Wykończenie cynkowe z zanurzeniem w projekcie płyt PCB: najlepsze praktyki, rozważania projektowe i wydajność

Wyobraźnia zmodernizowana przez klienta

Złoża zanurzająca stała się wszechstronnym wykończeniem powierzchni PCB, kosztami równoważnymi, łatwością spawania,), co czyni go ulubionym w przemyśle od motoryzacji po elektronikę użytkową.W przeciwieństwie do wykończeń ENIG (na bazie złota) lub HASL (na bazie lutowniczej), cynia zanurzeniowa wykorzystuje proces osadzenia chemicznego w celu utworzenia cienkiej, jednorodnej warstwy czystego cyny na podkładach miedzianych,oferuje wyjątkowe zalety dla nowoczesnych projektów PCBJednak wykorzystanie jego korzyści wymaga ostrożnych wyborów projektowych, od geometrii podkładek po protokoły przechowywania.obejmujące kluczowe aspekty, pułapek, których należy unikać, i tego, w jaki sposób stosuje się je do innych wykończeń.

Kluczowe wnioski
1.Cynka zanurzająca zapewnia płaską, spawalną powierzchnię idealną dla elementów o odległości 0,4 mm, zmniejszając łącznik lutowy o 50% w porównaniu z HASL.
2Zasady projektowania cyny zanurzającej obejmują minimalne rozmiary podkładek (≥ 0,2 mm), zwiększoną odległość od podkładki do podkładki (≥ 0,1 mm) oraz kompatybilność z lutownikami wolnymi od ołowiu (Sn-Ag-Cu).
3.Oferuje opłacalną drogę pośrednią: o 30% tańszą niż ENIG, ale o 20% droższą niż HASL, z okresem trwania ponad 12 miesięcy w kontrolowanym składzie.
4Właściwa konstrukcja zmniejsza ryzyko, takie jak wąsy z cyny i korozja podkładek, zapewniając niezawodność w zastosowaniach przemysłowych i motoryzacyjnych.

Co to jest wykończenie z cyny z zanurzenia?
Część złożona z cynku jest procesem zanurzania chemicznego, który składa cienką warstwę (0,8 ∼2,5 μm) czystego cynku na miedzianych płytkach PCB bez użycia prądu.atomy miedzi na powierzchni PCB rozpuszczają się w roztworze powlekania, podczas gdy jony cynku w roztworze są redukowane i pokrywane na odsłoniętej miedzi.

Płaska powierzchnia (tolerancja ± 3 μm), kluczowa dla elementów o cienkiej wyczucie, takich jak BGA i QFN.
Warstwa spawalna, która tworzy silne wiązania międzymetalowe z lutowaniem podczas odtwarzania.
Bariera przeciw utlenianiu, chroniąca miedziane podkładki przed korozją podczas przechowywania i montażu.

W przeciwieństwie do elektrolitycznego pokrycia cyny (które wykorzystuje prąd elektryczny), cyna zanurzeniowa zapewnia jednolite pokrycie nawet na małych, gęsto opakowanych podkładkach, co czyni ją idealną do PCB o wysokiej gęstości.

Dlaczego wybiera się puszkę zanurzającą do projektowania płyt PCB?
Popularność cynku zanurzającego wynika z jego wyjątkowej mieszanki wydajności i praktyczności, rozwiązującej kluczowe problemy w nowoczesnym projektowaniu płyt PCB:
1. Kompatybilność z elementami o cienkiej wytrzymałości
Nowoczesne płytki PCB coraz częściej wykorzystują BGA o rozmiarze 0,4 mm, pasywy 01005 i składniki QFN o wąskim rozmiarze, które borykają się z nierównomiernymi wykończeniami, takimi jak HASL.

a. Zmniejsza łączenie lutownicy pomiędzy ściśle rozmieszczonymi podkładkami (0,2 mm lub mniej).
b.Zapewnia stałe mokrość lutownicy na małych podkładkach (0,2 mm × 0,2 mm), unikając "suchych stawów".

c. Badanie przeprowadzone przez IPC wykazało, że cynk zanurzający zmniejsza wady lutowania o cienkiej głębokości o 40% w porównaniu z HASL, przy czym współczynniki łączenia spadają z 12% do 7% w zespołach o głębokości 0,5 mm.

2. Zgodność bez ołowiu i łatwość spawania
Złoża zanurzająca działa bezproblemowo z lutownikami bez ołowiu (Sn-Ag-Cu lub SAC), które wymagają wyższych temperatur powrotnego przepływu (245-260°C) niż tradycyjny lutownik z ołowiu.:

a.Szybkie zmoczenie: Lutowanie rozprzestrzenia się na podkładkach pokrytych cynowym w czasie <1 sekundy (według norm IPC-TM-650), szybciej niż w przypadku starzenia ENIG.
b. Silne złącza: cynk tworzy niezawodne związki międzymetalowe (Cu6Sn5) z miedzią, zapewniając stabilność mechaniczną i elektryczną.
c. Wytrzymałość na ponowne przepracowanie: przetrwa 2 ∼ 3 cykle ponownego przepływu bez znaczącej degradacji, przydatna do tworzenia prototypów lub napraw polowych.

3Koszty i wydajność produkcji
Złoża zanurzająca osiąga równowagę pomiędzy wydajnością a kosztami:

a.Kosty materiałów: o 30% niższe niż ENIG (bez złota) i o 20% wyższe niż HASL, ale z mniejszą liczbą wad zmniejszających koszty ponownej obróbki.
b.Szybkość przetwarzania: szybsza niż w przypadku ENIG (5 ‰ 10 minut na tablicę w porównaniu z 15 ‰ 20 minutami), obsługująca produkcję dużych ilości (10000+ jednostek/dzień).
c. Kompatybilność ze standardowymi liniami: Integracja z istniejącymi procesami produkcji PCB bez specjalistycznego sprzętu.

4Odporność na korozję w umiarkowanych warunkach
Mimo, że nie jest tak wytrzymały jak ENIG w ekstremalnych warunkach, cynk zanurzający zapewnia wystarczającą ochronę dla wielu zastosowań:

a. Wytrzymuje ponad 300 godzin testów na rozpylanie soli (ASTM B117), przewyższając OSP (24 ‰ 48 godzin) i dopasowując się do HASL.
Odporność na wilgotność (85% RH) przez 6+ miesięcy w zamkniętym magazynie, nadaje się do urządzeń elektronicznych użytkownika i systemów przemysłowych w pomieszczeniach.

Krytyczne rozważania dotyczące projektowania cyny zanurzającej
Aby zmaksymalizować wydajność cynku zanurzającego, projekty PCB muszą uwzględniać jego unikalne właściwości i ograniczenia.
1Geometria i rozmiary podkładek
Cienkie warstwy cynku zanurzonego i proces osadzenia chemicznego wymagają specjalnych konstrukcji podkładek:

a.Minimalny rozmiar podkładki: ≥ 0,2 mm × 0,2 mm. Mniejsze podkładki (np. 0,15 mm) mogą cierpieć z powodu nierównomiernego pokrycia cyny, co prowadzi do utleniania.
b.Kształt podkładki: unikaj ostrych narożników; używaj zaokrąglonych podkładek (promień ≥ 0,05 mm), aby zapobiec zmianom grubości cyny na krawędziach.
c. Przejście od śladu do podkładki: stopniowo (w kątach 10°-15°) ścierać ślady do podkładek w celu uniknięcia koncentracji naprężenia, co może powodować łuszczenie cyny podczas cyklu termicznego.

2. Odległości i odległości
Płyn zanurzający jest bardziej wrażliwy na zanieczyszczenia i zwarcia niż grubiejsze wykończenia, takie jak HASL:

a.Odległość pomiędzy podkładkami: ≥ 0,1 mm dla elementów o cienkim rozdzielczości, aby zmniejszyć ryzyko połączenia; dla BGA o rozdzielczości 0,4 mm, zwiększyć odległość do 0,12 mm.
b. Odległość między śladami i podkładkami: ≥0,08 mm w celu zapobiegania "krwawieniu" cyny z podkładek do śladów, co może powodować zwarcia.
c. Odległość maski lutowej: należy trzymać maskę lutową w odległości 0,05 mm od krawędzi podkładek, aby uniknąć pokrycia cyny, co wpływa na łatwość lutowania.

3Kompatybilność z materiałami i procesami
Zestaw zanurzający wchodzi w interakcje z innymi materiałami PCB, co wymaga starannego doboru:

a. Substraty: Działa z standardowym FR4, FR4 o wysokim Tg, a nawet elastycznym poliamidem bez ograniczeń materiałowych.
b.Maska lutowa: Używaj płynnych masek lutowych o odporności na działanie promieniowania UV (np. LPISM) zamiast suchej folii, ponieważ płynne maski lepiej przylegają do cyny.
c. Wybór strumienia: Wybierz strumienie bezczyste lub o niskiej zawartości pozostałości przeznaczone do wykończenia cyny; agresywne strumienie mogą z czasem korozować cyny.

4. Napięcie cieplne i mechaniczne
Płytka zanurzeniowa jest elastyczna, ale może pękać pod silnym naciskiem:

a. Strefy zgięcia (PCB sztywne i elastyczne): unikać umieszczania podkładek pokrytych cyną w obszarach zgiętych; w razie potrzeby stosować grubiejsze cynę (2,0 × 2,5 μm) i zakręty promieniowe w celu zmniejszenia obciążenia.
b.Cykl termiczny: Zaprojektowany do maksymalnego ΔT 125°C (np. od -40°C do 85°C) w celu zapobiegania delaminacji cyny i miedzi.
c. Masa części: W przypadku ciężkich części (np. złączy) należy użyć większych podkładek (≥ 1,0 mm2) w celu rozłożenia naprężeń i zapobiegania podnoszeniu podkładek.

Zmniejszenie ograniczeń zanurzania
Podobnie jak każda wykończenie, cyna zanurzeniowa ma słabe strony, które można rozwiązać poprzez proaktywne projektowanie:
1Złote wąsy.
Wąsy z cyny to cienkie, przewodzące włókna, które mogą rosnąć z warstwy cyny, powodując zwarcia w wysokonapięciowych PCB.

a.Gęstość cyny: utrzymywać grubość cyny w zakresie 1,0-2 μm. Gęstsze warstwy (≥ 2,5 μm) zwiększają napięcie wewnętrzne, sprzyjając wzrostowi wąsów.
b.Późne nakładanie na pieczenie: należy określić pieczenie w temperaturze 125 °C przez 24 godziny w celu zmniejszenia naprężenia w warstwie cyny, zmniejszając tworzenie się wąsów o 90%.
c. powłoka zgodna: na powierzchniach pokrytych cynowym powłoką akrylową lub silikonową o powierzchni 20-30 μm w zastosowaniach o wysokim ryzyku (np. ECU samochodowych).

2. korozja w wilgotnym/przemysłowym środowisku
Płytka zanurzająca jest podatna na wilgoć i substancje chemiczne.

a.Płaty na krawędziach: Płyty na krawędziach PCB z cynową warstwą uszczelniającą krawędzia, zapobiegająca wnikaniu wilgoci.
b.Szczelone obudowy: stosować obudowy o klasie IP65 do zastosowań zewnętrznych lub wilgotnych (np. czujniki morski).
c. Unikaj narażenia na siarkę: Siarka w gazach przemysłowych reaguje z cynową, tworząc nieprzewodzący siarczan cynowy.

3Zmiana stopień stopień stopień stopień stopień stopień
Zmiany w składowaniu:

a.Warunki przechowywania: Należy określić uszczelnione worki zabezpieczające przed wilgocią, zawierające środki suszące (RH < 30%) i okres przechowywania wynoszący 12 miesięcy.
b.Oczyszczanie przed montażem: przed lutowaniem należy usunąć odciski palców lub zanieczyszczenia za pomocą alkoholu izopropylowego (IPA).
c. Projektowanie w celu szybkiej obrotów: dostosowanie produkcji PCB do harmonogramów montażu w celu wykorzystania płyt w ciągu 6 miesięcy od pokrycia.

Złoża zanurzeniowa w porównaniu z innymi wykończeniami powierzchni
Wybór odpowiedniej wykończenia zależy od potrzeb projektu.

Zastosowania, w których zanurzenie błyszczy
Część złoża z inwazyjnym cynkiem wyróżnia się w projektowaniu równoważącym wydajność, koszt i gęstość:
1. Elektronika motoryzacyjna
Czujniki ADAS: Moduły radarowe o odległości 0,5 mm korzystają z płaskości stali zanurzającej, zapewniając niezawodne połączenia lutowe BGA.
Systemy informacyjno-rozrywkowe: Wytrzymują temperaturę kabiny 85°C i są odporne na niewielkie narażenie chemiczne (np. rozlane napoje).
Systemy zarządzania bateriami (BMS): Kompatybilne z lutownikami bez ołowiu, kluczowe dla norm bezpieczeństwa pojazdów elektrycznych.

2Elektronika użytkowa
Smartfony / tablety: umożliwia BGA o odległości 0,4 mm dla procesorów, zmniejszając rozmiar płyty o 10 ∼ 15%.
Wyroby do noszenia: Cienka, lekka konstrukcja dobrze pasuje do minimalnej grubości cyny zanurzającej.
Konsole do gier: obsługuje cykle odtwarzania 2×3 podczas montażu, zmniejszając wady produkcyjne.

3. Kontrole przemysłowe
PCB automatyki fabrycznej: odporne na temperatury operacyjne 105°C i okazjonalne narażenie na działanie oleju/chemikaliów.
Węzły czujników: równoważy koszty i niezawodność czujników przemysłowych średniej klasy (np. temperatury, ciśnienia).

Badanie PCB z cyny zanurzającej
Potwierdzenie wydajności cyny zanurzającej za pomocą następujących testów:

Wykorzystanie urządzeń do obróbki węglowodorów4.12): zanurzenie podkładek w lutowni w temperaturze 250 °C; wilgoć ≥95% w ciągu 2 sekund wskazuje na dobrą łatwość lutowania.
Spray solny (ASTM B117): 300 godzin ekspozycji przy korozji < 5% potwierdza odpowiednią ochronę.
Cykl termiczny (IPC-9701): 1000 cykli (-40 °C do 125 °C) w celu sprawdzenia czy cyna nie łuszczy się lub nie rośnie wąsy.
Inspekcja wąsów (IPC-4554): analiza mikroskopową (100x) po 1000 godzinach przechowywania w celu zapewnienia braku wąsów > 10 μm.

Często zadawane pytanie
P: Czy cynk zanurzający można stosować zarówno z lutownikami bez ołowiu, jak i z cynkiem ołowiowym?
Odpowiedź: Tak, ale jest zoptymalizowany do lutowania bez ołowiu (Sn-Ag-Cu).

P: Jaka jest minimalna szerokość śladu kompatybilna z puszką zanurzeniową?
Odpowiedź: ślady o długości 50 μm (0,002") działają niezawodnie, ale zapewniają odległość 0,1 mm między śladami a podkładkami, aby zapobiec zwarciom.

P: Czy cynk zanurzający wpływa na integralność sygnału wysokiej częstotliwości?
Odpowiedź: Jego cienka, jednorodna warstwa ma minimalny wpływ na impedancję (≤ 1% zmienności dla śladów 50Ω), co czyni go odpowiednim do konstrukcji o częstotliwości 10 GHz+.

P: W jaki sposób cynk z zanurzeniem wytrzymuje w zastosowaniach zewnętrznych?
Odpowiedź: Działa dla urządzeń zewnętrznych (np. zewnętrznych sterowników LED), ale wymaga zgodnej powłoki do bezpośredniego narażenia na deszcz/spryski soli.

P: Czy cyna zanurzająca może być stosowana na elastycznych płytkach PCB?
Odpowiedź: Tak, o grubości cynku 1,5-2 μm i zaokrąglonych narożnikach podkładki, aby zapobiec pękaniu podczas gięcia.

Wniosek
Wykończenie z cyny z zanurzeniem oferuje przekonującą mieszankę płaskości, spawalności i opłacalności nowoczesnych projektów PCB, zwłaszcza tych z komponentami o cienkiej pasmowości.Zgodnie z najlepszymi praktykami projektowymiInżynierowie mogą zmniejszyć jego ograniczenia, zapewniając niezawodność w zastosowaniach motoryzacyjnych, konsumenckich i przemysłowych.

Chociaż nie jest idealny dla ekstremalnych środowisk (gdzie ENIG wyróżnia się) lub projektów o bardzo niskich kosztach (gdzie panuje HASL), cynk zanurzający osiąga krytyczną równowagę, umożliwiając wysoką gęstość,wysokiej wydajności PCB, które napędzają dzisiejszą technologięPrzy ostrożnej konstrukcji i obsłudze jest to wykończenie, które zapewnia zarówno wydajność, jak i wartość.