setiap pertanyaan yang diajukan fabrikator kepada Anda menambahkan satu hari ke penawaran.

Apa yang Harus Dikirim, dan Apa yang Kembali

Produksi cepat setelah file sudah benar. Waktu tunggu standar untuk papan sederhana terlihat seperti ini:

• Batch besar satu sisi dan dua sisi: 6 hingga 7 hari
• 4 hingga 8 lapisan: 9 hingga 20 hari
• 10 hingga 16 lapisan: 20 hingga 25 hari
• 16 hingga 32 lapisan: 25 hingga 45 hari
• Papan HDI: dalam 25 hari
• Prototipe dua sisi: secepat 24 jam

Harga ditentukan oleh ukuran, jumlah lapisan, berat tembaga, hasil akhir, kuantitas, dan seberapa keras Anda mendorong toleransi. Sertifikasi menunjukkan pasar mana yang dapat dilayani oleh pabrik: ISO 9001, ISO 14001, dan ISO 45001 mencakup manajemen kualitas, lingkungan, dan keselamatan secara umum, sementara IATF 16949 penting ketika papan tersebut dimasukkan ke dalam kendaraan dan UL penting ketika produk jadi dijual di Amerika Utara. Membaca halaman layanan calon pemasok sebelum Anda mengunci Gerber memberi tahu Anda toleransi dan penyelesaian apa yang mereka jalankan setiap hari, yang lebih berguna daripada jumlah minimum yang dicetak dalam tabel kemampuan.

Jika Anda mengambil satu urutan dari artikel ini, buatlah yang ini:

1. Gambarkan skemanya dan verifikasi setiap jejak kaki pada lembar data.
2. Pilih jumlah lapisan terendah yang membawa sinyal Anda, dan tambahkan bidang dasar segera setelah Anda berpindah ke dua lapisan.
3. Tempatkan konektor, lubang pemasangan, dan pelepasan kapasitor sebelum merutekan apa pun.
4. Ukur jejak daya dari tabel saat ini dan jaga agar loop saat ini tetap pendek.
5. Jalankan DRC, ekspor RS-274X Gerber dengan file bor NC, dan kirim paket dengan catatan tumpukan tertulis.

Kemudian pesan prototipe dalam jumlah kecil, nyalakan secara perlahan, dan tulis apa yang ingin Anda ubah. Papan kedua selalu lebih baik dari yang pertama, dan cara tercepat untuk mempelajari desain PCB adalah dengan menyelesaikannya.