Wykończenie HASL w produkcji PCB: proces, jakość i zastosowania

Poziomowanie lutowaniem na gorącym powietrzu (HASL) jest kamieniem węgielnym wykończenia powierzchni PCB od dziesięcioleci, cenionym ze względu na jego opłacalność, niezawodną lutowalność,i kompatybilność z tradycyjnymi procesami produkcjiPodczas gdy nowsze wykończenia, takie jak ENIG i cyna zanurzająca, zyskały na popularności w zastosowaniach o cienkim tonie, HASL pozostaje wyborem dla niskich kosztów,PCB o dużej objętości w przemyśle od elektroniki użytkowej po urządzenia kontrolne przemysłoweW niniejszym przewodniku omówiono proces produkcji HASL, środki kontroli jakości, zalety i ograniczenia,W tym celu należy zbadać, czy jest on zgodny z alternatywnymi wykończeniami, zapewniając niezbędne informacje zarówno inżynierom, jak i nabywcom..

Kluczowe wnioski
1HASL jest o 30-50% tańszy niż ENIG i cyna zanurzająca, co czyni go idealnym rozwiązaniem do zastosowań o dużych ilościach i niskich kosztach, takich jak urządzenia i zabawki.
2Proces ten składa warstwę lutownicy o długości 1 ‰ 25 μm (z cynkiem ołowiowym lub bez ołowiu) na podkładki miedziane, zapewniając doskonałą lutowalność elementów z otworami i dużymi elementami do montażu powierzchniowego.
3Nierówna powierzchnia (tolerancja ± 10 μm) ogranicza jej zastosowanie w przypadku elementów o cienkim zakręcie (< 0,8 mm zakrętu), gdzie ryzyko przejścia wzrasta o 40% w porównaniu z płaskimi wykończeniami.
4Nowoczesny HASL bez ołowiu (Sn-Ag-Cu) spełnia normy RoHS, ale wymaga wyższych temperatur przetwarzania (250-270 °C) niż tradycyjny HASL z ołowiu.

Co to jest HASL Finish?
HASL (Hot Air Solder Leveling) jest procesem wykończenia powierzchni, który pokrywa miedziane płytki PCB warstwą stopionej lutowiny, a następnie wyrównuje nadmiar za pomocą wysokiej prędkości gorącego powietrza.W rezultacie powstaje warstwa spawalna, która chroni miedź przed utlenianiem i zapewnia silne połączenia podczas montażu.

Dwie odmiany HASL
HASL z cynkiem-ołowiem: używa stopu 63% cynku/37% ołowiu (punkt topnienia 183°C).chociaż nadal stosowane w specjalistycznych zastosowaniach wojskowych/kosmicznych z wyjątkami.
HASL bez ołowiu: zazwyczaj wykorzystuje stop cyny-srebra-miedzi (Sn-Ag-Cu lub SAC) (punkt topnienia 217°C) w celu spełnienia wymogów RoHS i REACH.Jest to dominujący wariant w dzisiejszej produkcji komercyjnej PCB..

Proces produkcji HASL
HASL obejmuje pięć kluczowych etapów, z których każdy ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia jednolitego, spawalnego wykończenia:
1. Przedtraktowanie: czyszczenie i aktywacja
Przed zastosowaniem lutowania PCB poddawane są rygorystycznemu czyszczeniu w celu zapewnienia przyczepności:
a. Odtłuszczanie: usuwanie olejów, odcisków palców i zanieczyszczeń organicznych za pomocą alkalicznych środków czyszczących lub rozpuszczalników.
b.Mikroetracja: łagodne etracje kwasowe (np. kwas siarkowy + nadtlenek wodoru) usuwają 1μ2 μm tlenku miedzi, ujawniając świeżą, reaktywną miedź.
c. Wykorzystanie strumieniowe: W wodzie rozpuszczalny strumieniowy (zwykle na bazie kolumny) jest stosowany do podkładek miedzianych w celu zapobiegania ponownemu utlenianiu i promowania zmoczenia lutownicy.

2. Wpływ lutownicy
PCB zanurza się w kąpieli stopionej lutowiny:
a.Temperatura: 250-270°C dla HASL bez ołowiu (stop SAC) w porównaniu z 200-220°C dla cynkowo-ołowiu.
b.Czas zanurzenia: 3 ̇5 sekundy w celu zapewnienia całkowitego zmoczenia miedzianych podkładek bez uszkodzenia podłoża PCB (np. FR4).
c. Kontrola stopów: Łączniki są stale monitorowane pod kątem składu (np. 96,5% Sn, 3% Ag, 0,5% Cu dla SAC305) w celu utrzymania spójności.

3. Poziomowanie gorącego powietrza
Po zanurzeniu nadmiar lutowania usuwa się za pomocą noży o wysokim ciśnieniu:
a. Temperatura powietrza: 200-250°C w celu utrzymania stopienia lutownicy podczas wyrównania.
b.Ciśnienie powietrza: 5 ‰ 10 psi, dostosowane w zależności od wielkości podkładki (wyższe ciśnienie dla większych podkładek).
c. Pozycja dyszy: w kącie 30° do 45° w stosunku do powierzchni PCB w celu równomiernego rozkładu powietrza i zapobiegania gromadzeniu się lutowania na krawędziach.
Ten krok tworzy "poziomowaną" powierzchnię, chociaż pewna nierówność (± 10 μm) pozostaje, zwłaszcza na dużych podkładach.

4Chłodzenie.
PCB jest szybko chłodzony (do temperatury pokojowej w < 30 sekund) przy użyciu przymusowego powietrza lub mgły wodnej:
a.Przeciwdziałanie powracaniu lutowania na obszary bez podkładek.
b.Zapewnia gładkie, błyszczące wykończenie poprzez minimalizowanie utleniania podczas utwardzania.

5Po zabiegu: usuwanie płynu
Pozostały strumień jest oczyszczany przy użyciu:
a.Płukanie ciepłą wodą: dla płynów rozpuszczalnych w wodzie.
b.Oczyszczanie rozpuszczalnikami: dla płynów na bazie kolumny (mniej powszechne obecnie ze względu na przepisy dotyczące środowiska).
Właściwe czyszczenie jest kluczowe, pozostałości płynu mogą powodować korozję lub wyciek prądu, jeśli zostaną pozostawione na tablicy.

Kontrola jakości w produkcji HASL
Konsekwentna jakość HASL wymaga ścisłych kontroli procesu w celu uniknięcia często występujących wad:
1. Grubość lutownicy
Działalność: 1 ‰ 25 μm (zwykle 5 ‰ 15 μm dla większości zastosowań).
Zbyt cienkie (< 1 μm): ryzyko utleniania miedzi i słabe łatwość spawania.
Zbyt gruba (> 25 μm): powoduje nierównomierne powierzchnie i łączenie w drobnych składnikach.
Metoda pomiaru: fluorescencja promieniowania rentgenowskiego (XRF) lub mikroskopia przekrojowa.

2. Woczenie i pokrycie
Kryterium akceptacji: ≥95% powierzchni podkładki musi być pokryte lutowaniem (bez gołych plam miedzianych).
Powszechne problemy:
Niewilżanie: Perły lutowe na podkładkach z powodu złego czyszczenia lub utlenionej miedzi.
Odwilżanie: Lutowanie początkowo mokro, ale cofa się, pozostawiając gołe obszary spowodowane zanieczyszczeniem strumieniem lub wysoką temperaturą kąpieli.

3. Nierówność powierzchni
Maksymalna tolerancja: ±10μm (mierzona za pomocą profilometrii).
Ryzyko nadmiernego chropowania:
Odtwarzanie mostków w elementach o cienkiej odległości (0,8 mm odległości lub mniejszej).
Niespójne osadzenie pasty lutowej podczas montażu.

4. Integralność stopów
Badanie: spektroskopia w celu zweryfikowania składu lutowania (np. 3% srebra w SAC305).
Problemy: Nieprawidłowe stosunki stopów mogą obniżać stopnie topnienia, powodując awarie złączy lutowych podczas ponownego przepływu.

Zalety HASL Finish
Trwała popularność HASL wynika z jego praktycznych korzyści dla konkretnych zastosowań:
1. Niski koszt
Koszty materiałów: Stopy lutowe (Sn-Ag-Cu) są tańsze niż złoto (ENIG) lub cyna o wysokiej czystości (cyna zanurzająca).
Wydajność przetwarzania: Linie HASL działają z dużą przepustowością (100+ płyt / godzinę), zmniejszając koszty pracy na jednostkę.
Koszty całkowite: 30~50% tańsze niż ENIG i 20~30% tańsze niż cynk zanurzający w dużych obrotach (10,000+ jednostek).

2Doskonała spawalność
Szybkość nawilżania: pasta lutowa szybko przepływa przez podkładki powlekane HASL, z czasem nawilżania <1,5 sekundy (standard IPC-TM-650).
Kompatybilność do ponownego obróbki: przetrwa 3 ‰ 5 cykli ponownego przepływu bez degradacji ‰ więcej niż OSP (1 ‰ 2 cykli).
Wydajność przez otwór: Idealne dla elementów przez otwór, ponieważ lutowanie jednolicie wypełnia otwory podczas zanurzania.

3. Trwałość
Odporność na korozję: wytrzymuje 200-300 godzin testów na rozpylanie soli (ASTM B117) ◄ lepsza niż OSP (<100 godzin) i wystarczająca do zastosowań w pomieszczeniach.
Wytrzymałość mechaniczna: gruba warstwa lutownicy (515 μm) jest odporna na ścieranie podczas obróbki, zmniejszając ryzyko uszkodzenia w porównaniu z cienkimi wykończeniami, takimi jak cyna zanurzająca.

4Kompatybilność ze standardowymi procesami
Działa ze wszystkimi powszechnymi substratami PCB (FR4, FR4 o wysokim Tg, CEM-1).
Integruje się bezproblemowo do tradycyjnych linii produkcyjnych bez specjalistycznego sprzętu.

Ograniczenia HASL Finish
Niedogodności HASL czynią go nieodpowiednim dla niektórych nowoczesnych projektów PCB:
1Słaba płaskość dla elementów o cienkiej szczelinie
Zmiany powierzchni: tolerancja ±10 μm tworzy “szczyty i doliny” na podkładkach, zwiększając ryzyko przejścia w:
0.8mm pitch QFP (prędkość przejścia 15~20% w porównaniu z 5% w przypadku cyny zanurzającej).
0.5 mm BGA (praktycznie nie do opanowania za pomocą HASL).

2. Napięcie cieplne na PCB
Bezłowiowe HASL'y o wysokiej temperaturze obróbki (250-270°C) mogą:
Tłuszcze PCB warp (tłuszczowa < 0,8 mm).
Degradowanie podłoża wrażliwego na ciepło (np. niektórych elastycznych materiałów).
Powoduje delaminację w płytkach wielowarstwowych o niskiej jakości laminacji.

3Wyzwania bez ołowiu
Wyższy punkt topnienia: Stopy SAC wymagają wyższych temperatur powrotnego przepływu (245-260 °C) podczas montażu, zwiększając naprężenie na komponenty.
Ryzyko zanieczyszczenia: HASL bez ołowiu jest bardziej podatny na zanieczyszczenie (matywy wykończenie) z powodu utleniania, co może maskować problemy z zanieczyszczeniem podczas kontroli.

4. Problemy związane z ochroną środowiska i bezpieczeństwa
Obsługa odpadów: Odpady lutownicze wymagają specjalistycznego usuwania.
Bezpieczeństwo pracowników: Wysokie temperatury i odpady z płynu wymagają ścisłej wentylacji i środków ochrony indywidualnej (PPE).

HASL w porównaniu z innymi wykończeniami PCB

Idealne zastosowania HASL
HASL pozostaje najlepszym wyborem dla:
1. Niskokosztowa elektronika konsumencka
Urządzenia: lodówki, kuchenki mikrofalowe i pralki używają dużych płyt PCB (przełożenie ≥1 mm), gdzie oszczędności kosztowe HASL są najważniejsze.
Zabawki i gadżety: Produkty o dużej wielkości i niskiej marży korzystają z przystępności cenowej i wystarczającej niezawodności HASL.

2. Kontrole przemysłowe (inne niż szlachetne)
Sterowniki silników: Komponenty z otworami i duże urządzenia do montażu powierzchniowego (≥ 1206 pasywnych) dobrze działają z HASL.
Zasoby zasilania: Gęste miedziane podkładki (do wysokiego prądu) są łatwo pokryte HASL, zapewniając dobre połączenia lutowe.

3. Wojskowo-kosmiczne (HASL ołowiane)
Zwolnione od ograniczeń RoHS HASL z ołowiem jest stosowane w starszych systemach wymagających długoterminowej niezawodności i kompatybilności z lutowaniem z ołowiem.

4Prototypowanie i niskobudowy
Małe partie (10-100 sztuk) korzystają z szybkiego przebiegu HASL i niskich kosztów instalacji w porównaniu z ENIG.

Najlepsze praktyki w zakresie stosowania HASL
Aby zmaksymalizować wydajność HASL, postępuj zgodnie z poniższymi wytycznymi:

1Projekt dla HASL
Minimalny rozmiar podkładki: ≥ 0,6 mm × 0,6 mm w celu zapewnienia jednolitego pokrycia lutownicy.
Odległość: należy unikać elementów o odległości < 0,8 mm; w razie potrzeby należy zwiększyć odległość pomiędzy podkładkami do 0,2 mm.
Projektowanie otworów przez otwory: do niezawodnego wypełniania lutowni użyć płaczonych otworów przez otwory (PTH) o średnicy ≥ 0,3 mm.

2. Określ wymagania jakościowe
Gęstość lutownicy: 515 μm dla większości zastosowań.
Wypływ wody: wymagane jest pokrycie podkładki ≥95% (według IPC-A-610 klasa 2).
Wykończenie powierzchniowe: Należy określić HASL "jasny" (w porównaniu z ciemnym) w celu zapewnienia prawidłowego składu stopu i usunięcia strumienia.

3- Rozważania Zgromadzenia
Pasta lutowa: Użyj pasty typu 3 lub 4 (drobniejsze cząstki) w celu uwzględnienia nierówności powierzchni.
Profil powrotnego przepływu: w przypadku HASL bez ołowiu należy stosować wolną rampę (2 ̊3°C/sekundę) do temperatury szczytowej 250 ̊260°C.
Inspekcja: użyj AOI (Automated Optical Inspection) do wykrywania mostków w komponentach o prawie cienkiej pasmowości (0,8 ∼1,0 mm pasmo).

Często zadawane pytanie
P: Czy HASL bez ołowiu jest tak samo niezawodny jak HASL z cynkiem?
Odpowiedź: Tak, gdy jest prawidłowo przetwarzany.

P: Czy HASL może być stosowany z PCB dużych prędkości?
Jego nierówna powierzchnia może powodować różnice impedancji w sygnałach 10 Gbps +, dzięki czemu ENIG lub cynk zanurzający są lepsze do konstrukcji o wysokiej częstotliwości.

P: Co powoduje HASL? lodowce?
Odpowiedź: Lodowce powstają, gdy ciśnienie gorącego powietrza jest zbyt niskie, pozostawiając nadmiar lutowania na krawędziach podkładki.

P: Jak długi jest okres przydatności HASL?
Odpowiedź: ponad 12 miesięcy w zamkniętym opakowaniu z desykantami, podobnymi do cyny zanurzającej i ENIG.

P: Czy HASL jest kompatybilny z powłoką zgodną?
O: Tak, ale najpierw należy zapewnić całkowite usunięcie strumienia.

Wniosek
Wykończenie HASL pozostaje realną, opłacalną opcją dla płyt PCB z dużymi podkładkami, komponentami z otworami i niskimi kosztami.jego niezawodność, sprzedawalność i przystępność cenowa sprawiają, że jest niezbędny w elektronikach konsumenckich, systemach kontroli przemysłowej i systemach legacy.
Wraz z rozwojem technologii PCB, HASL będzie współistniał z nowszymi wykończeniami, takimi jak ENIG i cynk zanurzający, z których każdy służy różnym niszom.Zrozumienie mocnych i ograniczonych stron HASL zapewnia jego wykorzystanie tam, gdzie daje największą wartość dodaną.: aplikacje o dużej objętości i wysokich kosztach, w których wymagania dotyczące wydajności są zgodne z jego możliwościami.
W końcu długowieczność HASL w branży świadczy o jego praktyczności. Jest to świadectwo powiedzenia, że czasami sprawdzone rozwiązania przetrwają nowe alternatywy w odpowiednich kontekstach.