Pembuatan Konduktor Film Tebal

Diposting oleh : Nur Ifan Syah

NIM                 : 41407110117

Pendahuluan

Perkembangan teknologi mikroelektronika dewasa ini melaju dengan cepat. Perkembangan teknologi ini telah melahirkan revolusi industri kedua yang disebut dengan Microelectronics Explotion. Pengembangan teknologi mikroelektronika diawali dengan adanya kebutuhan industri ruang angkasa dan militer (Printed Circuit Board). Salah satu teknologi mikroelektronika adalah teknologi hibrida. Teknologihibrida ada dua macam, yaitu: teknologi hibrida film tipis dan teknologihibrida film tebal. Dalam proses pembuatannya yang paling murah dan mudah adalah teknologi hibrida film tebal.
Teknologi hibrida film tebal yang dibuat dengan metode screen printing dalam prosesnya hanya dapat membuat komponen pasif dan untuk memperluas fungsi rangkaian, maka dibutuhkan komponen SMD (Surface Mounted Devices). Dalam pembuatan sistem elektronika dengan teknologi film tebal membutuhkan peralatan screen printing dan bahan dasar pembentuk sistem hibrida film tebal, yaitu: pasta dan substrat.

Fungsi Konduktor Film Tebal

Fungsi konduktor dalam rangkaian elektronika yang memanfaatkan teknologifilm tebal adalah: a. Jalur Interkoneksi
Biasanya konduktor berfungsi untuk memindahkan sinyal dari bagian yang satu ke bagian yang lain. Untuk melakukan fungsi tersebut maka konduktor harus mempunyai daya hantar yang cukup baik b. Terminal untuk Resistor Konduktor mempunyai fungsi sebagai terminal resistor yang akan turut menentukan dimensi resistor. Yang perlu diperhatikan adalah bahan konduktordan bahan resistor harus mempunyai daya ikat yang cukup baik. c. Konduktor Tempat Penyolderan Lead (Pad) Dalam suatu sistem elektronika yang kompleks biasanya terdiri atas gabungan antara sistem yang satu dengan sistem yang lain. Untuk menghubungkan antara sistem yang satu dengan sistem yang lain tersebut, maka diperlukan kaki(lead). Dalam suatu sistem yang dibuat dengan teknologi hibrida film tebal, maka kaki ini dilekatkan pada konduktor yang terletak di tepian substrat. Konduktor tempat menempelnya kaki tersebut biasanya disebut dengan pad. d. Konduktor untuk Crossover Dalam suatu sistem elektronika yang kompleks biasanya terjadi jalur konduktor yang satu harus bersilangan dengan jalur konduktor yang laintanpa ada kebocoran sinyal. Untuk mencegah kebocoran sinyal, maka dibutuhkan penyekatan dengan bahan dielektrik di antara kedua jalur konduktor yang bersilangan tersebut. Lapisan penyekat tersebut biasanya disebut crossover. e. Elektroda Kapasitor Kapasitor dalam teknologi film tebal dapat dibuat dengan jalan membuat lapisan konduktor sebagai lapisan dasar atau lapisan pertama, kemudian diikuti dengan membuat lapisan dari bahan dielektrik dan kemudian dilapisi lagi dengan konduktor sebagai lapisan ketiga. f. Konduktor Tempat Mengikatkan Chip Komponen aktif dalam bentuk chip seperti transistor, dioda atau IC seringkali dipasangkan pada substrat dengan cara pengikatan menggunakan kawat emas. Konduktor yang digunakan adalah dengan kadar emas tinggi sehingga menghasilkan ikatan yang baik dengan kawat emas. g. Konduktor untuk Membuat Resistor dengan Harga Rendah Untuk membuat resistor film tebal dengan harga rendah, maka dapat digunakan konduktor. Konduktor yang dibuat berbentuk labirin. h. Konduktor untuk Pengepakan (Packing) Salah satu cara untuk melindungi rangkaian hybrids-IC dari kondisi lingkungan ialah dengan menutup rangkaian tersebut dengan tutup yang terbuat darilogam. Tutup logam disolderkan pada substrat yang terlebih dahulu diberi lapisan konduktor di sekelilingnya.

Senyawa Pembentuk Pasta Konduktor

Pasta konduktor yang dikeluarkan pabrik merupakan hasil campuran dari berbagai senyawa. Susunan atau komposisi senyawa pembentuk pasta merupakan rahasia pabrik. Tetapi pada umumnya pasta konduktor disusun dari tiga senyawa utama, yaitu: a. Partikel-partikel Logam atau Paduan Logam
Partikel-partikel ini merupakan komponen utama pembentuk lapisan konduktor. Logam yang digunakan harus tahan terhadap suhu tinggi. Untuk itu, digunakan logam mulia. b. Senyawa Gelas Senyawa gelas berfungsi sebagai pengikat partikel-partikel logam serta pembentuk lapisan yang memungkinkan penempelan partikel-partikel logam pada substrat. Senyawa gelas yang sering digunakan antara lain, yaitu: Bismuth Oksida, Cadmium Oksida dan Timbal Borrosilikat. c. Senyawa Organik Senyawa organik dalam pasta berfungsi sebagai senyawa yang memberikan sifat fluida pada partikel-partikel logam dan senyawa gelas. Dengan terbentuknya sifat fluida, maka pasta dapat dicetakan pada substrat dengan metode screen printing. Senyawa organik yang biasanya digunakan antara lain, yaitu: terpenten dan resin.

Jenis Pasta Konduktor

Pasta konduktor yang digunakan untuk membentuk sistem dengan teknologi film tebal dibedakan menjadi dua jenis berdasarkan sistem logam pembentuknya, yaitu sistem logam tunggal dan sistem logam paduan. a. Sistem logam tunggal.
Sistem logam tunggal yang digunakan dalam pembentukan pasta konduktor ini merupakan sistem yang pertama kali dibuat oleh pabrik pada awal kemunculan teknologi ini. Logam yang pertama kali dipergunakan dalam membentuk pasta adalah logam Perak dan hingga kini masih banyak dipergunakan karena harganya murah, daya lekatnya tinggi dan mudah disolder. Dan kelemahan Perak adalah ion-nya mudah mengalami migrasi. Apabila pada rangkaian hybrids akan dipasang devais silikon dengan menggunakan cara eutectic bonding atau wire bonding dengan kawat emas, maka dibutuhkan  pasta konduktor jenis senyawa tunggal yang dibentuk dari bahan dasar emas. Kelemahan dari konduktor emas adalah harganya mahal dan kemampuan untuk disolder rendah.
b. Sistem logam paduan. Untuk mendapatkan sistem pasta dengan harga yang lebih murah dan kemampuan yang tidak kalah dari sistem logam tunggal, maka diusahakan pembuatan pasta dengan sistem logam paduan. Sistem logam paduan yang hingga kini telah dikembangkan antara lain, yaitu: Platina-Emas, Palladium-Perak, Palladium-Emas dan lain-lain.

Perancangan Konduktor Film Tebal

Nilai resistansi konduktor hibrida film tebal ditentukan oleh dimensi atau ukuran konduktor dan resistivitas lembar (sheet resistivity) pasta yang digunakan. Nilai resistansi konduktor yang dibuat dengan menggunakan teknologi film tebal ditentukan dengan persamaan: (1)
(2
(3)
R = nilai resistansi, r= resistivitas bulk material pasta mm), L = panjang konduktor (mm), W =lebar konduktor (mm), RS = resistivitas lembar pasta, t = ketebalan film (mm), L/W = aspect ratio, Rs Pd-Ag = 20mW/. Gambar 1 menunjukkan dimensi sebuah konduktor.
Gambar 1. Dimensi Konduktor Film Tebal

• Aturan Perancangan Konduktor Film Tebal

Aturan perancangan konduktor dalam sebuah sistem elektronika yang dibuat dengan teknologi film tebal adalah sebagai berikut:

• Bentuk garis lurus dengan posisinya paralel atau sejajar dengan sisi substrat dan apabila diinginkan pembentukan pad, maka pad sebaiknya berbentuk persegi panjang.
• Konduktor yang dibuat sebaiknya sependek dan selebar mungkin.
• Lebar konduktor yang diperbolehkan minimal 0,508 mm.
• Jarak pemisah antara konduktor yang satu dengan konduktor yang lain minimal 0,508 mm.
• Sebaiknya sisi substrat yang digunakan untuk pelekatan sistem hanya satu sisi saja, karena bila menggunakan dua sisi substrat akan menyulitkan proses pembuatan.
• Konduktor sebaiknya tidak dilekatkan pada pinggir substrat, karena akan membutuhkan peralatan khusus dan akan menyebabkan kerusakan fisik.
• Jarak antara konduktor dengan pinggir substrat minimal 0,762 mm.
• Pad untuk menempelnya kaki (lead) harus sebesar mungkin. Lebar pad minimal 2-3 kali diameter lead atau sekitar 1,875 mm.
• Bila memungkinkan hindari crossover, karena crossover akan menambah biaya produksi dan menambah kesulitan dalam pembuatan sistem secara keseluruhan.

[Sumber: Harper, Charles A. 1974: 1-110]

• Perancangan Konduktor pada Substrat

Untuk mendapatkan karakteristik konduktor pasta Palladium-Perak pada substrat Alumina dengan teknologi film tebal yang berupa Rs (SheetResistivity), TCR (Temperature Coefficient of Resistance) danVCR (Voltage Coefficient of Resistance), maka dirancang bentuk persegiempat yang mempunyai perbandingan panjang dan lebar (aspect ratio)mulai dari 1 sampai 10. Sedang untuk mengetahui kemampuan alat di laboratorium dalam membuat berbagai bentuk konduktor, maka dirancang bentuk melengkung dan miring.

• Pembuatan Pola Konduktor

Kertas merupakan media tempat dicetaknya gambar tata letak yang telah dirancang. Ketebalan kertas sangat mempengaruhi hasil pencetakan oleh printer. Apabila kertas terlalu tipis maka hasil perekatan tinta tidak bagus. Baik atau tidaknya hasil pencetakan pada kertas dapat dilihat pada bagian pinggir gambar.  Gambar 2. Tata Letak Konduktor Hasil Pencetakan Printer dengan Pembesaran Empat Kali
Sejumlah langkah yang harus dilakukan dalam proses pembuatan pola konduktor, yaitu: mencetak pola pada kertas (print) dan kemudian pemindahan pola gambar dari kertas ke film dengan metode fotoreduksi.
Proses pencetakan pola pada kertas dilakukan dengan pembesaran 4 kali. Pembesaran ini dilakukan untuk mengurangi gerigi pada pinggir gambar, sehingga diperoleh gambar yang tajam.
Setelah dicetak pada kertas kemudian pola dipindahkan pada film dengan metode fotoreduksi. Metode ini dilakukan dengan pengecilan 4 kali untuk mendapatkan hasil yang sesuai dengan ukuran rancangan semula
Gambar 2 menujukkan tata letak konduktor hasil pencetakan printer yang akan direalisasi dengan ukuran pembesaran empat kali

• Pembentukan Pola Konduktor pada Screen.

Screen merupakan tenunan berlubang-lubang yang terbuat dari serat. Fungsi screen adalah sebagai tempat pembentukan pola yang akan dicetak dan menentukan ketebalan pasta yang dilekatkan. Serat yang digunakan untuk membentuk jaring-jaring suatu screen terbuat dari berbagai macam bahan. Tiga jenis bahan yang sering digunakan adalah polyester, nylon,dan stainless steel. Ukuran screen yang digunakan adalah 200-300 mesh. Bentuk dan konstruksi rangka screen sangat penting sekali dalam mendapatkan hasil perekatan yang baik dan bagus.
Syarat-syarat rangka screen yang utama :

• Tidak berubah bentuk dalam segala temperatur.
• Rangka screen harus bebas dari permukaan-permukaan yang kasar dan benjolan-benjolan benda yang tajam.
• Bagian rangka screen yang bertemu dengan gasa screen harus halus dan licin.
• Pada bagian sudut-sudut rangka screen harus agak bulat.
• Rangka screen tidak berubah dalam keadaan basah atau dalam keadaan kering.
• Tahan terhadap bahan-bahan kimia yang digunakan dalam proses pencetakan.

[Julius St, M. 1997: 7] Resis merupakan suatu cairan yang bersifat peka terhadap cahaya. Dengan sifatnya yang peka terhadap cahaya inilah, maka cairan ini digunakan dalam proses pembentukan pola konduktor pada screen. Resis yang digunakan adalah Autosol, produksi Autotype Int. Ltd, tipe Solvent Resistance, seri 300.
Proses pengalihan gambar tata letak ke screen dilakukan dengan menggunakan proses yang mirip dengan fotografi yang disebut dengan fotolithografi. Dalam proses fotolithografi, hal-hal yang perlu mendapat perhatian adalah:

• Kualitas Gambar Tata Letak

Gambar tata letak yang dihasilkan harus berkualitas baik, artinya gambar harus hitam pekat sehingga tidak tembus cahaya, walaupun dalam ukuran sekecil-kecilnya. Gambar dibuat dengan ukuran 4 kali lebih besar dari tata letak aslinya untuk mengurangi gerigi pada pinggir pola konduktor.

• Pemberian Resis pada Screen

Larutan peka cahaya atau resis dipulaskan pada permukaan screen bagian luar dan bagian dalam dengan menggunakan kuas dengan gerakan satu arah dari atas ke bawah dan dari kiri ke kanan sampai rata, lalu dikeringkan dengan memberi aliran udara hangat dalam ruang gelap. Tanda-tanda kering antara lain, yaitu: pada bagian pinggir screen kering dan kalau diketuk-ketuk bunyinya seperti genderang. Setelah kering lebih baik langsung diafdrukan. Sebab kalau lewat 5 atau 6 jam setelah kering, maka daya obat pulas terhadap cahaya tidak ada lagi.

• Pengalihan Gambar Tata Letak ke Screen
• Hasil gambar pada film dilekatkan pada permukaan yang menghadap ke permukaan screen bagian luar serapat mungkin dan direkatkan dengan plester tembus cahaya. Selanjutnya screen tersebut disinari. Membangkitkan Gambar pada Screen

Sehabis penyinaran, kemudian screen direndam dalam air panas dengan suhu 600C-700C, sampai bagian yang ada bayangan gambarnya menjadi berlubang dan bersih. Kemudian dikeringkan pada sinar matahari atau pada ruang panas.

Pencetakan Konduktor

Dalam pembuatan konduktor ini digunakan pasta konduktor Palladium-Perak. Logam Perak dipergunakan karena harganya murah, daya lekatnya tinggi dan mudah disolder. Kelemahan Perak adalah ion-ion Perak dapat mengalami migrasi membentuk dendrit sehingga dapat menyebabkan hubungan dengan jalur lain. [Haskard, Malcom R. 1988: 42]. Untuk mengurangi kelemahan Perak, maka dilakukan pencampuran Perak dengan Palladium. Dengan pencampuran Palladium, maka sifat migrasi ion Perak dapat dikurangi dan harga pasta yang dihasilkanakan lebih murah. Tetapi sebagai akibat buruk pencampuran Palladium dalam Perak adalah semakin besarnya harga resistansi dari konduktor yang dihasilkan. Penyaputan berfungsi untuk memindahkan pasta ke atas substratd engan cara menekan pasta pada screen. Tegangan permukaan akan menahan pasta pada substrat saat posisi screen kembali ke keadaan semula. Karena itu bentuk, bahan dan tekanan penyaput sangat penting untuk menjamin umur penyaput dan screen. Bahan yang digunakan sebagai penyaput adalah neoprene, polyrethane, dan viton®. Posisi penyaput harus menjadikan sisi tajam membentuk sudut 45° sampai 60°terhadap permukaan screen.

• Pembersihan Substrat

Substrat sebelum digunakan dalam pembentukan sistem perlu untuk dibersihkan dari segala kemungkinan kotoran yang dapat menurunkan kemampuan sistem yang akan dibangun. Kotoran yang mungkin dapat menempel pada substrat ada yang bersifat dapat larut dalam air dan tidak dapat larutdalam air. Untuk menghilangkan kotoran pada substrat, maka diperlukan pembersihan substrat dengan alkohol yang tinggi kadar kemurniannya. Selain alkohol, bahan lain yang dapat digunakan untuk membersihkan substrat, yaitu: triclhoroethylene.Pemakaian triclhoroethylene sebaiknya dihindari karena dapat menimbulkan pencemaran air [Takayama, N. Sugiyama, T and K. Takahashi. 1990: 685] Substrat pertama kali dibersihkan dengan menggunakan kainatau kapas yang ditekankan pada substrat, dengan tujuan pembersihan awal untuk menghilangkan kotoran yang melekat. Kemudian apabila substrat sudah bersih, maka substrat dicuci dengan alkohol. Pencucian substrat dengan alkohol menggunakan kain atau kapas. Proses pembersihan diberikan pada semua sisi substrat.

• Proses Pencetakan Konduktor

Sebelum melakukan pencetakan konduktor pada substrat, maka substrat terlebih dahulu diletakan pada lubang meja pemegang substrat dan substrat ditarik dengan disedot vacuum pump. Kemudian screen dengan rangka diletakan di atasnya. Proses pencetakan konduktor di atas substrat dilakukan dengan meletakan pasta di atas screen, kemudian melakukan penyaputan pasta menggunakan rakel (squeegee).
Ada dua macam metode pencetakan dengan menggunakan penyaput, yaitu metode off contact (snap off) dan metode direct contact. Pada metode off contact, screen kontak langsung dengan substrat hanya pada saat penyaput melintasi substrat. Jarak antara bagian bawah screen dengan permukaan substrat sekitar 0,5 mm. Celah ini disebut jarak snap off. Pada metode kontak langsung (direct contact) saat penyaput bergerak melintasi substrat tidak terjadi peregangan screen, karena screen berhubungan langsung dengan substrat.
Dalam penelitian ini metode pencetakan yang digunakan adalah metode snap off.

• Proses Pembentukan Konduktor

Untuk proses pembentukan konduktor yang dibuat dengan menggunakan pasta Palladium-Perak pada subtrat Alumina membutuhkan pemanggangan sampai suhu 900°C. Untuk proses tersebut digunakan furnace Vulcan Box Furnace with Automatic Controls, yang diproduksi oleh NEY Dental International. USA, Model A-550, Seri 9493306. Pembuatan dan pengujian konduktor hibrida film tebal pasta Palladium-Perak pada substrat Alumina dilakukan di Laboratorium ProsesJurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Malang,
Proses pembentukan konduktor terdiri atas langkah-langkah, yaitu: perataan (leveling), pengeringan (drying), pemanggangan (firing) dan pendinginan (cooling). Setiap langkah dalam proses pembentukan konduktor memerlukan perlakuan yang berbeda. Untuk lebih jelasnya berikut ini dijelaskan setiap langkah pembentukan konduktor.

• Perataan

Agar hasil cetakan pasta pada substrat menjadi rata maka dilakukan proses perataan. Hasil cetakan dapat dikatakan rata apabila pasta yang telah dicetak menunjukan bentuk permukaan yang rata tanpa ada bekas bentuk screen. Proses perataan ini dilakukan dengan meletakan substrat yang baru saja dilekati pasta pada suhu ruangan selama jangka waktu 15menit

• Pengeringan

Setelah proses perataan, maka langkah selanjutnya yang perlu dilakukan pada substrat adalah proses pengeringan dengan menempatkan substrat tersebut pada furnace dengan suhu 150°C selama jangka waktu 15 menit

• Pemanggangan

Proses pemanggangan berfungsi untuk mengubah pasta yang telah dilekatkan agar menjadi konduktor. Proses ini dilakukan dengan meletakan substrat yang telah mengalami proses perataan dan pengeringan ke dalam furnace dengan suhu puncak antara 700°C sampai 900°C selama 7 menit

• Pendinginan

Setelah dilakukan proses pemanggangan (firing), maka substrat didinginkan pada suhu ruangan. Untuk mempercepat turunnya suhu substrat, maka substrat diletakan di dekat pendingin. [Harper, CharlesA. 1974]. Proses pembuatan konduktor pasta Palladium-Perak pada substrat Alumina secara keseluruhan dapat dilihat dalam Gambar 3.

Gambar 3. Proses Pembuatan Konduktor

Kesimpulan

Dari hasil pembuatan dan pengujian konduktor hibrida film tebal pasta Palladium-Perak pada substrat Alumina yang dibuat dapat disimpulkan sebagai berikut:

• Pembuatan pola konduktor bentuk segi empat dengan membentuk sudut 90° dan 0°dari arah penyaputan dapat lebih mudah dibuat dan tidak mengalami penyimpangan ukuran terlalu besar, yaitu rata-rata – 0,664%.
• Resistansi lembar pasta konduktor palladium-perak pada substrat alumina yang terkecil terbentuk pada suhu firing 900°Cdengan nilai resistansi lembar pasta konduktor yang terbentuk rata-rata sebesar 22,003 mW/. Nilai rata-rata resistansi lembar pasta yang dihasilkan tersebut menyimpang sebesar 10% dari nilai yang dikeluarkan oleh pabrik
• Nilai koefisien tegangan resistansi konduktor yang terbentuk pada substrat rata-rata sebesar 0,00044 /mV.
• Nilai koefisien suhu resistansi konduktor yang terbentuk pada substrat rata-rata sebesar 2360,388 ppm/°C, sehingga konduktor ini termasuk konduktor dengan koefisien suhu positif, yang mempunyai sifat yaitu dengan adanya kenaikan suhu maka nilai resistansi konduktor akan naik.