PCB tasarımı, bir elektronik devrenin şemadan başlayarak üretilebilir bir baskılı devre kartına (PCB) dönüştürülmesidir. Bu rehberde PCB tasarımının adımlarını, temel tasarım kurallarını, katman seçimini ve dizgiye uygun tasarım için dikkat edilmesi gerekenleri, dizgi hattında her gün gördüğümüz örneklerle anlatıyoruz.
PCB Tasarımı Nedir?
PCB tasarımı; devrenin elektriksel bağlantılarının (şema), komponentlerin kart üzerindeki yerlerinin ve bu komponentleri birbirine bağlayan bakır yolların planlandığı mühendislik çalışmasıdır. Tasarımın çıktısı, PCB üreticisinin ve dizgi firmasının kullandığı Gerber, delik, BOM ve pick-and-place dosyalarıdır.
İyi bir PCB tasarımı üç şeyi aynı anda sağlar: devre elektriksel olarak doğru çalışır, kart mekanik olarak kutusuna oturur ve kart sorunsuz, ekonomik şekilde üretilir. Bu üçünden biri eksik kalırsa sorun ya prototipte ya da seri üretimde ortaya çıkar.
Kısaca: PCB tasarımı işin tamamını, PCB çizimi (layout) ise şemadan sonra kart üzerindeki yerleşim ve yol çizimini anlatır. Günlük kullanımda iki ifade çoğu zaman aynı anlamda kullanılır.
PCB Tasarımı Nasıl Yapılır? Adım Adım
1. Gereksinimleri belirleyin
Kartın ne yapacağı, hangi gerilimle besleneceği, ne kadar akım çekeceği, hangi arayüzlerle haberleşeceği ve hangi ortamda (sıcaklık, nem, titreşim) çalışacağı yazılı hâle getirilir. Kartın sığacağı kutunun ölçüleri, konnektörlerin yerleri ve montaj delikleri de bu aşamada belirlenir. Hedef adet ve hedef maliyet de bilinmelidir; seri üretim için yapılan tasarımla 5 adetlik deneme kartı aynı şekilde planlanmaz.
2. Şematik çizim
Devrenin bütün bağlantıları şema üzerinde çizilir. Besleme ve koruma devreleri (sigorta, ters polarite koruması, TVS diyot), dekuplaj kondansatörleri ve test noktaları şemaya en baştan eklenmelidir. Şema bittiğinde elektriksel kural kontrolü (ERC) çalıştırılır; bağlanmamış pinler ve çakışan çıkışlar bu kontrolde yakalanır.
3. Komponent seçimi ve footprint
Her komponent için üretici parça numarası seçilir ve kart üzerindeki izdüşümü (footprint) hazırlanır. Footprint, üretici datasheet’indeki önerilen pad ölçülerine (land pattern) göre çizilmelidir. Seçim yapılırken teknik değerlerin yanında stok durumuna, ömür döngüsüne ve muadil seçeneklerine de bakılır; bulunamayan tek bir parça bütün üretimi durdurabilir.
4. Kart ölçüsü ve katman yapısı
Kart dış hatları, montaj delikleri ve yüksekliği sınırlı bölgeler mekanik çizime göre tanımlanır. Ardından katman sayısı ve katman dizilimi (stack-up) belirlenir. Katman seçimi aşağıda ayrıca anlatılıyor.
5. Komponent yerleşimi (placement)
Yerleşim, tasarımın en önemli adımıdır; yolların kalitesi büyük ölçüde yerleşime bağlıdır. Önerilen sıra:
- Önce konnektörler, butonlar, LED’ler ve mekanik olarak yeri sabit parçalar
- Sonra mikrodenetleyici, güç entegreleri gibi ana komponentler
- Ardından bunlara bağlı pasif komponentler; dekuplaj kondansatörleri besleme pinine en yakın noktaya
- Isınan parçalar kart kenarına ve ısıya duyarlı parçalardan uzağa
- Analog, dijital ve güç bölümleri birbirinden ayrı bölgelerde
6. Yol çizimi (routing)
Komponentler arasındaki bağlantılar bakır yollar olarak çizilir. Önce kritik hatlar (yüksek hızlı sinyaller, saat hatları, analog ölçüm hatları, güç yolları), sonra diğer bağlantılar çizilir. Yollar kısa ve düzenli tutulur, gereksiz via’lardan kaçınılır, güç yolları taşıyacağı akıma göre genişletilir.
7. Kural kontrolü (DRC)
Tasarım kuralları kontrolü (DRC), yollar arası mesafe, en küçük yol genişliği, delik ölçüleri ve kart kenarına mesafe gibi kuralların ihlal edilip edilmediğini denetler. Kurallar, kartı üretecek firmanın kabiliyetlerine göre girilmelidir; DRC’den temiz geçen bir tasarım, üreticinin sınırlarının dışındaysa yine üretilemez.
8. Üretim dosyalarının hazırlanması
Tasarım bittiğinde üretim için şu dosyalar çıkarılır:
- Gerber dosyaları (bakır, lehim maskesi, serigrafi, lehim pastası ve kart dış hattı katmanları)
- Delik (drill) dosyası
- Üretici parça numaralı BOM listesi
- Dizgi için pick-and-place (XY) dosyası ve montaj çizimi
Ayrıntılar: PCB Dizgi İçin Gerekli Dosyalar ve Gerber Dosyası Nedir?
Temel PCB Tasarım Kuralları
Yol genişliği ve akım
Bir yolun taşıyabileceği akım; yol genişliğine, bakır kalınlığına, yolun dış ya da iç katmanda olmasına ve izin verilen sıcaklık artışına bağlıdır. Hesap için IPC-2221 standardındaki formül yaygın olarak kullanılır; kendi değerlerinizi PCB yol genişliği hesaplayıcımızla bulabilirsiniz. Aşağıdaki değerler dış katman, 35 µm (1 oz) bakır ve 10 °C sıcaklık artışı için yaklaşık değerlerdir:
- 0,25 mm yol: yaklaşık 0,9 A
- 0,5 mm yol: yaklaşık 1,5 A
- 1,0 mm yol: yaklaşık 2,4 A
- 2,0 mm yol: yaklaşık 4,0 A
İç katmanlardaki yollar ısıyı daha zor attığı için aynı akım için yaklaşık iki kat genişlik gerekir. Kritik güç yollarında hesabı mutlaka kendi değerlerinizle doğrulayın.
Yol aralığı ve yalıtım mesafesi
Standart üretimde 0,15 mm (6 mil) yol ve aralık güvenli bir başlangıç değeridir; daha ince değerler mümkündür ama maliyeti artırabilir. Şebeke gerilimi gibi yüksek gerilim taşıyan bölümlerde yollar arasında çok daha geniş yalıtım mesafesi (clearance) ve kart yüzeyinde kaçak yol mesafesi (creepage) bırakılmalıdır; gerekirse karta yarık (slot) açılır.
Via ölçüleri
Genel amaçlı via’lar için 0,3 mm delik ve 0,6 mm pad yaygın bir seçimdir. Güç yollarında tek bir via yerine birden fazla via kullanılır. Pad’in içine açılan via’lar (via-in-pad) dizgide lehimi aşağı çektiği için ya doldurulup kaplanmalı ya da pad’in dışına alınmalıdır.
Katman Sayısı Nasıl Seçilir?
- Tek katman: Çok basit, düşük maliyetli kartlar; LED ve güç kartlarında görülür.
- Çift katman: Hobi ve basit endüstriyel kartların çoğu. Alt katmanın büyük kısmı toprak düzlemi olarak bırakılırsa gürültü belirgin şekilde azalır.
- 4 katman: Mikrodenetleyicili kartların çoğu için en dengeli seçimdir. Tipik dizilim: sinyal – toprak – besleme – sinyal.
- 6 katman ve üzeri: Yüksek hızlı arayüzler, ince aralıklı BGA’lar ve çok sayıda besleme gerilimi olan kartlar.
Katman sayısı arttıkça kart maliyeti de artar; ancak 2 katmana sığdırmaya çalışırken karmaşıklaşan bir tasarım, 4 katmanlı temiz bir tasarımdan daha pahalıya gelebilir. Ayrıntı: Çok Katmanlı PCB
Toprak ve Güç Dağıtımı
Gürültü sorunlarının büyük kısmı toprak planlamasından kaynaklanır. Kesintisiz bir toprak düzlemi, her sinyalin dönüş akımına kısa ve düşük empedanslı bir yol sağlar. Toprak düzlemini yollarla parçalara bölmekten kaçının; özellikle yüksek hızlı bir hattın altındaki düzlemde boşluk bırakmayın. Her entegrenin besleme pinine 100 nF dekuplaj kondansatörü koyun ve kondansatörü pine en kısa yoldan bağlayın. Güç kaynağı bölümünde akım döngülerini (giriş kondansatörü, anahtarlama elemanı, bobin) olabildiğince küçük tutun.
Yüksek Hızlı ve Hassas Sinyaller
USB, Ethernet, DDR ve RF gibi hatlarda yol, belirli bir empedansı (ör. 50 Ω tek uçlu, 90 Ω diferansiyel) koruyacak genişlikte ve katman mesafesinde çizilir. Diferansiyel çiftler birlikte ve eşit uzunlukta çizilir. Bu hatlar katman değiştirdiğinde dönüş akımı için yakına bir toprak via’sı eklenir. Kristal osilatör, mikrodenetleyicinin hemen yanına yerleştirilir ve altından başka sinyal geçirilmez. Analog ölçüm hatları, anahtarlamalı güç kaynağından ve dijital hatlardan uzak tutulur.
Dizgiye Uygun Tasarım (DFM)
Elektriksel olarak doğru bir kart, üretime uygun değilse dizgide sorun çıkarabilir. Tasarım aşamasında şu noktalara dikkat etmek üretim süresini ve maliyeti doğrudan düşürür:
- Kartın üzerine veya panel kenarına en az 3 adet fiducial (konum referansı) ekleyin
- Komponentler arasında ve kart kenarında yeterli boşluk bırakın; BGA ve büyük entegrelerin çevresini serbest tutun
- Mümkünse SMD komponentleri kartın tek yüzünde toplayın; çift yüz dizgi ikinci bir lehimleme turu demektir
- Polariteli komponentlerin yönünü serigrafide açıkça işaretleyin
- Küçük kartları panel hâlinde tasarlayın
- Gerber çıktısında lehim pastası (paste) katmanını mutlaka ekleyin; stencil bu katmana göre üretilir
Tasarımınızı dizgiye göndermeden önce madde madde kontrol etmek için: PCB Dizgi DFM Kontrol Listesi (26 madde, ücretsiz PDF). Maliyeti tasarımda düşürmek için: Elektronik Kart Tasarımında Maliyet Düşürme Stratejileri
PCB Tasarım Programları
PCB tasarım programları ücretsiz araçlardan profesyonel paketlere kadar geniş bir yelpazeye sahiptir:
- Ücretsiz ve açık kaynaklı programlar: Şematik çizim, yerleşim, 3B görüntüleme ve Gerber çıktısını tek pakette sunar; hobi projelerinden profesyonel kartlara kadar yaygın kullanılır.
- Profesyonel ücretli paketler: Çok katmanlı ve yüksek hızlı tasarım, gelişmiş kural denetimi ve kütüphane yönetimi sunar.
- Kurumsal araçlar: Simülasyon ve sinyal bütünlüğü analiziyle birlikte karmaşık projelerde kullanılır.
- Tarayıcı tabanlı araçlar: Kurulum gerektirmez; basit kartlarda hızlı başlangıç için uygundur.
Hangi programı kullanırsanız kullanın, üretim için önemli olan çıktının standart Gerber, BOM ve pick-and-place dosyaları olmasıdır.
PCB Tasarımında Sık Yapılan Hatalar
- Datasheet’e bakmadan footprint kullanmak: Kütüphaneden alınan footprint’in pin sırası ya da pad ölçüsü yanlış olabilir.
- Dekuplaj kondansatörlerini uzağa koymak: Kondansatör, entegrenin besleme pinine birkaç milimetre içinde olmazsa işe yaramaz.
- Toprak düzlemini parçalamak: Düzlemi bölen yollar, gürültü ve EMC sorunlarının en yaygın nedenidir.
- Güç yollarını ince çizmek: Isınan yol zamanla kartı ve lehimleri bozar.
- Mekanik kontrolü atlamak: Konnektörün kutudaki deliğe denk gelmemesi ancak prototipte fark edilir.
- Test ve programlama noktası koymamak: Seri üretimde yazılım yükleme ve test zorlaşır.
- Üreticinin kurallarını sonradan öğrenmek: DRC kuralları baştan üreticiye göre girilmezse tasarım yeniden düzenlenir.
- Eski dosyaları göndermek: BOM’u güncelleyip XY dosyasını eski bırakmak dizgide yanlış parça takılmasına yol açar.
Sık Sorulan Sorular
PCB tasarımı ne kadar sürer?
Süre devrenin karmaşıklığına, komponent sayısına ve katman sayısına göre değişir. Basit bir kart kısa sürede tamamlanabilirken çok katmanlı ve yüksek hızlı tasarımlar daha uzun mühendislik çalışması gerektirir.
PCB çizimi ile PCB tasarımı aynı şey mi?
Günlük kullanımda çoğunlukla aynı anlamda kullanılır. Teknik olarak PCB tasarımı şemadan üretim dosyalarına kadar bütün süreci, PCB çizimi (layout) ise yerleşim ve yol çizimi aşamasını anlatır.
Ücretsiz PCB tasarım programı var mı?
Evet. Ücretsiz ve açık kaynaklı PCB tasarım programları ile tarayıcı üzerinden çalışan ücretsiz araçlar bulunur; bunların çoğu üretim için gereken Gerber dosyalarını da oluşturabilir.
Üretime hangi dosyalar gönderilir?
Boş PCB üretimi için Gerber ve delik dosyaları yeterlidir. Dizgi için bunlara ek olarak BOM listesi, pick-and-place dosyası ve montaj çizimi gerekir.
Tasarımı kendimiz yaparsak dizgi ve üretimi yaptırabilir miyiz?
Evet. Gerber, BOM ve pick-and-place dosyalarınızla PCB üretimi ve dizgi yapıyoruz. Siparişten önce dosyalarınızı DFM açısından kontrol ediyoruz. Tasarım dosyalarınız üçüncü kişilerle paylaşılmaz.
Tasarımdan sonra ilk adım ne olmalı?
Tasarımı seri üretime almadan önce düşük adetli bir prototip üretim ile doğrulamanızı öneririz.
PCB tasarımında destek mi gerekiyor? Şemadan üretim dosyalarına kadar tasarımı biz yapabiliriz: PCB Tasarım ve Çizim (Layout) ve Elektronik Kart ve Devre Tasarımı. Tasarımınız hazırsa Gerber ve BOM dosyalarınızı info@sceelektronik.com adresine gönderin ya da iletişim formunu doldurun.
