Konsep Inti PCB: Apa Papan Sirkuit Cetak dan Cara Kerjanya

Citra-citra yang dibuat oleh pelanggan

Papan sirkuit cetak (PCB) adalah tulang punggung dari setiap perangkat elektronik modern, dari smartphone di saku Anda ke radar di mobil otonom.papan berlapis menggantikan kawat berantakan dengan jejak tembaga yang tepat, mengatur komponen dan memastikan koneksi listrik yang dapat diandalkan. Tanpa PCB, elektronik berkinerja tinggi yang miniatur saat ini tidak mungkin:Bayangkan sebuah smartphone dengan ratusan kabel longgar, atau monitor medis yang gagal karena koneksi yang kusut.

Sebagai industri elektronik global tumbuh, begitu juga permintaan untuk PCB. pasar PCB global diproyeksikan untuk berkembang dari $ 84,24 miliar pada tahun 2025 menjadi $ 106,85 miliar pada tahun 2030,dioperasikan oleh kendaraan listrik (EV) yang menggunakan 3×5x lebih banyak PCB daripada mobil tradisional dan munculnya 5GPanduan ini merinci konsep inti PCB: apa itu, strukturnya, komponen kunci, aplikasi, dan bagaimana mereka memberi daya pada perangkat yang kita gunakan setiap hari.Apakah Anda seorang hobi membangun proyek DIY atau seorang insinyur merancang peralatan industri, memahami dasar-dasar ini akan membantu Anda bekerja dengan PCB lebih efektif.

Hal-Hal Utama
1Definisi: PCB adalah papan berlapis yang menggunakan jejak tembaga konduktif untuk menghubungkan komponen elektronik, menggantikan kabel besar dan memungkinkan miniaturisasi.
2.Jenis: PCB diklasifikasikan berdasarkan kompleksitas (sided, double-sided, multilayer) dan keandalan (Kelas 1 untuk mainan, Kelas 3 untuk perangkat medis/aerospace).
3Struktur: Lapisan inti termasuk substrat (misalnya, FR4), jejak tembaga, topeng solder (lapisan pelindung), dan silkscreen (label).
4Bahan: FR4 adalah substrat standar untuk sebagian besar elektronik; PCB fleksibel menggunakan poliamid, sementara desain frekuensi tinggi bergantung pada PTFE.
5.Aplikasi: PCB memberi daya pada gadget konsumen, EV, perangkat medis, dan sistem aerospace dengan desain khusus untuk kebutuhan masing-masing industri.
6Biaya & Efisiensi: PCB multilayer lebih mahal tetapi menghemat ruang; produksi volume tinggi mengurangi biaya per unit sebesar 30~50%.

Pengertian, Tujuan, dan Klasifikasi PCB
A Printed Circuit Board (PCB) is a rigid or flexible board that mechanically supports and electrically connects electronic components using conductive pathways (called “traces”) etched into copper layersBerbeda dengan kabel point-to-point yang lebih tua (yang menggunakan kabel longgar untuk menghubungkan bagian), PCB kompak, tahan lama, dan mudah diproduksi secara massal.

Tujuan Utama PCB
PCB memecahkan tiga masalah penting dalam elektronik:

1.Miniaturisasi: Jejak tembaga (sedikit tipis seperti 0,1 mm) memungkinkan desainer mencocokkan ratusan komponen pada papan yang lebih kecil dari kartu kredit (misalnya, PCB utama smartphone).
2.Keandalan: jejak tetap menghilangkan koneksi longgar, mengurangi tingkat kegagalan sebesar 70% dibandingkan dengan sirkuit kabel.
3.Manufacturability: Automated assembly (pick-and-place machines) dapat mengisi 1.000+ PCB per jam, membuat produksi volume tinggi terjangkau.

Klasifikasi PCB: Berdasarkan Keandalan dan Kompleksitas
PCB dikelompokkan ke dalam kategori berdasarkan penggunaan yang dimaksudkan (keandalan) dan jumlah lapisan (kompleksitas) dua faktor kunci bagi desainer dan produsen.
1Kelas Keandalan (standar IPC)
IPC (Association Connecting Electronics Industries) mendefinisikan tiga kelas berdasarkan seberapa penting PCB untuk fungsi perangkat:

Contoh: PCB Kelas 3 dalam alat pacu jantung harus memenuhi pengujian yang ketat (misalnya, 1.000+ siklus termal) untuk menghindari kegagalan, sedangkan PCB Kelas 1 dalam mainan hanya membutuhkan fungsionalitas dasar.

2. Kelas Kompleksitas (Jumlah Lapisan)
Jumlah lapisan menentukan berapa banyak jalur konduktif yang dapat didukung oleh PCB. Lebih banyak lapisan berarti lebih banyak komponen dan sinyal lebih cepat:

Tren: PCB multilayer (6 ′′ 12 lapisan) sekarang menjadi standar di smartphone dan EVs ′′ Apple ′′ iPhone 15 menggunakan PCB 8-layer untuk menyesuaikan prosesor 5nm dan modem 5G dalam desain ramping.

PCB vs PCBA: Apa Perbedaannya?
Sumber kebingungan yang umum adalah perbedaan antara PCB dan PCBA (Printed Circuit Board Assembly):

a.PCB: The “bare board” hanya struktur berlapis (substrat, tembaga, topeng solder) tanpa komponen yang terpasang.
b.PCBA: Komponen produk jadi (resistor, IC, konektor) dilas ke PCB, membuatnya fungsional.

Contoh: Seorang produsen mungkin menjual PCB telanjang kepada seorang hobi, tetapi sebuah pabrik smartphone membeli PCBAs siap dipasang di perangkat.

Struktur PCB: Lapisan dan Bahan
Kinerja PCB tergantung pada desain berlapis dan bahan yang digunakan untuk setiap lapisan. Bahkan perubahan kecil (misalnya, substrat yang lebih tebal) dapat mempengaruhi daya tahan, kecepatan sinyal, dan ketahanan panas.

Empat Lapisan Inti dari PCB Standar
Sebagian besar PCB kaku (misalnya, berbasis FR4) memiliki empat lapisan utama, sementara desain fleksibel atau multilayer menambahkan lapisan tambahan untuk kebutuhan khusus:

Lapisan opsional untuk PCB lanjutan:

a.Power/Ground Planes: Lapisan tembaga bagian dalam (dalam PCB multilayer) yang mendistribusikan daya dan mengurangi kebisingan yang penting untuk desain kecepatan tinggi.
b.Vias Termal: Lubang yang diisi tembaga yang mentransfer panas dari komponen panas (misalnya, IC) ke lapisan dalam atau sumur panas.

Bahan PCB Utama: Bagaimana Memilih Yang Tepat
Pemilihan bahan tergantung pada kasus penggunaan PCB, misalnya, band jam tangan pintar fleksibel membutuhkan substrat yang berbeda dari inverter EV panas tinggi.

Pertimbangan Kritis: Untuk desain frekuensi tinggi (misalnya, 5G mmWave), kehilangan dielektrik rendah PTFE (Df = 0,0002) meminimalkan attenuasi sinyal something FR4 (Df = 0,02) tidak dapat mencocokkan.

Komponen PCB Esensial: Apa Fungsinya dan Mengapa Mereka Penting
PCB hanya berfungsi ketika komponen dilas ke dalamnya. Setiap komponen memiliki peran tertentu, mulai dari mengontrol arus hingga memproses data. Di bawah ini adalah komponen yang paling umum dan fungsinya:
Komponen PCB Umum dan Peran Mereka

Contoh: Dalam earbud nirkabel, IC memproses sinyal audio, kondensator lancar daya dari baterai,dan resistor melindungi speaker dari overcurrent semua terhubung oleh jejak tembaga pada PCB kecil.

Bagaimana Komponen Bekerja Bersama
Komponen diatur dalam sirkuit (seri, paralel, atau campuran) untuk melakukan tugas tertentu.

a.Sirkuit Daya: Baterai memasok tegangan → dioda mencegah arus terbalik → kondensator menyaring kebisingan → resistor membatasi arus ke LED.
Sirkuit sinyal: Sensor mendeteksi cahaya → transistor memperkuat sinyal → IC memproses data → konektor mengirim hasil ke layar.

Kolaborasi ini memastikan fungsi PCB sebagai sistem tunggal yang kohesif, tidak memerlukan kabel yang longgar.

Aplikasi PCB: Di Mana Mereka Digunakan (Dan Mengapa)
PCB ada di mana-mana, tapi desainnya sangat bervariasi menurut industri.dan PCB fleksibel untuk smartwatch tidak bisa menangani panas dari inverter EV.
1. Elektronik Konsumen: Pasar Terbesar
Gadget konsumen bergantung pada PCB kecil dan murah yang menyeimbangkan kinerja dan keterjangkauan.

a.Ponsel pintar: PCB 612 lapisan dengan jejak kecil (0,1 mm) untuk cocok dengan modem, prosesor, dan kamera 5G.
b.Wearables: Fleksibel PCB poliamida yang membungkuk dengan jam tangan pintar atau band kebugaran
c. Perkakas rumah tangga: PCB FR4 sisi tunggal atau ganda di lemari es (mengontrol suhu) dan microwave (mengelola daya).

Data Pasar: Elektronik konsumen menyumbang 40% dari permintaan PCB global, didorong oleh penjualan smartphone tahunan sebesar 1,3 miliar unit.

2Otomotif: EV dan ADAS Menggerak Pertumbuhan
Mobil menggunakan lebih banyak PCB daripada sebelumnya ̇mobil ICE tradisional (mesin pembakaran internal) memiliki 50 ̇100 PCB, sedangkan EV memiliki 300 ̇500.

a.ADAS (Advanced Driver-Assistance Systems): Multilayer PCB dalam radar (77GHz) dan sistem LiDAR  Autopilot Tesla menggunakan 8-layer b.PCB untuk deteksi objek yang tepat.
c.EV Battery Management Systems (BMS): PCB tembaga tebal (2oz+) yang menangani 400V DC dan menghilangkan panas dari sel baterai.
Infotainment: PCB sisi ganda untuk layar sentuh dan konektivitas Bluetooth.

Persyaratan utama: PCB otomotif harus tahan suhu -40°C hingga 125°C dan getaran (20G+) ̇ sehingga mereka menggunakan Tg tinggi FR4 (Tg ≥170°C) dan perlindungan topeng solder tambahan.

3Perangkat Medis: Keamanan dan Keakuratan
PCB medis adalah Kelas 3 (kritis keamanan) dan membutuhkan biokompatibilitas, sterilitas, dan keandalan.

a.Implantable: Fleksibel polyimide PCB di pacemaker dan neurostimulator mereka biokompatibel dan tahan cairan tubuh.
b.Diagnosis: PCB multilayer di mesin ultrasound dan analis darah desain low-noise memastikan pembacaan yang akurat.
c. Pakai: PCB fleksibel dalam monitor detak jantung mereka sesuai dengan tubuh dan menahan keringat.

Kepatuhan: PCB medis memenuhi standar ISO 13485 dan menjalani pengujian yang ketat (misalnya, 1.000+ siklus autoclave untuk sterilisasi).

4Aerospace dan Pertahanan: Ketahanan Ekstrim
Aerospace PCB beroperasi di lingkungan yang keras (radiasi, vakum, suhu ekstrim) dan harus aman gagal.

a.Satelit: PTFE dan PCB keramik yang tahan radiasi (100kRad) dan bekerja pada -55°C sampai 125°C.
b. Pesawat militer: PCB multilayer dalam radar dan sistem navigasi  mereka tahan getaran tembakan (100G) dan paparan bahan bakar.
c. Rudal: PCB frekuensi tinggi yang membimbing sistem penargetan. Substrat PTFE meminimalkan hilangnya sinyal pada 100 GHz.

Pengujian: PCB ruang angkasa lulus MIL-STD-883H (standar militer) untuk siklus termal, getaran, dan radiasi.

Bagaimana PCB Bekerja: Sambungan Listrik dan Aliran Sinyal
Tugas PCB adalah untuk memindahkan sinyal listrik dan daya antara komponen tanpa gangguan atau kehilangan.
1. Pelacakan Routing: The "Roads" untuk sinyal
Jejak tembaga adalah "jalan" yang membawa sinyal dan daya.

a.Minimalkan Panjang: Jejak yang lebih pendek mengurangi keterlambatan sinyal yang penting untuk desain kecepatan tinggi (misalnya, 5G menggunakan jejak <5 cm untuk menghindari latensi).
b. Hindari persilangan: Pada PCB satu sisi, jejak tidak dapat bersilang (mereka pendek), sehingga PCB dua sisi / multilayer menggunakan vias (lubang) untuk melompat antara lapisan.
c. Luas Kontrol: Jejak yang lebih lebar membawa arus lebih banyak, 1 mm lebar, 1 oz pegangan jejak tembaga ~ 10A, sementara pegangan jejak 0,2 mm ~ 2A (standar IPC-2221).

Contoh: PCB smartphone 5G menggunakan jejak lebar 0,15 mm untuk jalur sinyal dan jejak lebar 1 mm untuk daya (baterai ke IC).

2. Impedansi Mencocokkan: Menjaga sinyal jelas
Impedansi (resistensi terhadap sinyal AC) harus konsisten di seluruh jejak untuk mencegah refleksi sinyal..g., Ethernet). Impedansi yang tidak cocok menyebabkan:

a. Kehilangan sinyal: Ketidaksesuaian impedansi 10% (55Ω bukan 50Ω) mencerminkan 10% dari sinyal, mengurangi rentang.
b. Noise: Sinyal yang dipantulkan mengganggu jejak lain, menyebabkan gangguan dalam audio atau data.

Cara Mencapai Kesesuaian: Sesuaikan lebar jejak dan ketebalan substrat, misalnya, jejak lebar 0,15 mm pada impedansi FR4 tebal 0,1 mm = 50Ω.

3. Pengantar dan Pengurangan Kebisingan
Pengetatan sangat penting untuk mengurangi interferensi elektromagnetik (EMI), yang dapat mengganggu sinyal.

a.Lapisan tanah: Lapisan tembaga padat (dalam PCB multilayer) yang bertindak sebagai “perisai” untuk menyerap suara.
b. Pengetatan Titik Tunggal: Semua koneksi tanah bertemu di satu titik untuk menghindari “lus tanah” (yang menciptakan kebisingan).
c. Kondensator Dekopulasi: Ditempatkan di dekat IC untuk menyaring kebisingan daya, kondensator 0,1μF adalah standar untuk sebagian besar desain.

Hasilnya: PCB yang tertanam dengan baik memiliki 50% lebih sedikit EMI, sehingga cocok untuk perangkat sensitif seperti monitor medis.

Pertanyaan Umum Tentang PCB: Pertanyaan Umum yang Dijawab
T1: Apa perbedaan antara PCB kaku dan fleksibel?
A: PCB kaku (berbasis FR4) kaku dan digunakan dalam perangkat seperti laptop. PCB fleksibel (berbasis poliamida) lentur dan lipat ideal untuk wearables atau ponsel lipat. PCB kaku-flex menggabungkan keduanya (misalnya,sebuah smartwatch PCB dengan inti kaku dan tali fleksibel).

Q2: Bagaimana saya memilih bahan PCB yang tepat?
A: Ikuti daftar ini:

1.Aplikasi: Fleksibel? Gunakan poliamida. Frekuensi tinggi? Gunakan PTFE.
2.Lingkungan: Panas (EV)? Gunakan FR4 TG tinggi. Steril (medis)? Gunakan poliamida biokompatibel.
3Biaya: Anggaran? Gunakan FR4. Premium? Gunakan PTFE atau keramik.

T3: Mengapa PCB multilayer lebih baik untuk perangkat yang kompleks?
A: PCB multilayer:

a. Menghemat ruang (6-lapisan PCB = 1/3 dari ukuran PCB satu sisi dengan komponen yang sama).
b. Mengurangi kebisingan (pemberian daya/tanah yang terpisah).
c. Mendukung sinyal yang lebih cepat (jalur yang lebih pendek, impedansi terkontrol).

T4: Bisakah PCB didaur ulang?
A: Ya, fasilitas khusus memulihkan tembaga (40-60% dari berat PCB) dan logam mulia (emas, perak) dengan menggunakan proses kimia atau mekanis.Daur ulang mengurangi limbah elektronik dan menurunkan biaya bahan baku.

T5: Alat apa yang saya butuhkan untuk merancang PCB?
A: Untuk pemula: alat gratis seperti KiCad atau EasyEDA (bagus untuk proyek sederhana). Untuk profesional: Altium Designer atau Cadence Allegro (mengelola desain multilayer, frekuensi tinggi).Sebagian besar alat termasuk penangkapan skematik (menarik sirkuit) dan tata letak (tempat komponen / jejak).

Kesimpulan
PCB adalah dasar dari elektronik modern, memungkinkan miniaturisasi, keandalan, dan efisiensi yang kita anggap sudah pasti.Komponen-komponen yang disesuaikan untuk memenuhi kebutuhan unik dari setiap aplikasiMemahami konsep inti PCB - bagaimana strukturnya, bahan apa yang harus digunakan, dan bagaimana komponen bekerja sama - memungkinkan Anda untuk merancang, membangun, atau memperbaiki perangkat elektronik dengan lebih efektif.

Seiring kemajuan teknologi (6G, AI, komputasi kuantum), PCB juga akan berkembang: jejak yang lebih tipis, lebih banyak lapisan, dan bahan baru (misalnya, graphene untuk sinyal yang lebih cepat) akan mendorong batas-batas apa yang mungkin.Apakah Anda seorang hobi atau insinyur, tetap akrab dengan dasar-dasar ini akan membantu Anda mengikuti dunia elektronik yang serba cepat.

Untuk produsen dan desainer, bermitra dengan pemasok PCB berpengalaman (seperti LT CIRCUIT) memastikan papan Anda memenuhi standar industri dan persyaratan kinerja.Anda dapat mengubah bahkan ide elektronik yang paling kompleks menjadi fungsional, produk yang andal.