Apa itu Substrat PCB?
Substrat PCB adalah bahan dasar yang digunakan dalam pembuatan papan sirkuit cetak (PCB). Umumnya, substrat tersebut berupa laminasi berlapis tembaga (CCL), yang diproses secara selektif dengan teknik-teknik seperti pengeboran, pelapisan tembaga kimia, pelapisan elektro, dan pengetsaan untuk mendapatkan pola sirkuit yang diinginkan pada PCB satu sisi atau dua sisi. Substrat memiliki fungsi sebagai konduktor, isolator, dan penyangga. Kinerja, kualitas, proses selama pembuatan, biaya produksi, dan tingkat kematangan pembuatan PCB sangat bergantung pada bahan substrat.
Sejarah Perkembangan Substrat PCB
Teknologi dan produksi bahan substrat telah mengalami perkembangan selama setengah abad, dengan produksi tahunan global mencapai 290 juta meter persegi, didorong oleh perkembangan inovatif dalam produk elektronik, teknologi manufaktur semikonduktor, teknologi perakitan elektronik, dan teknologi PCB.
Sejak penggunaan praktis papan laminasi berlapis tembaga yang terbuat dari substrat berbasis resin fenolik pada tahun 1943, perkembangan bahan substrat telah berlangsung sangat pesat.
Pada tahun 1959, Texas Instruments memproduksi sirkuit terpadu pertama, yang meningkatkan kebutuhan akan perakitan PCB dengan kepadatan lebih tinggi, sehingga mendorong terciptanya papan multilayer.
Pada tahun 1961, Hazeltine Corporation di Amerika Serikat berhasil mengembangkan teknologi papan multilayer menggunakan proses lubang tembus metalisasi.
Pada tahun 1977, resin BT mencapai produksi industri, menyediakan jenis bahan substrat baru dengan Tg tinggi dan rendah untuk pengembangan papan multilayer di seluruh dunia.
Pada tahun 1990, IBM di Jepang mengumumkan teknologi baru untuk papan multilayer menggunakan metode penumpukan lapisan dengan resin fotosensitif sebagai lapisan isolasi.
Pada tahun 1997, teknologi papan multilayer interkoneksi kepadatan tinggi, termasuk papan multilayer bertumpuk lapisan, memasuki fase pengembangan yang matang. Sementara itu, substrat kemasan plastik, yang diwakili oleh BGA dan CSP, telah mengalami perkembangan pesat. Pada akhir tahun 1990-an, jenis substrat baru, seperti substrat tahan api hijau tanpa bromin dan antimon, dengan cepat muncul dan memasuki pasar.
Berbagai Jenis Bahan Substrat PCB
Papan sirkuit cetak umumnya dapat diklasifikasikan ke dalam dua kategori berdasarkan bahan substrat: bahan substrat kaku dan bahan substrat fleksibel. Jenis bahan substrat kaku yang paling penting adalah laminasi berlapis tembaga (CCL), yang dibuat dengan cara merendam bahan penguat dalam perekat resin, mengeringkannya, memotongnya, melaminasinya, dan kemudian melapisinya dengan lembaran tembaga. Bahan ini dibentuk pada suhu dan tekanan tinggi dengan menggunakan pelat baja sebagai cetakan dalam mesin hot press. Lembaran CCL yang setengah mengeras, yang terutama terbuat dari kain kaca yang diresapi resin, digunakan untuk memproduksi sebagian besar papan multilayer.
| Substrate Material | Description |
|---|---|
| Rigid Substrates | Non-flexible materials that withstand high temperatures and pressures. |
| Copper-Clad Laminate (CCL) | The main rigid substrate made by laminating copper foil onto resin-impregnated reinforcement material. |
| Flexible Substrates | Thin, lightweight materials that can bend or fold. |
| Reinforcement Materials | Paper, glass fiber cloth, composite-based (CEM series), and special materials (ceramic, metal core, etc.). |
| Resin Types | Phenolic, epoxy, polyester, and others. |
| Flame-Retardant Types | UL94-V0 (flame-retardant) and UL94-HB (non-flame-retardant). |
| Environment-Friendly CCL | Flame-retardant CCL without brominated compounds. |
| Performance-Based | General, low Dk, high heat-resistant (>150°C), low expansion CCLs, and others. |
Faktor-Faktor yang Perlu Dipertimbangkan Saat Memilih Bahan Substrat PCB
Anda mungkin bertanya-tanya faktor apa saja yang perlu dipertimbangkan saat memilih substrat PCB. Nah, hal itu tergantung pada penggunaan papan sirkuit Anda. Namun, ada beberapa karakteristik material penting yang dapat memengaruhi kinerja PCB Anda. Anda sebaiknya mempertimbangkannya sebelum mengambil keputusan.
Konstanta dielektrik
Ini adalah karakteristik listrik utama yang perlu dipertimbangkan saat merancang laminasi untuk PCB berkecepatan tinggi/berfrekuensi tinggi. Konstanta dielektrik merupakan besaran kompleks yang bergantung pada frekuensi dan menyebabkan dispersi pada substrat PCB dalam bentuk-bentuk berikut:
Dispersi kecepatan: Karena konstanta dielektrik merupakan fungsi dari frekuensi, frekuensi yang berbeda akan mengalami tingkat kerugian yang berbeda dan merambat dengan kecepatan yang berbeda.
Dispersi kerugian: Atenuasi yang dialami oleh sinyal juga merupakan fungsi dari frekuensi. Model dispersi sederhana menunjukkan bahwa kerugian meningkat seiring dengan meningkatnya frekuensi, tetapi hal ini tidak sepenuhnya benar, dan mungkin ada hubungan yang kompleks antara kerugian dan spektrum frekuensi pada beberapa laminasi.
Kedua efek ini berkontribusi terhadap tingkat distorsi yang dialami sinyal selama propagasi. Dispersi tidak relevan untuk sinyal analog yang beroperasi dalam bandwidth yang sangat sempit atau pada frekuensi tunggal. Namun, hal ini sangat penting untuk sinyal digital dan merupakan salah satu tantangan utama dalam pemodelan sinyal digital berkecepatan tinggi serta perancangan interkoneksi.
Gaya anyaman kaca
Gaya anyaman kaca menciptakan celah pada substrat PCB, yang berkaitan dengan kandungan resin pada papan tersebut. Kombinasi rasio volume serat kaca dan resin impregnasi menentukan konstanta dielektrik rata-rata volume substrat. Selain itu, celah pada pola anyaman kaca menimbulkan fenomena yang disebut efek anyaman serat, di mana konstanta dielektrik substrat bervariasi sepanjang jalur interkoneksi, menyebabkan distorsi, resonansi, dan kerugian. Efek-efek ini menjadi menonjol pada frekuensi sekitar 50 GHz atau lebih tinggi, yang memengaruhi sinyal radar, gigabit Ethernet, dan sinyal saluran LVDS SerDes yang umum.
Kekasaran tembaga
Meskipun hal ini sebenarnya merupakan karakteristik struktural dari konduktor tembaga cetak, hal tersebut turut berkontribusi terhadap impedansi interkoneksi. Ketidakteraturan permukaan konduktor secara efektif meningkatkan resistansi efek kulitnya pada frekuensi tinggi, sehingga menimbulkan arus eddy selama propagasi sinyal, yang pada gilirannya menyebabkan kerugian. Proses etsa tembaga, metode deposisi tembaga, dan permukaan prepreg semuanya memengaruhi ketidakteraturan permukaan hingga tingkat tertentu.
Konduktivitas termal dan kalor jenis
Jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu papan sebesar satu derajat diukur berdasarkan kalor jenis substrat, sedangkan jumlah panas yang ditransmisikan melalui papan per satuan waktu diukur berdasarkan konduktivitas termal. Sifat-sifat material PCB ini secara bersama-sama menentukan suhu akhir papan sirkuit ketika mencapai keseimbangan termal dengan lingkungannya selama pengoperasian. Jika Anda memasang papan sirkuit di lingkungan yang memerlukan pembuangan panas yang cepat ke heatsink atau wadah yang besar, Anda sebaiknya menggunakan substrat dengan konduktivitas termal yang lebih tinggi.
Suhu transisi kaca dan koefisien ekspansi termal (CTE)
Kedua karakteristik bahan PCB ini juga saling terkait. Semua bahan memiliki koefisien ekspansi termal (CTE), yang merupakan besaran anisotropik pada substrat PCB (yaitu, laju ekspansi berbeda-beda pada arah yang berbeda). Begitu suhu papan sirkuit melebihi suhu transisi kaca, CTE mulai berperan dan memengaruhi keandalan papan. Oleh karena itu, penting untuk memilih substrat dengan suhu transisi kaca dan CTE yang sesuai serta memenuhi persyaratan lingkungan PCB.
