Thiết kế PCB với kết thúc bằng thiếc ngâm: Thực hành tốt nhất, cân nhắc thiết kế và hiệu suất

Hình ảnh nhân bản của khách hàng

Tin ngâm đã nổi lên như là một bề mặt đa năng hoàn thiện cho PCB, cân bằng chi phí, soldability,và khả năng tương thích với các thành phần sắc nét, làm cho nó trở thành sản phẩm ưa thích trong các ngành công nghiệp từ ô tô đến điện tử tiêu dùngKhông giống như ENIG (dựa trên vàng) hoặc HASL (dựa trên hàn), thiếc ngâm sử dụng một quy trình lắng đọng hóa học để tạo ra một lớp mỏng, đồng đều của thiếc tinh khiết trên miếng đệm,cung cấp những lợi thế độc đáo cho các thiết kế PCB hiện đạiTuy nhiên, tận dụng lợi ích của nó đòi hỏi sự lựa chọn thiết kế cẩn thận, từ hình học pad đến giao thức lưu trữ.bao gồm các cân nhắc chính, những cạm bẫy để tránh, và làm thế nào nó chồng lên với các kết thúc khác.

Những điểm quan trọng
1Tin ngâm cung cấp một bề mặt phẳng, có thể hàn lý tưởng cho các thành phần pitch 0,4mm, giảm cầu hàn 50% so với HASL.
2Các quy tắc thiết kế cho thiếc ngâm bao gồm kích thước pad tối thiểu (≥ 0,2 mm), khoảng cách trace-to-pad tăng lên (≥ 0,1 mm) và tương thích với các chất hàn không chì (Sn-Ag-Cu).
3Nó cung cấp một đường trung gian hiệu quả về chi phí: rẻ hơn 30% so với ENIG nhưng đắt hơn 20% so với HASL, với thời gian sử dụng hơn 12 tháng trong lưu trữ được kiểm soát.
4Thiết kế phù hợp giảm thiểu các rủi ro như râu thiếc và ăn mòn pad, đảm bảo độ tin cậy trong các ứng dụng công nghiệp và ô tô.

Bụi bọc bằng chì ngâm là gì?
Thiếc ngâm là một quá trình ngâm hóa học để lắng đọng một lớp mỏng (0,8 ∼2,5 μm) thiếc tinh khiết trên các tấm PCB đồng mà không sử dụng điện.Các nguyên tử đồng trên bề mặt PCB hòa tan vào dung dịch mạ, trong khi các ion thiếc trong dung dịch được giảm và phủ trên đồng phơi bày.

Bề mặt phẳng (được dung sai ± 3μm), rất quan trọng đối với các thành phần sắc nét như BGA và QFN.
Lớp hàn có thể tạo ra các liên kết liên kim loại mạnh mẽ với hàn trong quá trình lưu lại.
Rào cản chống oxy hóa, bảo vệ miếng đệm từ ăn mòn trong quá trình lưu trữ và lắp ráp.

Không giống như mạ điện phân (sử dụng dòng điện), mạ ngâm đảm bảo phủ sóng đồng đều ngay cả trên các miếng đệm nhỏ, dày đặc, làm cho nó lý tưởng cho PCB mật độ cao.

Tại sao chọn Tin ngâm cho thiết kế PCB?
Sự phổ biến của thiếc ngâm xuất phát từ sự pha trộn độc đáo của hiệu suất và tính thiết thực, giải quyết các điểm khó khăn chính trong thiết kế PCB hiện đại:
1. Tương thích với các thành phần Fine-Pitch
PCB hiện đại ngày càng sử dụng BGA pitch 0,4mm, 01005 thụ động và các thành phần QFN ′s pitch hẹp mà đấu tranh với kết thúc không đồng đều như HASL.

a. Giảm cầu hàn giữa các pad cách nhau gần (0,2mm hoặc ít hơn khoảng cách).
b. Đảm bảo ướt hàn liên tục trên các miếng đệm nhỏ (0,2 mm × 0,2 mm), tránh "đối khô".

c. Một nghiên cứu của IPC cho thấy thiếc ngâm giảm 40% khi so sánh với HASL, với tỷ lệ cầu nối giảm từ 12% xuống 7% trong các tập hợp pitch 0,5 mm.

2. Phù hợp không chì và khả năng hàn
Stain ngâm hoạt động liền mạch với các loại hàn không chì (Sn-Ag-Cu, hoặc SAC), đòi hỏi nhiệt độ tái chảy cao hơn (245 ~ 260 ° C) so với hàn thiếc chì truyền thống.:

a. ướt nhanh: Xả hàn trên các miếng bọc thép trong < 1 giây (theo tiêu chuẩn IPC-TM-650), nhanh hơn ENIG già.
b. Các khớp mạnh: Tin tạo thành một hợp chất liên kim loại đáng tin cậy (Cu6Sn5) với đồng, đảm bảo sự ổn định cơ học và điện.
c. Khả năng chịu đựng tái chế: Trôi qua 2 ∼ 3 chu kỳ tái quy trình mà không bị suy thoái đáng kể, hữu ích cho việc tạo ra nguyên mẫu hoặc sửa chữa thực địa.

3Chi phí và hiệu quả sản xuất
Tin ngâm đạt được sự cân bằng giữa hiệu suất và chi phí:

a.Chi phí vật liệu: thấp hơn 30% so với ENIG (không có vàng) và cao hơn 20% so với HASL, nhưng với ít khiếm khuyết làm giảm chi phí tái chế.
b.Tốc độ xử lý: Nhanh hơn ENIG (5~10 phút mỗi bảng so với 15~20 phút), hỗ trợ sản xuất khối lượng lớn (10.000 đơn vị / ngày).
c. Tương thích với các dòng tiêu chuẩn: Tích hợp vào các quy trình sản xuất PCB hiện có mà không cần thiết bị chuyên môn.

4. Kháng ăn mòn cho môi trường ôn hòa
Mặc dù không chắc chắn như ENIG trong điều kiện khắc nghiệt, thiếc ngâm cung cấp sự bảo vệ đầy đủ cho nhiều ứng dụng:

a.Chống lại 300 + giờ thử nghiệm xịt muối (ASTM B117), vượt trội hơn OSP (24 48 giờ) và phù hợp với HASL.
Chống độ ẩm (85% RH) trong hơn 6 tháng trong kho kín, phù hợp với thiết bị điện tử tiêu dùng và hệ thống công nghiệp trong nhà.

Các cân nhắc thiết kế quan trọng cho thiếc ngâm
Để tối đa hóa hiệu suất của thiếc ngâm, thiết kế PCB phải tính đến các tính chất và giới hạn độc đáo của nó.
1. Địa hình và kích cỡ Pad
Lớp mỏng thiếc ngâm và quá trình lắng đọng hóa học đòi hỏi thiết kế đệm đặc biệt:

a.Kích thước đệm tối thiểu: ≥ 0,2 mm × 0,2 mm. Các đệm nhỏ hơn (ví dụ: 0,15 mm) có thể bị bao phủ thiếc không đồng đều, dẫn đến oxy hóa.
b. Hình dạng miếng đệm: Tránh các góc sắc; sử dụng miếng đệm tròn (trình bán kính ≥ 0,05 mm) để ngăn ngừa sự thay đổi độ dày thiếc ở các cạnh.
c. Chuyển đổi từ dấu vết sang pad: Chọn dấu vết vào pad dần dần (cách góc 10 ° ∼ 15 °) để tránh tập trung căng thẳng, có thể gây ra việc vỏ thiếc trong chu kỳ nhiệt.

2. Khoảng cách và khoảng trống
Vàng ngâm nhạy cảm với ô nhiễm và mạch ngắn hơn các lớp kết thúc dày hơn như HASL:

a. Khoảng cách từ đệm đến đệm: ≥ 0,1 mm đối với các thành phần độ cao mỏng để giảm nguy cơ cầu nối. Đối với BGA độ cao 0,4 mm, tăng khoảng cách lên 0,12 mm.
b. Khoảng cách giữa các dấu vết: ≥ 0,08 mm để ngăn ngừa "tác chảy" thiếc từ các miếng đệm đến các dấu vết, có thể gây ra mạch ngắn.
c. Khoảng cách mặt nạ hàn: Giữ mặt nạ hàn cách cạnh miếng đệm 0,05 mm để tránh che phủ thiếc, làm suy giảm khả năng hàn.

3- Tương thích với vật liệu và quy trình
Tin ngâm tương tác với các vật liệu PCB khác, đòi hỏi sự lựa chọn cẩn thận:

a. Các chất nền: Làm việc với FR4 tiêu chuẩn, FR4 Tg cao và thậm chí là polyimide linh hoạt mà không có giới hạn vật liệu.
b. Mặt nạ hàn: Sử dụng mặt nạ hàn lỏng có khả năng khắc phục tia UV (ví dụ, LPISM) thay vì phim khô, vì mặt nạ lỏng dính chặt hơn vào thiếc.
c. Chọn luồng: Chọn luồng không sạch hoặc ít dư lượng được thiết kế cho kết thúc thiếc; luồng hung hăng có thể ăn mòn thiếc theo thời gian.

4. Căng thẳng nhiệt và cơ khí
Tin ngâm là ductile nhưng có thể nứt dưới áp lực cực kỳ:

a. Khu vực uốn cong (PCB cứng-dẻo): Tránh đặt các tấm bọc thép trong các khu vực uốn cong; nếu cần thiết, sử dụng thép dày hơn (2.0 ∼ 2.5 μm) và uốn cong bán kính để giảm căng.
b. Chu trình nhiệt: Thiết kế cho ΔT tối đa 125 °C (ví dụ: -40 °C đến 85 °C) để ngăn chặn sự phân mảnh thiếc-bốm.
c. Trọng lượng của thành phần: Đối với các thành phần nặng (ví dụ như kết nối), sử dụng các miếng đệm lớn hơn (≥ 1,0 mm2) để phân phối căng thẳng và ngăn chặn việc nâng miếng đệm.

Giảm thiểu giới hạn của chì ngâm
Giống như bất kỳ kết thúc nào, thiếc ngâm có những điểm yếu có thể được giải quyết bằng thiết kế chủ động:
1- Râu bằng thiếc.
Râu thiếc là các sợi chỉ dẫn mỏng có thể phát triển từ lớp thiếc, gây ra mạch ngắn trong PCB điện áp cao.

a. Độ dày thiếc: Giữ thiếc trong khoảng 1,0 ~ 2,0μm. Các lớp dày hơn (≥ 2,5μm) làm tăng căng thẳng bên trong, thúc đẩy sự phát triển của râu.
b.Bánh nướng sau lớp phủ: Đặt ra một nướng 125 °C trong 24 giờ để giảm căng thẳng trong lớp thiếc, giảm sự hình thành râu bằng 90%.
c. Lớp phủ phù hợp: Áp dụng lớp phủ acrylic hoặc silicon 20-30μm trên các vùng bọc thép trong các ứng dụng có nguy cơ cao (ví dụ: ECU ô tô).

2. ăn mòn trong môi trường ẩm / công nghiệp
Tin ngâm là dễ bị ẩm và hóa chất.

a. Bọc cạnh: Các cạnh PCB tấm có lớp thiếc để niêm phong các cạnh, ngăn nước ẩm xâm nhập.
b. Các vỏ kín: Sử dụng vỏ IP65 cho các ứng dụng ngoài trời hoặc ẩm (ví dụ: cảm biến biển).
c. Tránh tiếp xúc với lưu huỳnh: lưu huỳnh trong khí công nghiệp phản ứng với thiếc, tạo thành sulfure thiếc không dẫn điện. Sử dụng lớp phủ phù hợp chống lưu huỳnh nếu tiếp xúc có khả năng.

3. Sự suy giảm khả năng hàn theo thời gian
Khả năng hàn của thiếc ngâm giảm khi lưu trữ lâu hơn.

a. Điều kiện lưu trữ: Chỉ định các túi chắn độ ẩm kín với chất khô (RH < 30%) và thời hạn sử dụng 12 tháng.
b. Làm sạch trước khi lắp ráp: Sử dụng isopropyl alcohol (IPA) để loại bỏ dấu vân tay hoặc chất gây ô nhiễm trước khi hàn.
c. Thiết kế để chuyển đổi nhanh chóng: Phân phối chế tạo PCB với lịch trình lắp ráp để sử dụng bảng trong vòng 6 tháng kể từ khi mạ.

Tin ngâm so với các loại kết thúc bề mặt khác
Chọn kết thúc phù hợp phụ thuộc vào nhu cầu thiết kế của bạn.

Ứng dụng nơi chìm bùn tỏa sáng
Đá ngâm vượt trội trong thiết kế cân bằng hiệu suất, chi phí và mật độ:
1. Điện tử ô tô
Cảm biến ADAS: Các mô-đun radar pitch 0,5mm được hưởng lợi từ tính phẳng của thiếc ngâm, đảm bảo các khớp hàn BGA đáng tin cậy.
Hệ thống thông tin giải trí: chịu được nhiệt độ cabin 85 ° C và chống lại phơi nhiễm hóa học nhỏ (ví dụ: đồ uống bị đổ).
Hệ thống quản lý pin (BMS): Tương thích với hàn không chì, rất quan trọng đối với các tiêu chuẩn an toàn EV.

2Điện tử tiêu dùng
Điện thoại thông minh / máy tính bảng: Cho phép BGA độ cao 0,4mm cho các bộ xử lý, giảm kích thước bảng bằng 10~15%.
Đồ đeo: Thiết kế mỏng, nhẹ kết hợp tốt với độ dày tối thiểu của thiếc ngâm.
Máy chơi game: xử lý chu kỳ tái dòng 2 ⁄ 3 trong quá trình lắp ráp, giảm các khiếm khuyết sản xuất.

3. Kiểm soát công nghiệp
PCB tự động hóa nhà máy: Cứng kháng nhiệt độ hoạt động 105 °C và tiếp xúc dầu / hóa chất đôi khi.
Các nút cảm biến: cân bằng chi phí và độ tin cậy cho các cảm biến công nghiệp tầm trung (ví dụ: nhiệt độ, áp suất).

Kiểm tra PCB thiếc ngâm
Xác minh hiệu suất thiếc ngâm bằng các thử nghiệm sau:

Khả năng hàn (IPC-TM-650 2.4.12): Nắm pad trong hàn 250 °C; ≥ 95% ướt trong vòng 2 giây cho thấy khả năng hàn tốt.
Xịt muối (ASTM B117): 300 giờ tiếp xúc với ăn mòn < 5% xác nhận bảo vệ đầy đủ.
Chu trình nhiệt (IPC-9701): 1.000 chu kỳ (-40 °C đến 125 °C) để kiểm tra việc vỏ thiếc hoặc tăng râu.
Kiểm tra râu (IPC-4554): Phân tích bằng kính hiển vi (100x) sau 1.000 giờ lưu trữ để đảm bảo không có râu > 10μm.

FAQ
Hỏi: Tin ngâm có thể được sử dụng với cả hàn không chì và hàn bằng thiếc không chì không?
A: Có, nhưng nó được tối ưu hóa cho các loại hàn không chì (Sn-Ag-Cu).

Hỏi: Độ rộng dấu vết tối thiểu tương thích với thiếc ngâm là bao nhiêu?
A: Các dấu vết 50μm (0,002") hoạt động đáng tin cậy, nhưng đảm bảo khoảng cách 0,1mm giữa các dấu vết và pad để ngăn chặn mạch ngắn.

Hỏi: Liệu chì ngâm có ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của tín hiệu tần số cao không?
A: Không ốm mỏng, lớp đồng đều của nó có tác động tối thiểu đến trở kháng (≤ 1% biến đổi cho dấu vết 50Ω), làm cho nó phù hợp với thiết kế 10GHz +.

Q: Làm thế nào thiếc ngâm giữ trong các ứng dụng ngoài trời?
A: Nó hoạt động cho các thiết bị ngoài trời được bảo vệ (ví dụ: trình điều khiển LED ngoài trời) nhưng đòi hỏi lớp phủ phù hợp để tiếp xúc trực tiếp với mưa / phun muối.

Q: Tin ngâm có thể được sử dụng trên PCB linh hoạt không?
Đáp: Có ✅ với độ dày thiếc 1,5 ∼ 2,0μm và góc pad tròn để chống lại vết nứt trong khi uốn cong.

Kết luận
Kết thúc thiếc ngâm cung cấp một sự pha trộn hấp dẫn về tính phẳng, khả năng hàn và hiệu quả chi phí cho các thiết kế PCB hiện đại, đặc biệt là các thành phần có độ cao mỏng.Bằng cách làm theo các thực tiễn thiết kế tốt nhấtCác kỹ sư có thể giảm thiểu những hạn chế của nó, đảm bảo độ tin cậy trong các ứng dụng ô tô, tiêu dùng và công nghiệp.

Mặc dù không lý tưởng cho môi trường cực đoan (nơi ENIG xuất sắc) hoặc thiết kế chi phí cực thấp (nơi HASL thống trị), thiếc ngâm đạt được sự cân bằng quan trọng, cho phép mật độ cao,PCB hiệu suất cao cho công nghệ ngày nayVới thiết kế và xử lý cẩn thận, nó là một kết thúc mang lại cả hiệu suất và giá trị.