BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
Pada bab 2 tinjauan pustaka ini menjelaskan beberapa referensi terkait penelitian yang dilakukan, diantaranya : Teknologi Penyolderan, Interfacial Reaction, Intermetallic Compound Layer, Paduan Solder SAC305, Pengamatan Mikroskop Optik, SEM-EDS, X-Ray Diffraction (XRD), dan Penelitian Terdahulu.
2.1 Teknologi Penyolderan
Penyolderan merupakan proses metalurgi yang dilakukan untuk menyambungkan dua atau lebih logam dengan melelehkan logam pengisi yang biasa disebut dengan solder. Solder biasanya memiliki titik leleh yang relatif rendah (dibawah 425°C), karena proses penyolderan dilakukan saat solder benar- benar cair. Proses ini cukup penting dalam manufaktur perangkat elektronik.
Solder sebagai bahan penyambung akan memberikan kontinuitas listrik, termal dan sifat mekanis yang baik dalam sebuah rangkaian elektronik. Teknik penyolderan yang biasa digunakan ialah penyolderan gelombang dan penyolderan reflow. Penyolderan gelombang, dimana komponen elektronik ditempel pada PCB (Printed Circuit Board) dengan sedikit perekat kemudian seluruh rangkaian elektronik tersebut melewati solder yang mengalir dalam wadah besar.
Penyolderan reflow, komponen dipasang pada bantalan yang telah ditentukan dengan menggunakan campuran solder dan fluks, kemudian seluruh rangkaian melewati oven yang telah dikontrol sehingga sambungan solder dapat terbentuk (Zhang, 2010).
Teknologi penyolderan telah lama digunakan dalam dunia industri eletronik, penyolderan dilakukan untuk membuat interkoneksi antar komponen elektronik dimana dari proses yang dilakukan akan membentuk senyawa intermetalik dalam reaksi kimia. Senyawa intermetalik yang terbentuk saat proses solder reflow merupakan faktor yang sangat penting karena akan berpengaruh pada keandalan sambungan solder, dimana hal tersebut akan mempengaruhi kekuatan ataupun mengakibatkan kegagalan mekanis dari sambungan solder (Gu, 2014). Sehingga
menurut (Lee and Mohamad, 2013) untuk dapat mengoptimalkan proses penyolderan maka diperlukan pengetahuan terkait hubungan (interaksi) antar sambungan solder
Menurut (Lee and Mohamad, 2013) secara umum proses penyolderan terbagi menjadi tiga tahapan yaitu:
1) Penyebaran, dimana saat pemanasan terjadi solder akan meleleh dan menyebar pada substrat Cu serta membentuk penutup diatasnya
2) pelarutan base metal, dimana atom Cu dari substrat larut kedalam solder cair. Pada proses ini kondisi substrat tetap padat serta mikrostrukturnya tidak berubah.
3) Formation of an IMC layer atau pembentukan lapisan IMC, atom Cu dan cairan solder yang terlarut bereaksi sehingga membentuk lapisan intermetalik (IMC). Fasa cair (solder) kemudian berubah menjadi fasa padat ketika sambungan solder mengalami pendinginan.
7 Gambar 2.1 Proses pembasahan solder: (a) Solder SAC305 padat pada substrat Cu, (b) Solder SAC305 cair menyebar diatas substrat Cu selama penyolderan, (c)
Cu berdifusi dalam solder cair, dan (d) Cu bereaksi dengan solder cair dan membentuk lapisan senyawa intermetalik (Lee and Mohamad, 2013)
2.2 Paduan Solder SAC305
Penggunaan timbal pada produk elektronik saat ini telah dibatasi akibat masalah kesehatan dan lingkungan yang ditimbulkan, sehingga penggunaan solder bebas timbal diusulkan sebagai alternatif pengganti dari solder yang mengandung timbal pada rangkaian perangkat elektronik. Dari beberapa solder alternatif, paduan solder Sn-Ag-Cu (SAC) dianggap sebagai salah satu paduan bebas timbal yang cukup menjanjikan karena memiliki titik leleh yang relatif rendah, sifat mekanik yang unggul, wettability yang baik serta kemampuan solder yang relatif baik (Ting Tan, Wen Tan and Yusof, 2015). Salah satu komposisi paduan solder
bebas timbal Sn-Ag-Cu yang disarankan oleh International Printed Circuit Association ialah paduan 96,5Sn-3,0Ag-0,5Cu (SAC305) dengan titik leleh sekitar 217-220°C (Lee and Mohamad, 2013).
Paduan bebas timbal Sn-Ag-Cu memiliki temperatur liquidus dengan kisaran 215-220°C, dan disarankan temperatur reflow yang digunakan ialah 40°C diatas temperatur liquidus dari paduan tersebut. Sehingga temperatur puncak (peak temperature) pada SAC305 ialah 260°C (Karl J. and Kathleen A., 2004).
Tabel 2.1 Perbandingan sifat mekanik Sn37Pb dan SAC305 (Ray, Kar and Ghosh, 2007)
Properties Sn37Pb SAC305
Melting point, solidus 183°C 217°C
Melting point, liquidus 183°C 220°C
Joint strength (MPa) 54.63 67.93
Electrical conductivity 0.22 0.28
Hardness 14 HB 15 HB
2.3 Reaksi Antarmuka
Reaksi antarmuka ialah ketika dua material yang berbeda saling bersentuhan atau kontak satu sama lain, atom dari kedua material tersebut akan berdifusi satu sama lainnya akibat perbedaan gradien potensial kimianya. Apabila tidak ada kecenderungan potensial kimiawi antar komponen, maka interdifusi akan berhenti dan sistem akan mencapai kondisi kesetimbangan. Sehingga, jika komponen yang ada dalam suatu sistem saling reaktif satu dengan yang lainnya, difusi dan reaksi akan terjadi agar terbentuk IMC untuk mencapai kondisi kesetimbangan yang baru (Laksono et al., 2019).
Berdasarkan suhu reaksinya, reaksi antarmuka ini dapat dikelompokkan sebagai cair/padat dan padat/padat. Laju difusi pada atom cair lebih tinggi daripada atom padat, sehingga laju reaksi pada reaksi antarmuka cair/padat akan lebih cepat dibandingkan dengan reaksi antarmuka padat/padat (Laksono et al., 2019). Menurut (Sun and Zhang, 2015) reaksi antarmuka adalah sistem yang sangat penting dalam sambungan solder dan substrat serta merupakan faktor penting dalam kemampuan manufaktur dan keandalan dari produk elektronik.
Selama penyolderan, reaksi antarmuka yang terjadi antara solder dengan substrat akan membentuk senyawa intermetalik.
9
2.4 Intermetallic Compound Layer
Senyawa intermetalik atau Intermetallic Compound (IMC) merupakan ikatan aktual yang terbentuk ketika proses penyolderan reflow terjadi dari interdifusi dua atau lebih logam. Senyawa ini cenderung lebih keras daripada salah satu elemen logam penyusunnya (Salam, Ekere and Rajkumar, 2001) (Hare, 2013). Senyawa intermetalik atau Intermetallic Compound (IMC) terbentuk ketika proses penyolderan reflow terjadi, dimana solder cair bereaksi dengan permukaan substrat tembaga. Adanya lapisan IMC yang terbentuk pada antarmuka sambungan solder merupakan indikasi dari terbentuknya ikatan metalurgi yang baik, namun IMC memiliki sifat yang sangat rapuh sehingga dikenal sebagai bagian terlemah dari sambungan solder (Hu et al., 2016).
Menurut (Ting Tan, Wen Tan and Yusof, 2015) terbentuknya senyawa intermetalik pada antarmuka sambungan solder sangat mempengaruhi keandalan dari sambungan solder tersebut. Dimana lapisan IMC yang tipis akan meningkatkan sifat wettability antara solder dan substrat. Namun pertumbuhan lapisan IMC yang berlebihan dan tebal akan melemahkan keandalan sambungan karena IMC bersifat rapuh yang akhirnya akan menyebabkan patah getas.
Beberapa penelitian menyatakan bahwa temperatur serta waktu reflow merupakan parameter yang cukup penting dalam mempengaruhi keandalan sambungan solder. Dimana, dengan temperatur yang semakin tinggi serta waktu reflow yang lebih lama maka metalisasi substrat yang terlarut akan lebih banyak, sehingga lapisan IMC yang terbentuk akan semakin banyak (Pan et al., 2006)
Umumnya lapisan IMC yang akan terbentuk pada antarmuka sambungan paduan solder SnAgCu dan substrat Cu ialah Cu6Sn5, Cu3Sn, dan IMC lainnya, dimana selama penyolderan lapisan tipe kerang Cu6Sn5 akan terbentuk lebih dulu pada antarmuka solder dan substrat Cu yang pertumbuhannya cukup cepat, kemudian diikuti oleh terbentuknya lapisan tipis Cu3Sn diantara lapisan Cu6Sn5
dan substrat Cu (Tan et al, 2020).
Gambar 2.2 Skema mekanisme pertumbuhan IMC selama solder reflow pada sambungan SAC305/Cu: (a) pelarutan substrat Cu, (b) lapisan jenuh solder dengan Cu, (c) pembentukan Cu6Sn5 tipe kerang pada antarmuka, dan (d) Cu3Sn
muncul diantara Cu6Sn5/Cu dengan penyolderan yang lama (Lee and Mohamad, 2013)
Ketika temperatur reflow mencapai temperatur puncak (peak temperature) maka solder akan meleleh sepenuhnya dan tersebar pada substrat Cu serta proses difusi keadaan cair-padat akan berlangsung antara solder cair dengan substrat Cu padat. Atom Sn akan lebih banyak terdifusi ke daerah kontak dan membentuk lapisan IMC Cu6Sn5 diatas lapisan IMC Cu3Sn. Pembentukan lapisan IMC tersebut sesuai dengan diagram fasa Cu-Sn. Komposisi solder yang digunakan dapat mempengaruhi morfologi dari lapisan IMC Cu6Sn5, ketika komposisi solder yang digunakan adalah dekat eutektik atau eutektik maka morfologi kerang (scallop) akan terbentuk. Namun, ketika komposisi solder jauh dari daerah eutektik maka morfologi lapisan IMC akan bercabang. Di beberapa penelitian morfologi lapisan IMC berbentuk kerang memanjang, hal ini disebabkan oleh atom Cu yang berlebih di daerah tertentu (Ting Tan, Wen Tan and Yusof, 2015).
Dilihat dari diagram fasa Cu-Sn pada Gambar 2.3, terdapat 7 fasa yang dapat terbentuk yaitu γ, β, δ (Cu10Sn3), δ (Cu41Sn11), ε (Cu6Sn5) temperatur tinggi, ε‟ (Cu6Sn5‟) temperatur rendah dan ε (Cu3Sn). Namun dari keseluruh fasa tersebut hanya fasa Cu3Sn, Cu6Sn5 danCu6Sn5‟ yang dapat terjadi pada reaksi antarmuka sambungan solder dibawah temperatur 350°C (Kattner, 2002)
11 Gambar 2.3 Diagram Fasa Cu-Sn (Ting Tan et al, 2015)
2.5 Pengamatan Mikroskop Optik
Metalografi merupakan ilmu yang mempelajari mikrostruktur serta untuk mengamati struktur kimia atau atom dari berbagai bahan material, analisis tersebut penting untuk menentukan keandalan serta penyebab kegagalan dari suatu bahan atau material. Beberapa langkah yang dilakukan dalam preparasi spesimen metalografi untuk dilakukan pengamatan dengan mikroskop optik diantaranya yaitu, dokumentasi, section and cutting, mounting, grinding, polishing, etching dan analisis mikroskopis yang dilakukan dengan menggunakan mikroskop optik. Analisis mikrostruktur dari suatu material akan memberikan berbagai informasi mengenai material tersebut seperti struktur fasa, struktur solidifikasi, ukuran butir dan lainnya (Akca and Trgo, 2015).
Pengamatan dengan mikroskop optik ini dilakukan sebagai pengamatan awal terhadap permukaan spesimen, untuk memastikan adanya lapisan IMC yang terbentuk pada antarmuka sambungan solder.
2.6 SEM – EDS
Scanning electron microscopy (SEM) merupakan mikroskop elektron yang paling banyak digunakan. SEM digunakan untuk melakukan analisis struktur mikroskopis dengan memindai permukaan material organik maupun anorganik yang heterogen. Spesimen yang dianalisis diradiasi dengan sinar elektron / sinar- X dan sinyal yang dihasilkan ketika sinar berinteraksi dengan permukaan spesimen akan memberikan informasi mengenai topografi, morfologi, komposisi, orientasi butir dan informasi kristalografi dari spesimen tersebut. SEM memiliki perbesaran hingga 300.000x. Namun SEM hanya dapat memberikan informasi secara visual dari permukaan suatu material, tidak dapat memberikan informasi internal dari suatu material (Surender Kumar, 2018).
Jika dikombinasikan dengan detektor Energy Dispersive X-ray Spetroscopy (EDS/EDX) dapat diperoleh informasi kimiawi dari spesimen. Karakterisasi sinar- X dari unsur-unsur tertentu akan dipisahkan menjadi spektrum energi yang akan menganalisis banyaknya unsur-unsur yang ada didalam spesimen, dengan batas deteksi sekitar 1000 ppm atau 0,1wt%. Sehingga diperoleh peta komposisi unsur dari spesimen yang dianalisis (Ellingham, Thompson and Islam, 2018)
2.7 X-Ray Diffraction (XRD)
Metode difraksi sinar-X atau X-Ray Diffraction (XRD) adalah metode yang telah lama digunakan dan paling efektif dalam karakterisasi sifat material seperti menentukan struktur kristal dan ukuran kristal dari suatu bahan. Metode ini memanfaatkan hamburan sinar-X dari suatu padatan guna menganalisis struktur kristalnya. Metode difraksi ini mengidentifikasi senyawa kimia dari struktur kristalnya sehingga senyawa atau fasa yang berbeda namun memiliki komposisi yang sama tetap dapat teridentifikasi (Leng, 2013).
13 Gambar 2.4 Difraktometer (Leng, 2013)
Instrumen yang digunakan pada metode XRD ini ialah difraktometer sinar- X, dimana dalam instrumen ini sinar-X digunakan untuk menganalisa material.
Difraktometer dapat mengidentifikasi struktur dan kualitas kristal dengan menganalisis terlebih dahulu lalu membandingkan spektrum dengan database yang berisi lebih dari 60.000 spektrum dari difraksi zat kristal yang telah diketahui. Fungsi dasar dari difraktometer guna mendeteksi sinar-X yang terdifraksi dari spesimen serta mencatat atau merekam intensitas difraksi dalam kisaran sudut difraksi (2ζ) (Leng, 2013).
2.8 Penelitian Terdahulu
Berikut adalah rangkuman hasil penelitian terdahulu yang memeiliki keterkaitan dengan penelitian yang telah dilakukan.
Tabel 2.2 Penelitian Terdahulu No Nama dan
Tahun
Publikasi Hasil
1. Pan dkk, 2009
Metode : Proses penyolderan dilakukan dengan oven reflow, menggunakan solder SAC305 dengan variasi temperatur 230°,240° dan 250°C, serta dengan variasi waktu 30 dan 90 detik.
Hasil : Ketebalan IMC untuk semua spesimen kurang dari 3m. Ketebalan IMC meningkat seiring meningkatnya temperatur dan waktu reflow. Namun ketebalan IMC yang meningkat tidak linier dengan meningkatnya temperatur reflow.
2. Zeng dkk, 2010
Metode : Penyolderan dilakukan secara reflow dengan menggunakan paduan solder SAC305 dan substrat Cu pada temperatur 230°C selama 30 detik.
Hasil : Terbentuknya lapisan IMC Cu6Sn5, Cu3Sn dan Ag3Sn pada antarmuka solder SAC305 dengan substrat Cu
3. Lee dkk, 2013
Metode : Solder SAC305 diendapkan dengan teknik evaporasi termal pada substrat Cu. Kemudian dilakukan proses solder reflow dengan hot plate pada variasi temperatur 230°, 240°, 250° dan 260°C selama 30 detik.
Serta dilakukan juga solder reflow dengan variasi waktu selama 5, 10, 15 dan 20 detik pada temperatur konstan yaitu 230°C.
Hasil : Ditemukan lapisan IMC Cu6Sn5 dan Cu3Sn pada antarmuka SAC305/Cu. Dimana lapisan IMC Cu6Sn5
menurun seiring meningkatnya temperatur reflow sedangkan lapisan Cu3Sn meningkat seiring dengan meningkatnya temperatur reflow.
4. Adawiyah dan Azlina, 2017
Metode : Penyolderan secara reflow dengan bola solder SAC305 dan SAC405 (variasi ukuran untuk kedua jenis bola solder yaitu 300, 500 dan 700 m) dengan electroless nickel/immersion silver (ENImAg). Proses reflow dilakukan pada temperatur 230°C selama 20 menit.
Hasil : Terdapat lapisan (Cu,Ni)6Sn5 dan Ag3Sn pada antarmuka SAC305/ENImAg dan SAC405/ENImAg.
Semakin besar ukuran bola solder akan menghasilkan IMC yang tebal. Pertumbuhan IMC pada bola solder SAC405 lebih baik dibandingkan pada bola solder.
SAC305.
5. Xu dkk., 2017
Metode : Penyolderan pada solder pasta SAC305 dan substrat Cu dilakukan dengan proses reflow. Dilakukan pre-heat pada temperatur 150°C selama 100 detik kemudian reflow pada temperatur 280°C selama 600 detik. Kemudian spesimen didinginkan diudara, setelah itu diberikan perlakuan isothermal aging dengan variasi temperatur 120, 180 dan 200°C serta variasi waktu 24, 120, 240 dan 360 jam didalam oven.
Hasil : Ditemukan lapisan IMC Cu6Sn5 seperti kerang setelah penyolderan, sementara lapisan IMC Cu3Sn terbentuk setelah diberi perlakuan aging.
6. Yen, Laksono and Yang, 2019
Metode : Penyolderan reflow dengan solder SAC305 dan substrat paduan Cu-Ti (C1990HP) pada temperatur 240, 255 dan 270°C selama 10 menit – 20 jam.
Hasil : Ditemukan fasa Cu6Sn5 serta terbentuk endapan fasa Ti2Sn3 dan Ag3Sn dengan ukuran butir yang kecil
