HASL hoàn thiện trong sản xuất PCB: Quá trình, chất lượng và ứng dụng

Lớp nối hàn khí nóng (HASL) là nền tảng của việc hoàn thiện bề mặt PCB trong nhiều thập kỷ, được đánh giá cao về hiệu quả chi phí, khả năng hàn đáng tin cậy,và tương thích với quy trình sản xuất truyền thốngTrong khi các kết thúc mới như ENIG và thiếc ngâm đã đạt được vị trí trong các ứng dụng cao độ, HASL vẫn là một lựa chọn cho chi phí thấp,PCB khối lượng lớn trong các ngành từ điện tử tiêu dùng đến kiểm soát công nghiệpHướng dẫn này khám phá quy trình sản xuất HASL, các biện pháp kiểm soát chất lượng, lợi thế và hạn chế,và làm thế nào nó xếp chồng lên so với các kết thúc thay thế cung cấp những hiểu biết thiết yếu cho các kỹ sư và người mua.

Những điểm quan trọng
1.HASL rẻ hơn 30~50% so với ENIG và thiếc ngâm, làm cho nó lý tưởng cho các ứng dụng có khối lượng lớn và chi phí nhạy cảm như thiết bị và đồ chơi.
2Quá trình này lắng đọng một lớp hàn 1 ¢ 25μm (tin có chì hoặc không có chì) trên các miếng đệm đồng, đảm bảo khả năng hàn tuyệt vời cho các thành phần xuyên lỗ và bề mặt lớn.
3bề mặt không đồng đều của.HASL (được dung sai ± 10μm) hạn chế việc sử dụng nó với các thành phần độ cao mỏng (< 0,8mm pitch), nơi rủi ro cầu tăng 40% so với các kết thúc phẳng.
4HASL không chì hiện đại (Sn-Ag-Cu) đáp ứng các tiêu chuẩn RoHS nhưng đòi hỏi nhiệt độ xử lý cao hơn (250 ∼ 270 °C) so với HASL chì thiếc truyền thống.

HASL Finish là gì?
Lớp lỏng bằng không khí nóng (HASL) là một quy trình hoàn thiện bề mặt bao phủ các tấm PCB đồng với một lớp lỏng nóng chảy, sau đó làm bằng dư thừa bằng không khí nóng tốc độ cao.Kết quả là một lớp hàn bảo vệ đồng khỏi oxy hóa và đảm bảo các khớp mạnh trong quá trình lắp ráp.

Hai biến thể của HASL
Tin-Lead HASL: Sử dụng hợp kim thiếc 63%/37% (điểm nóng chảy 183 ° C).mặc dù vẫn được sử dụng trong các ứng dụng quân sự / hàng không vũ trụ chuyên biệt với các loại trừ.
HASL không có chì: Thông thường sử dụng hợp kim thiếc-bạc-bôi (Sn-Ag-Cu, hoặc SAC) (điểm nóng chảy 217227 °C) để đáp ứng các yêu cầu RoHS và REACH.Nó là biến thể thống trị trong sản xuất PCB thương mại ngày nay.

Quá trình sản xuất HASL
HASL bao gồm năm bước chính, mỗi bước rất quan trọng để đạt được một kết thúc đồng nhất, có thể hàn:
1- Phương pháp xử lý trước: Làm sạch và kích hoạt
Trước khi áp dụng hàn, PCB được làm sạch nghiêm ngặt để đảm bảo gắn kết:
a. Khử mỡ: Loại bỏ dầu, dấu vân tay và các chất ô nhiễm hữu cơ bằng cách sử dụng chất tẩy rửa hoặc dung môi kiềm.
b. Micro-Etching: Một vết khắc axit nhẹ (ví dụ, axit sulfuric + hydrogen peroxide) loại bỏ 1 ¢ 2μm oxit đồng, phơi bày đồng tươi, phản ứng.
c. Ứng dụng dòng chảy: Một dòng chảy hòa tan trong nước (thường dựa trên nhựa) được áp dụng cho các miếng đệm đồng để ngăn ngừa tái oxy hóa và thúc đẩy ướt hàn.

2. Thâm nhập Solder
PCB được ngâm trong một bồn nước hàn nóng chảy:
a. Nhiệt độ: 250-270 °C cho HASL không chì (lian SAC) so với 200-220 °C cho thiếc chì.
b. Thời gian ngâm: 3 ∼ 5 giây để đảm bảo làm ướt hoàn toàn các miếng đệm đồng mà không làm hỏng nền PCB (ví dụ: FR4).
c. Kiểm soát hợp kim: Các bồn hàn được theo dõi liên tục về thành phần (ví dụ: 96,5% Sn, 3% Ag, 0,5% Cu cho SAC305) để duy trì tính nhất quán.

3. Lượng khí nóng
Sau khi ngâm, hàn dư thừa được loại bỏ bằng cách sử dụng dao không khí nóng áp suất cao:
a. Nhiệt độ không khí: 200 ~ 250 °C để giữ hàn nóng chảy trong khi làm bằng.
b. Áp suất không khí: 5 ∼ 10 psi, điều chỉnh dựa trên kích thước pad (áp suất cao hơn cho pad lớn hơn).
c. Vị trí vòi: góc 30 ′ 45 ° so với bề mặt PCB để phân phối đồng đều không khí và ngăn ngừa sự tích tụ hàn ở các cạnh.
Bước này tạo ra một bề mặt "cấp bằng", mặc dù một số sự bất đồng (± 10μm) vẫn còn, đặc biệt là trên các pad lớn.

4. Làm mát
PCB được làm mát nhanh chóng (đến nhiệt độ phòng trong < 30 giây) bằng cách sử dụng không khí ép hoặc sương mù nước:
a. Ngăn chặn hàn chảy trở lại các khu vực không pad.
b. Đảm bảo kết thúc mượt mà, bóng bằng cách giảm thiểu oxy hóa trong quá trình cứng.

5Sau khi điều trị: Loại bỏ luồng
Dòng lưu lượng còn lại được làm sạch bằng cách sử dụng:
a. Rửa bằng nước nóng: Đối với các luồng hòa tan trong nước.
b. Tẩy rửa dung môi: Đối với luồng dựa trên nhựa (ít phổ biến ngày nay do các quy định về môi trường).
Làm sạch đúng cách là rất quan trọng, các dư lượng luồng có thể gây ăn mòn hoặc rò rỉ điện nếu để lại trên bảng.

Kiểm soát chất lượng trong sản xuất HASL
Chất lượng HASL nhất quán đòi hỏi kiểm soát quy trình nghiêm ngặt để tránh các khiếm khuyết phổ biến:
1. Độ dày hàn
Phạm vi mục tiêu: 1 25μm (thường là 5 15μm cho hầu hết các ứng dụng).
Quá mỏng (< 1μm): Rủi ro oxy hóa đồng và khả năng hàn kém.
Quá dày (> 25μm): gây ra bề mặt không bằng phẳng và cầu nối trong các thành phần sắc nét.
Phương pháp đo: X-quang huỳnh quang (XRF) hoặc kính hiển vi cắt ngang.

2. ẩm và phủ sóng
Tiêu chí chấp nhận: ≥ 95% diện tích pad phải được phủ bằng hàn (không có đốm đồng trần).
Các vấn đề chung:
Không ướt: Vàng hàn trên miếng đệm do làm sạch kém hoặc đồng oxy hóa.
Giảm ẩm: Solder ban đầu ướt nhưng kéo trở lại, để lại các khu vực trần do ô nhiễm luồng hoặc nhiệt độ tắm cao.

3. Độ thô bề mặt
Độ khoan dung tối đa: ±10μm (được đo bằng hồ sơ đo).
Mối nguy của sự thô quá mức:
Cây cầu trong các thành phần độ cao mỏng (0,8 mm độ cao hoặc nhỏ hơn).
Sự lắng đọng của bột hàn không nhất quán trong quá trình lắp ráp.

4. Hợp kim toàn vẹn
Xét nghiệm: Xét phổ để xác minh thành phần hàn (ví dụ: bạc 3% trong SAC305).
Vấn đề: Tỷ lệ hợp kim không chính xác có thể làm giảm điểm nóng chảy, gây ra sự thất bại của các khớp hàn trong quá trình lưu lại.

Ưu điểm của HASL Finish
Sự phổ biến lâu dài của HASL là do lợi ích thực tế của nó cho các ứng dụng cụ thể:
1Chi phí thấp
Chi phí vật liệu: Hợp kim hàn (Sn-Ag-Cu) rẻ hơn vàng (ENIG) hoặc thiếc tinh khiết cao (thiếc ngâm).
Hiệu quả xử lý: Các đường dây HASL hoạt động ở công suất cao (100+ bảng / giờ), giảm chi phí lao động mỗi đơn vị.
Tổng chi phí: rẻ hơn ENIG 30% và rẻ hơn 20 30% so với thiếc ngâm cho các phiên bản khối lượng lớn (10.000 đơn vị).

2. Tốt nhất Soldability
Tốc độ ướt: Bột hàn chảy nhanh qua các miếng đệm phủ HASL, với thời gian ướt < 1,5 giây (tiêu chuẩn IPC-TM-650).
Khả năng tương thích: Sống sót trong 3~5 chu kỳ tái chảy mà không bị xuống cấp hơn OSP (1~2 chu kỳ).
Hiệu suất xuyên lỗ: Lý tưởng cho các thành phần xuyên lỗ, vì solder lấp lỗ đồng đều trong quá trình ngâm.

3. Sức bền
Chống ăn mòn: Chống được 200~300 giờ thử nghiệm xịt muối (ASTM B117) tốt hơn OSP (<100 giờ) và đủ cho các ứng dụng trong nhà.
Sức mạnh cơ học: Lớp hàn dày (515μm) chống mài mòn trong khi xử lý, giảm nguy cơ hư hại so với các lớp hoàn thiện mỏng như thiếc ngâm.

4- Tương thích với các quy trình tiêu chuẩn
Hoạt động với tất cả các chất nền PCB phổ biến (FR4, FR4 TG cao, CEM-1).
Tích hợp liền mạch vào các dây chuyền sản xuất truyền thống mà không cần thiết bị chuyên dụng.

Các hạn chế của HASL Finish
Những nhược điểm của HASL làm cho nó không phù hợp với một số thiết kế PCB hiện đại:
1. Độ phẳng kém cho các thành phần tinh tế
Sự thay đổi bề mặt: Độ khoan dung ± 10μm tạo ra “đỉnh và thung lũng” trên các pad, làm tăng nguy cơ cầu nối trong:
0.8mm pitch QFPs (tỷ lệ cầu nối 15~20% so với 5% với thiếc ngâm).
0.5mm pitch BGA (thực tế không thể quản lý được với HASL).

2. Căng thẳng nhiệt trên PCB
HASL không có chì ở nhiệt độ chế biến cao (250~270°C) có thể:
PCB mỏng warp (< 0,8mm dày).
Phân hủy các chất nền nhạy cảm với nhiệt (ví dụ: một số vật liệu linh hoạt).
Nguyên nhân làm mất lớp trong các tấm nhiều lớp với chất lượng lớp kém.

3Những thách thức không có chì
Điểm nóng chảy cao hơn: Hợp kim SAC đòi hỏi nhiệt độ tái chảy cao hơn (245 ∼ 260 ° C) trong quá trình lắp ráp, làm tăng căng thẳng đối với các thành phần.
Nguy cơ mờ: HASL không có chì dễ bị mờ hơn do oxy hóa, có thể che giấu các vấn đề ướt trong khi kiểm tra.

4. Mối quan tâm về môi trường và an toàn
Xử lý chất thải: Chất thải hàn (chất hàn dư thừa cứng) đòi hỏi phải xử lý chuyên biệt.
An toàn cho công nhân: Nhiệt độ cao và khói dòng chảy đòi hỏi phải có hệ thống thông gió chặt chẽ và PPE (thiết bị bảo vệ cá nhân).

HASL so với các loại kết thúc PCB khác

Các ứng dụng lý tưởng cho HASL
HASL vẫn là lựa chọn tốt nhất cho:
1Điện tử tiêu dùng giá rẻ
Thiết bị: Tủ lạnh, lò vi sóng và máy giặt sử dụng PCB đệm lớn (nặng ≥ 1 mm) nơi tiết kiệm chi phí HASL quan trọng nhất.
Đồ chơi và thiết bị: Các sản phẩm có khối lượng lớn, lợi nhuận thấp được hưởng lợi từ mức giá phải chăng và độ tin cậy đầy đủ của HASL.

2. Kiểm soát công nghiệp (không dùng phấn tinh)
Bộ điều khiển động cơ: Các thành phần xuyên lỗ và các thiết bị gắn bề mặt lớn (≥ 1206 thụ động) hoạt động tốt với HASL.
Các nguồn cung cấp điện: Các tấm đồng dày (đối với dòng điện cao) dễ dàng được phủ HASL, đảm bảo các khớp hàn tốt.

3. Quân sự và hàng không vũ trụ (Tin-Lead HASL)
Được miễn các hạn chế RoHS, HASL chì thiếc được sử dụng trong các hệ thống cũ đòi hỏi độ tin cậy lâu dài và tương thích với hàn chì thiếc.

4. Prototyping và Low-Volume Runs
Các lô nhỏ (10 ¥ 100 đơn vị) được hưởng lợi từ chuyển đổi nhanh chóng của HASL và chi phí thiết lập thấp so với ENIG.

Thực hành tốt nhất để sử dụng HASL
Để tối đa hóa hiệu suất HASL, hãy làm theo các hướng dẫn sau:

1Thiết kế cho HASL
Kích thước Pad tối thiểu: ≥ 0,6 mm × 0,6 mm để đảm bảo phủ lắp đồng đều.
Pitch: Tránh các thành phần pitch <0,8mm; nếu cần thiết, tăng khoảng cách từ pad đến pad đến 0,2mm.
Thiết kế lỗ thông qua: Sử dụng các lỗ thông qua (PTH) có đường kính ≥ 0,3 mm để lấp hàn đáng tin cậy.

2. Xác định các yêu cầu về chất lượng
Độ dày hàn: 515μm cho hầu hết các ứng dụng.
Làm ướt: Yêu cầu bao phủ đệm ≥95% (theo IPC-A-610 lớp 2).
Xét mặt: Xác định HASL (so với mờ) để đảm bảo thành phần hợp kim thích hợp và loại bỏ luồng.

3- Những cân nhắc của Hội đồng
Bột hàn: Sử dụng loại bột 3 hoặc 4 (các hạt mịn hơn) để phù hợp với sự bất đồng bề mặt.
Hồ sơ dòng chảy trở lại: Đối với HASL không chì, sử dụng một đường dốc chậm (23 °C / giây) đến nhiệt độ đỉnh 250-260 °C.
Kiểm tra: Sử dụng AOI (Kiểm tra quang học tự động) để phát hiện cầu nối trong các thành phần gần với pitch (0,8 ∼1,0 mm pitch).

FAQ
Q: HASL không chì có đáng tin cậy như HASL bằng thiếc không chì không?
A: Có, khi được xử lý đúng cách. HASL không chì (SAC) cung cấp khả năng hàn tương tự và khả năng chống ăn mòn tốt hơn một chút, mặc dù nó đòi hỏi nhiệt độ lắp ráp cao hơn.

Q: HASL có thể được sử dụng với PCB tốc độ cao không?
A: Hạn chế. Bề mặt không đồng đều của nó có thể gây ra sự thay đổi trở ngại trong tín hiệu 10Gbps +, làm cho ENIG hoặc chì ngâm tốt hơn cho các thiết kế tần số cao.

H: Điều gì gây ra HASL?ices? (các nhang hàn)?
A: Các lớp băng hình thành khi áp suất không khí nóng quá thấp, để lại mặn dư thừa trên cạnh miếng đệm. Chúng có thể gây mạch ngắn và bị từ chối theo IPC-A-610 lớp 2/3.

H: Thời hạn sử dụng của HASL là bao lâu?
A: 12 tháng trong bao bì kín với chất khô, tương tự như thiếc ngâm và ENIG.

Q: HASL có tương thích với lớp phủ phù hợp không?
Đáp: Có, nhưng đảm bảo loại bỏ toàn bộ luồng trước tiên. Các dư lượng có thể gây ra các vấn đề gắn bó lớp phủ.

Kết luận
Kết thúc HASL vẫn là một lựa chọn khả thi, hiệu quả về chi phí cho PCB với các tấm lớn, các thành phần xuyên lỗ và các yêu cầu chi phí thấp.độ tin cậy của nó, khả năng bán và giá cả phải chăng làm cho nó trở nên không thể thiếu trong điện tử tiêu dùng, kiểm soát công nghiệp và các hệ thống cũ.
Khi công nghệ PCB phát triển, HASL sẽ cùng tồn tại với các kết thúc mới hơn như ENIG và thiếc ngâm, mỗi loại phục vụ các vị trí riêng biệt.hiểu điểm mạnh và hạn chế của HASL đảm bảo nó được sử dụng ở nơi nó mang lại giá trị gia tăng nhất: các ứng dụng có khối lượng lớn và chi phí nhạy cảm, nơi các yêu cầu về hiệu suất phù hợp với khả năng của nó.
Cuối cùng, tuổi thọ của HASL trong ngành nói về tính thực tế của nó - một minh chứng cho câu ngạn ngữ rằng đôi khi, các giải pháp đã được chứng minh tồn tại lâu hơn các giải pháp thay thế mới trong bối cảnh phù hợp.