IMPLEMENTASI RANGKAIAN ELEKTRONIKA MENGGUNAKAN TEKNOLOGI SURFACE MOUNT Suherman1) 1)
Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik USU
Abstrak Salahsatu perkembangan perangkat elektronika adalah miniaturisasi, yakni pengurangan pada volume perangkat. Dan teknologi yang berperan penting dalam proses miniaturisasi adalah teknologi Surface Mount. Teknologi Surface Mount adalah teknologi komponen yang berusaha nengurangi ukuran komponen dan diletakkan secara langsung pada permukaan PCB. Teknologi ini menggantikan teknologi sebelumnya, yakni teknologi thru hole, dimana dalam pemasangannya dilakukan pelubangan pada PCB. Pemakaian komponen ini telah merata pada semua perangkat elektronika. Namun sangat disayangkan, teknologi ini sangat asing di ndonesia, baik pada tingkat industri, pasar komponen, maupun pada kurikulum perguruan tinggi. Tulisan ini akan mengulas mengenai teknologi elektronika surface mount, komponen, peralatan pendukung serta proses implementasi rangkaian. Kata kunci : Elektronika, surface mount, thru hole Abstract Miniaturization is one of the electronics devices development that reduce equipment size. Surface mount technology fullfil this requirement. Surface Mount is an electronics devices technology that reduce the size and mounting the components on the board surface directly. This technology then replace through hole technology that using hole on PCB, even sometimes they are combined. All electronics devices are now using surface mount, but it still unknown well in Indonesian factory, market or in the university curriculum. This paper describe surface mount technology, its components, devices and implementation process. Keywords : Electronics, surface mount, thru hole
1. Pendahuluan Teknologi Surface Mount adalah teknologi komponen elektronika terintegrasi dengan cara peletakan (mounting) komponen secara langsung pada permukaan (surface) PCB. Teknologi ini menggantikan teknologi sebelumnya, yakni teknologi thru hole (through hole), dimana dalam pemasangannya dilakukan proses pelubangan pada PCB. Pada gambar 1 (Sam Ulbing, 1999) terlihat perbedaan perangkat yang tersusun dari komponen surface mount dan komponen thru hole. Beberapa keuntungan penggunaan komponen Surface Mount dibandingkan thru
hole antara lain adalah, memiliki komponen yang lebih kecil sehingga mengurangi volume rangkaian (denser layout), mengurangi biaya produksi, memerlukan catudaya lebih rendah, pemasangan PCB lebih mudah karena tanpa pelubangan juga mempermuda proses perakitan otomatis. Selain itu, kebanyakan perangkat RF memerlukan jumper yang pendek untuk mengurangi interferensi, Surface Mount sangat mendukung hal ini. Surface mount juga memiliki frekuensi respons dan ketahanan EMI/RFI yang lebih baik.
Implementasi Rangkaian Elektronika Menggunakan Teknologi Surface Mount
5
Pada perkembangan selanjutnya, kemasan thru hole dikembangkan menjadi beberapa bentuk, termasuk menjadi kemasan komponen surface mount. Gambar 3 menunjukkan perkembangan kemasan IC thru hole dan surface mount.
Rangkaian dengan Surface Mount
Rangkaian dengan Thru Hole
Pemasangan Komponen (a) Thru Hole (b) Surface Mount
(a) Kemasan DIP
Gambar 1.Perbandingan Surface Mount dan Thru Hole Namun demikian, ada beberapa kesulitan yang dihadapi dalam implementasi komponen SMT/SMD (Surface Mount Technology / Surface Mount Devices) antara lain, kerapatan komponen menyebabkan cepat panas, sehingga membutuhkan sistem pendingin atau chasing yang mendukung sirkulasi udara. Kepadatan komponen menyebabkan sedikit ruang untuk pembersihan. Karena kecil, inspeksi kerusakan secara visual sulit, sehingga membutuhkan alat bantu. Peletakan komponen memerlukan ketelitian yang tinggi. Proses assembly secara manual sulit dilakukan. 2. Kemasan Komponen Kemasan komponen pasif thru hole adalah komponen diskrit dengan ukuran relatif besar dan pin yang panjang. Komponen aktif thru hole yang berbentuk IC memiliki kemasan DIP (Dual Inline Packet), ZIP (Zigzag Inline Packet) dan PGA (Pin Grid Array). DIP memiliki jumlah pin 6 sampai 64 pin. ZIP terdiri 20 sampai 40 pin, Sedangkan PGA memiliki jumlah pin yang besar sampai 400 pin. Gambar 2 menunjukkan contoh IC dengan kemasan DIP dan PGA.
(c) PGA (b) ZIP
Gambar 3 Kemasan IC Thru Hole dan Surface Mount Kemasan IC surface mount terdiri atas SOP, SOJ, SSOP, TSOP, QFJ, QFP, TQFP, LQFP, TCP, CSP dan BGA. Sementara komponen pasif surface mount berbentuk chip (chip resistor, chip kapasitor dan chip induktor) dengan 2 pin serta berbentuk network dengan jumlah pin lebih dari 2 (contoh resistor network). Kemasan transistor dan dioda serta beberapa IC dalam bentuk SO (Small Outline), contoh SOT-32 (Small Outline Transistor). Selain berbentuk paket plastik, IC surface juga dapat berbentuk paket keramik.
(b) Network Resistor 2
1 p resistor n isolation region p substrate
(c) Resistor
Gambar 2 Kemasan IC Thru Hole
(a) Konstruksi Chip Resistor
Gambar 4. Resistor Surface Mount
6
Jurnal Teknik Elektro ENSIKOM Vol. 3, No. 1 – JUNI 2005 (5 - 9)
3. Komponen Pasif Surface Mount Resistor Beberapa teknologi resistor surface mount yang ada di lapangan adalah teknologi thick film, thin film, MELF, wirewound, carbon film, metal film dan lain-lain. Resistor SMT berbentuk chip resistor dan network resistor. Kebanyakan chip resistor berbasis teknologi thick film, dimana permukaannya diberi pelindung gelas, dan menggunakan pin nikel, konstruksinya ditunjukkan pada gambar 4. Resistor MELF (Metallized Electrode Face) merupakan pengembangan resistor dengan elektroda metal. Resistor MELF dibuat dari lilitan bahan resistif. Harga resistor ini lebih murah tetapi memiliki kualitas yang lebih buruk dibandingkan thick film. Resistor dalam jumlah banyak (Network resistor) dibuat dari bahan thick film, semikonduktor maupun metal oxide). Kemasannya dalam bentuk SO (Small Outline) dengan jumlah pin berkisar 8 dengan penamaan sederhana. Lapisan semikonduktor yang digunakan untuk membentuk resistor sangat tipis seperti pada gambar 4c. Penambahan resistansi diperoleh dengan menyusun lapisan memanjang. Beberapa resistor tidak disertai kode nilai, untuk mengukurnya menggunakan ohmmeter. Beberapa resistor menggunakan kode 3 digit, contohnya 102, berarti 10x102 = 1kOhm ataupun
menggunakan kode lebih dari 3 digit seperti pada tabel 1. Terdapat juga cara pengkodean yang disebut EIA-96 marking methode yang berisi 3 karakter kode. Dua karakter pertama menunjukkan nilai sesuai dengan tabel 2. Sedangkan digit ketiga adalah multiplier. Multiplier berupa angka. Contoh penamaan, kode 22A, berarti 165 Ohm, 68C berarti 49900 Ohm atau 49,9kOhm. Namun kode ini hanya untuk resistor dengan toleransi 1%. Untuk toleransi yang lebih besar, memiliki tabulasi sendiri.
Tabel 1. Contoh penandaan resistor SMT(G4PMK, 2003) Contoh 3 digit Contoh 4 digit 330 adalah 33 ohm 1000 adalah 100 ohm – bukan bukan 330 ohm 1000 ohm 4992 adalah 49 900 ohm, 221 adalah 220 ohm adalah 49.9 kohm 683 adalah 68 000 ohm, 16234 adalah 162 000 ohm, atau 68 kohm adalah 162 kohm 105 adalah 1 000 000 0R56 adalah R56 adalah 0.56 ohm, atau 1 Mohm ohms 8R2 adalah 8.2 ohm
Tabel 2. Kode EIA-96 code 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16
value 100 102 105 107 110 113 115 118 121 124 127 130 133 137 140 143
code 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
value 147 150 154 158 162 165 169 174 178 182 187 191 196 200 205 210
code 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48
value 215 221 226 232 237 243 249 255 261 237 274 280 287 294 301 309
code 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64
value 316 324 332 340 348 357 365 374 383 392 402 412 422 432 442 453
code 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80
value 464 475 487 499 511 523 536 549 562 576 590 604 619 634 649 665
Implementasi Rangkaian Elektronika Menggunakan Teknologi Surface Mount
code 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96
value 681 698 715 732 750 768 787 806 825 845 866 887 909 931 953 976
7
Kapasitor Komponen kapasitor SMT paling banyak terbuat dari keramik. Kapasitor keramik SMT tersedia dalam bentuk fixed ataupun variabel. Sedangkan kapasitor film plastik dan elektrolit aluminium jarang digunakan. Kapasitor keramik memiliki desain dielektrik berlapis seperti pada gambar 5 (Bryan Bergeron, 1991). nilai standartnya dari 1pF sampai 1 uF dengan range tegangan 25 sampai 200V. Ukuraan sebuah kapasitor keramik SMT sangat kecil, berkisar 3,2 x 2,5 x 0,7 mm. Tabel 3. Multiplier (G4PMK, 2003) letter F E D C
multiplier 100000 10000 1000 100
letter multiplier B 10 A 1 X or S 0.1 Y or R 0.01
Selain keramik, terdapat juga kapasitor SMT tantalum dengan nilai kapasitansi mencapai 220 uF, rating tegangan 50V.
(a)
Tabel 4. Kode penandaan kapasitor SMT. Let Mant Let Mant Let Mant Let Mant A 1.0 J 2.2 S 4.7 a 2.5 B 1.1 K 2.4 T 5.1 b 3.5 C 1.2 L 2.7 U 5.6 d 4.0 D 1.3 M 3.0 V 6.2 e 4.5 E 1.5 N 3.3 W 6.8 f 5.0 F 1.6 P 3.6 X 7.5 m 6.0 G 1.8 Q 3.9 Y 8.2 n 7.0 H 2.0 R 4.3 Z 9.1 t 8.0 y 9.0 (let.=letter, mant.= mantissa) Kapasitor elektrolit SMT memiliki penandaan yang berbeda. Nilai rating tegangan dituliskan dengan hurup pada digit pertama, diikuti dengan digit nilai dan multiplier. Basis perhitungan adalah pF. Contoh, A475, A = 10V, 475 = 47x105 pF, sehingga A475 adalah 4,7mF 10V. Kode rating tegangan kapasitor meliputi : e=2,5 ; G=4 ; J=6,3 ; A=10 ; C=16 ; D=20 ; E=25 ; V=35 ; dan H =50. Induktor Induktor SMT terbuat dari bahan keramik ataupun core ferit dengan konstruksi yang kompak disesuaikan ukuran komponen lainnya, beberapa induktor memiliki ukuran 4, x 3,2 x 2,6 mm. Nilai induktansinya bervariasi dari 0,1 uH sampai 2,2 uH dengan rating arus sampai 0,5 A. Namun perkembangan teknologi SMT saat ini menghasilkan induktor SMT sampai bernilai 10.000 uH dan rating sampai 50A, seperti produksi Vishay (www.vishay.com).
(b)
(c) Gambar 5. Konstruksi Kapasitor SMT Kapasitor SMT umumnya tanpa penanda. Jika tanpa kode, satu-satunya cara mengetahuinya adalah dengan menggunakan kapasitansi meter. Beberapa capasitor menggunakan kode yang berisi 2 atau 3 karakter. Karakter pertama adalah kode pabrik, karakter kedua adalah mantisa (dengan nilai tertentu), karakter ketiga adalah multipier. Basis nilai adalah pF. Contoh KA2, K adalah kode pabrik (pabrik Kemet), A adalah 1.0 dan 2
8
adalah 102, sehingga KA2 bernilai 100pF. Tabel 4. menunjukkan kode-kode tersebut.
Komponen Lainnya Seiring dengan pperkembangan komponen pasif utama di atas, komponen pasif pendukung lainnya juga mengalami miniaturisasi, walau dalam beberapa aplikasi masih ditemukan kombinasi komponen SMT dengan komponen thru hole. Komponen pendukung tersebut seperti konektor, rele, fuse, switch, choke, transformator, LC filter, tee bias, kristal, sensor dan lain-lain.
Jurnal Teknik Elektro ENSIKOM Vol. 3, No. 1 – JUNI 2005 (5 - 9)
4.
Komponen Aktif Surface Mount Komponen aktif terdiri dari dioda, transistor, dan komponen terintegrasi. Komponen aktif SMT tersedia dalam kemasan small outline (SO), quad flat pack (QFP), plastic-leaded chip carrier (PLCC), tapeautomated bonding (TAB), leadless ceramic plastic carrier (LCCC). Sebahagian kemasan tersebut terdapat pada gambar 3.Sebagai alternatif, juga terdapat variasi pin chip. Pin atau lead tersedia dalam bentuk gull-wing, J-lead, dan I-lead seperti pada gambar 6a. Kemasan SO tersedia dari 3 sampai 28 pin, kemasan QFP memiliki pin 64 sampai 196 dengan bentuk gullwing. PLCC memiliki pin sampai 84 dengan Jlead di empat sisinya, sedangkan LCCC lebih kompak dimana pin terdapat di sebelah dalam sehingga tidak memungkinkan penanganan secara manual.
(a)
(b)
yang berbeda, sehingga cukup sulit dalam mengidentifikasi. Seperti yang disinggung di bagian pendahuluan, kemasan komponen SMT memiliki banyak keunggulan dibandingkan thru hole, salahsatunya lumped component atau nilai terdistribusi dari induktansi dan kapasitansi. Nilai-nilai yang dihasilkan karena interaksi antar pin ini akan menghasilakan RFI/EMI. Tabulasi perbandingan nilai kapasitansi dan induktansi terdistribusi dapat dilihat pada tabel 5. Komponen aktif lain seperti MOV, SCR, DIAC, TRIAC, Op Amp, RFIC, microstrip, MMIC, Microwave device, IC digital, interfacing chip, IC mikrokontroler, mikroprosesor, dan IC regulator tersedia dalam kemasan SMT. Beberapa vendor yang menyediakan komponen SMT seperti Digi-Key (digikey.com), Newark (www.newark.com), Keytronics (www.eytronics.com), Avnet (www.vnet.com), Jameco (jameco.com), dan EDX (www.edxelectronics.com).
(c)
Gambar 6. (a) lead gull-wing, J-lead dan I-lead (b) small outline transistor SOT-23 dan SOT-89 (c)kemasan dan footprintnya Transistor umumnya menggunakan kemasan SO, gambar 6b menunjukkan konstruksi transistor SMT dalam kemasan SO. Transistor dengan dissipasi daya maksimum 200mW menggunakan kemasan SOT-23, sedangkan kemasan yang lebih besar menggunakan SOT-89 yang mampu mendisipasi daya sampai 500mW. Dalam peletakan komponen SMT di pcb, perlu diketahui footprint komponen. Masingmasing kemasan memiliki bentuk footprint tertentu dan standar seperti pada gambar 6c. Dioda memiliki kemasan seperti chip resistor maupun sama dengan transistor terkecuali 1 pin tidak digunakan. Kemasan yang banyak digunakan dioda adalah SOT-23, SOT323, SOD-80, SOD-123 dan SOD-132. Kemasan dengan 3 pin (SOT) juga dapat berisi dual dioda. Baik transistor maupun dioda, masing-masing pabrikan memiliki penamaan
Implementasi Rangkaian Elektronika Menggunakan Teknologi Surface Mount
9
