## Design of Experiment pada proses Immersion Tin Plating
Widya Rika Puspita 1 , Lindawani Siregar 1 , Ika Karlina Laila NS 1 , and Ira Zamzami 1 ,
Budiana 1 , Fitriyanti Nakul 1 , Nur Sakinah Asaad 1 , Adlian Jefiza 1
1 Politeknik Negeri Batam, Batam, Indonesia Electrical Engineering DepartmentProgram Jl.Ahmad Yani, Batam Centre, Batam 29461, Indonesia Email: widya@polibatam.ac.id

## Abstrak
PRT  (papan  rangkaian  tercetak)  atau  PCB  (printed  circuit  board)  adalah  sebuah  papan  berlapis  tembaga  yang merupakan  wadah  untuk  komponen-komponen  elektronika  yang  tersusun  membentuk  rangkaian  elektronik. Permukaan tembaga yang mudah oksidasi (korosi) perlu dilapisi dengan lapisan Sn (timah). Berdasarkan study case di TFME untuk proses tin plating dengan teknik electroplating memerlukan biaya lebih. Proses immersion tin  plating  dianggap  lebih  unggul  dari  segi  biaya  maupun  kualitas.  Untuk  menentukan  kombinasi  parameter yang  tepat  sehingga  mendapatkan  ketebalan  yang  sesuai  dengan  standar  IPC-4554  yaitu  minimal  1000  nm, metode penelitian yang dipakai adalah Design of Experiments (DoE). Terdapat sembilan kombinasi eksperimen dari  hasil  DoE.  Pengujian  kombinasi  parameter  dilakukan  dengan  menggunakan  SEM  (Scanning  Electron Microscope) machine. Kombinasi empat sampai sembilan telah memenuhi standar IPC yaitu dengan ketebalan antara 1040 – 1540 nm. Parameter yang tepat didapat oleh kombinasi 5 dengan parameter suhu 700 dan waktu 60 menit, dan hasil ketebalan rata-rata 1.2 µm serta memiliki nilai ketidakpastian pengukuran terkecil yaitu 7.
Kata kunci : PCB, electro tin plating, immersion tin plating, Design of Experiment (DoE)

## Abstract
PRT (papan rangkaian tercetak) or PCB (printed circuit board) is a copper-coated board which is a container for electronic components arranged to form electronic circuits. Copper surfaces that are easy to oxidize (corrosion) need to be soothed with a layer of Sn (tin). Based on the TFME study case, the electroplating technique requires more cost for tin plating. The immersion process of the tin plating model is superior in terms of cost and quality. To determine the right combination parameters so as to obtain a thickness that is in accordance with the IPC- 4554  standard,  namely  a  minimum  of  1000  nm,  the  research  method  used  is  Design  of  Experiments  (DoE). There  are  nine  experimental  combinations  of  the  DoE  results.  Combination  parameter  testing  is  done  using  a SEM  (scanning  electron  microscope) machine.  The  combination of four  to  nine  has  met  IPC  standards  with  a thickness  of  between  1040-1540  nm.  The  correct  parameter  is  obtained  by  the  combination  of  5  with  the parameter temperature of 700 and time of 60 minutes, and the result is an average thickness of 1.2 µm and has an uncertain value of measurement is 7.
Keywords : PCB, electro tin plating, immersion tin plating, Design of Experiment (DoE)

## 1. Pendahuluan
Dunia  industri  terus  bersaing  untuk  menciptakan piranti elektronik yang berkualitas, detail, terstruktur dan efisiensi dari segi biaya produksinya.  Piranti  elektronik  ini  membutuhkan suatu media untuk mengubungkan antar kompenen satu  dan  komponen  lainnya  agar  berfungsi  dengan
baik.  Media  ini  biasanya  disebut  sebagai  papan rangkaian  tercetak  (PRT)  atau  yang  sering  disebut printed  circuit  board (PCB).  PRT  atau  PCB merupakan suatu papan berlapis tembaga (Cu) yang bertujuan untuk menghubungkan komponen elektronika sesuai dengan lapisan jalur konduktornya  sehingga  tersusun  membentuk  suatu rangkaian elektronik. [1]
Vol. 14 No. 2, Oktober 2022, 159-164
e-ISSN: 2548-9828
Komponen  elektronik  ini  harus  terpasang  dengan benar  agar  dapat  berfungsi  dengan  baik,  sehingga diperlukan  suatu  PCB  sebagai  medianya.  Pada permukaan  top  atau  bottom  PCB  akan  dipasang komponen dengan proses penyolderan antara kaki – kaki  komponen  dan  PCB.  Untuk  mempermudah proses  penyolderan,  dimana  timah  solder  lebih cepat  menempel  pada  permukaan  tembaga  jika diberikan lapisan tin sebelumnya. [2-3] Hasil akhir dari  pelapisan  timah  ini  tidak  hanya  memudahkan proses penyolderan tapi juga memiliki fungsi untuk melindungi  jalur  tembaga  dan  mencegah  tembaga dari terjadinya oksidasi. [5-6]
Berdasarkan  study  case  di  TFME  pelapisan  timah pada  permukaan  tembaga  PCB  menggunakan  dua teknik  yang  berbeda.  Di  antaranya  adalah  proses electro  tin  plating dan immersion  tin  plating . Proses electro  tin  plating merupakan  teknik pelapisan  logam  dengan  menggunakan  bantuan arus  listrik  dan  larutan  penghantar,  Sehingga memerlukan  biaya  lebih. Immersion  tin  plating melalui  proses  perendaman  dengan  larutan  ion logam  dan  tidak  menggunakan  arus  listrik.  Teknik immersion memiliki banyak kelebihan dibandingkan  dengan  teknik electroplating yaitu ongkos  produksi  yang  rendah,  warna  yang mengkilap,  serta  tahan  terhadap  gesekan.  [4] Berdasarkan pertimbangan tersebut, untuk mengurangi  biaya  produksi  dan  mempermudah proses  penyolderan  PCB  secara  manual  maupun menggunakan mesin SMT ( surface mount technology ) di TFME, proses manufaktur pcb yang sebelumnya menggunakan proses electro tin plating menjadi immersion tin plating.
Implementasi  pelapisan  permukaan  tembaga  PCB menggunakan immersion tin plating dalam penerapannya agar terlapisinya permukaaan tembaga PCB dengan mengendalikan jumlah bahan kimia  dan  kosentrasi  Sn  (timah)  dalam  satu  kali proses immersion  plating .  Untuk  mengendalikan jumlah dan konsentrasi diperlukan sebuah parameter yang tepat, menggunakan metode design of experiment (DoE). [7]
Design of Experiments (DoE), disebut juga dengan Multifactor  Testing  (MFT),  merupakan  metode yang efektif karena memungkinkan untuk melakukan  pengujian  terhadap  efek  dari  beberapa variasi  parameter  secara  bersamaan  dan  efisien. Pendekatan  ini  telah  lama  digunakan  secara  luas oleh industri manufaktur karena mampu memberikan terobosan dalam meningkatkan kualitas  produk  dan  efisiensi  proses.  [7-8]  Metode DoE  bertujuan  untuk  menambahkan  kualitas  PCB menggunakan  biaya  seminimal  mungkin,  dan
merujuk  pada  proses  PCB  yang  diterapkan  di dalam  TFME.  DoE immersion  tin  plating ini  akan diterapkan  di Teaching  Factory  Manufacturing  of Electronic (TFME)  Politeknik  Negeri  Batam. Bertujuan  sebagai  acuan  dasar  dalam  penerapan immersion  tin  plating  dengan  takaran  yang  tepat agar  laboran  di  TFME  dapat  menambah  kualitas produksi  PCB  dan  sebagai  bahan  pengajaran mengacu pada standar IPC – 4554. [9]

## 2. Metode
Penelitian  ini  dilakukan  dengan  meng-gunakan metode eksperimen. Secara singkat proses immersion  tin  plating harus  melewati  beberapa tahapan  seperti  yang  ditunjukkan  oleh  Gambar  1.
Proses  pertama  setelah  menyelesaikan  pembuatan sampel  PCB  adalah  menghilangkan  oksidasi  dari permukaan  PCB  atau  disebut  proses micro  etch yang  kemudian  dibilas  dengan DI ( Deionized ) water yaitu  air  yang  sudah  dihilangkan  ion-ion anorganiknya.  Dan  selanjutnya  adalah  proses pre- dip atau  pra-pelapisan  dimana  terjadi  proses deposisi  yang  disebabkan  oleh  adanya  ikatan intermetalik antara timah dan tembaga. Proses per- dip menggunakan  timah  murni  tanpa  campuran, selanjutnya  adalah  proses immersion  tin  plating adalah  proses  desposisi  timah  pada  permukaan PCB.  Dilanjutkan  dengan  proses post  dip , menghilangkan uap
air/oksigen
untuk meminimalisir  kemung-kinan  oksidasi  timah. Hot DI rinse adalah proses pembilasan dengan DI water panas.  Terakhir  adalah proses  blow  dry ,  proses pengeringan PCB.
Untuk  memperoleh  ketebalan  lapisan  timah  sesuai standar  IPC–4554,  terdapat  beberapa  parameter yang mempengaruhi yaitu jumlah timah (g/L), suhu (°C),  serta  lama  peren-daman  (menit).  Macdermid menetapkan  nilai  optimum  untuk  masing-masing parameter yang diberikan pada Tabel  1 berikut ini. [10]
Gambar 1. Proses immersion tin plating
Tabel 1 operating parameter immersion tin plating MacDermid Parameter Rentang Nilai Optimum jumlah timah (g/L) 13-17 15 suhu (°C) 68-72 70 lama perendaman (menit) 45-75 60
Untuk  tetap  menjaga  konsentrasi  larutan,  maka perlu  dilakukan  pemeriksaan  secara  berkala. Prosedur  menghitung  kosentrasi  timah  (Sn)  dalam larutan immersion  tin  plating adalah  dengan  cara mengambil  5.0  mL  sampel  larutain immersion  tin plating yang  diletakkan  kedalam  breaker  dan ditambahkan  dengan DI  water .  Mulai  dengan kalibrasi  pH  =  4  dan  pH  =  7.  Letakkan  pH elektroda  ke  dalam  sampel,  dengan  ditambahkan xylenol  orange di  ujung  spatula.  Titrasi  kan 0.1  M EDTA  sampai  larutan  berubah  dari  merah  muda menjadi warna kuning. Berdasarkan eksperimen ini hasil  EDTA  yang  dibutuhkan  adalah  5.55  ml. berikut  adalah  perhitungan  yang  dibutuhkan  untuk mengetahui  kebutuhan  konsentrasi  timah  per liternya.
Tin (g/L) = mL dari 0.1 EDTA x 2.374
= 5.55 x 2.374
= 13.757 g/L
Nilai  konsentrasi  Tin  yang  diperoleh  telah memenuhi  standar  operasi  yang  ditetapkan  oleh Macdermid  pada  Tabel  1,  sehingga  proses  tin plating dapat dilakukan.
Teknik pengujian pada penelitian ini adalah dengan cara  memberikan  perlakuan  yang  berbeda  pada masing-masing  parameter  menggunakan  metode DoE.  Faktor  dan  level  yang  digunakan  pada penelitian  ditentukan  berdasarkan  data  pada  Tabel 1  Variabel  konsentrasi  timah  dijaga  konstan, sehingga  terdapat  dua  faktor  dan  3  level  dengan mengacu  pada  rentang  nilai  dan  nilai  optimum untuk  masing-masing  faktor  dan  diringkas  pada tabel di bawah ini:
Tabel 2. Parameter dan level untuk metode DoE
Parameter / Variabel Level Temperature 0 C 68 70 72 Time (minutes) 45 60 75
Pada  tabel  di  atas  dapat  diuraikan  interaksi  antara parameter satu dan yang lainnya dengan memberikan  perlakuan  / level yang  berbeda.    Dari uraian  tersebut  dapat  ditentukan  berapa  banyak jumlah  eksperimen  yang  akan  dilakukan    sebagai berikut :

## 𝐽𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑇𝑟𝑒𝑎𝑡𝑚𝑒𝑛𝑡 = 𝐿 𝑓
Experiment = 3 2

## Experiment = 9
Tabel 3. Data untuk pengujian Design of Experiment Kombinasi Parameter Ketebalan Suhu ( 0 C) Waktu (menit) 1 2 3 1 68 45 2 68 60 3 68 75 4 70 45 5 70 60 6 70 75 7 72 45 8 72 60 9 72 75
Hasil  dari  interaksi  antara  parameter  dan  level adalah  sembilan  kombinasi,  dan  dengan  parameter yang  sama  dilakukan  tiga  kali  pengukuran ketebalan. Ini dilakukan untuk  verifikasi hasil, dan
L = jumlah level
f = Jumlah Variabel
mendapatkan  nilai  yang  pasti.  Sehingga  nilai  hasil yang didapatkan lebih akurat.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Pada  eksperimen  ini  yang  digunakan  adalah  PCB double layer dengan bagian top layer PCB dilapisi oleh solder masking dan bagian bottom layer tidak terlapisi  oleh solder  masking, hanya  tembaga ( copper ). Hal ini di maksudkan untuk mempermudah  pada  saat  inspeksi  menggunakan SEM Machine .
Proses  pertama  adalah routing PCB  menjadi ukuran  40  mm  x  60  mm,  kemudian  masuk  pada proses immersion  tin  plating seperti  pada  Gambar 1.  Proses  ini  dilakukan  berulang  untuk  Sembilan kombinasi.  Selanjutnya  proses mounting dengan cara  memotong  ( routing )  PCB  menjadi  ukuran 10mm x 20mm yang dimana sampel ini diletakkan kedalam tube dan dipadatkan dengan larutan epoxy resin .  Proses mounting ini dilakukan untuk semua kombinasi,  dimana  setiap  kombinasi  memiliki  tiga sampel  dalam  satu  tube.  Sampel  yang  telah  kering tersebut  kemudian  dipotong  kembali  ( mounting process)  menggunakan  mesin microsection hingga menjadi  setengah  dari  ukuran  semula,  agar mendapat permukaan yang rata. Terakhir pembersihan  menggunakan ultrasonic  cleaner untuk  menghilangkan  debu  dan debris dari  proses mounting .
Proses  kedua  adalah  pengukuran  dengan  mesin SEM  ( scanning  electron  microscopy ). Scanning pada  permukaan  morfologi cross  section akan memperoleh  hasil  persentase  tin  dari  area  yang dipilih.  Di  bawah  ini  adalah  tabel  pengukuran weight  percentage  dari  hasil  rata-rata  setiap pengukuran morfologi permukaan cross section.
Tabel 4. tabel weight percentage morfologi permukaan horizontal
Tin (Sn)% Oksigen (O) % Tembaga (Cu) % Unsur lain Kombinasi 1 15.8% 36.1% 44.9% 3.2% Kombinasi 2 26.7% 37.1% 33.7% 2.4% Kombinasi 3 47.6% 29.3% 12.9% 10.2% Kombinasi 4 38.7% 31.2% 20.8% 9.1% Kombinasi 5 33.1% 29.8% 33.5% 3.5% Kombinasi 6 18.9% 31.1% 35.0% 15.1% Kombinasi 7 36.8% 31.5% 26.5% 5.2% Kombinasi 8 34.6% 31.8% 27.6% 6.0% Kombinasi 9 27.2% 27.9% 35.4% 9.5%
Berdasarkan tabel di atas, weight percentage unsur Tin (Sn) tertinggi adalah kombinasi ke-tiga dengan parameter level suhu 680 dan waktu 70 menit. Dan weight  percentage  Tin  (Sn)  terendah  adalah
kombinasi  pertama  dengan  parameter  level  suhu 68 0 dan waktu 70 menit.
Pada  tabel  4  dapat  diamati  unsur  timah  (Sn), oksigen  (O)  dan  timah  (Cu)  saling  mendominasi. Lapisan  timah  yang  minim  saat  melapisi  tembaga dapat  disebabkan  oleh  struktur  morfologi  yang tidak rata. Area lapisan timah yang juga didominasi oleh  oksigen  disekitar  permukaan  tembaga  adalah karena oksidasi selama terjadinya proses immersion  tin  plating,  proses  pengadukan  secara manual  dan  proses  penyimpanan,  hal  inilah  yang menyebakan permukaan sampel tidak homogen.
Selanjutnya  dari  hasil  tersebut  dapat  diukur ketebalannya  dari  hasil tin  map nya.  Dalam  satu tube terdapat  tiga  PCB,  yang  masing-masing didalam  PCB  diukur  ketebalannya  menjadi  tiga posisi,  yaitu  Posisi  A,  B,  dan  C.  dan  masing- masing posisi diukur dengan dua kali pengulangan. Berikut  adalah  hasil  sampel  dari  kombinasi  5 dengan parameter suhu 70 0 C dan waktu 60 menit.
Hasil Parameter Kombinasi 5 (T: 70°C; t: 60 menit) A. Parameter  kombinasi  pengukuran  5.1  (T: 70°C; t: 60 menit)
a) Bagian A b) Bagian B c) Bagian C
Gambar 2 hasil pengukuran 1; sample 5.1 bagian
A, B, dan C
Tabel 4. Pengukuran 1 sample 5.1 Hasil Pengukuran ketebalan lapisan Tin 5.1 A B C 1.09 µm 1.20 µm 1.15 µm 1.27 µm 1.33 µm 1.34 µm B. Parameter  Kombinasi  5.2  (T:  70°C;  t:  60 menit) a) Bagian A b) Bagian B
c) Bagian C
Gambar 3 hasil pengukuran 2; sample 5.2 bagian A, B, dan C
Tabel 5. Pengukuran 2 sample 5.2 Hasil Pengukuran ketebalan lapisan Tin 5.2 A B C 1.10 µm 1.24 µm 1.18 µm 1.14 µm 1.27 µm 1.31 µm
C. Parameter  Kombinasi  5.3  (T:  70°C;  t:  60
menit)
a) Bagian A b) Bagian B
c) Bagian C
Gambar 4 hasil pengukuran 3; sample 5.3 bagian A, B, dan C
Tabel 6. Pengukuran 3 sample 5.3 Hasil Pengukuran ketebalan lapisan Tin 5.3 A B C 1.14 µm 1.14 µm 1.19 µm 1.27 µm 1.18 µm 1.44 µm
Berikut dilampirkan tabel ketebalan lapisan tin dari hasil  pengukuran  ke-sembilan  kombinasi  dengan dilengkapi  hasil perhitungan rata-rata (Mean) yang dapat  dilihat  pada  Tabel  7.  Kemudian  ketebalan lapisan  tin  dengan  mengambil  data  ketebalan  dari hasil  mean  total  disertai  dengan  ketidakpastian pengukuran yang dapat dilihat pada Tabel 8.
Berdasarkan Tabel 7 dan 8, jika memperhitungkan ketidakpastian,  kombinasi  4  hingga  kombinasi  9 telah  memenuhi  standar  IPC  4554,  yaitu  minimal ketebalan  adalah  1000  nm.  Dengan  mempertim- bangkan  nilai  ketidakpastian  pemgukuran  yang kecil,  kombinasi  yang  paling baik  yaitu kombinasi 5  dengan  parameter  level  suhu  700  dan  waktu  60 menit.
Tabel 7. Hasil perngukuran ketebalan tin dengan 3 kali pengulangan pengukuran
Tabel 8. Hasil pengukuran ketebalan dan nilai ketidakpastiaan pengukuran

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan  hasil  percobaan  lapisan  permukaan morfologi tin setelah dilakukan pengecekan dengan memnggunakan SEM machine tidak terdistribusikan  secara  menyeluruh  dan  homogen. Hal  ini  diperkirakan  karena  teknik  pengadukan yang  dilakukan  secara  manual  serta  permukaan tembaga  yang  tidak  rata.  Semua  PCB  selama proses  immersion  tin  mengalami  oksidasi.  Dengan oksidasi tertinggi dimiliki oleh kombinasi 2 dengan parameter  level  suhu  680  dan  waktu  60  menit tingkat  rata-rata  oksidasi  37%.  Kombinasi  4  –  9
dengan  suhu  dimulai  dari  700  telah  memenuhi standar  IPC  4554  yaitu  minimal  1000  nm.  Hal  ini sesuai  dengan  ketentuan  suhu  optimum  dari macDermid.  Kombinasi  parameter  yang  tepat  dan ketebalan  yang  sesuai  IPC-4554  adalah  kombinasi 5  dengan  level  suhu  700,  waktu  60  menit  dan ketebalan rata-rata adalah 1212 nm. Memiliki nilai ketidak-pastian pengukuran terendah yaitu 7.

## Daftar Pustaka
[1] LaDou, J. 2006. Printed circuit board industry. International journal of hygiene and environmental health, 209(3), 211-219.
[2] Roberts,  H.,  &  Johal,  K.  2007.  Lead-Free
Board Surface Finishes. In Lead-Free Soldering  (pp.  221-269).  Springer,  Boston, MA.
[3] Chen, Y. H., Wang, Y. Y., & Wan, C. C. 2007. Microstructural  characteristics  of  immersion tin  coatings  on  copper  circuitries  in  circuit boards.  Surface  and  Coatings  Technology,
202(3), 417-424.
[4] Schwartz, M. 2016. Encyclopedia and handbook of materials, parts and finishes. CRC press.
[5] Arazna,  A.,  Krolikowski,  A.,  Koziol,  G.,  & Bielinski, J. 2013. The corrosion characteristics  and  solderability  of  immersion tin  coatings  on  copper.  Materials  and Corrosion, 64(10), 914-925.
[6] Whitlaw, K. J., Toben, M. P., Egli, A., Crosby, J. N., & Robinson, C. S. 2010. U.S. Patent No. 7,695,605.  Washington,  DC:  U.S.  Patent  and Trademark Office.
[7] Antony, J., et al., 2011. Design of experiments for  non-manufacturing  processes:  benefits, challenges and some examples. Proceedings of the  Institution  of  Mechanical  Engineers,  Part B:  Journal  of  Engineering  Manufacture,
225(11), 2078-2087.
[8] Krishnaiah,  K.,  &  Shahabudeen,  P.  2012. Applied  design  of  experiments  and  Taguchi methods. PHI Learning Pvt. Ltd..
[9] IPC. 2007. IPC-4554 Specification  for
Immersion  Tin  Plating  for  Printed  Circuit Boards, Illinois.
[10] Packageprep Ce Tin S- Solderability
Enhancement  for  Semiconductor  Packages. 2017.  Macdermid  Enthone,  Kwun  Tong, Kowloon, Hong Kong.