*
Penulis penanggung jawab
i
PENUMBUHAN LAPISAN FILM TEBAL AG, PD/AG, DAN AU
DENGAN MENGGUNAKAN METODE SCREEN PRINTING YANG
DIAPLIKASIKAN SEBAGAI MIKROSTRIP BANDPASS FILTER
Listya Utari
1, I Dewa Putu Hermida
2*, Andhy Setiawan
1*1Departemen Pendidikan Fisika, Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan
Alam Universitas Pendidikan Indonesia (UPI)
2Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi LIPI
listyautari@gmail.com, idewaputu@gmail.com, andhys@upi.edu
ABSTRAK
Telah dilakukan pembuatan film tebal Ag, Pd/Ag, dan Au untuk aplikasi
bandpass filter dalam bentuk mikrostrip dengan metode screen printing
Penelitian dilakukan dengan membuat 3 bandpass filter dengan masing-masing menggunakan pasta Au, Ag dan Pd/Ag. Bandpass filter dibuat dengan rancangan agar mampu bekerja pada frekuensi tengah 456 MHz, bandwidth 60 MHz, VSWR 1 dan
loss -93,55 dB. Karakterisasi SEM, EDS dan FTIR dilakukan untuk mengetahui
morfologi dan kandungan mikrostrip bandpass filter. Sedangkan untuk mengetahui unjuk kerja bandpass filter dilakukan pengujian dengan menggunakan VNA. Hasil SEM menunjukkan ukuran butir dengan pasta Au, Ag dan Pd/Ag masing-masing yaitu
, dan . Serta ketebalan jalur konduktor masing-masing
yaitu , dan . Berdasarkan hasil SEM menunjukkan
pori-pori tersebar pada permukaan mikrostrip sehingga meningkatkan nilai loss bandpass
filter. Hasil EDS dan FTIR menunjukkan adanya pengotor C, N, O, H dan Al pada jalur konduktor mikrostrip. Pengukuran ketiga bandpass filter dengan VNA memperoleh hasil yaitu frekuensi tengah 456 MHz, bandwidth 60 MHz, loss 3 dB, dan VSWR 1,3. Hasil fabrikasi memiliki nilai VSWR dan loss yang lebih tinggi dibandingkan dengan rancangan, karena adanya conductor loss akibat pori pada permukaan mikrostrip dan unsur pengotor.
Kata Kunci: Bandpass Filter, Mikrostrip, Strip Konduktor, Teknologi Film Tebal.
ABSTRACT
A study on fabrication of thick film Ag, Pd/Ag, and Au for microstrip bandpass filter application using screen printing method has been carried out. Research carried out by making three bandpass filter using conductor paste Au, Ag, and Pd/Ag. Bandpass filters are designed at the operating center frequency 456 MHz, bandwidth of 60 MHz, 1 VSWR, and -93.55 dB loss. SEM, EDS and FTIR characterization conducted to determine morphology and content of microstrip bandpass filter. Meanwhile, the performance of bandpass filter was examined by using VNA. SEM results indicate grain size conductor strip using Au, Ag, and Pd/Ag are 0.435 nm, 0.389 nm and 0.913 nm. The thickness of each conductor strips are , and . Based on SEM results showed pores scattered on the surface of conductor strip,that causes the value loss increases. EDS and FTIR results indicate the presence of impurities C, N, O, H, and Al on conductor strip of microstrip. The measurement of three bandpass filter with VNA get the results that the center frequency 456 MHz,
ii
bandwidth of 60 MHz, 3 dB loss and 1.3 VSWR. Fabrication results indicate the value of loss and VSWR, higher than the design. It was due to conductor loss that occurs due to pore on the surface microstrip and also due to the impurity.
Keywords : Bandpass Filter, Microstrip, Conductor Strip, Thick Film Technology
PENDAHULUAN
Teknologi komunikasi memiliki peranan yang sangat penting bagi masyarakat modern seiring dengan kebutuhan masyarakat akan pertukaran informasi yang cepat, dan lebih mudah tidak terbatas ruang dan waktu. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut, saat ini telah banyak dikembangkan berbagai macam teknologi dibidang komunikasi. Salah satunya yaitu teknologi komunikasi
nirkabel yang menggunakan proses pengiriman dan penerimaan informasi data dari dua atau lebih device melalui media transmisi. Namun pada proses transmisi data sering kali terdapat gangguan, seperti gangguan akibat adanya sinyal – sinyal yang tidak diinginkan atau noise. Untuk dapat menghindari adanya gangguan akibat noise tersebut, maka dibutuhkanlah sebuah filter yang berfungsi untuk memisahkan spektrum yang luas untuk pengiriman dan penerimaan. Secara umum fungsi dari filter adalah untuk meningkatkan kualitas dari sebuah sinyal, mendapatkan informasi yang dibawa oleh sinyal, memisahkan dua atau lebih sinyal yang sebelumnya dikombinasikan, dan mengeliminasi rentang frekuensi dari sinyal aslinya.
Bandpass filter merupakan komponen pada transmitter dan receiver yang dapat memilih sinyal di dalam
bandwidth dan frekuensi center tertentu,
dan menolak sinyal di wilayah frekuensi lain, terutama di daerah frekuensi yang memiliki potensi untuk mengganggu sinyal informasi (Alaydrus, 2010).
Bandpass filter umumnya dibuat berupa
rangkaian komponen RLC. Namun seiring dengan perkembangan teknologi,
bandpass filter saat ini lebih banyak dibuat
dalam bentuk mikrostrip. Karena dengan
membuat filter dalam bentuk mikrostrip didapatkan harga produksi yang murah, fabrikasi yang mudah, ukuran dimensi yang kecil, dan dapat dengan mudah diintegrasikan dengan komponen
microwave pasif maupun aktif (Bhattacharjee, 2013). Mikrostrip merupakan jenis saluran transmisi yang terdiri strip konduktor, ground plane yang dipisahkan oleh bahan dielektrik atau substrat.
Gambar 1 Struktur Umum Mikrostrip (Hong, Jia
Sheng, 2001)
Sampai saat ini terdapat beberapa teknologi dalam pembuatan mikrostrip yang dilakukan oleh para peneliti salah satunya teknologi film tebal. Teknologi film tebal memiliki banyak kelebihan yaitu biaya produksi dan biaya investasi yang murah, keandalan dan kinerja yang semakin meningkat, serta memiliki ukuran yang kecil, ringan, dan sangat fleksibel. Selain itu saat ini teknologi film tebal telah memungkinkan membuat jalur dan jarak antar jalur yang lebih baik dengan kinerja yang sebanding dengan teknologi film tipis (Aftanasar, 2002).
Penelitian mengenai material mikrostrip bandpass filter telah dilakukan oleh para peneliti. Karena sifat dari mikrostrip bergantung kepada material penyusun yang digunakan untuk membuat mikrostrip tersebut (Rane, 2002). Salah
iii satunya penelitian material konduktor
mikrostrip oleh Rane (2002) yang menggunakan 4 macam pasta Ag dengan komposisi yang berbeda-beda.
Pada penelitian ini akan difokuskan pada pembuatan mikrostrip
bandpass filter menggunakan pasta Ag,
Pd/Ag, dan Au dengan meninjau pengaruh dari variasi pasta konduktor terhadap kinerja mikrostrip bandpass filter.
METODE
Pembuatan mikrostrip bandpass
filter menggunakan metode screen printing
teknologi film tebal. Berikut merupakan tahapan prosedur penelitian mikrostrip
bandpass filter menggunakan metode screen printing:
Gambar 2 Diagram Alir Penelitian Mikrostrip
Bandpass Filter
Proses penelitian dimulai dengan menentukan rancangan desain mikrostrip
bandpass filter. Mikrostrip bandpass filter
dirancang dengan karakteristik sebagai berikut:
Frekuensi tengah : 456 MHz
Bandwidth: 60 MHz
VSWR: 1
Loss: -93,55
Gambar 3 Desain Bandpass Filter 456 MHz Prosedur pembuatan bandpass filter menggunakan metode screen printing melalui beberapa proses seperti pencucian substrat, pembuatan screen, penumbuhan film tebal, pengeringan dan pembakaran. Sebelum dilakukan proses penumbuhan film dilakukan persiapan alat dan bahan seperti pencucian substrat dan pembuatan
screen. Substrat yang digunakan adalah
substrat alumina 96% dengan ukuran 4x4 inch, tebal 0,7 mm, dan konstanta dielektrik 9,8. Sebelum digunakan, substrat dibersihkan terlebih dahulu dengan cara merendam substrat dengan dye water dalam gelas ukur lalu simpan dalam
ultrasonic cleaner selama 15 menit. Lalu
rendam kembali substrat dalam larutan aseton, simpan dalam ultrasonic cleaner selama 5 menit.
Pembuatan screen merupakan dengan proses pencetakan pola filter dan
ground diatas screen. Screen yang digunakan terbuat dari bahan stainless steel dengan ukuran 20x20 cm dan kerapatan 320 mesh. Sebelum digunakan, screen terlebih dahulu dibersihkan dengan Ulano 5. Setelah itu screen dikeringkan, dan kertas film CDF3 ditempatkan dibagian tengah bagian depan screen dan direkatkan dengan selotip. Pada bagian belakang
screen yang tertutup CDF3, dilapisi dengan
Ulano 133 dan dikeringkan dengan hair
dryer hingga benar-benar kering. Setelah
Ulano 133 kering, lapisan plastik dan selotip dilepaskan lalu ortho-film diletakkan diatas permukaan CDF3 yang telah dilepaskan lapisan plastiknya. Agar tidak mudah bergerak, ortho-film direkatkan menggunakan selotip.
Screen diletakkan pada bagian
tengah bidang penyinaran screen maker. Penyinaran menggunakan sinar UV selama 15 detik. Setelah disinari, screen
iv dibersihkan dengan air bertekanan tinggi
secara perlahan agar pola yang terbentuk tidak rusak. Bagian screen yang tidak tertutup CDF3 dilapisi kembali dengan Ulano 133 lalu dikeringkan. Proses selanjutnya pelapisan film tebal dilakukan dengan melapisi pasta konduktor diatas substrat alumina 96% menggunakan screen
printer. Pasta konduktor yang digunakan
yaitu pasta Ag dengan Rs 1,2 m𝛀/sq, pasta Pd/Ag dengan Rs 15-30 m𝛀/sq, dan pasta Au dengan Rs 5 m𝛀/sq. Selanjutnya filter dikeringkan dalam oven pada temperatur 100oC selama 15 menit. Setelah filter kering, filter dibakar menggunakan furnace
infra red dengan temperature puncak
850oC selama 30 menit. Selanjutnya filter dipotong menggunakan mata intan sesuai dengan lapisan filter yang terbentuk.
HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Kandungan Bandpass Filter
Untuk mengetahui kandungan dari lapisan konduktor bandpass filter dilakukan pengujian dengan FTIR (Fourier
Transform Infra Red) Shimadzu IR dan
EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) JEOL JSM 6360 LA.
Gambar 4 Spektrum FTIR Mikrostrip Bandpass
Filter dengan Pasta Emas
Dari spektrum FTIR gambar 4 memberikan informasi pada bilangan gelombang 1031.8 cm-1, 1078.1 cm-1dan 1153.4 cm-1 menunjukkan adanya gugus fungsi C-N. Pada bilangan gelombang 1627.8 cm-1 dan 1639.4 cm-1 menunjukkan adanya gugus fungsi N-H. Pada bilangan gelombang 1460 cm-1, 2852.5 cm-1 dan 2923.9 cm-1 menunjukkan adanya gugus
fungsi C-H. Sedangkan pada bilangan gelombang 3448.5 cm-1 menunjukkan adanya gugus fungsi O-H.
Gambar 5 Spektrum FTIR Mikrostrip Bandpass
Filter dengan Pasta Perak
Dari spektrum FTIR gambar 5 memberikan informasi pada bilangan gelombang 1035.7 cm-1, dan 1068.4 cm-1 menunjukkan adanya gugus fungsi C-N. Pada bilangan gelombang 2852.5 cm-1 dan 2921.9 cm-1 menunjukkan adanya gugus fungsi C-H. Sedangkan pada bilangan gelombang 3423.4 cm-1 dan 3450.4 cm-1 menunjukkan adanya gugus fungsi O-H.
Gambar 6 Spektrum FTIR Mikrostrip Bandpass
Filter dengan Pasta Palladium-Perak
Dari spektrum FTIR gambar 6 memberikan informasi pada bilangan gelombang 1070.4 cm-1 menunjukkan adanya gugus fungsi C-N. Pada bilangan gelombang tersebut. Pada bilangan gelombang 2852.5 cm-1 dan 2923.8 cm-1 menunjukkan adanya gugus fungsi C-H. Sedangkan pada bilangan gelombang 3423.4 cm-1 dan 3450.4 cm-1 menunjukkan adanya gugus fungsi O-H.
v Gambar 7 EDS Mikrostrip Bandpass Filter dengan
Pasta Emas
Gambar 8 EDS Mikrostrip Bandpass Filter dengan
Pasta Perak
Gambar 7, dan gambar 8 menunjukkan hasil EDS berupa data komposisi dari permukaan lapisan konduktor. Berdasarkan gambar 7 diketahui lapisan konduktor mikrostrip bandpass filter dengan pasta emas terdiri dari 89,14% atom Au dan 10,86% atom O. Berdasarkan gambar 8 diketahui bahwa mikrostrip bandpass filter dengan menggunakan pasta perak mengandung 0,87% atom Al, 7,56% atom O dan 99,06% atom Ag. Adanya unsur Al pada gambar 8 menunjukkan terdeteksinya atom substrat, karena atom-atom perak yang dideposisikan pada substrat Al2O3 belum mampu menutup seluruh permukaan substrat. Sedangkan adanya unsur O pada gambar 7 dan gambar 8 mengindikasikan adanya kontaminasi dari udara bebas.
Berdasarkan hasil karakterisasi FTIR dan EDS diketahui bahwa bandpass filter hasil fabrikasi mengandung unsur C, N, H dan O yang merupakan unsur pengotor pada lapisan konduktor yang digunakan. Adanya unsur pengotor pada bahan konduktor dapat mengurangi nilai konduktivitas bahan. Karena adanya unsur
pengotor, menghambat mobilitas elektron dalam bahan.
2. Karakterisasi Morfologi
Untuk mengetahui morfologi dari permukaan mikrostrip bandpass filter maka dilakukan pengambilan gambar dengan menggunakan SEM tipe JEOL JSM 6360 LA.
Gambar 9 SEM Mikrostrip Bandpass Filter dengan
Pasta Emas
Gambar 10 SEM Mikrostrip Bandpass Filter
dengan Pasta Perak
Gambar 11 SEM Mikrostrip Bandpass Filter
dengan Pasta Palladium-Perak
Berdasarkan hasil SEM ketiga sampel terlihat sejumlah pori terbentuk diantara
vi butir. Munculnya sejumlah pori disebabkan
karena bahan pasta konduktor yang menguap selama pembakaran. Keberadaan pori pada hasil SEM mempengaruhi nilai konduktivitas bahan konduktor. Semakin banyak pori, maka konduktivitas bahan semakin kecil. Oleh karena itu, dengan adanya pori pada ketiga sampel mengindikasikan terjadinya penurunan nilai konduktivitas bahan konduktor dari ketiga sampel. Berdasarkan hasil SEM juga dapat ditemukan ukuran butir dari masing-masing sampel yaitu 0.435 nm pada sampel dengan pasta emas, 0.389 pada sampel dengan pasta perak, dan 0.913 pada sampel dengan pasta palladium-perak. Pengamatan mengenai pengaruh ukuran butir terhadap peningkatan nilai konduktivitas material dapat diamati jika material yang sama memiliki perlakuan yang berbeda. Namun pada penelitian ini menggunakan material yang berbeda-beda sehingga tidak dapat diamati pengaruh ukuran butir terhadap konduktivitas material.
Gambar 12 Hasil SEM Crosection Mikrostrip
Bandpass Filter dengan Pasta Emas
Gambar 13 Hasil SEM Crosection Mikrostrip
Bandpass Filter dengan Pasta Perak
Gambar 14 Hasil SEM Crosection Mikrostrip
Bandpass Filter dengan Pasta Palladium-Perak
Lapisan strip konduktor emas memiliki ketebalan 10,47 , lapisan strip konduktor perak memiliki ketebalan 12,98
sedangkan lapisan strip konduktor palladium-perak memiliki ketebalan 14,15
. Sampel dengan pasta palladium-perak memiliki ketebalan film yang paling tinggi. Menurut Al-Maiyaly (2013), semakin tebal film akan meningkatkan nilai konduktivitas dan berdasarkan penelitian Singh (2011), tebal lapisan konduktor berpengaruh terhadap conductor loss dan dielectric loss. Nilai conductor dan dielectric loss
menurun seiring dengan bertambah tebalnya lapisan konduktor. Berdasarkan hasil SEM, sampel dengan pasta palladium-perak lebih tebal dibandingkan dengan sampel dengan pasta emas dan perak. Hal itu menunjukkan bahwa sampel dengan pasta palladium-perak memiliki peningkatan nilai konduktivitas yang paling tinggi diantara ke-3 sampel.
vii Pengukuran filter untuk mengetahui
nilai frekuensi tengah, bandwidth, VSWR, dan loss pada mikrostrip bandpass filter. Pengukuran dilakukan menggunakan VNA
(Vector Network Analysis) Advantest
R3770. Bandpass filter hasil fabrikasi menunjukkan peningkatan nilai VSWR dan
loss dibandingkan dengan bandpass filter
hasil simulasi. Simulasi bandpass filter menggunakan software Else 2.40 memiliki VSWR 1 dan loss -93.55 dB, sedangkan hasil fabrikasi memiliki VSWR 1.3 dan
loss 3 dB. Peningkatan nilai VSWR dan loss disebabkan munculnya conductor loss
dari material penyusun mikrostrip pada hasil morfologi karakterisasi SEm yang menunjukkan pori-pori dan ukuran butir dari karakterisasi FTIR dan EDS yang dapat meningkatkan nilai loss.
Ketiga bandpass filter memiliki nilai VSWR dan loss yang sama, karena tidak ada variabel tetap pada penelitian. Masing-masing sampel memiliki Rs dan ketebalan strip konduktor yang berbeda, pada sampel perak meskipun memiliki Rs paling rendah namun berdasarkan ketebalannya sampel perak sedikit mengalami peningkatan konduktivitas. Sedangkan pada sampel palladium-perak dengan Rs paling tinggi, memiliki ketebalan strip konduktor paling
tebal sehingga peningkatan konduktivitasnya paling tinggi dibandingkan ke-3 sampel. Meskipun nilai VSWR dan loss bandpass filter hasil fabrikasi meningkat, namun bandpass filter hasil fabrikasi memenuhi kriteria untuk dapat diaplikasikan pada transmitter dan
receiver alat komunikasi. Karena meskipun
kondisi filter yang paling baik yaitu VSWR bernilai 1. Namun umumnya nilai standar VSWR yang sering digunakan yaitu ≤ 2, karena kondisi VSWR bernilai 1 sangat sulit terjadi
KESIMPULAN
1. Bandpass filter hasil fabrikasi mengandung unsur pengotor C, N, O, H, dan Al. Keberadaaan unsur C, N, O, H, dan Al sebagai pengotor pada strip konduktor
mengurangi konduktivitas strip konduktor.
2. a. Hasil SEM ke-3 lapisan strip konduktor pada perbesaran 5000x dan 10.000x menunjukkan terdapat pori-pori
tersebar pada permukaan strip konduktor. Hasil SEM menunjukkan ukuran butir dengan pasta Au, Ag dan Pd/Ag masing-masing yaitu ,
dan .
b. Tebal lapisan konduktor pasta emas adalah 10,47 , tebal lapisan konduktor pasta perak adalah 12,98 dan tebal lapisan konduktor pasta perak adalah 14,15 .
3. a. Ketiga bandpass filter hasil fabrikasi menggunakan pasta Au, Ag dan Pd/Ag menghasilkan hasil yang sama yaitu frekuensi tengah 456 MHz, bandwidth 60 MHz, VSWR 1,3 dan loss 3 dB. b. Nilai fc dan bandwidth hasil
fabrikasi telah sesuai dengan rancangan, namun nilai VSWR dan loss hasil fabrikasi lebih besar dari rancangan dB. Nilai VSWR dan loss hasil fabrikasi lebih tinggi dari nilai VSWR dan
loss yang diharapkan. Peningkatan nilai VSWR dan
loss disebabkan karena adanya
penurunan nilai konduktansi bahan konduktor karena pori pada hasil SEM dan munculnya unsur pengotor pada hasil karakterisasi FTIR dan EDS.
REFERENSI
Aftanasar, M.S. dkk. 2002. Rectangular Waveguide Filters Using Photoimageable Thick film Processing. Microwave Conference, 2002. 32nd European, hlm 1-4.
viii Al-Maiyaly,Busrh K.H. 2013. Study the
Effect of Thickness on the Electrical
Conductivity and Optical Constant of Co3O4 Thin Films.
Ibn AlHaitham Jour.for Pure & Appl. Sci., Vol.26, No.1, hlm
159-166.
Alaydrus, Mudrik. 2010. Designing Microstrip Bandpass Filter at 3.2 GHz. International Journal on
Electrical Engineering and Informatics – Vol. 2, No. 2, hlm
71 – 83.
Bhattacharjee, Sayantika dkk. 2013. Design of Microstrip Parallel Coupled Band Pass Filter for Global Positioning System.
Journal of Engineering, Computers & Applied Sciences (JEC&AS), Vol. 2, No. 5, hlm
28-32.
Hong, Jia-Sheng dan M.J.Lancaster. 2001.
Microstrip Filter for RF/Microwave Application. New
York : John Wiley & Sons.
Rane, Sunit dan Vijaya Puri. 2002. Thin Film, Thick Film Microstrip Band Pass Flter: A Comparison and Effect of Bulk Overlay.
Microelectronics Reliability, Vol. 2, hlm 1953 – 1958.
Shingh, Paramjeet dan A.K. Verma. 2011. Analysis of Multilayer Microstrip Line of Finite Conductor Thickness using Quasi-Static Spectral Domain Analysis (SDA) and Single Layer Reduction (SLR) Method. Annual IEEE
India Conference (INDICON),hlm 1-4
