Bahan Apa yang Digunakan untuk Membuat Papan Sirkuit Cetak

Papan sirkuit tercetak (PCB) adalah tulang punggung elektronik modern, yang menyediakan platform untuk interkoneksi dan mendukung berbagai komponen. Pahlawan tanpa tanda jasa ini dapat ditemukan di hampir semua perangkat elektronik yang kita gunakan setiap hari, mulai dari ponsel cerdas dan komputer hingga peralatan medis dan sistem otomotif. Namun, pernahkah Anda bertanya-tanya, bahan apa saja yang digunakan untuk membuat komponen-komponen penting ini?

Dalam artikel ini, kita akan menyelami lebih jauh ke dalam dunia bahan PCB, menjelajahi komponen utama yang membentuk papan yang rumit ini dan bagaimana sifat-sifatnya memengaruhi kinerja dan keandalan perangkat elektronik.

Pengantar Bahan PCB

Papan sirkuit tercetak adalah struktur datar dan kaku yang berisi sirkuit listrik yang terdiri dari permukaan logam yang tertanam yang disebut jejak dan area logam yang lebih besar yang disebut bidang. Komponen disolder ke papan ke bantalan logam, yang terhubung ke sirkuit papan, sehingga memungkinkan mereka untuk saling berhubungan. PCB dapat terdiri dari satu, dua, atau beberapa lapisan sirkuit.

PCB dibuat dengan bahan inti dielektrik yang memiliki sifat penghantar listrik yang buruk untuk memastikan transmisi sirkuit yang murni. Inti ini diselingi dengan lapisan logam dan dielektrik ekstra sesuai kebutuhan. Bahan dielektrik standar yang digunakan untuk papan sirkuit adalah komposit tahan api dari kain fiberglass tenun dan resin epoksi, yang dikenal sebagai FR-4, sedangkan jejak dan bidang logam untuk sirkuit biasanya terdiri dari tembaga.

Komponen utama dari PCB meliputi:

• Substrat: Menyediakan dukungan mekanis dan isolasi listrik
• Lapisan konduktif: Biasanya tembaga, membentuk jalur sirkuit
• Masker solder: Lapisan pelindung yang mengisolasi dan mencegah jembatan solder
• Layar sutra: Menambahkan teks dan simbol untuk identifikasi

Pemilihan bahan untuk masing-masing komponen ini memengaruhi kinerja, daya tahan, dan biaya PCB. Memahami sifat dan karakteristik bahan ini sangat penting untuk merancang dan membuat perangkat elektronik yang andal dan efisien.

Bahan Substrat

Substrat adalah fondasi PCB, memberikan dukungan mekanis dan isolasi listrik untuk lapisan konduktif. Substrat biasanya dibuat dari bahan dielektrik, yang memiliki sifat penghantar listrik yang buruk untuk memastikan transmisi sirkuit yang murni. Bahan substrat yang paling umum digunakan dalam PCB adalah FR-4, komposit tahan api dari kain fiberglass tenun dan resin epoksi.

FR-4 banyak digunakan karena sifatnya yang sangat baik, termasuk:

• Rasio kekuatan-terhadap-berat yang tinggi
• Isolasi listrik yang baik
• Tahan api
• Tahan terhadap kelembapan
• Ketahanan suhu relatif (biasanya diberi peringkat untuk 50°C hingga 115°C)

Substrat FR-4 tersedia dalam berbagai tingkatan, masing-masing dengan sifat spesifik yang disesuaikan dengan aplikasi yang berbeda. Sebagai contoh, FR-4 suhu tinggi (Tg tinggi) kompatibel dengan teknologi reflow bebas timbal dan dapat menahan suhu hingga 170°C hingga 180°C. FR-4 bebas halogen adalah varian lain yang sesuai dengan peraturan lingkungan dan kompatibel dengan teknologi reflow bebas timbal.

Selain FR-4, bahan substrat lainnya digunakan dalam PCB untuk aplikasi tertentu:

• Rogers: Komposit polimer-keramik yang menawarkan stabilitas termal yang tinggi dan performa listrik yang baik, sehingga cocok untuk sirkuit frekuensi tinggi dan performa tinggi.
• Polimida: Bahan yang fleksibel dan tahan panas yang digunakan dalam PCB fleksibel dan lingkungan bersuhu tinggi.
• Inti logam (misalnya, aluminium): Memberikan manajemen termal yang lebih baik dan digunakan dalam aplikasi elektronik berdaya tinggi dan pencahayaan LED.

Ketika memilih bahan substrat, para insinyur harus mempertimbangkan faktor-faktor seperti sifat listrik, sifat termal, dan biaya. Bahan substrat yang tepat memastikan bahwa PCB dapat memenuhi persyaratan spesifik aplikasi sambil mempertahankan keandalan dan kinerja.

Bahan Konduktif

Bahan konduktif memainkan peran penting dalam PCB, membentuk jalur sirkuit yang memungkinkan sinyal listrik bergerak di antara komponen. Bahan konduktif yang paling umum digunakan dalam PCB adalah tembaga, berkat konduktivitasnya yang sangat baik dan hemat biaya.

Ketebalan tembaga merupakan pertimbangan penting dalam desain PCB, karena hal ini memengaruhi kapasitas pembawa arus dan integritas sinyal dari jejak. Ketebalan tembaga biasanya diukur dalam ons per kaki persegi (oz / ft²), dengan 1 oz / ft² menjadi ketebalan yang paling umum. Ini berarti sekitar 35 µm atau 1,4 mil. Lapisan tembaga yang lebih tebal, seperti 2 oz/ft² atau 3 oz/ft², digunakan dalam aplikasi berdaya tinggi atau ketika kekuatan mekanik yang lebih besar diperlukan.

Meskipun tembaga adalah bahan konduktif utama dalam PCB, namun bahan lain terkadang digunakan untuk aplikasi tertentu:

• Aluminium: Digunakan pada beberapa aplikasi berdaya tinggi karena biaya dan beratnya yang lebih rendah dibandingkan dengan tembaga.
• Perak dan Emas: Digunakan dalam aplikasi khusus atau sebagai pelapisan untuk meningkatkan konduktivitas dan ketahanan terhadap korosi.

Untuk melindungi jejak tembaga dari oksidasi dan memastikan penyolderan yang andal, sering kali dilapisi dengan lapisan pelindung, seperti masker solder atau pelapisan emas. Masker solder juga membantu mencegah jembatan solder di antara bantalan yang berjarak dekat selama proses perakitan.

Pertimbangan penting lainnya dalam desain PCB adalah lebar jejak tembaga. Lebar jalur secara langsung memengaruhi kapasitas hantaran arus sirkuit, dengan jalur yang lebih lebar mampu menangani arus yang lebih tinggi. Namun, meningkatkan lebar jejak juga meningkatkan ukuran keseluruhan PCB, sehingga desainer harus mencapai keseimbangan antara kapasitas pembawa arus dan ukuran papan.

Masker Solder

Masker solder, juga dikenal sebagai penahan solder atau masker penghenti solder, adalah lapisan tipis polimer pelindung yang diaplikasikan pada jejak tembaga pada PCB. Tujuan utamanya adalah untuk mengisolasi jejak konduktif dan mencegah korsleting yang tidak disengaja selama proses penyolderan.

Masker solder biasanya terdiri dari polimer berbasis epoksi yang diaplikasikan pada permukaan PCB menggunakan teknik sablon atau pencitraan foto cair (LPI). Setelah aplikasi, masker solder diawetkan menggunakan panas atau sinar ultraviolet (UV) untuk menciptakan lapisan pelindung yang tahan lama.

Warna yang paling umum untuk masker solder adalah hijau, tetapi warna lain, seperti biru, merah, dan hitam, juga tersedia. Hijau adalah pilihan yang paling populer karena memberikan kontras yang baik terhadap jejak tembaga dan membuatnya lebih mudah untuk memeriksa PCB dari cacat.

Fungsi utama masker solder meliputi:

1. Mencegah jembatan solder: Dengan menutupi ruang di antara jejak tembaga, solder mask mencegah sambungan solder yang tidak disengaja, yang dapat menyebabkan korsleting.
2. Melindungi jejak tembaga: Masker solder melindungi jejak tembaga dari faktor lingkungan, seperti kelembapan dan debu, yang dapat menyebabkan korosi dan kerusakan seiring waktu.
3. Menyediakan isolasi listrik: Topeng solder berfungsi sebagai lapisan isolasi, mencegah kontak listrik antara jejak dan komponen yang berdekatan.

Ketebalan tipikal dari lapisan masker solder berkisar antara 0,8 hingga 1,0 mil (20 hingga 25 µm). Ketebalan dikontrol secara hati-hati untuk memastikan bahwa masker memberikan perlindungan yang memadai tanpa mengganggu proses penyolderan atau penempatan komponen.

Masker solder memainkan peran penting dalam keseluruhan proses pembuatan PCB, memastikan keandalan dan umur panjang produk jadi. Tanpa masker solder yang diaplikasikan dengan benar, PCB akan lebih rentan terhadap korsleting, korosi, dan masalah lain yang dapat mengganggu kinerja dan masa pakainya.

Silkscreen

Silkscreen, juga dikenal sebagai legenda atau nomenklatur, adalah lapisan teks dan simbol yang dicetak pada permukaan PCB untuk memberikan informasi penting untuk perakitan, pengujian, dan pemecahan masalah. Tidak seperti topeng solder, yang memiliki tujuan fungsional, silkscreen terutama digunakan untuk identifikasi dan komunikasi.

Silkscreen biasanya dicetak menggunakan tinta berbasis epoksi dan tahan panas yang melekat dengan baik pada permukaan PCB. Warna yang paling umum untuk silkscreen adalah putih, karena memberikan kontras yang sangat baik terhadap topeng solder yang lebih gelap. Namun, warna lain, seperti kuning, juga dapat digunakan.

Informasi yang disertakan dalam silkscreen dapat bervariasi, tergantung pada persyaratan spesifik PCB, tetapi biasanya mencakup:

1. Penunjuk komponen: Label yang mengidentifikasi lokasi dan jenis setiap komponen pada papan, seperti "R1" untuk resistor atau "C2" untuk kapasitor.
2. Penunjuk referensi: Pengidentifikasi unik untuk setiap komponen yang sesuai dengan simbol skematik dan entri bill of material (BOM).
3. Indikator polaritas: Simbol yang menunjukkan orientasi yang benar dari komponen terpolarisasi, seperti kapasitor elektrolit dan dioda.
4. Logo produsen: Elemen branding yang mengidentifikasi produsen PCB atau perusahaan yang mendesain papan.
5. Simbol peringatan: Informasi terkait keselamatan, seperti peringatan tegangan tinggi atau petunjuk penanganan perangkat yang sensitif terhadap ESD.

Silkscreen diaplikasikan pada PCB dengan menggunakan teknik sablon atau pencetakan inkjet. Sablon melibatkan penggunaan stensil untuk mentransfer tinta ke permukaan PCB, sementara pencetakan inkjet menggunakan printer digital untuk menyimpan tinta langsung ke papan.

Kehadiran silkscreen yang jelas dan akurat sangat penting untuk perakitan PCB dan pemecahan masalah. Ini membantu teknisi dengan cepat mengidentifikasi komponen dan penempatannya yang tepat, mengurangi risiko kesalahan perakitan dan membuatnya lebih mudah untuk mendiagnosis dan memperbaiki masalah yang mungkin timbul selama masa pakai produk.

Jenis-jenis PCB dan Pertimbangan Material

PCB tersedia dalam berbagai jenis, masing-masing dengan struktur dan persyaratan material yang unik. Tiga kategori utama PCB adalah papan satu sisi, dua sisi, dan multi-lapisan. Pilihan bahan untuk setiap jenis tergantung pada faktor-faktor seperti kompleksitas sirkuit, lingkungan pengoperasian, dan karakteristik kinerja yang diinginkan.

PCB Satu Sisi

PCB satu sisi memiliki bahan konduktif hanya pada satu sisi substrat. Ini adalah jenis PCB yang paling sederhana dan paling hemat biaya, sehingga cocok untuk sirkuit dasar dengan kepadatan rendah. Bahan substrat yang paling umum untuk PCB satu sisi adalah FR-4, sedangkan lapisan konduktif biasanya terbuat dari tembaga.

PCB satu sisi sering digunakan dalam elektronik konsumen, seperti mainan dan peralatan sederhana, di mana biaya menjadi perhatian utama. Namun, opsi perutean yang terbatas dan kepadatan komponen yang lebih rendah membuatnya kurang cocok untuk desain yang lebih kompleks.

PCB Dua Sisi

PCB dua sisi memiliki bahan konduktif pada kedua sisi substrat, memungkinkan sirkuit yang lebih kompleks dan kepadatan komponen yang lebih tinggi. Papan ini sering kali menggunakan lubang tembus dan vias untuk menghubungkan lapisan konduktif pada sisi yang berlawanan.

Pertimbangan material untuk PCB dua sisi serupa dengan pertimbangan untuk papan satu sisi, dengan FR-4 sebagai bahan substrat yang paling umum. Namun, peningkatan kompleksitas desain dua sisi mungkin memerlukan penggunaan bahan bermutu lebih tinggi atau substrat khusus untuk memastikan kinerja dan keandalan yang tepat.

PCB dua sisi digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk elektronik konsumen, kontrol industri, dan peralatan telekomunikasi.

PCB Multi-Lapisan

PCB multi-lapisan terdiri dari tiga atau lebih lapisan konduktif yang dipisahkan oleh lapisan isolasi. Papan ini menawarkan kepadatan komponen dan opsi perutean tertinggi, sehingga cocok untuk aplikasi yang kompleks dan berkinerja tinggi.

Pemilihan bahan untuk PCB multi-lapisan sangat penting, karena peningkatan jumlah lapisan dan jarak yang dekat dari jejak konduktif dapat menyebabkan masalah integritas sinyal, seperti crosstalk dan gangguan elektromagnetik (EMI). Untuk mengurangi masalah ini, perancang dapat menggunakan bahan substrat khusus dengan konstanta dielektrik dan faktor disipasi yang rendah, seperti bahan Rogers atau Isola.

Selain masalah integritas sinyal, PCB multi-layer juga menghadapi tantangan terkait manajemen termal dan tekanan mekanis. Penggunaan bahan berkinerja tinggi, seperti substrat polimida atau keramik, dapat membantu mengatasi masalah ini dan memastikan pengoperasian yang andal di lingkungan yang menuntut.

PCB multi-lapisan umumnya ditemukan dalam aplikasi berkinerja tinggi, seperti kedirgantaraan, pertahanan, dan peralatan medis, di mana keandalan dan kinerja sangat penting.

Pemilihan bahan untuk setiap jenis PCB memiliki dampak yang signifikan terhadap kinerja, biaya, dan kompleksitas produksi papan. Dengan memilih bahan yang sesuai secara hati-hati berdasarkan persyaratan spesifik aplikasi, desainer dapat memastikan bahwa PCB mereka memenuhi standar kinerja dan keandalan yang diperlukan sambil meminimalkan biaya dan tantangan produksi.

Kesimpulan

Kesimpulannya, bahan yang digunakan dalam konstruksi papan sirkuit tercetak memainkan peran penting dalam menentukan kinerja, keandalan, dan biaya perangkat elektronik. Empat komponen utama PCB - substrat, bahan konduktif, masker solder, dan layar sutra - masing-masing memiliki tujuan khusus dan berkontribusi pada keseluruhan fungsi papan.

Substrat, biasanya terbuat dari FR-4 atau bahan khusus lainnya, menyediakan fondasi untuk PCB, menawarkan dukungan mekanis dan isolasi listrik. Bahan konduktif, terutama tembaga, membentuk jalur sirkuit yang memungkinkan sinyal listrik mengalir di antara komponen. Topeng solder melindungi jejak tembaga dari kerusakan dan mencegah korsleting selama proses penyolderan, sedangkan layar sutra memberikan informasi penting untuk perakitan dan pemecahan masalah.

Seiring dengan kemajuan teknologi dan meningkatnya permintaan akan elektronik berkinerja tinggi, tren baru dalam bahan PCB pun bermunculan. Opsi ramah lingkungan, seperti substrat bebas halogen dan solder bebas timbal, menjadi semakin populer karena produsen berusaha untuk mengurangi jejak ekologi mereka. Selain itu, pengembangan bahan canggih, seperti substrat dengan kerugian rendah dan laminasi frekuensi tinggi, memungkinkan desain PCB yang dapat beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi dan mendukung standar komunikasi terbaru.

Bagi para insinyur dan desainer, pemahaman yang mendalam tentang bahan PCB sangat penting untuk menciptakan perangkat elektronik yang efektif dan efisien. Dengan memilih bahan yang sesuai secara cermat berdasarkan persyaratan spesifik aplikasi, desainer dapat mengoptimalkan kinerja, keandalan, dan biaya produk mereka. Karena industri elektronik terus berkembang, mengikuti perkembangan terbaru dalam bahan PCB akan sangat penting untuk kesuksesan di bidang yang dinamis dan inovatif ini.