Artikel Pengertian dan Definisi Solder

Soldering adalah salah satu method yang digunakan untuk menyambungkan antara satu logam dengan logam lainnya. Menurut  temperature yang digunakan, soldering dikelompokkankedalam 3 bagian :

1.       Welding :biasadikenldengannamapengelasan. Temperatur yang digunakan lebihbesardari 1300 oC

2.       Brazing :biasanya digunakan untuk menyambungkan antar pipa tembaga seperti pada produksi kulkas, compressor ataupun AC ( Air conditioner ). Temperatur yang digunakan diantara 400oC sampai 1300 oC.

3.       Solder :biasanya digunakan dalam PCB Assembly dengan maximum temperature 400 oC.Pada bagian ini, kita hanya akan membahas mengenai solder  pada PCB Assembly process.

Solder ( dalam PCB Assembly process ) didefinisikan sebagai pertukaran antara atom yang ada pada kaki komponen ( Tembaga / Cu ) dengan atom timah ( Sn ) yang membentuk suatu sambungan solder berupa intermetallic alloy Cu6Sn5dan Cu3Sn.Karena intermetallic alloy ini demikian keras dan rapuh, maka besarnya solder joint ini harus dikontrol dalam arti tidak boleh terlalu besar atau terlalu kecil . Karena itu factor penting dalam penyolderan diantaranya adalah mengenai besarnya temperature dan lama process penyolderannya.

Tembagadari kaki komponen

Cu3Sn

Cu6Sn5

Timahdaribahan solder

Process pertukaranantara atom Cu dan Sn tidak dapat terjadi apabila diantara keduanya terdapatpenghalangberupalapisanlogamoksidapadapermukaandasar material yang akandisolder. Seperti yang sudah diketahui bahwa setiap logam akan selalu bereaksi dengan oksigen yanag ada diudara terbuka, sehingga membentuk logam oksida. ( kandungan udara terbuka terdiri atas 78% Nitrogen, 21% Oksigen, dll ). Logam oksida ini sering disebut dengan karat logam. Timah Sn dan tembaga Cu, jika diletakkan diudara terbuka akan membentuk oksida dengan ketebalan sekitar 2 nano meter.

Ada juga logam yang bersenyawa dengan udara membentuk sulfuric logam.Logam emas Au dan Platina Pt. Sehingga logam ini( emas dan platina )  tidak pernah berkarat dan dikenal dengan logam mulia.

Jadi sebelum dilakukan penyolderan, bagian permukaan dari bahan yang akan disolder harus dibersihkan dari lapisan oksida. Pembersihan lapisan ini bisa dilakukan secara mekanis atau kimiawi.Kertas gosok bisa digunakan untuk membersihkan lapisan oksida secara mekanik.  Pembersihan secara kimiawi bisa digunakan flux.  

 Ada 3 kegunaan dari pemakaian Flux ,yaitu :

a.       Membersihkan lapisan oksida logam dari base material yang akan disolder

b.      Mencegah terjadinya re-oksidasi pada bahan yang akan disolder

c.       Memperbaiki spreading dan wetting dari solder. (Pada  Eutectic solder, spreading SnPbsebesar 93%. 

S    

     Sedangkanpada lead free solder, spreading  hanya sekitar 77%. Karena itu pada lead free solder diperlukan flux lebih besar dengan menaikkan  solid contents sebesar 15%.

Flux bisaberfungs iseperti diatas, karena flux mengandung asam yang memiliki sifat dapat melarutkan logam, termasuk logam oksida. Untuk  Flux base  rosin,  bahan dasarnya adalah rosin ( getah pohon pinus ) yang mengandung asam abietic. Sedangkan pada flux base water, asam yang digunakan dalam asam inorganic.

Sebelum kita berbicara lebih jauh mengenai process soldering dalam manufacturing, kita akan pahami mengenai istilah yang sering digunakan dalam pembahasan soldering secara ilmiah.

1.       Wetting :adalah kejadian dimana sebagian permukaan suatu zat padat bersentuhan dengan zat cair dan menjadi batas bersama antara zat padat dan zat cair. Pada process soldering, Zat padat tersebut adalah base logamnya, sedangkan zat cair adalah larutan solder. Zat cair dikatakan membasahi zat padat jika sudut contact  antara kedua zat tersebut kurang dari 90o.  Makan kecil sudut kontak, tentu wetting akan lebih baik. Dengan adanya wetting ini, tentu solder ( bahanSn ) bisa melakukan spreading pada bahan tembaga Cu ( pad ) sehingga terjadi solder joint dengan kaki komponen. Jika sudut kontak 0o, mak aspreadingnya adalah 100%. Salah satu fungsi flux adalah menurunkan tegangan permukaan, sehingga sudut kontak menjadi lebih kecil dan spreading naik.

2.       Difusi :adalah  proses pertukaran dan penyebaran atom antara timah Sn dan tembaga Cu untuk membentuk intermetallic alloy. Besarnya intermetallic bisa mempengaruhi strength fatigue, konduktivita selektrik, dan ketahanan leaching

3.       Kapilaritas :adalah sifat solder dimana zat cair dapat melakukan penetrasi pada celah yang sempit. Umumnya ketinggian naiknya solder pada celah sempit berbanding terbalik dengan besarnya celah tersebut( through hole ).Tetapi ada kejadian dimana pada lebar celah tertentu, kenaikan semakin rendah. Hal in idisebabkan karena sempitnya celah tersebut menyebabkan resistansi dariviskositas antara solder dan flux semakin besar. Sehingga solder tidak bisa naik lebih tinggi lagi.

4.       Leaching :adalah process larutnya zat padat logam ke zat cair logam pada suhu dibawah titik leburnya. Contoh: Cu memiliki melting point 1083 oCdan digunakan sebagai base logam kaki komponen. Jika bersentuhan dengan larutan solder ( suhu 240 ~ 260 oC ), maka Cu akan melarut kedalam larutan solder tsb. Kenaikan jumlah Cu yang tidak terkontrol, akan mempengaruhi hasil penyolderan. Untuk itu permukaan kontak kaki komponen harus diperkecil atau solder tersebut juga harus mengandung Cu. Semakin tinggi kadar Cu akan memburuknya aliran solder ( flowing solder ), sehingga terjadi banyak solder bridge, icicles dsb. Dan pada saat cooling akan terbentuk lebih banyak intermetallic alloy yang bersifatkeras, rapuh, lemah secara mekanis.

5.       EuteticAlloy :adalah alloy komposisi dari dua perpaduan logam sedemikian sehingga titik lebur ( Liquidus temperature ) dan titikpadat ( solidus temperature ) temperaturnya sama. (Perpaduan dua logam biasanya mempunyai liquidus temperature dan solidus temperatu berbeda. ) Untuk eutectic solder SnPb didapatkan pada komposisi Sn63% - Pb37%.Dalam solder,apabila komposisi Sn63Pb37 ini tidak digunakan, akan berakibat surface yang tidak smooth dan bisa menyebabkan crack dan liquation.

6.       Liquation :adalah hal dimana pencairan suatu zat padat tidak terjadi pada waktu yang bersamaan.  Jika yang dipakai bukan eutectic solder, pada saat soldering ( solder masuk ke through hole ), maka solder tidak akan masuk secara merata dan bersamaan. Yang akan masuk terlebih dahulu adalah yang melting pointnya terendah yaitu  eutectic solder. Sedangkan alloy lainnya( pasty alloy ) akan mampat dipintu masuk celah dan membeku lebih lambat .

7.       Lift off :Lepasnya solder fillet dari pad Cu. Hal ini terjadi pada penyolderan through hole dengan dip soldering.  Lift off banyak terjadi pada solder yang mengandung Bismuth.   Hal hal yang memudahkan terjadinya lift off adalahsbb :

-          Pemakain non eutectic solder

-          Kaki komponen yang besar

-          Papan PCB yangtebal

-          Diameter land yang besar

-          Cooling rate yang kecil

8.       Dross :adalah oksida timah yang terbentuk dari reaksi antara oksigen dalam udara dengan timah dalam larutan solder. Semakin tinggi temperaturenya maka dross yang terjadi semakin banyak. Semakin cepat aliran larutan solder,semakin banyak dross yang terjadi. Hal ini dikarenakan makin luasnya permukaan kontak dengan udara. Untuk mengurangi dross, pada beberapa jenis solder ditambahkan P, Ge atau In. Phosphor akan bereaksi membentuk oksida P2O5 dan menutupi permukaan solder dari oksidasi denganudara. Sebaliknya Zn, Sb dan Al akan meningkatkan terjadinya dross solder.

9.       Korosi :adalah senyawa oksida yang terbentuk jika logam berada diudara terbuka. dan bereaksi dengan oksigen. Hal ini karena senyawa oksida adalah bentuk yang paling stabil dari logam.  Jenis jenis korosi adalah sbb:

a.       KorosiKimiawi,  logam bereaksi dengan zat yang ada disekelilingnya dan membentuk senyawa baru. Contoh: CuCO3, Cu(OH)2, PbCO3.

b.      Korosi ELektris( Korosi Galvani ). Korosi ini terjadi antara 2 logam yang terhubung dan memiliki potensial listrik yang berbeda. Logam dengan potensial listik yang rendah akan menjadi kutub negative dan akan larut secara perlahan. Terhubungnya kedua logam tersebut karena adanya larutan ion halogen atau air atau residue flux diantara keduanya.

10.   Migration :merupakan bentuk khusus dari korosi galvanis. Hal ini terjadi jika PCB dan komponennya dialiri arus listrik, sedangkan diantara keduanya terdapat air atau ion halogen. Kutub positif komponen akan menjadi ion dan melarut menuju kutub negative. Jika hal ini berkelanjutan, maka akan terjadi hubungan pendek( short circuit ). Keberadaan ion halogen sangat mempermudah terjadinya migration

11.   Creep strengthdan tensile strength :adalah metoda pengujian solder.

Creep strength dilakukan dengan membebani solder joint dengan bandul 100g ~ 1kg dan kemudian diukur berapa lama solder joint tsb bertahan.

Untuk Tensile strength: dengan menarik kaki komponen yang tersolder secara paksa sampai kaki komponennya putus.

Untuk eutectic solder creep strength nya adalah kurangdari 300 jam. Sedangkan untuk lead free, lebih dari 1000 jam.

Saat terjadinya soldering, solder akan spreading dan kemudian membeku. Papan PCB yang terbuat dari polimer akan mengambang lebih dari solder. Solder ini memiliki kemampuan untuk mengerem pengembangan papan PCB, dengan menyerap strain papan PCB tsb.Dengan kata lain, solder memiliki elastisitas, sehingga bisa dibentuk menjadi solder wire.(  Melting point 183oC dan solidus point -45oC. Jadi pada suhu ruang, sebenarnya solder sedang dalam fase peralihan dari zat padat ke zatcair )