Kualitas sambungan solder tergantung pada beberapa faktor, antara lain alat solder yang digunakan, kecakapan menyolder dan jenis timah solder. Dipasaran, tersedia berbagai macam jenis timah solder dengan spesifikasi yang berbeda-beda, dan tentu saja diperuntukkan bagi pekerjaan yang berbeda pula. Didalam menentukan pilihan jenis timah solder yang tepat, perlu diketahui sekilas tentang karakteristik utama timah solder dan faktor-faktor yang mempengaruhi karakteristik tersebut.
Karakteristik timah solder ditentukan oleh dua faktor utama, yaitu komposisi campuran logam dan jenis flux yang terkandung didalam timah solder.
Komposisi Campuran Timah Solder
Timah solder terbuat dari campuran lebih dari satu jenis logam, atau dikenal dengan istilah alloy. Dua jenis logam yang lazim digunakan dibidang elektronika adalah timah (Sn) dan timbal (Pb), dengan berbagai macam perbandingan campuran. Perbandingan campuran ini dinyatakan melalui angka persentase perbandingan timah/timbal (Sn/Pb), sebagai contoh 60/40 dan 63/37. Jenis logam lain, seperti perak (Ag) dan tembaga (Cu), juga dapat ditambahkan dalam jumlah kecil (dikisaran 1% - 2%) untuk mendapatkan sifat-sifat tertentu.
Perbandingan campuran timah dan timbal mempengaruhi karakteristik timah solder, antara lain kekuatan sambungan solder, kelancaran aliran timah solder cair, titik lebur timah solder dan mekanisme perubahan wujud timah solder dari padat menjadi cair dan sebaliknya.
Kekuatan Sambungan Solder
Kekuatan sambungan solder dinyatakan melalui dua parameter, yaitu kekuatan tarik (tensile strength) dan kekuatan robek (shear strength). Kekuatan tarik dan robek timah solder dengan perbandingan campuran 60/40 adalah 52MPa dan 39MPa, sedangkan untuk perbandingan campuran 63/37 adalah 54MPa dan 37MPa.
Dapat dilihat bahwa perbedaan kekuatan sambungan solder antara timah solder dengan perbandingan campuran 60/40 dan 63/37 tidaklah signifikan. Kedua perbandingan campuran ini, dari sudut kekuatan sambungan solder yang dihasilkan, cocok untuk digunakan dibidang elektronika.
Perlu ditambahkan bahwa kekuatan dan kualitas sambungan solder dapat ditingkatkan dengan menambahkan campuran logam perak dalam jumlah kecil (berkisar diantara 1% - 2%).
Aliran Timah Solder Cair
Kelancaran aliran timah solder cair, atau dikenal dengan istilah wetting, adalah kemampuan timah solder cair untuk membasahi permukaan benda yang disolder. Tentu saja, semakin lancar aliran timah solder cair, semakin mudah bagi timah solder cair untuk membasahi permukaan benda yang disolder, sehingga sambungan solder yang dihasilkan menjadi lebih baik. Sebaliknya, aliran yang tidak baik akan menghasilkan sambungan solder yang lebih tebal atau jika terlalu parah malah membentuk gumpalan timah solder yang tidak menempel.
Timah solder dengan perbandingan campuran 63/37 memiliki kelancaran aliran yang sedikit lebih baik dari pada timah solder dengan perbandingan campuran 60/40. Untuk pekerjaan dibidang elektronika dengan sambungan yang kecil dan rapat, seperti penyolderan komponen Surface Mount Device (SMD), disarankan untuk menggunakan timah solder dengan perbandingan campuran 63/37 untuk mengurangi resiko gumpalan solder menjembatani kaki-kaki komponen yang berdekatan dan memastikan kaki komponen tersolder dengan sempurna.
Timah solder dengan perbandingan campuran 60/40 dapat digunakan untuk pekerjaan yang menuntut sambungan solder yang lebih kokoh, seperti penyolderan kabel atau konektor yang berukuran sedang sampai besar. Diharapkan sambungan solder yang dihasilkan akan lebih tebal dan, tentu saja, akan lebih kuat.
Kelancaran aliran timah solder cair dapat ditingkatkan dengan menambahkan campuran logam tembaga dalam jumlah kecil (berkisar diantara 1% - 2%).
Titik Lebur dan Mekanisme Perubahan Wujud Timah Solder
Timah solder dengan perbandingan campuran 60/40 mempunyai titik lebur 183°C - 188°C, dimana pada suhu 183°C timah solder memasuki fasa plastis (melting solidus) dan kemudian mencair dengan sempurna pada suhu yang lebih tinggi dari 188°C (temperature liquidus). Begitupun sebaliknya, perubahan wujud dari cair menjadi padat juga melalui fasa plastis pada rentang suhu yang sama. Pada fasa ini, pergerakan pada benda yang disolder akan mengubah bentuk dan merusak sambungan solder.
Sebaliknya, timah solder dengan perbandingan campuran 63/37 mempunyai sifat eutectic, dimana perubahan wujud timah solder tidak melalui fasa plastis. Oleh karena itu, penggunaan timah solder eutectic dapat mengurangi terjadinya kerusakan sambungan solder yang diakibatkan oleh pergerakan benda sewaktu disolder. Sebagai tambahan, titik lebur timah solder eutectic berada pada satu titik suhu, yaitu 182°C, dan tidak berupa rentangan suhu. Titik lebur ini juga merupakan suhu terendah yang dapat dicapai oleh campuran murni timah dan timbal.
Jika benda yang disolder sulit untuk distabilkan secara mekanikal atau sangat sensitif terhadap suhu tinggi, seperti komponen SMD yang berukuran kecil, disarankan untuk menggunakan timah solder dengan perbandingan campuran 63/37.
Penambahan campuran logam tembaga dalam jumlah yang kecil (berkisar diantara 1% - 2%) dapat menurunkan titik lebur timah solder.
Flux
Flux merupakan bagian yang tak terpisahkan dari proses penyolderan. Flux adalah senyawa yang bersifat korosif dan berfungsi untuk menghilangkan lapisan oksidasi dari permukaan benda yang disolder, mencegah pembentukan lapisan oksidasi baru saat disolder dan menurunkan ketegangan permukaan (surface tension) timah solder cair.
Lapisan oksidasi menghalangi timah solder membasahi permukaan benda yang disolder, akibatnya adalah sambungan solder tidak menempel, atau dikenal dengan istilah cold joint. Sedangkan ketegangan permukaan yang lebih rendah akan memudahkan timah solder cair untuk mengalir membasahi permukaan benda yang disolder. Akibat lain dari kesalahan penggunaan flux adalah timah solder cair lengket dan tertarik oleh ujung alat solder, sehingga sambungan solder tidak rata dan berujung runcing.
Jenis-Jenis Flux
Flux, berdasarkan jenisnya, dapat digolongkan kedalam dua kategori, yaitu rosin dan senyawa asam (acid). Rosin terbuat dari getah pohon pinus atau konifer yang telah dibersihkan dan diolah. Flux senyawa asam haruslah dicuci bersih setelah proses penyolderan. Jika tidak, sisa flux yang tertinggal dan bersifat korosif akan merusak sambungan solder, kaki komponen dan permukaan papan cetak. Flux jenis ini juga bersifat menarik uap air dari udara sekitar (hygroscopic) dan jika dibiarkan akan menyebabkan arus pendek pada rangkaian elektronika.
Rosin, disisi lain, hanya aktif bekerja saat dipanaskan dengan alat solder. Setelah proses penyolderan selesai, flux rosin yang telah dingin kembali menjadi tidak aktif, tidak konduktif dan tidak korosif, sehingga dapat dibiarkan tinggal dipermukaan sambungan solder dan papan cetak tanpa perlu dicuci (no-clean flux). Selain flux rosin alami yang berasal dari getah pohon pinus, juga terdapat flux rosin buatan (synthetic rosin) dengan karakteristik menyerupai flux rosin alami.
Flux juga dapat dikategorikan berdasarkan tingkat keaktifannya, yaitu tidak aktif (inactive), aktif ringan (mildly active), aktif (active) dan sangat aktif (highly active). Flux tidak aktif hanya mencegah terbentuknya lapisan oksidasi baru saat sedang disolder. Sedangkan flux lainnya, selain mencegah, juga dapat membersihkan lapisan oksidasi yang telah terbentuk. Flux yang lebih aktif mampu membersihkan lapisan oksidasi yang lebih tebal dan noda-noda lain. Akan tetapi karena bersifat lebih korosif, flux jenis ini harus dibersihkan setelah proses penyolderan.
Kaki-kaki komponen elektronika yang baru lazimnya telah dilapisi dengan timah solder (tinned) dan dalam keadaan bersih. Oleh sebab itu, tidak diperlukan flux yang terlalu aktif. Flux yang tepat untuk digunakan dibidang elektronika adalah jenis rosin atau rosin sintetik aktif ringan yang tidak perlu dibersihkan (no-clean flux).
Flux Tambahan
Timah solder, terutama yang digunakan dibidang elektronika, sudah mengandung flux yang diisikan kedalam sejumlah saluran ditengah-tengah kawat timah solder (multi-core). Jumlah flux yang terkandung di dalam timah solder jenis ini biasanya berkisar diantara 1% - 4%, tergantung kepada jenis flux-nya. Jumlah saluran yang lebih dari satu ditujukan untuk memperbaiki dan meratakan penyebaran flux keseluruh permukaan benda yang disolder.
Flux tambahan juga tersedia dipasaran dan dapat dipakai jika benda yang disolder terlalu kotor dan timah solder cair gagal menempel. Akan tetapi, sebelum memutuskan untuk menggunakan flux tambahan, usahakan terlebih dahulu untuk membersihkan permukaan benda yang kotor dengan menggunakan sabut nilon atau ampelas yang sangat halus. Jika penggunaan flux tambahan tidak bisa dihindarkan, pastikan sisa-sisa flux dibersihkan setelah proses penyolderan.
Diameter Kawat Timah Solder
Ukuran diameter kawat timah solder yang tepat ditentukan oleh besar kecilnya sambungan solder yang dikerjakan. Sambungan solder yang kecil, seperti untuk komponen SMD, hanya membutuhkan sedikit timah solder. Agar jumlah timah solder yang dilelehkan dapat diatur dengan akurat dan menghindari kelebihan timah solder yang dapat menjembatani sambungan solder yang rapat, timah solder yang digunakan haruslah mempunyai diameter kawat kecil, yaitu 0,4mm - 0,5mm.
Begitupun sebaliknya, jika sambungan solder yang dikerjakan berukuran besar, agar dapat melelehkan lebih banyak timah solder dengan cepat, sebaiknya menggunakan timah solder dengan diameter kawat lebih besar, yaitu 0,8mm - 1mm.
Untuk komponen standar, dapat digunakan timah solder dengan diameter kawat 0,5mm -0,8mm, sesuai dengan kebiasaan atau persediaan yang ada.
RoHS
Restriction of Hazardous Substances Directive (RoHS) adalah kebijaksanaan pembatasan penggunaan unsur berbahaya yang dikeluarkan oleh Uni Eropa dan mulai berlaku awal Juli 2006. Timbal termasuk didalam daftar unsur berbahaya yang dibatasi pemakaiannya bagi produk elektronika komersial yang dibuat dan dipasarkan di wilayah Uni Eropa.
Sebagai pengganti, telah dikembangkan timah solder bebas timbal (lead-free). Komposisi yang populer digunakan saat ini adalah campuran logam timah, perak dan tembaga dengan berbagai macam perbandingan campuran. Perbandingan campuran eutectic untuk jenis timah solder ini, menurut NIST, adalah 95,6/3,5/0,9 dengan titik lebur 217°C. Perbandingan campuran lain yang lazim dan banyak tersedia dipasaran adalah 96,5/3,0/0,5 dengan titik lebur 217°C - 220°C.
Karena titik lebur timah solder bebas timbal sekitar 35°C - 40°C lebih tinggi dari pada timah solder biasa, diperlukan alat solder dengan spesifikasi suhu yang lebih tinggi. Selain itu, komponen elektronika yang sensitif terhadap suhu tinggi menjadi lebih rawan terhadap kerusakan. Sambungan solder yang dihasilkan pun terlihat tidak mengkilap sehingga sulit membedakan antara sambungan solder yang baik dan tidak baik. Karena itu, bagi pemula yang sedang mengasah keterampilan menyolder disarankan tidak menggunakan timah solder bebas timbal.
Untuk mendapatkan titik lebur yang lebih rendah, timah solder bebas timbal dapat dicampur dengan logam indium atau bismuth. Selain itu, campuran logam bismuth juga berfungsi memperbaiki kelancaran aliran timah solder cair.
Ringkasan Rekomendasi
Untuk komponen elektronika standar, gunakan timah solder dengan perbandingan campuran 60/40 atau 63/37. Pilihlah timah solder berdiameter 0,5mm - 0,8mm, tergantung dari besar kecilnya sambungan solder yang dikerjakan. Pastikan timah solder tersebut mempunyai saluran majemuk berisikan flux rosin atau rosin sintetik aktif ringan yang tidak perlu dibersihkan (no-clean flux).
Untuk komponen SMD yang berukuran kecil dengan kaki rapat, gunakan timah solder eutectic dengan perbandingan campuran 63/37. Pilihlah timah solder berdiameter 0,5mm dengan saluran majemuk yang berisikan flux rosin atau rosin sintetik aktif ringan yang tidak perlu dibersihkan (no-clean flux). Timah solder dengan tambahan kandungan logam tembaga juga dapat digunakan, karena mempunyai aliran timah solder cair yang lebih baik dan titik lebur yang lebih rendah.
Jika permukaan benda yang disolder terlalu kotor, coba bersihkan terlebih dahulu. Jika terpaksa, gunakan flux tambahan yang lebih aktif, tetapi jangan lupa untuk membersihkan sisa flux setelah disolder.
Jika ingin mengikuti peraturan RoHS, gunakan timah solder bebas timbal yang mengandung campuran logam timah, perak dan tembaga dengan perbandingan campuran 96,5/3,0/0,5 atau jika mudah didapatkan, perbandingan campuran eutectic 95,6/3,5/0,9. Bagi pemula tidak disarankan untuk menggunakan timah solder bebas timbal.
