Belajar Hardware Engineer - PCB Design & Layout

#Pendahuluan

Setelah di episode 5 skematik kalian selesai dan lolos ERC, saatnya perjalanan berlanjut ke dimensi yang lebih menantang: PCB design & layout. Ini tahap di mana file desain berubah dari diagram logis menjadi papan tembaga nyata yang akan difabrikasi.

Mengapa layout begitu menentukan? Karena skematik yang benar bisa menghasilkan PCB yang gagal berfungsi — akibat noise, crosstalk, ground bounce, atau termal yang buruk. Layout adalah tempat fisika nyata (impedansi, parasitics, panas) bertemu desain logis. Kualitas layout membedakan engineer yang bisa membuat board "nyala" dari engineer yang bisa membuat board "andal".

#Prinsip Placement

#Kelompokkan Secara Fungsional

Sebelum menarik satu jalur pun, tempatkan dulu semua komponen dalam blok fungsional: power di satu area, MCU di tengah, konektor di tepi. Alur sinyal sebaiknya mengalir dari satu sisi ke sisi lain tanpa berbelit.

#Dekatkan Komponen yang Saling Bergantung

Decoupling cap sejauh mungkin dari power pin IC (maksimal beberapa milimeter).
Crystal dan cap-nya berdekatan dengan pin MCU.
Resistor pembagi ADC dekat dengan pin ADC (menghindari noise di jalur panjang).

#Perhatikan Arah dan Termal

Komponen yang panas (regulator, MOSFET daya) diberi ruang dan jalur tembaga lebar untuk membuang panas. Konektor diletakkan sesuai orientasi mekanik enclosure (episode 13).

Tip

Placement menghabiskan 80% kualitas layout. Rule of thumb: luangkan waktu berlapang untuk menata komponen sebelum routing. Routing yang buruk masih bisa diperbaiki, tetapi placement yang buruk membuat seluruh board berjuang melawan dirinya sendiri.

#Layer Stack: Pilihan Struktur

Layer stack adalah susunan lapisan tembaga PCB. Pilihan stack memengaruhi impedansi, EMI, dan biaya:

Stack	Jumlah Lapisan	Biaya	Cocok Untuk
Single layer	1	Termurah	Desain sederhana, analog low-speed
Double layer	2	Rendah	Mayoritas desain hobby hingga MCU sedang
4 layer	4	Sedang	Sinyal high-speed, power distribution baik
6-8+ layer	6-8+	Mahal	HDI, RF, high-speed bus kompleks

Untuk sebagian besar proyek kalian, double layer adalah titik manis. Saat memasuki high-speed (episode 8), lompat ke 4 layer — sinyal mendapatkan reference plane yang stabil (ground plane) yang menekan noise dan menjaga impedansi.

Struktur standar 4-layer yang umum:

layer_stack_4l.txt

Top (signal)  ── komponen + routing sinyal
Inner 1       ── ground plane   (utuh, minim vias)
Inner 2       ── power plane    (3V3, 5V, terbelah rapi)
Bottom        ── signal         (routing tambahan)

Prinsip kritis: ground plane utuh. Jangan memotong-motong ground plane untuk routing sinyal — setiap celah di ground plane merusak jalur balik arus dan menciptakan antena noise (detail di episode 8).

#Routing dan Design Rules

#Design Rules (Spacing & Clearance)

Design rules adalah "rambu lalu lintas" antara tembaga: jarak minimum antar jalur, jarak tembaga ke lubang, lebar minimum. KiCad punya rule editor, dan fabrikator biasanya menyediakan kemampuan produksinya:

design_rules_umum.txt

Min trace width       : 0.2 mm (signal), 0.5 mm (power)
Min clearance         : 0.2 mm
Min hole size         : 0.3 mm
Min annular ring      : 0.15 mm
Silk to pad distance  : 0.15 mm

Jangan nekat di bawah kemampuan fab — board akan gagal atau sangat mahal. Cek dulu "capability" fabrikator pilihan kalian.

#Routing Praktis

Urutan routing yang disarankan:

Power net dulu — tebal, langsung, menghindari loop panjang.
Sinyal kritis — clock, high-speed (episode 8), jalur RF (episode 12).
Sinyal biasa — GPIO, kontrol, tersisa.

Sementara untuk via, gunakan secukupnya. Setiap via menambah parasitik dan biaya; pada double layer, preferensi routing di satu sisi tanpa melompat via.

ketebalan_trace.txt

Arus 0.5A  -> trace ~0.5mm (1oz copper, naik 10C)
Arus 1A    -> trace ~1mm
Arus 3A    -> trace ~2.5mm + plane/pour tembaga
Arus 5A+   -> copper pour besar + solder mask opening

Rumus pastinya tergantung konduktor, ketebalan, dan suhu — tabel di atas adalah patokan awal yang aman. Detail lengkap ada di standar IPC-2221 (dibahas di episode 14).

#Praktik: Layout di KiCad (Pcbnew)

Alur layout di KiCad

1. Buka Pcbnew -> Update PCB from Schematic (muat netlist)
2. Tetapkan design rules: Board Setup -> Design Rules
3. Atur layer stack (Tools -> Board Setup -> Physical Stackup)
4. Place component per blok fungsional
5. Route power -> critical -> sinyal biasa
6. Tambahkan copper pour GND di kedua sisi
7. Jalankan DRC (Inspect -> Design Rules Checker)
8. Ekspor Gerber + drill files untuk fabrikasi

#DRC: Jaring Pengaman Layout

DRC (Design Rules Checker) adalah ERC-nya layout: ia memeriksa jarak minimum, net yang terputus (unconnected), via yang bertabrakan, dan pelanggaran rule lainnya. Aturan pakainya sama seperti ERC: jalankan selalu sebelum mengirim file ke fabrikator, dan perbaiki sampai bersih.

DRC tidak menangkap masalah desain seperti ground loop atau decoupling yang jauh — itu tanggung jawab kalian lewat review (episode 8 dan 14). Tapi DRC bersih adalah prasyarat mutlak agar fabrikasi tidak membuang waktu dan uang.

#Common Pitfalls di Layout

Ground plane dipotong jalur sinyal — merusak jalur balik arus, menambah noise.
Decoupling cap terlalu jauh dari power pin — efeknya baru terasa di episode 8.
Trace power terlalu tipis — voltage drop dan panas di arus besar.
Solder mask clearance terlalu kecil — solder menjembatani pad (bridge) di produksi.
Tidak cek kemampuan fabrikator — board dengan design rule yang tidak bisa diproduksi.
Silkscreen menimpa pad — ref design tidak terbaca, atau sirkuit ter-short saat assembly.

Warning

Selalu kirim file Gerber untuk fab inspection — banyak fabrikator memberikan gratis. Kirim hanya saat DRC bersih dan periksa visual hasilnya: periksa silkscreen, urutan layer, dan apakah board memuat semua komponen. Satu review visual murah di sini mencegah papan kosong menunggu berbulan-bulan.

#Penutup

Pada episode 6 ini, kalian telah memahami bahwa layout yang baik adalah 80% placement dan 20% routing: kelompokkan fungsional, dekati komponen yang bergantung, jaga ground plane utuh, dan hormati design rules.

Inti yang harus dibawa pulang:

Placement menentukan 80% kualitas — dekati yang bergantung, beri ruang yang panas.
Layer stack mengikuti kebutuhan: double layer untuk mayoritas, 4 layer saat high-speed.
Routing urutannya: power → kritis → biasa; ground plane jangan dipotong.
DRC bersih adalah syarat mutlak sebelum fabrikasi.
Trace power harus cukup tebal untuk arus yang dilewatkan.

Di episode 7 selanjutnya kita membahas jantung setiap perangkat: power supply design — perbedaan linear vs switching regulator, LDO, buck converter, dan cara memilih serta merancang power architecture yang andal. Sampai jumpa di episode 7!