Mendesain PCB apa pun merupakan tantangan tersendiri, terutama karena perangkat semakin kecil. Desain PCB arus tinggi bahkan lebih rumit karena memiliki semua kendala yang sama dan memerlukan serangkaian faktor unik tambahan yang perlu dipertimbangkan.
Para ahli memperkirakan bahwa permintaan perangkat berdaya tinggi kemungkinan akan meningkat dan mencapai tingkat pertumbuhan tahunan dua digit untuk IoT Industri pada tahun 2030. Berikut adalah tujuh langkah untuk mengoptimalkan desain PCB dalam elektronik arus tinggi untuk tren ini.

1. Pastikan ukuran kabel cukup
Ukuran jalur merupakan salah satu pertimbangan desain terpenting untuk PCB arus tinggi. Kabel tembaga cenderung diminiaturisasi untuk desain yang lebih ringkas, tetapi hal ini tidak efektif pada arus yang lebih tinggi. Penampang yang kecil dapat menyebabkan kehilangan daya akibat pembuangan panas, sehingga diperlukan ukuran jalur yang cukup besar.
Anda dapat mengubah luas penampang kawat dengan menyesuaikan dua faktor: lebar kawat dan ketebalan tembaga. Menyeimbangkan keduanya adalah kunci untuk mengurangi konsumsi daya dan mempertahankan ukuran PCB yang ideal.
Gunakan kalkulator Lebar Jalur PCB untuk mengetahui lebar dan ketebalan yang mendukung jenis arus yang dibutuhkan perangkat Anda. Saat menggunakan alat ini, berhati-hatilah dalam merancang ukuran kabel agar dapat mendukung arus yang lebih tinggi dari yang Anda perkirakan.

2. Pikirkan kembali penempatan komponen
Tata letak komponen merupakan pertimbangan penting lainnya dalam desain PCB arus tinggi. MOSFET dan komponen serupa menghasilkan banyak panas, jadi penting untuk menjaganya sedapat mungkin terisolasi dari titik panas atau titik sensitif suhu lainnya. Hal ini tidak selalu mudah dilakukan ketika menggunakan faktor bentuk yang lebih kecil.
Amplifier dan konverter harus ditempatkan pada jarak yang sesuai dari MOSFET dan elemen pemanas lainnya. Meskipun mungkin tergoda untuk mempertahankan zona daya tinggi di tepi, hal ini tidak memungkinkan distribusi suhu yang merata. Sebaliknya, amplifier dan konverter ditempatkan dalam garis lurus di seluruh papan untuk mempertahankan energi, yang membuat panas lebih merata.
Dengan mendekati area yang paling berpengaruh terlebih dahulu, akan lebih mudah untuk menentukan komponen yang ideal. Pertama, tentukan lokasi ideal untuk komponen bersuhu tinggi. Setelah Anda tahu di mana harus meletakkannya, Anda dapat menggunakan sisanya untuk mengisi celah.

3. Optimalkan manajemen pembuangan panas
Demikian pula, PCB arus tinggi juga memerlukan manajemen termal yang cermat. Untuk sebagian besar aplikasi, ini berarti menjaga suhu internal di bawah 130 derajat Celcius untuk mencapai suhu transisi kaca laminasi FR4. Mengoptimalkan penempatan komponen akan membantu, tetapi langkah-langkah minimalisasi panas Anda harus berhenti di situ.
Pendinginan konveksi alami mungkin cukup untuk PCB elektronik konsumen yang lebih kecil, tetapi mungkin tidak cukup untuk aplikasi berdaya tinggi. Radiator mekanis mungkin diperlukan. Pendinginan aktif seperti kipas atau sistem pendingin cair di sekitar MOSFET juga membantu. Namun, beberapa desain perangkat mungkin tidak cukup besar untuk mengakomodasi radiator tradisional atau pendinginan aktif.
Untuk PCB yang lebih kecil namun berkinerja tinggi, pembuangan panas melalui lubang merupakan alternatif yang bermanfaat. Logam yang sangat konduktif dengan serangkaian lubang yang dituangkan akan menghilangkan panas dari MOSFET atau komponen serupa sebelum mencapai area yang lebih sensitif.

4. Gunakan bahan yang tepat
Pemilihan material akan sangat bermanfaat dalam mengoptimalkan manajemen termal dan memastikan komponen dapat menahan arus yang lebih tinggi. Hal ini berlaku untuk komponen dan substrat PCB.
Meskipun FR4 adalah substrat yang paling umum, FR4 tidak selalu menjadi pilihan terbaik untuk desain PCB arus tinggi. PCB inti logam mungkin ideal karena menyeimbangkan isolasi dan efektivitas biaya substrat seperti FR4 dengan kekuatan dan perpindahan suhu logam yang sangat konduktif. Sebagai alternatif, beberapa produsen membuat laminasi tahan panas khusus yang mungkin Anda pertimbangkan.
Sekali lagi, Anda sebaiknya hanya menggunakan komponen dengan nilai resistansi termal yang tinggi. Terkadang, ini berarti memilih material yang lebih tahan panas, sementara di kasus lain, menggunakan komponen yang lebih tebal dari material yang sama. Pilihan terbaik bergantung pada ukuran PCB, anggaran, dan ketersediaan pemasok.

5. Meningkatkan proses pengendalian mutu
Keandalan PCBS arus tinggi juga merupakan masalah menemukan kesalahan dalam produksi. Jika proses manufaktur tidak dapat menemukan dan mengatasi cacat yang menutupi keunggulannya, maka keempat pilihan desain di atas tidak akan menghasilkan banyak peningkatan. Pemeriksaan kualitas yang lebih andal untuk iterasi prototipe juga penting.
Menggunakan alat yang tepat untuk mengevaluasi kualitas PCB merupakan salah satu pertimbangan terpenting di bidang ini. Komparator optik digital, baik sebagai templat maupun penutup, memiliki kinerja yang lebih baik daripada metode tradisional karena dapat meregang dan terdistorsi seiring waktu, sehingga mengurangi keandalannya. Anda juga sebaiknya mempertimbangkan alat yang mudah diotomatisasi untuk meminimalkan risiko kesalahan manusia.
Apa pun metode dan teknik spesifik yang Anda gunakan, pelacakan semua cacat sangatlah penting. Seiring waktu, data ini dapat mengungkap tren munculnya masalah, sehingga menghasilkan perubahan desain PCB yang lebih andal.

6.Desain manufakturabilitas
Faktor serupa namun sering diabaikan dalam desain PCB arus tinggi adalah memastikan kemudahan manufaktur. Jika kesalahan produksi begitu umum sehingga perangkat jarang memenuhi spesifikasi di atas kertas, keandalan PCB secara teori tidaklah penting.
Solusinya adalah sebisa mungkin menghindari desain yang terlalu rumit atau berbelit-belit. Saat merancang PCB arus tinggi, pertimbangkan proses manufaktur Anda, pertimbangkan bagaimana alur kerja ini dapat menghasilkannya dan masalah apa yang mungkin timbul. Semakin mudah Anda membuat produk bebas kesalahan, semakin andal produk tersebut.
Langkah ini membutuhkan kerja sama yang erat dengan para pemangku kepentingan produksi. Jika Anda tidak menangani manufaktur secara internal, libatkan mitra produksi Anda dalam fase desain untuk mendapatkan masukan mereka mengenai potensi masalah manufakturabilitas.

7. Gunakan teknologi untuk keuntungan Anda
Teknik perencanaan dan produksi yang baru dapat mempermudah penyeimbangan pertimbangan ini. Pencetakan 3D menghadirkan fleksibilitas desain yang lebih besar untuk mendukung tata letak PCB yang lebih kompleks tanpa kesalahan produksi. Presisinya juga memungkinkan Anda memastikan bahwa kabel tembaga mengikuti kurva, bukan sudut siku-siku, untuk mengurangi panjangnya dan meminimalkan konsumsi daya.
Kecerdasan buatan adalah teknologi lain yang patut diteliti. Peralatan PCB AI dapat secara otomatis menempatkan komponen atau menyoroti potensi masalah desain untuk mencegah kesalahan muncul di dunia nyata. Solusi serupa dapat mensimulasikan berbagai lingkungan pengujian untuk mengevaluasi kinerja PCBS sebelum memproduksi prototipe fisik.

Desain PCB arus tinggi memerlukan kehati-hatian
Merancang PCB arus tinggi yang andal memang tidak mudah, tetapi bukan berarti mustahil. Mengikuti tujuh langkah ini akan membantu Anda mengoptimalkan proses desain untuk menciptakan perangkat berdaya tinggi yang lebih efisien.
Seiring berkembangnya Internet of Things (IoT), pertimbangan-pertimbangan ini akan menjadi semakin penting. Menerapkannya sekarang akan menjadi kunci kesuksesan berkelanjutan di masa depan.