Desain Papan Sirkuit Cetak (Printed Circuit Board, PCB)

PCB adalah suatu board yang mengkoneksikan komponen-komponen elektronik secara konduktif dengan jalur (track), pads, dan via dari lembaran tembaga yang dilaminasikan pada substrat non konduktif. PCB bisa berbentuk 1 layer, 2 layer atau banyak layer (multilayer). PCB dapat dijumpai di hampir semua peralatan elektronika seperti handphone, televisi, mobil, motor, dan lain lain. Banyak hal yang harus dipertimbangkan oleh seorang designer untuk bisa mendesain papan sirkuit cetak yang bisa berfungsi sesuai dengan spesifikasi yang ditentukan. Apakah sirkuit yang didesain diaplikasikan untuk rangkaian analog atau digital, mengaplikasian tegangan tinggi atau rendah, dialiri arus kuat atau lemah, memiliki frekuensi tinggi atau rendah, rentan terhadap gangguan (sensitif) atau tidak (immune). Hal yang tidak kalah penting dan seringkali membuat desainer papan sirkuit pusing adalah EMC/ EMI. Dalam tulisan ini penulis akan mengetengahkan pengetahuan dasar papan sirkuit cetak dan hal-hal yang harus dipertimbangkan oleh seorang desainer pcb dalam mendesain yang terkadang kurang diperhatikan.

 

Metode pengembangan papan sirkuit cetak modern pertama kali dimulai pada awal abad 20. Pada tahun 1903, Albert Hanson, inventor dari Jerman menguraikan lembaran konduktor datar yang dilaminasi ke papan isolasi dalam beberapa lapisan (layers). Thomas Edison bereksperimen dengan metode kimia pelapisan konduktor di atas kertas linen pada tahun 1904. Arthur Berry pada tahun 1913 mematenkan metode cetak dan etch di Inggris. Di Amerika Serikat, Max Schoop memperoleh paten untuk api-semprot logam ke papan melalui mask bermotif. Charles Durcase pada tahun 1927 mematenkan metode elektroplating pola sirkuit. Pada tahun 1943 Amerika mulai menggunakan teknologi PCB dalam skala besar yang digunakan pada perang dunia ke 2. Dimulai pada tahun 1980 an, komponen surface mount semakin meningkat dalam penggunaannya. Ini menghasilkan board dengan ukuran yang lebih kecil dan cost produksi yang semakin rendah.

 

Banyak hal yang harus diperhatikan untuk mendesain PCB. Selain harus memperhatikan fungsionalitas dari rangkaian tersebut, efek dari pengaplikasian tegangan, arus, dan frekuensi yang digunakan akan mempengaruhi karakteristik dari papan sirkuit yang dibuat. Sebelum menggali lebih lanjut mengenai fundamental dalam mendesain PCB, penulis akan mengulas terlebih dahulu pengetahuan dasar mengenai PCB yang mungkin sudah umum diketahui oleh para desainer papan sirkuit. Berikut adalah beberapa poin dan istilah yang digunakan diantaranya adalah ketebalan lapisan tembaga pada papan sirkuit (copper thickness), lebar jalur yang akan digunakan (trace width), footprints komponen, ketebalan papan sirkuit (board thickness) dan layers, jarak ruang jalur dan komponen (trace clearance and creepage), via, solder mask dan silkscreen.

 

Ketebalan Lapisan Tembaga (Copper Thickness)

Pada umumnya papan sirkuit di fabrikasi dengan ketebalan “1 ounce copper” pada layer ekternal. Dan apabila ada layer internal maka biasanya akan di fabrikasi dengan ketebalan “1/2 ounce copper”. Maksud dari ketebalan yang di deskripsikan dengan satuan berat adalah

thickness = mass / (area x density)

Dengan mass   = 1 ounce tembaga

Area     = 1 kaki persegi

Density = 8.96 mg / mm3

 

Maka akan kita peroleh ketebalan 1 oz tembaga sama dengan 0.034 mm

Gbr 1 Ketebalan jalur tembaga papan sirkuit

Selain ketebalan 1 oz, fabrikasi saat ini juga menyediakan ketebalan yang biasanya 2, 3, 4 oz untuk kebutuhan spesifikasi desain yang diinginkan. Lebar Jalur (Trace Width)Resistansi suatu konduktor pada dasarnya ditentukan oleh 2 faktor yaitu terbuat dari material apa dan bagaimana bentuknya. Sebagai contoh, tembaga tebal akan memiliki resistansi lebih kecil daripada tembaga tipis dan tembaga yang panjang akan memiliki resistansi yang lebih besar daripada tembaga yang pendek. Resistansi dari suatu material mengikuti persamaan berikut.R= ρ ( l/A)Dengan ρ = resistivitas elektrik materiall = panjang material

A = luas penampang material

 

Muncul pertanyaan, mengapa kita harus memperhatikan ketebalan tembaga dan lebar jalur? Hal ini dikarenakan pertimbangan pada arus maksimum yang dapat di alirkan pada jalur tersebut, termasuk juga dengan berapa kenaikan suhu pada jalur. Apabila kita mengaplikasikan arus yang cukup besar pada jalur tersebut tanpa mempertimbangkan ketebalan lapisan tembaga dan lebar jalur, maka temperatur akan meningkat dan pada kasus tertentu bisa mengakibatkan jalur terbakar.

Gbr 2. Lebar jalur papan sirkuit

contoh berapa ketebalan jalur (internal dan ekternal) dari 1 oz tembaga yang diaplikasikan 1A arus dan memiliki karakteristik kenaikan temperatur 30 oC?

 

Internal = 17.6 mils (0.45 mm)

Eksternal = 4.9 mils (0.12 mm)

 

Hasil ini diperoleh dari kalkulator jalur papan sirkuit. Jalur eksternal lebih tipis dibanding jalur internal dikarenakan sistem pendinginan di udara terbuka lebih baik dibandingkan jalur yang berada di tengah-tengah papan sirkuit (inner layer).

 

Footprints

Setiap komponen yang akan disolder pada papan sirkuit pasti memiliki footprints. Footprints dibagi menjadi 2 jenis berdasarkan cara menempelkan pada papan sirkuit yaitu surface mount dan through hole. Berikut adalah beberapa footprints komponen yang beredar di pasaran.

 

Two Terminal Package (biasanya R, L, C)

Komponen seperti resistor, induktor dan biasanya memiliki 2 terminal dan tersedia dalam bentuk surface mount maupu through hole. Dibawah ini adalah perbandingan ukuran dari komponen tersebut.

 

Tabel berikut adalah tabel komponen surface mount yang umum beredar di pasaran beserta dimensinya.

Gbr 3. Ukuran footprint komponen 2 terminal

Gbr 4. Tabel konversi kode ke dimensi dengan satuan mm

 

Three or more Terminal Package

Komponen lainnya selain package 2 terminal juga tersedia dipasaran seperti SOT (small outline package), DIP (dual inline package), BGA (ball grid array) dan lain sebagainya.

 

Trace Clearance and Creepage

 

Salah satu kesalahan dan kelalaian umum yang tidak atau kurang diperhatikan oleh desainer papan sirkuit adalah clearance dan creepage. Clearance adalah jarak terpendek diantara 2 komponen konduktif yang diukur di open space atau udara. Jarak clearance dapat membantu untuk menjaga breakdown dielektrik diantara elektroda yang disebabkan oleh ionisasi udara. Sedangkan creepage adalah jarak terpendek diantara 2 komponen konduktif yang diukur sepanjang permukaan isolasi papan sirkuit. Walaupun material yang menutupi permukaan papan sirkuit bersifat isolator namun tetap memiliki comparative tracking index (CTI) yang dapat mengalami kegagalan proteksi isolasi apabila diaplikasikan tegangan dengan besaran tertentu.

Gbr 5. Clearance dan creepage pada konduktor

 

Berikut adalah beberapa faktor yang dapat mengakibatkan kerusakan pada isolasi material sehingga yaitu :

• Kelembapan udara
• Adanya kontaminan atau pengotoran
• Karat atau bahan bersifat korosif
• Ketinggian dimana peralatan harus dioperasikan

 

Tegangan maksimum yang diaplikasikan atau Working voltage harus sudah ditentukan untuk dapat menghitung berapa clearance dan creepage yang harus dibuat. Berapa nilai dari clearance dan creepage yang sesuai sudah dideskripsikan dalam tabel EN 60950. Berikut dibawah adalah tabelnya.

Gbr 6. Panduan clearance

Gbr 7. Panduan creepage

 

Faktor-faktor lain yang harus diperhatikan selain working voltage adalah derajat tingkat polusi (pollution degree) dari lingkungan dimana alat itu normal beroperasi dan kategori overvoltage dari sumber tegangan alat.

 

Potensi konduksi yang terjadi di udara dipengaruhi oleh beberapa kategori berikut yaitu polusi, temperatur, tekanan, kelembapan. Untuk derajat polusi dapat didefinisikan berdasarkan lingkungan alat tersebut beroperasi yang dibagi dalam beberapa kategori seperti berikut.

• Derajat Polusi 1 : komponen dan assemblies yang tersegel (sealed), terhindar dari debu dan kelembapan
• Derajat Polusi 2 : ruang lingkup kantor dan perumahan
• Derajat Polusi 3 : lingkungan dimana terdapat polusi yang bersifat konduktif dan kondensasi akibat kelembapan

 

Kategori tambahan yang dideskripsikan dalam tabel diatas adalah F, B/S, dan R yang merepresentasikan “Functional”, “Basic/ Supplementary”, “Reinforced”. Dengan kata lain apabila spacing diantara komponen tidak membutuhkan safety maka lihat kolom F. Bila hanya satu level safety maka B/S dan complete 2 level safety isolasi maka R.

 

Ketika mengukur working voltage maka penting untuk mengukur tegangan puncak (peak) dan tegangan rata-rata (root mean square). Tegangan puncak digunakan untuk menentukan nilai clearance sedangkan tegangan rata-rata digunakan untuk menentukan creepage.

 

Sebagai contoh misalnya diukur tegangan puncak diantara 2 pin konduktor pada switching transformer di switch mode power supply yaitu 670V. Lingkungan tempat alat beroperasi diasumsikan normal, lingkungan kantor atau perumahan (derajat polusi 2) , apabila alat tersebut mendapat suplai tegangan 240V mains maka untuk kategori reinforce insulation adalah   4 mm.

 

Pada kasus khusus, sebagai desainer papan sirkuit kita dihadapkan pada masalah keterbatasan space papan sirkuit dikarenakan ukuran dari papan sudah ditentukan sehingga memperkecil fleksibilitas dari penempatan komponen. Bila jarak creepage sulit dipenuhi dengan menjauhkan komponen maka penambahan “sloth” dapat menjawab masalah tersebut. Sloth adalah tindakan melubangi papan sirkuit dengan tujuan meningkatkan jarak creepage.

Gbr 8. Clearance pass, creepage fail (bila tanpa sloth)

 

Via

 

Papan sirkuit yang memiliki lebih dari 1 layer hampir dapat dipastikan memiliki via. Via berguna untuk menyambungkan suatu jalur diantara layer yang satu dan yang lainnya.

Gbr 9. Penampakan via (irisan vertikal)

 

Walaupun bukan hal yang sering menjadi perhatian bagi seorang desainer untuk menggunakan via pada papan sirkuitnya, namun untuk kasus tertentu via bisa menjadi masalah tersendiri. Untuk desain papan sirkuit yang mengaplikasikan frekuensi menengah ke rendah, maka efek dari via tidak akan terlalu terasa namun bila diaplikasikan pada frekuensi tinggi akan lain lagi ceritanya.

 

Via berkarakteristik ekivalen seperti induktor dengan nilai kira-kira 100 pH yang diseri dengan jalur sinyal. Via juga ekivalen dengan kapacitor dengan nilai kira-kira 1 pF. Ini dapat menimbulkan efek seperti waktu penundaan (time delay), rise dan fall time dari sinyal. Apabila kita membutuhkan sinyal-sinyal yang diharuskan datang (arrive) pada tujuan dengan waktu yang sama, maka bukan hanya panjang jalur yang sama saja yang menjadi pertimbangan, tapi juga jumlah via yang digunakan pun harus sama. Efek rise dan fall edges akan sangat terasa di frekuensi mulai dari 600 – 700 MHz ke atas.

Gbr 10. Penampakan via stub

 

Diatas sudah kita bahas beberapa poin yang harus kita perhatikan dalam mendesain papan sirkuit. Bahasan yang juga tidak kalah penting dan bahkan sering membuat desainer papan sirkuit garuk-garuk kepala adalah EMC / EMI.

 

EMC adalah singkatan dari Electromagnetic Compatibility, sedangkan EMI adalah singkatan dari Electromagnetic Interference. Singkatnya kita dapat menganalogikan bahwa EMC adalah pengontrolan EMI sedemikian hingga efek yang tidak diinginkan yang dapat mengakibatkan peralatan kita berperilaku tidak sesuai spesifikasi dapat dicegah.

 

Berbicara mengenai EMC / EMI berarti akan ada sumber (source) , korbannya (victim) dan metode atau cara sumber untuk dapat menginterferensi victim. Sumber interferensi bisa dari transmisi televisi baik itu analog maupun digital, radio AM, FM dan satelit, petir dengan tegangan dan arus yang sangat tinggi, telepon gengam, rangkaian dari sirkuit yang berseberangan dan lain sebagainya.

 

Metoda sumber untuk dapat menginterferensi victim-nya dapat diklasifikasikan menjadi 4 yaitu :

• Konduktif
• Induktif
• Kapasitif
• Radiatif

Gbr 11. Metode kupling sumber ke reseptor

 

Menginterferensi secara konduktif terjadi ketika sumber dan reseptor terkupling secara langsung (direct contact) misalnya dari casing, atau kabel.

Interferensi secara induktif yaitu sumber dan reseptor yang dipisahkan oleh jarak tertentu dan menginterferensi baik itu secara induksi elektrik atau induksi magnetik.

 

Interferensi secara kapasitif terjadi ketika medan listrik yang bervariasi ada diantara dua konduktor yang berdekatan. Biasanya jarak yang memisahkan 2 konduktor itu kurang dari panjang gelombang sumber, sama seperti halnya terinterferensi secara induktif.

Interferensi secara radiatif yaitu ketika sumber dan reseptor terpisahkan oleh jarak yang cukup jauh biasanya lebih dari panjang gelombang sumber. Reseptor dan sumber berperilaku seolah-olah seperti antena radio.

 

Banyak hal yang dilakukan untuk dapat mengurangi atau mengatasi permasalahan dengan interferensi elektromagnetik diantaranya adalah memperkuat sensitifitas reseptor dari interferensi sumber misalnya memberikan filter (noise filter), menambahkan shield misalnya enclosure, atau bila pada kabel seperti penambahan braid dan foil, twist cable untuk kabel dengan sinyal diferensial, penambahan ferrite core dan meningkatkan pertanahan (improved grounding).

Gbr 12. Shield pada kabel untuk mengurangi EMI

Gbr 13. Twist kabel untuk mengurangi EMI pada sinyal diferensial

 

Bahasan lebih lanjut untuk EMC / EMI tidak dapat penulis paparkan di rubrik ini dikarenakan luasnya cakupan dan application specific dari pencegahan maupun penanggulangan (counter measure) untuk EMI tersebut.