Definisi Papan Sirkuit Cetak
PCB (Printed Circuit Board) adalah media penopang bagi komponen elektronik dan sambungan sirkuit. Karena dibuat dengan teknologi pencetakan elektronik, maka disebut sebagai papan sirkuit cetak. Sirkuit ditransfer ke substrat melalui proses transfer gambar, dan sirkuit tersebut terbentuk setelah melalui proses etsa kimia.
Asal-usul PCB
Pada tahun 1925, Charles Ducas dari Amerika Serikat, penemu metode aditif, mencetak pola sirkuit pada substrat berisolasi, dan kemudian berhasil memproduksi konduktor melalui proses pelapisan logam.
Pada tahun 1936, Paul Eisler dari Austria, penemu metode subtraktif, pertama kali menggunakan papan sirkuit cetak dalam sebuah radio.
Pada tahun 1943, Amerika Serikat menerapkan teknologi ini pada radio militer. Pada tahun 1948, Amerika Serikat secara resmi mengakui penemuan ini untuk penggunaan komersial.
Sejak pertengahan 1950-an, papan sirkuit cetak telah digunakan secara luas di industri elektronik dan sejak itu menjadi dominan. PCB telah berkembang dari satu lapis menjadi dua sisi, berlapis-lapis, dan fleksibel, masing-masing dengan tren perkembangannya sendiri. Dengan perkembangan berkelanjutan menuju presisi tinggi, kepadatan tinggi, dan keandalan tinggi, serta pengurangan ukuran, biaya, dan peningkatan kinerja, papan sirkuit cetak tetap mempertahankan vitalitas yang kuat dalam perkembangan perangkat elektronik di masa depan.
Fungsi PCB
PCB memiliki fungsi-fungsi berikut dalam perangkat elektronik:
- Mereka memberikan dukungan mekanis bagi berbagai komponen elektronik seperti sirkuit terpadu, serta memfasilitasi pemasangan kabel dan koneksi listrik atau isolasi antara berbagai komponen elektronik. Mereka juga menyediakan karakteristik listrik yang diperlukan.
- PCB menyediakan pola masker solder untuk penyolderan otomatis, serta karakter dan pola identifikasi untuk pemasangan komponen, inspeksi, dan perbaikan.
- Penggunaan PCB dalam perangkat elektronik menghindari kesalahan pemasangan kabel dan memungkinkan pemasangan komponen otomatis atau pemasangan permukaan, penyolderan otomatis, dan pengujian otomatis. Hal ini memastikan kualitas produk, meningkatkan produktivitas tenaga kerja, mengurangi biaya, dan memudahkan pemeliharaan.
- PCB menyediakan karakteristik listrik yang diperlukan, impedansi karakteristik, dan kompatibilitas elektromagnetik untuk sirkuit berkecepatan tinggi atau berfrekuensi tinggi.
- PCB dengan komponen pasif tertanam menyediakan fungsi listrik tertentu, menyederhanakan proses pemasangan elektronik, dan meningkatkan keandalan produk.
- PCB menyediakan pembawa chip yang efektif untuk pengemasan chip miniatur dalam komponen pengemasan elektronik skala besar dan skala ultra-besar.
Berbagai Jenis PCB
Ada banyak metode klasifikasi PCB, termasuk berdasarkan bahan substrat, karakteristik struktur, jumlah lapisan, aplikasi, dan sebagainya.
Bahan substrat
Substrat PCB merujuk pada bahan dasar yang digunakan untuk membuat papan sirkuit cetak (PCB). Substrat ini berfungsi sebagai fondasi bagi rangkaian dan komponen yang membentuk suatu perangkat elektronik. Substrat PCB umumnya terbuat dari berbagai bahan, termasuk resin epoksi yang diperkuat serat kaca (FR-4), polimida, dan keramik.
| PCB Substrate Type | Examples |
|---|---|
| Paper-based PCBs | Phenolic Paper-based PCBs, Epoxy Paper-based PCBs, etc. |
| Glass Cloth-based PCBs | Epoxy Glass Cloth-based PCBs, PTFE Glass Cloth-based PCBs, etc. |
| Synthetic Fiber-based PCBs | Epoxy Synthetic Fiber-based PCBs, etc. |
| Organic Thin Film-based PCBs | Nylon Thin Film-based PCBs, etc. |
| Ceramic Substrate-based PCBs | - |
| Metal Core-based PCBs | - |
Karakteristik Struktur
Berdasarkan karakteristik strukturalnya, PCB dapat dibedakan menjadi papan sirkuit kaku, papan sirkuit fleksibel, serta papan kombinasi kaku dan fleksibel. Perbedaan penampilan antara PCB kaku dan PCB fleksibel terletak pada fakta bahwa PCB fleksibel dapat ditekuk.
- Ketebalan umum PCB kaku adalah 0,2 mm, 0,4 mm, 0,6 mm, 0,8 mm, 1,0 mm, 1,2 mm, 1,6 mm, 2,0 mm, dan seterusnya.
- Ketebalan umum PCB fleksibel adalah 0,2 mm, dan tempat di mana komponen akan disolder akan ditambahkan dengan lapisan yang dipertebal di belakangnya. Ketebalan lapisan yang dipertebal bervariasi dari 0,2 mm hingga 0,4 mm.
- Bahan umum untuk PCB kaku meliputi: laminasi kertas fenolik, laminasi kertas epoksi, laminasi kain kaca poliester, dan laminasi kain kaca epoksi.
- Bahan umum untuk PCB fleksibel meliputi: film poliester, film polimida, dan film etilen propilen terfluorinasi.
Jumlah Lapisan
Berdasarkan jumlah lapisannya, papan sirkuit cetak dapat diklasifikasikan menjadi papan satu sisi, papan dua sisi, papan multilayer, dan papan HDI (papan interkoneksi kepadatan tinggi).
PCB Satu Sisi
Papan sirkuit satu sisi merujuk pada papan sirkuit yang hanya dipasangi kabel pada satu sisi (sisi solder), sedangkan semua komponen, label komponen, dan label teks ditempatkan pada sisi lainnya (sisi komponen).
Fitur utama papan satu sisi adalah harganya yang murah dan proses pembuatannya yang sederhana. Namun, karena pemasangan kabel hanya dapat dilakukan pada satu permukaan, pemasangan kabel menjadi lebih sulit dan rentan terhadap kegagalan, sehingga papan ini hanya cocok untuk sirkuit yang relatif sederhana.
PCB Dua Sisi
Papan dua sisi dipasangi kabel di kedua sisi papan isolasi; satu sisi digunakan sebagai lapisan atas, sedangkan sisi lainnya digunakan sebagai lapisan bawah. Lapisan atas dan bawah dihubungkan secara elektrik melalui lubang via.
Biasanya, komponen pada papan dua lapis ditempatkan pada lapisan atas; namun, terkadang komponen dapat ditempatkan pada kedua lapisan untuk mengurangi ukuran papan. Papan dua lapis memiliki harga yang terjangkau dan pemasangan kabel yang mudah. Ini adalah jenis yang paling umum digunakan pada papan sirkuit biasa.
PCB berlapis-lapis
Papan sirkuit cetak yang memiliki lebih dari dua lapisan disebut papan multilayer, seperti papan 2 lapis, 4 lapis, 6 lapis, 8 lapis, dan seterusnya.
Aplikasi
- PCB untuk konsumen: mainan, kamera, televisi, peralatan audio, telepon seluler, dll.
- PCB Industri: keamanan, otomotif, komputer, mesin komunikasi, instrumentasi, dll.
- PCB militer: dirgantara, drone, radar, dll.
Struktur PCB
PCB terutama terdiri dari laminasi berlapis tembaga (CCL), prepreg (lembaran PP), foil tembaga, dan lapisan pelindung solder. Selain itu, untuk melindungi foil tembaga yang terpapar di permukaan dan memastikan hasil penyolderan yang baik, diperlukan pula proses perlakuan permukaan pada PCB, dan terkadang juga diberi tanda dengan karakter.
Diagram skematik struktur papan PCB empat lapis ditunjukkan pada gambar:
Laminasi Berlapis Tembaga
Laminasi berlapis tembaga (CCL) merupakan bahan dasar untuk pembuatan papan sirkuit cetak. Bahan ini terdiri dari lapisan dielektrik (resin, serat kaca) dan konduktor berkemurnian tinggi (lembaran tembaga). Bahan ini terbuat dari bahan komposit.
Prepreg
Prepreg, yang juga dikenal sebagai lembaran PP, merupakan salah satu bahan utama dalam produksi papan sirkuit cetak berlapis. Bahan ini terutama terdiri dari resin dan bahan penguat. Bahan penguat tersebut terbagi menjadi kain serat kaca (disebut kain kaca), dasar kertas, dan bahan komposit.
Sebagian besar prepreg (lembaran perekat) yang digunakan dalam produksi papan sirkuit cetak multilayer menggunakan kain kaca sebagai bahan penguat. Bahan lembaran tipis yang dibuat dengan merendam kain kaca yang telah diolah ke dalam lem resin, kemudian dipanggang terlebih dahulu melalui perlakuan panas disebut prepreg. Prepreg melunak di bawah panas dan tekanan, serta mengeras saat didinginkan.
Lembaran Tembaga
Lembaran tembaga adalah lembaran logam tipis dan utuh yang dilapiskan pada lapisan dasar papan sirkuit. Sebagai konduktor pada PCB, lembaran ini mudah direkatkan ke lapisan isolasi dan diukir untuk membentuk pola sirkuit.
Topeng las
Lapisan solder resist merujuk pada bagian papan sirkuit cetak yang dilapisi tinta solder resist. Lapisan ini berfungsi sebagai lapisan pelindung permanen pada papan sirkuit cetak dan dapat berperan sebagai pelindung terhadap kelembapan, korosi, jamur, serta abrasi mekanis. Tinta solder resist biasanya berwarna hijau, dan beberapa menggunakan warna merah, hitam, dan biru, dll., sehingga tinta solder resist sering disebut "green oil" di industri PCB. Tinta ini juga dapat mencegah komponen disolder pada tempat yang salah.
Proses Produksi PCB
Proses produksi PCB (Printed Circuit Board) biasanya mencakup langkah-langkah berikut:
Pemotongan bahan:
Bahan mentah berlapis tembaga dipotong sesuai ukuran yang dibutuhkan untuk papan PCB.
Tata letak:
File grafis yang disediakan oleh pelanggan digunakan untuk menentukan posisi komponen dan jalur pada papan PCB.
Pencetakan film:
Impor dan modifikasi berkas tata letak dalam perangkat lunak, lalu cetak ke atas film hitam yang terbuat dari lem fotosensitif garam perak. Film ini digunakan untuk penempatan komponen yang presisi pada papan PCB.
Paparan:
Oleskan cairan fotosensitif ke permukaan papan PCB, lalu letakkan film di atas papan tersebut dan paparkan ke sinar UV. Setelah dipaparkan, film dilepas, sehingga hanya menyisakan jalur dan posisi komponen yang diperlukan pada papan PCB.
Etsa:
Rendam papan PCB dalam larutan etsa untuk menghilangkan lapisan tembaga yang tidak diinginkan dan mempertahankan jalur sirkuit serta posisi komponen yang diperlukan. Proses etsa biasanya mencakup langkah-langkah seperti pengembangan, etsa, dan pengupasan. Metode etsa berbeda antara papan PCB lapisan dalam dan lapisan luar.
Pengeboran:
Buatlah lubang pada papan PCB sesuai dengan ukuran dan koordinat lubang tembus yang tercantum dalam berkas. Lubang non-logam mungkin memerlukan metode dry film, pengeboran dua kali, atau penutupan lubang.
Pelapisan:
Letakkan papan PCB ke dalam bak pelapisan elektro yang berisi larutan tembaga kimia, sehingga lapisan tipis tembaga dapat mengendap pada substrat non-konduktif dan permukaan tembaga untuk memastikan konduktivitasnya.
Lapisan pelindung solder dan pencetakan saring:
Untuk melindungi rangkaian dan komponen dari oksidasi dan korosi, kita perlu mengaplikasikan lapisan pelindung solder pada papan PCB. Biasanya, lapisan pelindung solder berwarna hijau, namun Anda dapat memilih berbagai warna sesuai kebutuhan. Pada permukaan PCB dan lapisan pelindung solder, Anda juga dapat mencetak karakter, tanda, simbol, dan label.
Pemeriksaan akhir:
Lakukan serangkaian pengujian, seperti AOI dan ERC, untuk memastikan bahwa PCB memenuhi persyaratan dan standar pelanggan.
PCB vs IC
Perbedaan utama antara PCB dan IC terletak pada fakta bahwa meskipun papan PCB berfungsi sebagai platform bagi sirkuit terpadu (IC), IC tersebut dipasang pada papan PCB melalui proses penyolderan. Berikut ini adalah tabel perbandingan yang menyoroti perbedaan di antara keduanya.
| Criteria | PCB | IC |
|---|---|---|
| Definition | Printed Circuit Board | Integrated Circuit |
| Function | Provides a mechanical support for electronic components and interconnects them. | Contains multiple electronic components and their interconnections on a single piece of silicon, providing a complete electronic circuit function. |
| Size | Can vary greatly in size, from a few square millimeters to several meters. | Typically very small, with dimensions ranging from a few millimeters to a few centimeters. |
| Complexity | Can be simple or complex depending on the application. | Can be highly complex, with millions of transistors and other components integrated onto a single chip. |
| Manufacturing | Fabricated using various processes including drilling, etching, plating, and soldering. | Fabricated using semiconductor manufacturing processes including lithography, deposition, and diffusion. |
| Cost | Generally less expensive than ICs for simpler applications. | Generally more expensive than PCBs due to the complexity of the manufacturing process. |
| Reliability | More susceptible to failure due to external factors such as vibration, thermal cycling, and moisture. | Generally more reliable than PCBs due to their monolithic nature, but can still be susceptible to failure due to manufacturing defects or external factors. |
| Applications | Used in a wide range of electronic devices, including computers, televisions, and appliances. | Used in a wide range of electronic devices, including computers, mobile phones, and automotive electronics. |
