ELEKTRO INDONESIA             Edisi ke Sebelas, Januari 1998

ELEKTRONIKA

Pembuatan Konduktor Film Tebal

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
Gambar 1. Dimensi Konduktor Film Tebal
Aturan perancangan konduktor dalam sebuah sistem elektronika yang dibuat dengan teknologi film tebal adalah sebagai berikut: [Sumber: Harper, Charles A. 1974: 1-110] 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. 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

 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

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 :

[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:

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. 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.

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.

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.

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.

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.

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 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 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 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.

Kesimpulan

Dari hasil pembuatan dan pengujian konduktor hibrida film tebal pasta Palladium-Perak pada substrat Alumina yang dibuat dapat disimpulkan sebagai berikut: Daftar Acuan
  1. Callister, William D Jr. 1994. Materials Science andEngineering. John Willey and Sons Inc. International.
  2. Dupont. 1997. Conductor, Dielectric, Resistor MaterialsComparison Data Book. Dupont. USA.
  3. Effendi, Elli Herlia. 1996. Konduktor Film Tebal pada Rangkaian Hybrid-IC. IPT Technical Journal Vol.1 No.5-6 Oktober 1995/ Januari1996. LIPI. Bandung.
  4. Floyd, Thomas L. 1991. Electronics Fundamentals Circuits, Devices and Applications. Collier Macmillan Canada Inc. Toronto.
  5. Harper, Charles A. 1974. Handbook of Thick Film Hybrid Microelectronics. Mc Graw-Hill Book Company. USA.
  6. Harper, Charles A and Ronald M. Sampson. 1984. Electronic Material HandBook. Mc Graw-Hill Book Company. Singapore.
  7. Haskard, Malcom R. 1987. Thick Film Hybrid Manufacture and Design. Prentice Hall. Australia.
  8. Julius St, M. Fahmul Yakin dan Elli Herlia Effendi. 1996.Fabrikasi dan Karakterisasi Film Tipis Nikrom sebagai Resistor Hibrida. Majalah Ilmiah Teknik Elektro Vol.2 No.1 Tahun 1996. Jurusan Teknik Elektro- Fakultas Teknologi Industri - Institut Teknologi Bandung. Indonesia.
  9. Julius St, M. 1993. Sablon Screen Printing. UPT Penerbitan FT-Unibraw. Malang.
  10. Julius St. M. dkk. 1997. Pembuatan Laboratorium Teknologi Film Tebal sebagai sarana miniaturisasi Rangkaian Elektronika. LaporanProgram Peningkatan Pendidikan Sains DIKTI
  11. Julius St. M. Hibrida Film Tebal Untuk Pengecilan Rangkaian Elektronika. ELEKTRO-INDONESIA-PII No.12 Th.III, September 1996
  12. Julius St. M. Pengembangan Teknologi Film Tebal diIndonesia. QUAD Edisi 4 Tahun III, 1997
  13. Kurihara, Y. Takahashi, S. Yamada, K. and Endoh, T. 1990.Ag-Pd Thick Film Conductor for AlN Ceramics. IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing technology. June 1990 Vol.13 No.2. IEEE. International.
  14. Popong Effendrik, 1997. Karakterisasi Konduktor Pasta Palladium–Perak pada Substrat Alumina dengan Teknologi Hibrida Film Tebal.Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FT Unibraw Malang.
  15. NEY. 1994. Vulcan Box Furnace with Automatic Controls, Owner's and Operator's Manual. NEY Dental International. USA
  16. Takayama, N. Sugiyama, T and Takahashi, K. 1991. NewMethod of Water Cleaning for Circuit Substrat. IEEE Transactions onComponents, Hybrids, and Manufacturing technology. December 1990 Vol.13No.4. IEEE. International.
M. Julius St., Popong Effendrik, Sugiri
Jurusan Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Brawijaya
E-mail: teubraw @mlg.mega.net.id

Artikel lain :


[Sajian Utama] [Sajian Khusus] [Profil Elektro]
[KOMPUTER] [KOMUNIKASI] [KENDALI] [INSTRUMENTASI] [PII NEWS]

Please send comments, suggestions, and criticisms about ELEKTRO INDONESIA.
Click here to send me email.
[ Edisi Sebelumnya
© 1996-1998 ELEKTRO Online.
All Rights Reserved.