Bahan yang Digunakan dalam Papan Sirkuit Cetak (PCB): Panduan Komprehensif untuk Produsen.

Citra yang diotorisasi pelanggan

Papan Sirkuit Cetak (PCB) adalah tulang punggung tak kasat mata dari setiap perangkat elektronik—dari ponsel pintar hingga pesawat luar angkasa—tetapi kinerjanya sepenuhnya bergantung pada bahan yang digunakan untuk membuatnya. Modem 5G ponsel pintar bergantung pada bahan substrat berkerugian rendah untuk menghindari putusnya sinyal, sementara sistem manajemen baterai (BMS) EV memerlukan foil tembaga tahan panas untuk menangani arus tinggi. Memilih bahan yang salah dapat menyebabkan kegagalan prematur, pengerjaan ulang yang mahal, atau bahkan bahaya keselamatan (misalnya, panas berlebih pada perangkat medis).

Panduan ini menguraikan bahan-bahan penting yang membentuk PCB, sifat uniknya, dan cara memilih yang tepat untuk aplikasi Anda. Kami akan membahas semuanya mulai dari substrat dasar dan foil tembaga konduktif hingga topeng solder pelindung dan lapisan akhir permukaan yang meningkatkan keandalan, dengan perbandingan berbasis data dan kasus penggunaan dunia nyata yang disesuaikan dengan standar manufaktur Amerika. Baik Anda merancang gadget konsumen atau komponen kedirgantaraan yang sangat penting, memahami bahan-bahan ini adalah kunci untuk membangun PCB yang berkinerja, tahan lama, dan memenuhi tujuan biaya.

Poin Penting
  a. Bahan substrat (misalnya, FR4, Rogers, polimida) menentukan kinerja termal, listrik, dan mekanik PCB—FR4 ideal untuk 80% aplikasi konsumen, sementara Rogers unggul dalam desain 5G/mmWave.
  b. Ketebalan foil tembaga (1oz–5oz) dan jenis (elektrolitik vs. digulung) memengaruhi kapasitas pembawa arus: tembaga 2oz menangani arus 30A+ (kritis untuk EV), sementara tembaga digulung menawarkan fleksibilitas untuk perangkat yang dapat dikenakan.
  c. Topeng solder (terutama hijau LPI) melindungi jejak dari korosi dan jembatan solder, dengan varian suhu tinggi (Tg ≥150°C) yang diperlukan untuk PCB otomotif dan industri.
  d. Lapisan akhir permukaan (ENIG, HASL, ENEPIG) menentukan kemampuan solder dan masa pakai: ENEPIG adalah standar emas untuk medis/kedirgantaraan, sementara HASL tetap hemat biaya untuk perangkat keandalan rendah.
  e. Kesalahan pemilihan bahan menyebabkan 35% kegagalan PCB (data IPC)—mencocokkan bahan dengan kebutuhan aplikasi (misalnya, suhu, frekuensi, arus) memotong tingkat kegagalan lapangan sebesar 50%.

1. Bahan Substrat PCB: Dasar Kinerja
Substrat adalah dasar non-konduktif yang menampung jejak tembaga, komponen, dan lapisan PCB lainnya. Ini adalah pilihan bahan yang paling berdampak, karena menentukan:
  a. Konduktivitas termal: Seberapa baik PCB membuang panas (kritis untuk komponen berdaya tinggi seperti IGBT).
  b. Konstanta dielektrik (Dk): Seberapa baik ia mengisolasi sinyal listrik (Dk rendah = kinerja frekuensi tinggi yang lebih baik).
  c. Kekuatan mekanik: Ketahanan terhadap pelengkungan, pembengkokan, atau retak (kunci untuk lingkungan yang kasar).

Di bawah ini adalah bahan substrat yang paling umum, dengan perbandingan terperinci untuk memandu pemilihan:

Mengapa Pilihan Substrat Penting
  a. Elektronik Konsumen: FR4 adalah andalan di sini—biaya rendah dan kinerja termalnya yang memadai (0,3 W/m·K) menangani kebutuhan daya 1–5W dari ponsel pintar dan tablet. PCB FR4 6 lapis di iPhone 15 berharga ~(2,50, vs. )12,50 untuk setara Rogers.
  b. 5G/ Telekomunikasi: Dk rendah Rogers RO4350’s (3,48) meminimalkan hilangnya sinyal pada 28GHz, menjadikannya penting untuk stasiun pangkalan 5G. Tanpa itu, sinyal 5G akan menurun sebesar 40% pada jejak 10cm.
  c. Kedirgantaraan: Substrat polimida tahan terhadap perubahan suhu -55°C hingga 200°C dan tahan radiasi, menjadikannya ideal untuk PCB satelit. Teleskop Luar Angkasa James Webb NASA menggunakan PCB berbasis polimida untuk instrumen kriogeniknya.
  d. EV: Substrat inti aluminium (MCPCB) dalam inverter EV membuang panas 3x lebih cepat daripada FR4, menjaga suhu sambungan IGBT di bawah 125°C (ambang batas untuk pengekangan termal).

2. Foil Tembaga: Tulang Punggung Konduktif
Foil tembaga adalah bahan konduktif yang membentuk jejak, bidang, dan bantalan—membawa sinyal listrik dan daya melintasi PCB. Ketebalan, jenis, dan kemurniannya secara langsung memengaruhi kapasitas arus, fleksibilitas, dan biaya.

Spesifikasi Foil Tembaga Utama
  a. Ketebalan: Diukur dalam “ons (oz)” (1oz = ketebalan 35μm). Pilihan umum:
1oz: Ideal untuk sinyal arus rendah (≤10A) dalam elektronik konsumen.
2oz: Menangani arus 10–30A (EV BMS, penggerak motor industri).
3–5oz: Untuk aplikasi berdaya tinggi (50A+), seperti inverter EV atau peralatan las.
  b. Jenis: Dua varian utama, masing-masing sesuai dengan kebutuhan tertentu:

Pertimbangan Kritis untuk Foil Tembaga
  a. Kapasitas Arus: Jejak tembaga selebar 1mm, 2oz membawa ~30A pada 25°C (standar IPC-2221). Untuk arus yang lebih tinggi, gunakan jejak yang lebih lebar (misalnya, selebar 2mm, 2oz = 50A) atau foil yang lebih tebal (3oz = 45A untuk lebar 1mm).
  b. Kekasaran Permukaan: Tembaga digulung memiliki permukaan yang lebih halus (Ra <0,5μm) daripada elektrolitik (Ra 1–2μm), mengurangi hilangnya sinyal pada frekuensi tinggi (28GHz+). Ini membuatnya ideal untuk PCB mmWave 5G.
  c. Fleksibilitas: Tembaga digulung tahan terhadap 10.000+ siklus pembengkokan (vs. 1.000 untuk elektrolitik), penting untuk ponsel lipat atau sensor yang dapat dikenakan.

Contoh: Model Y BMS Tesla menggunakan foil tembaga elektrolitik 2oz untuk bidang daya—menyeimbangkan biaya dan kapasitas arus (30A per jejak) sambil menjaga PCB cukup tipis agar pas di dalam paket baterai.

3. Topeng Solder: Melindungi Jejak dan Mencegah Hubungan Singkat
 a. Topeng solder adalah film cair atau kering yang diterapkan di atas jejak tembaga (kecuali bantalan) untuk:
 b. Melindungi tembaga dari oksidasi dan korosi.
 c. Mencegah jembatan solder yang tidak disengaja antara jejak yang berdekatan (umum pada PCB kepadatan tinggi).
 d. Mengisolasi jejak dari kelembapan, debu, dan bahan kimia.

Jenis Topeng Solder Umum
Topeng solder Liquid Photoimageable (LPI) digunakan di 95% PCB modern—diterapkan sebagai cairan, terkena sinar UV (melalui photomask), dan dikembangkan untuk membiarkan bantalan tidak tertutup. Jenis lain (film kering, sablon) jarang digunakan saat ini karena presisi yang lebih rendah.

Mengapa Warna Topeng Solder Penting
 a. Hijau: Standar industri—terjangkau, mudah diperiksa (berkontras dengan tembaga), dan kompatibel dengan sebagian besar proses.
 b. Hitam: Populer di perangkat kelas atas (misalnya, ponsel pintar premium) untuk estetika, tetapi lebih sulit diperiksa (membutuhkan sinar UV untuk memeriksa cacat).
 c. Putih: Digunakan dalam PCB LED—memantulkan cahaya untuk meningkatkan kecerahan LED sebesar 15%.

Catatan Penting: LPI suhu tinggi (Tg ≥150°C) wajib untuk PCB otomotif, yang beroperasi di lingkungan di bawah kap (125°C+). LPI standar (Tg 130°C) akan melunak atau terkelupas, yang menyebabkan hubungan pendek.

4. Tinta Sablon Sutra: Pelabelan dan Identifikasi
Tinta sablon sutra adalah lapisan akhir yang diterapkan pada PCB—mencetak teks, logo, referensi komponen (misalnya, “R1,” “U2”), dan tanda polaritas. Ini sangat penting untuk perakitan (memandu penempatan komponen) dan pemeliharaan (mengidentifikasi suku cadang untuk perbaikan).

Jenis Tinta Sablon Sutra
Sebagian besar tinta berbasis epoksi (tahan terhadap panas dan bahan kimia) atau dapat disembuhkan dengan UV (cepat kering untuk produksi volume tinggi). Pertimbangan utama:

Praktik Terbaik untuk Sablon Sutra
 a. Ukuran Font: Gunakan teks setinggi minimal 0,8mm—teks yang lebih kecil sulit dibaca dan dapat mengotori selama perakitan.
 b. Jarak Bebas: Jaga tinta 0,1mm dari bantalan—tinta pada bantalan mencegah penyolderan (penyebab utama cacat perakitan).
 c. Daya Tahan: Tinta epoksi lebih disukai untuk PCB industri, yang mungkin mengalami pembersihan atau penanganan yang sering.

Contoh: Pabrik yang memperbaiki penggerak motor industri mengandalkan sablon sutra epoksi untuk mengidentifikasi resistor yang rusak (“R45”)—tanpa pelabelan yang jelas, waktu perbaikan akan berlipat ganda, dengan biaya $500/jam dalam waktu henti.

5. Lapisan Akhir Permukaan PCB: Memastikan Kemampuan Solder dan Umur Panjang
Lapisan akhir melapisi bantalan tembaga yang terbuka untuk:
  a. Mencegah oksidasi (yang merusak kemampuan solder).
  b. Meningkatkan keandalan sambungan solder.
  c. Memperpanjang umur simpan PCB (dari 6 bulan menjadi 2+ tahun).
Ini adalah salah satu pilihan bahan yang paling penting—lapisan akhir yang buruk menyebabkan 25% kegagalan penyolderan (data IPC). Di bawah ini adalah perbandingan dari opsi yang paling umum:

Mengapa Pilihan Akhir Tidak Dapat Dinegosiasikan
 a. Perangkat Medis: ENEPIG wajib—menghindari “bantalan hitam” (senyawa nikel-emas rapuh yang menyebabkan kegagalan sambungan) dan tahan terhadap sterilisasi autoclave (134°C, tekanan 2 bar).
 b. Kedirgantaraan: Umur simpan ENIG selama 18 bulan memastikan PCB tetap dapat disolder selama penyimpanan yang lama (misalnya, komponen satelit disimpan selama 2 tahun sebelum peluncuran).
 c. Elektronik Konsumen: HASL hemat biaya untuk TV atau mainan, di mana PCB dirakit dengan cepat dan diganti setiap 2–3 tahun.
 d. EV: ENEPIG digunakan dalam PCB radar ADAS—ketahanan korosinya (semprotan garam 1.500 jam) mencegah kegagalan akibat garam jalan dan kelembapan.

6. Kerangka Pemilihan Bahan: Cara Memilih Kombinasi yang Tepat
Dengan begitu banyak pilihan, memilih bahan PCB bisa terasa luar biasa. Gunakan kerangka 4 langkah ini untuk menyelaraskan bahan dengan aplikasi Anda:

Langkah 1: Tentukan Persyaratan Kinerja
  a. Listrik: Berapakah frekuensi maksimum (misalnya, 28GHz untuk 5G) atau arus (misalnya, 30A untuk EV BMS)? Substrat Dk rendah (Rogers) dan tembaga tebal (2oz+) diperlukan untuk kinerja tinggi.
  b. Termal: Berapakah suhu pengoperasian maksimum (misalnya, 150°C untuk otomotif)? Pilih substrat Tg tinggi (FR4 Tg 170°C) dan MCPCB untuk pembuangan panas.
  c. Mekanik: Apakah PCB akan ditekuk (perangkat yang dapat dikenakan) atau tahan terhadap getaran (kedirgantaraan)? Substrat polimida fleksibel dan tembaga digulung sangat penting di sini.

Langkah 2: Pertimbangkan Biaya vs. Nilai
  a. Elektronik Konsumen: Prioritaskan bahan berbiaya rendah (FR4, tembaga elektrolitik 1oz, HASL) untuk memenuhi titik harga (misalnya, ponsel pintar $200 tidak mampu membeli substrat Rogers).
  b. Keandalan Tinggi (Medis/Kedirgantaraan): Investasikan pada bahan premium (ENEPIG, polimida, Rogers)—tambahan (10 per PCB menghindari) klaim garansi 100k+ atau denda peraturan.

Langkah 3: Periksa Kompatibilitas Manufaktur
 a. Pastikan bahan bekerja dengan proses perakitan Anda:
   PCB fleksibel memerlukan tembaga digulung dan topeng solder polimida—tembaga elektrolitik akan retak selama pembengkokan.
   Produksi volume tinggi (100k+ PCB) mendapat manfaat dari sablon sutra yang dapat disembuhkan dengan UV (pengawetan cepat) vs. epoksi (lebih lambat).

Langkah 4: Validasi Kepatuhan
 a. Otomotif: Bahan harus memenuhi IATF 16949 (misalnya, topeng solder Tg tinggi, ENEPIG).
 b. Medis: ISO 13485 memerlukan bahan biokompatibel (misalnya, ENEPIG, polimida).
 c. Pasar Global: Kepatuhan RoHS melarang timbal—pilih HASL bebas timbal (Sn-Cu) atau ENIG.

7. Kombinasi Bahan Dunia Nyata berdasarkan Industri
Untuk membuat pemilihan bahan konkret, berikut adalah kombinasi yang terbukti untuk aplikasi umum:

Elektronik Konsumen (PCB Utama Ponsel Pintar)
1. Substrat: FR4 High-Tg (Tg 170°C)
2. Foil Tembaga: 1oz elektrolitik (lapisan sinyal), 2oz elektrolitik (bidang daya)
3. Topeng Solder: LPI hijau standar (Tg 130°C)
4. Sablon Sutra: Epoksi yang dapat disembuhkan dengan UV (teks 0,8mm)
5. Lapisan Akhir Permukaan: ENIG (menyeimbangkan kemampuan solder dan biaya)
6. Mengapa Ini Berfungsi: FR4 menjaga biaya tetap rendah, tembaga 2oz menangani arus pengisian daya (15A), dan ENIG memastikan penyolderan BGA yang andal (pitch 0,4mm).

Otomotif (PCB Inverter EV)
1. Substrat: Inti aluminium (MCPCB)
2. Foil Tembaga: 3oz elektrolitik (menangani arus 50A)
3. Topeng Solder: LPI High-Tg (Tg 180°C)
4. Sablon Sutra: Berbasis epoksi (tahan terhadap minyak/bahan kimia)
5. Lapisan Akhir Permukaan: ENEPIG (ketahanan korosi, tidak ada bantalan hitam)
6. Mengapa Ini Berfungsi: MCPCB membuang panas IGBT, tembaga 3oz membawa arus tinggi, dan ENEPIG tahan terhadap kondisi di bawah kap.

Medis (PCB Pengontrol Alat Pacu Jantung)
1. Substrat: Polimida (fleksibel, biokompatibel)
2. Foil Tembaga: 1oz digulung (fleksibel, kekasaran permukaan rendah)
3. Topeng Solder: LPI fleksibel (berbasis polimida, biokompatibel)
4. Sablon Sutra: Epoksi (tahan terhadap cairan tubuh)
5. Lapisan Akhir Permukaan: ENEPIG (tahan sterilisasi, umur simpan panjang)
6. Mengapa Ini Berfungsi: Polimida menekuk dengan gerakan tubuh, tembaga digulung menghindari retak, dan ENEPIG memenuhi standar ISO 13485.

Kedirgantaraan (PCB Komunikasi Satelit)
1. Substrat: PTFE (Dk rendah untuk sinyal 60GHz)
2. Foil Tembaga: 2oz digulung (tahan radiasi)
3. Topeng Solder: LPI High-Tg (Tg 180°C, tahan radiasi)
4. Sablon Sutra: Epoksi (tahan terhadap perubahan vakum dan suhu)
5. Lapisan Akhir Permukaan: ENIG (umur simpan 18 bulan)
6. Mengapa Ini Berfungsi: PTFE meminimalkan hilangnya sinyal di luar angkasa, tembaga digulung tahan terhadap kerusakan radiasi, dan ENIG memastikan kemampuan solder setelah penyimpanan yang lama.

FAQ Tentang Bahan PCB
T: Bisakah saya mencampur bahan substrat yang berbeda dalam satu PCB?
J: Ya—PCB “hibrida” menggabungkan bahan untuk kebutuhan tertentu. Misalnya, PCB router 5G mungkin menggunakan Rogers untuk bagian mmWave (Dk rendah) dan FR4 untuk sisanya (penghematan biaya). Pastikan saja bahan memiliki CTE (koefisien ekspansi termal) yang serupa untuk menghindari pelengkungan selama reflow.

T: Apa perbedaan antara tembaga 1oz dan 2oz untuk jejak sinyal?
J: Tembaga 1oz (35μm) cukup untuk sebagian besar sinyal (≤10A, ≤1GHz), sedangkan 2oz (70μm) diperlukan untuk arus yang lebih tinggi (10–30A) atau resistansi yang lebih rendah (kritis untuk jejak panjang di PCB industri). Tembaga 2oz juga membuang panas lebih baik, mengurangi suhu jejak sebesar 15°C pada 20A.

T: Mengapa hijau adalah warna topeng solder standar?
J: Tinta hijau menggunakan pigmen (hijau ftalosianin) yang terjangkau, stabil UV, dan memberikan kontras tinggi dengan tembaga—memudahkan inspektur untuk melihat cacat (misalnya, topeng solder hilang, goresan). Warna lain (hitam, putih) bersifat estetika atau fungsional tetapi biayanya lebih mahal.

T: Apakah ENEPIG sepadan dengan biaya tambahan dibandingkan ENIG?
J: Untuk aplikasi keandalan tinggi (medis, kedirgantaraan), ya—ENEPIG menambahkan lapisan paladium yang menghilangkan “bantalan hitam” (titik kegagalan utama di ENIG) dan meningkatkan kekuatan ikatan kawat sebesar 30%. Untuk elektronik konsumen, ENIG biasanya sudah cukup.

T: Bisakah PCB fleksibel menggunakan substrat FR4?
J: Tidak—FR4 kaku dan akan retak saat ditekuk. PCB fleksibel memerlukan substrat polimida atau poliester, dipasangkan dengan foil tembaga digulung (cukup ulet untuk menahan pembengkokan).

Kesimpulan
Bahan PCB tidak dapat dipertukarkan—setiap pilihan (substrat, tembaga, topeng solder, lapisan akhir) secara langsung memengaruhi kinerja, keandalan, dan biaya. FR4 dan tembaga 1oz berfungsi untuk 80% aplikasi konsumen, tetapi 5G, EV, dan perangkat medis menuntut bahan khusus seperti Rogers, tembaga 2oz+, dan ENEPIG.
Kunci keberhasilan adalah menyelaraskan bahan dengan kebutuhan unik aplikasi Anda:
  a. Prioritaskan substrat Dk rendah untuk desain frekuensi tinggi.
  b. Pilih tembaga yang lebih tebal untuk jalur arus tinggi.
  c. Gunakan bahan suhu tinggi untuk lingkungan otomotif/industri.
  d. Investasikan pada lapisan akhir premium (ENEPIG) untuk PCB umur panjang atau kritis keselamatan.
Dengan mengikuti panduan ini, Anda akan menghindari 35% kegagalan PCB yang disebabkan oleh ketidakcocokan bahan—dan membangun produk yang memenuhi tujuan kinerja, tetap sesuai anggaran, dan tahan uji waktu. Baik Anda seorang insinyur berpengalaman atau pendiri startup, menguasai bahan PCB adalah langkah pertama untuk menciptakan elektronik yang mengungguli dan melampaui kompetisi.