Solder dan perbaikan papan: alat, solder tangan, menghisap timah, komponen SMD, jalur putus, pemeriksaan visual, ESD, dan kapan papan diganti

Mesin pembuat es di dapur sebuah hotel mati sendiri tiga atau empat kali seminggu. Gejalanya paling sering muncul ketika kompresor mulai bekerja dan bodi mesin bergetar. Saat teknisi datang, mesin bekerja normal, dan semua uji lulus. Di bawah kaca pembesar, sambungan solder di kedua kaki koil relai kompresor ternyata retak melingkar di sekeliling kakinya: sambungan itu masih tampak utuh dari jauh, tetapi kontaknya putus setiap kali papan bergetar.

Di sebelahnya ada sambungan lain yang pernah "diperbaiki" seorang teknisi dengan gumpalan timah yang besar. Gumpalan itu menyentuh pad di sebelahnya, dan satu pad lain terangkat dari papan karena terlalu lama dipanaskan. Papan itu masih dapat diselamatkan, tetapi hanya oleh orang yang bekerja dengan alat yang benar, tahu kapan berhenti, dan memeriksa hasilnya sebelum mesin dinyalakan. Bab ini menjelaskan solder dan perbaikan papan di tingkat teknisi perawatan.

Batas pembahasan

Bab ini membahas solder tangan dan perbaikan ringan papan kendali: keputusan memperbaiki atau mengganti, alat dan bahan, sambungan yang baik dan cacatnya, melepas dan memasang komponen lubang tembus dan pasang permukaan, jalur putus, pembersihan, pemeriksaan, perlindungan muatan statis, dan keselamatan kerja. Komponen dan cara mengujinya ada di Bab 83 tentang komponen pasif, Bab 84 tentang dioda dan penyearah, dan Bab 85 tentang transistor, MOSFET, dan sakelar elektronik; catu daya dan batas sisi primer di Bab 86; diagnosis papan secara keseluruhan di Bab 2 · Komputasional tentang papan kendali dan mikrokontroler; gangguan berselang, sambungan longgar, dan getaran di Bab 12 · Sistem, Diagram & Diagnosis; solder dan brazing pipa di Bab 4 · Bangunan & Fasilitas tentang material pipa dan alat sambung dan Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang sambungan las, brazing, solder, dan perekat; ujung kabel dan terminal di panel di Bab 72; fisika listrik statis di Bab 18 · Fisika; bahan kimia di pekerjaan teknisi di Bab 6 · Keselamatan; memilih suku cadang pengganti di Bab 8 · Material; laporan servis di Bab 6 · Kerja Lapangan & Serah Terima; dan kerja aman listrik di Bab 76.

Memperbaiki atau mengganti papan

Diagnosis sering berakhir di tingkat papan, dan pada titik itu perbaikannya adalah mengganti seluruh papan. Papan diganti dengan suku cadang asli bila:

1. Papan menjalankan fungsi keselamatan, misalnya kunci pintu, pembatas suhu, atau pemutus pemanas.
2. Laminasi papan hangus atau menghitam, karena bahan yang hangus dapat menghantar.
3. Kerusakan berada di jalur lapisan dalam papan berlapis banyak, atau pada komponen tanpa kaki yang terlihat di bawah badannya.
4. Komponen pengganti yang setara tidak tersedia, seperti di Bab 8 · Material tentang memilih suku cadang.
5. Waktu dan biaya perbaikan, ditambah risiko kegagalan berulang, mendekati harga papan baru, seperti di Contoh 5.
6. Garansi atau aturan pabrik melarang perbaikan.

Papan boleh diperbaiki bila kerusakannya jelas, terbatas, dan dapat diuji ulang: sambungan retak, komponen lubang tembus yang rusak, konektor, kapasitor, atau jalur putus di lapisan luar.

Alat dan bahan

Menyolder (soldering) adalah menyambung kaki komponen dengan pad tembaga papan memakai timah solder yang dilelehkan. Solder terutama dipakai dalam perakitan komponen dan peralatan elektronik. Perlengkapan dasarnya:

1. Stasiun solder bersuhu terkendali dengan ujung yang dapat diganti; ujung lebar untuk pad besar, ujung runcing atau miring untuk komponen kecil.
2. Timah solder berinti fluks: paduan timah dan timbal meleleh sekitar 183 °C, paduan bebas timbal sekitar 217 sampai 221 °C dan memerlukan suhu ujung lebih tinggi.
3. Fluks cair atau pasta untuk komponen pasang permukaan dan untuk mengerjakan ulang sambungan.
4. Penghisap timah (desoldering pump), yang juga disebut pompa pelepas solder, untuk menghisap timah yang sudah cair.
5. Kawat penyerap timah (desoldering braid): anyaman tembaga berfluks yang menyerap timah cair.
6. Pinset, pemotong kaki, kaca pembesar atau mikroskop, dan lampu. Komponen pasang permukaan sangat sulit ditemukan tanpa skema dan kaca pembesar.
7. Alkohol isopropil dan sikat untuk membersihkan sisa fluks.
8. Gelang pembumian dan alas antistatis, dan pengisap asap.

Ujung solder harus selalu dibersihkan dengan pembersih yang baik, dan setelah solder panas, dianjurkan memastikan ujungnya dapat melelehkan timah. Ujung yang hitam teroksidasi tidak membasahi timah dan memindahkan panas dengan buruk.

Sambungan solder: yang baik dan yang buruk

Sambungan solder yang baik

Kunci menyolder adalah memanaskan sambungannya, bukan timahnya. Menyolder dilakukan dengan memanaskan ujung solder bersama komponen yang disolder. Bahan yang akan disolder harus bersih dari lemak, karat, atau kotoran lain, lalu sesudah disolder ditunggu beberapa saat sampai timah mengeras dan tidak boleh digoyang. Sambungan solder yang baik dimulai dengan melihat timah yang akan dipakai.

Komponen lubang tembus (through-hole component) adalah komponen yang kakinya dimasukkan ke lubang papan lalu disolder ke pad di sekeliling lubang itu. Urutan untuk kaki lubang tembus:

1. Ujung bersih dan dibasahi sedikit timah.
2. Ujung menyentuh pad dan kaki sekaligus selama satu atau dua detik.
3. Timah disentuhkan ke pad dan kaki di sisi seberang ujung, bukan ke ujung solder, sampai timah mengalir mengelilingi kaki.
4. Timah diangkat lebih dulu, lalu ujung solder; seluruh pekerjaan sekitar dua sampai empat detik.
5. Kaki tidak digerakkan sampai timah membeku.

Sambungan yang baik berbentuk cekung seperti kerucut kecil, membasahi pad dan kaki dengan rata, dan tampak mengilap untuk paduan bertimbal atau sedikit buram untuk paduan bebas timbal. Pekerjaan perakitan ditutup dengan memeriksa bahwa semua sambungan sudah disolder.

Mengenali sambungan yang buruk

Cacat yang lazim:

1. Sambungan dingin (cold solder joint): kusam, berbutir, atau timahnya menggumpal tanpa membasahi pad, karena panas kurang atau kaki bergerak saat membeku.
2. Retak melingkar: retak di sekeliling kaki komponen berat atau berarus besar, misalnya relai, konektor, trafo kecil, dan kapasitor besar, akibat siklus panas dan getaran. Sambungan solder yang buruk di terminal trafo dapat membuat perangkat bekerja berselang, sambungan yang buruk pada kabel sakelar menimbulkan kerja berselang, dan kadang menggerakkan papan atau komponen saja sudah membuat gejala muncul dan hilang.
3. Gumpalan: gumpalan timah yang besar mungkin menyembunyikan kaki komponen yang tidak terbasahi timah.
4. Jembatan (solder bridge): timah menghubungkan dua pad atau kaki yang bersebelahan. Papan yang disolder lewat bak timah kadang punya beberapa bagian dengan timah berlebih.
5. Pad terangkat atau jalur terkelupas: perekat tembaga rusak karena panas terlalu lama atau kaki ditarik saat timah belum cair.
6. Bekas panas: papan dianjurkan diperiksa di tempat komponen yang terlalu panas tersambung ke jalur.

Sambungan retak di jalur berarus besar juga menjadi sumber panas, seperti di Contoh 1, sehingga papan di sekitarnya menghitam dan retaknya makin lebar.

Melepas dan memasang komponen

Melepas komponen lubang tembus

Bagian yang akan dilepas solderannya dipanaskan sampai timahnya meleleh, dan anyaman penyerap yang sudah terisi timah dipotong untuk membuka bagian yang baru. Sisa timah di jalur papan dianjurkan dibersihkan dengan solder dan kawat penyerap.

Urutan yang menjaga pad tetap utuh:

1. Tambahkan sedikit timah baru ke sambungan lama; timah baru membawa fluks dan mempermudah pelelehan.
2. Lelehkan, lalu hisap dengan penghisap timah, atau serap dengan kawat penyerap yang ditekan ujung solder.
3. Goyangkan kaki pelan-pelan untuk memastikan lepas dari dinding lubang; jangan ditarik dengan paksa.
4. Untuk komponen berkaki banyak yang sudah pasti rusak, kaki dipotong lebih dulu dan dilepas satu per satu.
5. Bersihkan lubang, pasang komponen baru dengan polaritas yang benar, dan solder.

Komponen pasang permukaan

Komponen pasang permukaan (surface-mount device, SMD) adalah komponen yang disolder di kedua ujungnya ke tembaga jalur papan, tanpa kaki yang masuk ke lubang. Cara yang lazim:

1. Resistor dan kapasitor kecil: kedua ujung dipanaskan bergantian sambil diangkat dengan pinset, atau dengan pinset panas. Memasang: satu pad diberi timah, komponen ditempatkan dan disolder di pad itu, lalu ujung lain disolder.
2. IC berkaki di sisi: fluks diberikan, satu kaki di sudut ditempelkan untuk mengunci posisi, lalu kaki lain disolder; jembatan dibersihkan dengan kawat penyerap.
3. Udara panas: memanaskan seluruh komponen sekaligus, tetapi juga memanaskan komponen sebelahnya; konektor plastik dan kapasitor elektrolit di dekatnya dilindungi.
4. Komponen tanpa kaki terlihat di bawah badannya, misalnya bola solder, tidak diperbaiki di lapangan; papannya diganti.

Kapasitor keramik pasang permukaan mudah retak oleh panas yang mendadak dan oleh papan yang dibengkokkan. Retaknya sering tidak terlihat dan dapat menjadi hubung singkat kemudian.

Jalur putus dan pad terangkat

Jalur yang putus ditemukan dengan uji kontinuitas multimeter dari kaki ke kaki pada papan tanpa daya, seperti di Contoh 6. Cara memperbaikinya:

1. Lapisan pelindung di kedua sisi putusan dikerok sampai tembaga bersih, lalu diberi timah.
2. Putusan pendek dijembatani kawat tembaga telanjang; putusan panjang atau yang melintasi jalur lain dijembatani kawat berisolasi, dari kaki komponen ke kaki komponen bila memungkinkan.
3. Kawat dipilih sekurangnya sebesar penampang jalur aslinya, seperti di Contoh 2, dan direkatkan supaya tidak bergetar.
4. Pad terangkat diganti dengan menyolder kaki komponen langsung ke jalur yang masih utuh atau ke kawat jumper.
5. Jumper tidak dipasang di daerah bertegangan jala-jala atau di celah pemisah antara sisi primer dan sekunder, karena jarak isolasinya ikut berubah, seperti di Bab 86 tentang catu daya papan kendali.

Membersihkan dan memeriksa

Debu dan kotoran dianjurkan ditiup dari atas dan dalam perangkat elektronik. Setelah menyolder:

1. Sisa fluks dibersihkan dengan alkohol isopropil dan sikat, kecuali fluks yang memang dirancang tidak perlu dibersihkan dan papannya kering. Sisa fluks yang lembap dapat menghantar arus kecil, seperti di Contoh 4.
2. Lapisan pelindung papan dikembalikan pada bagian yang dikerok bila papan bekerja di lingkungan basah, misalnya mesin pencuci piring.
3. Seluruh pekerjaan diperiksa di bawah kaca pembesar: tidak ada jembatan, gumpalan, sambungan dingin, atau serpihan timah.
4. Kaki yang bersebelahan diuji kontinuitasnya untuk memastikan tidak terhubung.
5. Papan dinyalakan pertama kali lewat lampu seri atau catu daya berpembatas arus, seperti di Bab 83 tentang komponen pasif, lalu diuji dengan satu siklus kerja penuh.
6. Pekerjaan dan komponen yang diganti dicatat, seperti di Bab 6 · Kerja Lapangan & Serah Terima tentang laporan servis.

Muatan statis

Muatan statis dari tubuh dan pakaian dapat merusak semikonduktor tanpa terasa. Pelepasan muatan elektrostatis (electrostatic discharge, ESD) adalah lepasnya muatan statis dari tubuh, pakaian, atau benda ke komponen yang disentuh. Fisikanya dibahas di Bab 18 · Fisika tentang medan dan potensial listrik. Gate berisolasi adalah perangkat elektrostatik berresistansi sangat tinggi, dan kaki komponen FET jangan disentuh saat ditangani.

Kebiasaan kerja yang melindungi:

1. Gelang pembumian dengan resistor seri sekitar 1 MΩ, disambung ke titik bumi alas kerja, seperti di Contoh 3.
2. Alas kerja antistatis, bukan plastik biasa.
3. Papan dan komponen disimpan dan dibawa dalam kantong antistatis, dipegang di tepinya, tidak di kaki atau jalurnya.
4. Lantai, kursi, dan pakaian sintetis menambah muatan; udara kering memperbesar muatan.

Keselamatan kerja solder

Bahaya kerja solder dan pengendaliannya:

1. Listrik: papan tanpa daya, steker dicabut, kapasitor sudah dikosongkan dan diukur, seperti di Bab 83 tentang komponen pasif dan Bab 76 tentang kerja aman.
2. Panas: ujung solder 300 sampai 400 °C selalu diletakkan di dudukannya; timah cair dapat memercik, sehingga mata dilindungi.
3. Asap fluks mengiritasi saluran napas; dipakai pengisap asap atau ventilasi.
4. Timbal: tangan dicuci sesudah bekerja, tidak makan atau minum di meja kerja, dan sisa timah dibuang sebagai limbah sesuai aturan. Lembar data bahan dibaca seperti di Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi.
5. Kebakaran: kertas, kain lap beralkohol, dan bahan mudah terbakar dijauhkan dari ujung panas.

Solder bukan pengganti terminal. PUIL 2020 mencatat bahwa penggunaan hubungan solder sebaiknya dihindari kecuali untuk sirkit komunikasi. Kabel daya dan kabel kendali di panel disambung dengan terminal, sepatu kabel, atau selongsong yang dipres, seperti di Bab 72 tentang perakitan dan pengawatan panel; ujung kabel yang disolder lalu dijepit sekrup akan kendur karena timah mengalir di bawah tekanan.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: panas di sambungan retak. Retak melingkar menaikkan resistansi sambungan menjadi 0,5 Ω pada jalur relai yang mengalirkan 3 A: $P = 3^2 \times 0{,}5 = 4{,}5$ W di satu titik kecil, cukup untuk menghitamkan papan. Sambungan utuh dengan resistansi 0,005 Ω hanya menanggung $3^2 \times 0{,}005 = 0{,}045$ W.

Contoh 2: ukuran kawat jumper. Jalur selebar 1 mm dengan tembaga 35 µm berpenampang $1 \times 0{,}035 = 0{,}035$ mm². Sepanjang 50 mm, resistansinya $1{,}72 \times 10^{-8} \times 0{,}05/(0{,}035 \times 10^{-6}) = 0{,}025$ Ω, dan pada 2 A susutnya 0,05 V. Kawat 0,25 mm² sepanjang 60 mm hanya $1{,}72 \times 10^{-8} \times 0{,}06/(0{,}25 \times 10^{-6}) = 0{,}004$ Ω, sehingga memenuhi.

Contoh 3: resistor gelang pembumian. Resistor 1 MΩ di gelang membatasi arus bila tangan menyentuh 230 V menjadi $230/10^6 = 0{,}23$ mA, jauh di bawah arus yang berbahaya, sambil tetap membuang muatan statis dalam waktu singkat. Gelang tanpa resistor membuat tubuh terhubung langsung ke bumi.

Contoh 4: kebocoran sisa fluks. Pembagi tegangan sensor terdiri dari 10 kΩ ke 5 V dan 10 kΩ ke 0 V, sehingga titik tengahnya 2,500 V. Sisa fluks lembap membentuk jalur bocor 1 MΩ dari 5 V ke titik itu: resistor atas menjadi $10 \parallel 1.000 = 9{,}90$ kΩ, dan tegangan titik tengah $5 \times 10/(10 + 9{,}90) = 2{,}513$ V. Selisih 13 mV, sekitar 0,5 persen, cukup untuk menggeser bacaan suhu.

Contoh 5: memperbaiki atau mengganti. Papan baru seharga Rp 4.500.000 tersedia dalam dua hari. Perbaikan diperkirakan 3 jam dengan biaya kerja Rp 150.000 per jam dan komponen Rp 250.000, sehingga $3 \times 150.000 + 250.000 = 700.000$ rupiah. Perbaikan layak bila kerusakannya jelas dan terbatas; bila papan menjalankan fungsi keselamatan atau laminasinya hangus, papan tetap diganti walaupun perbaikan lebih murah.

Contoh 6: uji kontinuitas. Dari kaki relai ke kaki transistor penggeraknya, multimeter seharusnya membaca kurang dari 0,1 Ω, tetapi membaca OL: jalurnya putus. Sesudah disolder ulang, dua kaki IC yang bersebelahan membaca 0,3 Ω satu sama lain, padahal seharusnya tidak terhubung: ada jembatan timah yang harus dibersihkan sebelum papan dinyalakan.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada orang berwenang atau ganti papan bila:

1. Papan menjalankan fungsi keselamatan mesin, seperti di bagian pertama bab ini.
2. Laminasi hangus, papan berlapis banyak rusak di dalam, atau komponen tanpa kaki terlihat harus diganti.
3. Perbaikan berada di sisi primer catu daya switching atau di celah pemisah primer dan sekunder, seperti di Bab 86 tentang catu daya papan kendali dan bahaya sisi primer.
4. Papan belum terbukti tanpa daya dan kapasitornya belum dikosongkan dan diukur.
5. Alat yang benar tidak tersedia, misalnya hanya solder tanpa pengatur suhu untuk komponen pasang permukaan yang kecil.
6. Pad sudah terangkat lebih dari satu kali di tempat yang sama.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 83 tentang komponen pasif, Bab 84 tentang dioda dan penyearah, dan Bab 85 tentang transistor dan MOSFET menjelaskan komponen yang diganti. Bab 86 membahas batas sisi primer catu daya, Bab 2 · Komputasional diagnosis papan, dan Bab 12 · Sistem, Diagram & Diagnosis gangguan berselang. Bab 4 · Bangunan & Fasilitas dan Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika membahas solder pipa dan kerja panas, Bab 72 terminal di panel, Bab 18 · Fisika listrik statis, Bab 6 · Keselamatan bahan kimia, Bab 8 · Material suku cadang, Bab 6 · Kerja Lapangan & Serah Terima laporan servis, dan Bab 76 kerja aman.

Latihan dan pembahasan