PCB (Printed Circuit Board) ya da Türkçe karşılığıyla Baskılı Devre Kartı, elektronik bileşenlerin üzerine monte edildiği ve bu bileşenler arasındaki elektriksel bağlantıların iletken yollar aracılığıyla sağlandığı bir platformdur. PCB tasarımı, bir elektronik devrenin fikirden fiziksel ürüne dönüşmesindeki en kritik süreçlerden biridir.

Bu süreç, elektronik bir devrenin şematik diyagramının, bileşenlerin fiziksel olarak yerleştirileceği ve aralarındaki bağlantıların bakır yollarla çizileceği bir layout (yerleşim) planına dönüştürülmesini kapsar. Tasarımın sonunda, kartın üretilmesi için gerekli olan ve gerber dosyaları olarak adlandırılan bir dizi standartlaştırılmış veri dosyası oluşturulur. Bu süreç, elektronik cihazların işlevsel, güvenilir ve üretilebilir olmasını sağlar.

PCB Tasarım Sürecinin Aşamaları

PCB tasarımı, bir fikrin veya ihtiyacın somut bir elektronik karta dönüşmesini sağlayan çok adımlı bir süreçtir. Her aşama, bir sonrakinin temelini oluşturur ve nihai ürünün kalitesini, performansını ve maliyetini doğrudan etkiler. Bu süreç genellikle özel bilgisayar destekli tasarım (CAD) yazılımları kullanılarak yürütülür.

Fikir ve Şematik Tasarım

Her PCB tasarımı bir fikirle başlar. Bu fikir, devrenin işlevsel gereksinimlerini belirler. Sürecin ilk somut adımı, devre şemasının (schematic) çizilmesidir. Şematik, devrede kullanılacak elektronik bileşenleri ve aralarındaki mantıksal bağlantıları gösteren soyut bir diyagramdır. Bu aşamada fiziksel yerleşim veya bileşen boyutları dikkate alınmaz; odak noktası devrenin elektriksel olarak doğru çalışmasıdır.

Şematik çizim, tasarımın temel planıdır ve sonraki tüm adımlar için bir referans görevi görür. Bu aşamada yapılan bir hata, sürecin ilerleyen kısımlarında büyük sorunlara yol açabilir. Bu nedenle, şematik oluşturulduktan sonra genellikle Elektriksel Kural Kontrolü (ERC - Electrical Rule Check) gibi doğrulama testleri uygulanarak açık devreler, kısa devreler veya yanlış bağlantılar gibi potansiyel hatalar tespit edilir.

Bileşen Seçimi ve Kütüphane Yönetimi

Şematik tasarım tamamlandıktan sonra, devrede kullanılacak her bir bileşenin fiziksel karşılıklarının belirlenmesi gerekir. Bu süreç, bileşen kütüphanelerinin oluşturulmasını veya kullanılmasını içerir. Her bileşen için kütüphanede üç temel unsur bulunur: şematik sembolü, PCB kılıfı (footprint) ve isteğe bağlı olarak 3D modeli. Şematik sembol, şema üzerinde bileşeni temsil eder. PCB kılıfı ise bileşenin kart üzerine lehimleneceği bakır alanların (pedler) ve montaj deliklerinin fiziksel ölçülerini ve şeklini tanımlar. 3D model, tasarımın mekanik kontrolleri ve görselleştirilmesi için kullanılır.

Tasarımcılar, projenin gereksinimlerine uygun olarak direnç, kapasitör, entegre devre gibi bileşenleri seçer ve bu bileşenlerin kılıf bilgilerinin doğru olduğundan emin olurlar. Yanlış bir kılıf seçimi, üretim sonrası bileşenin karta monte edilememesine neden olabilir.

PCB Yerleşim (Layout) Çizimi

Bu aşama, şematik diyagramdaki soyut devrenin fiziksel bir karta dönüştürüldüğü yerdir. Layout süreci, kartın boyutlarının belirlenmesi, bileşenlerin yerleştirilmesi ve aralarındaki bağlantıların (yolların) çizilmesi adımlarını içerir.

Kart Tanımlama ve Katman Yapısı

İlk olarak kartın dış sınırları, montaj deliklerinin yerleri ve varsa yasaklı bölgeler tanımlanır. Ardından, kartın katman yapısı (layer stackup) belirlenir. Basit devreler için tek veya çift katmanlı kartlar yeterliyken, karmaşık tasarımlar (örneğin anakartlar) onlarca katmana sahip olabilir. Katman yapısı, sinyal katmanlarının yanı sıra güç (power) ve toprak (ground) katmanlarını da içerir. Bu özel katmanlar, sinyal bütünlüğünü artırır ve gürültüyü azaltır.

Bileşen Yerleşimi

Bileşenlerin kart üzerindeki konumu, devrenin performansı, üretilebilirliği ve elektromanyetik uyumluluğu (EMC) açısından kritik öneme sahiptir. İyi bir yerleşim planı, "bir bilim olduğu kadar bir sanattır". Genel yerleşim kuralları arasında, birbiriyle ilişkili bileşenleri gruplandırmak (örneğin, analog ve dijital devreleri ayırmak), yüksek frekanslı sinyal yollarını olabildiğince kısa tutmak, dekuplaj kapasitörlerini besledikleri entegre devrelerin güç pinlerine mümkün olan en yakın yere koymak ve hassas bileşenleri kartın kenarlarından veya gürültü kaynaklarından uzağa yerleştirmek bulunur.

^{PCB Tasarımı (Yapay Zeka ile Oluşturulmuştur)}

Yol Çizimi (Routing)

Bileşenler yerleştirildikten sonra, şematikte tanımlanan bağlantıları gerçekleştirmek için iletken bakır yollar çizilir. Bu işlem manuel, otomatik veya yarı otomatik olarak yapılabilir. Yol çizimi sırasında, yol genişliği, yollar arası mesafe ve via (katmanlar arası geçiş deliği) boyutları gibi parametreler dikkate alınır. Yol genişliği, üzerinden geçecek akım miktarına göre hesaplanırken, yollar arası mesafe elektriksel izolasyonu sağlamak için belirlenir. Yüksek hızlı sinyaller veya RF devreleri gibi özel uygulamalar, empedans kontrolü veya diferansiyel çiftler gibi özel yönlendirme teknikleri gerektirebilir.

Tasarım Kuralları ve Doğrulama (DRC)

Üretim sorunlarını ve elektriksel hataları önlemek için tasarım yazılımında bir dizi kural tanımlanır. Bu kurallar, minimum yol genişliği, yollar arası boşluk, delik boyutları gibi üreticinin yeteneklerine ve devrenin elektriksel gereksinimlerine dayanan kısıtlamaları içerir. Tasarımın son aşamalarında, Tasarım Kuralı Kontrolü (DRC - Design Rule Check) çalıştırılır. DRC, tasarımı bu kurallara göre tarar ve herhangi bir ihlali (örneğin, birbirine çok yakın yollar veya kısa devreler) raporlar. Tasarımcı, üretime gönderilmeden önce tüm DRC hatalarını düzeltmelidir.

Üretim Dosyalarının Oluşturulması (Gerber Dosyaları)

Tasarım tamamlandığında ve tüm kontroller yapıldığında, son adım PCB üreticisi için gerekli dosyaları oluşturmaktır. Endüstri standardı format Gerber'dir (genellikle RS-274X). Gerber dosyaları, her bir katmanın (bakır katmanları, lehim maskesi, serigrafi) vektörel bir görüntüsünü içerir. Buna ek olarak, deliklerin konumlarını ve boyutlarını belirten bir delgi dosyası (drill file), bileşenlerin listesini ve özelliklerini içeren bir Malzeme Listesi (BOM - Bill of Materials) ve otomatik montaj makineleri için bileşenlerin konum ve yönelim bilgilerini içeren bir seç ve yerleştir (pick and place) dosyası da oluşturulur.

PCB Türleri ve Malzemeler

PCB'ler, uygulama gereksinimlerine bağlı olarak farklı yapılarda ve malzemelerden üretilebilir.

• Tek Katlı (Single-Layer) PCB: Sadece bir yüzeyinde iletken bakır yollar bulunan en basit ve en düşük maliyetli kart türüdür.
• Çift Taraflı (Double-Sided) PCB: Hem alt hem de üst yüzeyinde bakır yollar bulunur. Katmanlar arasındaki bağlantı "via" adı verilen delikler aracılığıyla sağlanır.
• Çok Katmanlı (Multi-Layer) PCB: İkiden fazla iletken katmana sahip kartlardır. Katmanlar, yalıtkan malzemelerle birbirinden ayrılır. Yüksek yoğunluklu ve karmaşık devreler için kullanılır.
• Sert (Rigid) PCB: FR-4 gibi sert yalıtkan malzemelerden yapılan standart kartlardır.
• Esnek (Flex) PCB: Polimid gibi esnek malzemelerden yapılır ve bükülebilir yapıdadır. Yerden tasarruf sağlamak veya hareketli parçalar arasında bağlantı kurmak için kullanılır.
• Sert-Esnek (Rigid-Flex) PCB: Sert ve esnek kart bölümlerini bir araya getiren hibrit kartlardır.
• Alüminyum PCB: Isıyı verimli bir şekilde dağıtmak için alüminyum bir taban üzerine inşa edilir. Genellikle yüksek güçlü LED aydınlatma uygulamalarında kullanılır.

En yaygın kullanılan yalıtkan malzeme, cam elyaf takviyeli epoksi bir laminat olan FR-4'tür. Ancak yüksek frekanslı uygulamalar için Rogers gibi özel malzemeler de kullanılabilir.

Tasarım Yazılımları

PCB tasarımı için çeşitli yazılımlar mevcuttur. Bu yazılımlar, şematik çizimden layout tasarımına ve üretim dosyalarının oluşturulmasına kadar tüm süreci yönetir. Profesyonel alanda yaygın olarak kullanılan yazılımlar arasında Altium Designer, Mentor Graphics PADS ve Cadence Allegro bulunur. Hobi amaçlı veya daha düşük bütçeli projeler için ise KiCad, Eagle, DesignSpark PCB ve EasyEDA gibi ücretsiz veya daha uygun maliyetli güçlü alternatifler mevcuttur.

Üretim ve Montaj Süreçleri

Tasarım süreci tamamlandıktan sonra kartın fiziksel olarak hayata geçirilmesi başlar.

Prototipleme

Seri üretime geçmeden önce, tasarımın doğruluğunu ve işlevselliğini test etmek için genellikle az sayıda prototip üretilir. Bu aşama, olası tasarım hatalarını erken tespit etme ve düzeltme imkânı tanır.

PCB Üretimi

Onaylanan Gerber dosyaları PCB üreticisine gönderilir. Üretici, bu dosyaları kullanarak bakır kaplı laminat levhalar üzerinde kimyasal ve mekanik işlemlerle iletken yolları, pedleri ve delikleri oluşturur.

Dizgi (Montaj)

Üretilen boş PCB'lerin üzerine elektronik bileşenlerin yerleştirilmesi ve lehimlenmesi işlemidir. Bu işlem, bileşenlerin bacaklarının deliklerden geçirilerek lehimlendiği delik içi montaj teknolojisi (THT - Through-Hole Technology) veya bileşenlerin doğrudan kart yüzeyindeki pedlere lehimlendiği yüzey montaj teknolojisi (SMD - Surface Mount Device) ile yapılır. SMD işlemi genellikle lehim pastasının bir elek (stencil) yardımıyla kart üzerine uygulanması ve ardından bileşenlerin yerleştirilip fırınlanmasıyla gerçekleştirilir.

Test

Montajı tamamlanmış kartların işlevselliği çeşitli testlerle kontrol edilir. Prototip aşamasında "Flying Probe" gibi iğne dokunmalı test cihazları kullanılırken, seri üretimde fonksiyonel testler uygulanarak kartın belirtilen şekilde çalışıp çalışmadığı doğrulanır.