PCB-kokoonpano

Hakemus

Erityinen PCB

Suface viimeistely

HASL PCB

Mikä on HASL?

HASL on lyhenne sanoista Hot Air Solder Leveling. Ihmiset kutsuvat sitä myös kuumailmajuottotasoitukseksi tai kuumailmatasoitukseksi. Tässä prosessissa piirilevyn pinnalle levitetään sulaa juotetta (joka voi sisältää lyijyä). Sitten kuumaa paineilmaa puhalletaan juotteen tasoittamiseksi. Tuloksena on pinnoite, joka suojaa kuparia hapettumiselta ja antaa hyvän juotettavuuden.
Kuumailmapohjustusta tehtäessä juote ja kupari muodostavat kupari-tina-intermetalliyhdisteen liitoskohtaan. Prosessia varten piirilevy kastetaan sulaan juotteeseen. Ilmaveitset puhaltavat nestemäisen juotteen tasaiseksi ennen sen jäähtymistä. Ilmaveitset leikkaavat juotteen ja kuparin välisen meniskin muodon ja estävät juotosiltojen muodostumisen.
Perusajatuksena on poistaa ylimääräinen juote levyn pinnalta ja rei'istä kuumalla ilmalla. Jäljelle jää yhtenäinen juotoskerros tyynyihin, näkyviin jääviin jälkiin ja pintaliitoskohtiin. HASL on yksi yleisimmistä PCB:n pintakäsittelymenetelmistä.

Edut

  1. HASL:n jälkeen juotospinnoitteen koostumus pysyy samana. Pinnoite on siis tasainen ja juotettavuus on hyvä. Sitä vastoin galvanoidut lyijy-tinaseospinnoitteet voivat muuttaa koostumustaan pinnoituskylvyn muuttuessa. Tämä tarkoittaa, että lyijy/tina-suhde pinnoitetuissa kerroksissa voi vaihdella.
  2. Infrapuna- tai kuumaöljyreflow-menetelmät eivät suojaa täysin jälkien sivureunoja. HASL päällystää ja peittää täysin jälkien sivureunat. Näin estetään korroosio ja piirilevyn rikkoutuneet jäljet. Tämä tarkoittaa, että piirilevyt kestävät pidempään varastoinnissa ja käytössä, ja valmiit elektroniikkatuotteet ovat luotettavampia. HASL:ää käytetään nykyään laajalti SMT-prosesseissa.
  3. Muuttamalla ilmaveitsen kulmaa, levyn nousunopeutta ja muita prosessiasetuksia voit hallita pinnoitteen paksuutta. Näin saat helposti haluamasi juotoskerroksen paksuuden. Se on joustavampi kuin jotkin kuumasulatusmenetelmät.
  4. Kun levyt valmistetaan kuviopinnoituksella ja etsauksella, aaltojuottaminen voi aiheuttaa siltojen muodostumista, koska lyijy/tinaseos istuu jälkien päälle. Seoksen virtaus voi myös rypistää tai nostaa juotosmaskia. HASL:llä valmistetuissa levyissä ei ole juotetta jäljillä, joten silloitukset ja maskin rypistyminen tai irtoaminen jäävät pois.

Haitat

  1. Juotosastian kuparisaastuminen. HASL-menetelmässä levy kastetaan juotosastiaan muutamaksi sekunniksi. Tämä aiheuttaa kuparin liukenemisen juotteeseen. Kun kupari on juotteessa noin 0,29% tai korkeampi, juote menettää jonkin verran virtauskykyään. Juotospinnoitteesta tulee puolikostea ja levyn juotettavuus heikkenee.
  2. Lyijy on raskasmetalli, ja se on haitallista ihmisille ja ympäristölle. Monet lyijyä sisältävät juotospinnoitteet olivat yleisiä. Nyt on kehitetty lyijyttömiä juotoksia, joita myydään korvaamaan lyijy-tinaseoksia tuotannossa.
  3. Korkeat tuotantokustannukset. Hyvä tuotu HASL-kone voi maksaa yli kolmesataatuhatta Yhdysvaltain dollaria. Tämän vuoksi HASL-tuotantokustannukset ovat korkeammat kuin joillakin kuumasulatusmenetelmillä.
  4. Suuri lämpöshokki HASL:ssä. Suuri lämmönmuutos voi vääntää tai kumartaa piirilevyn substraattia ja levy voi nostaa. Tämä tarkoittaa, että HASL aiheuttaa suuremman lämpöjännityksen.

HASL-prosessin parametrien valvonta ja valinta

Tärkeimmät HASL-prosessiparametrit ovat juotoslämpötila, upotusaika, ilmaveitsen paine, ilmaveitsen lämpötila, ilmaveitsen kulma, ilmaveitsien välinen etäisyys ja levyn nousunopeus. Seuraavassa selitetään, miten nämä parametrit vaikuttavat levyn laatuun.
  1. Upotusaika (upotusaika):
    Upotusajalla on suuri vaikutus juotospinnoitteen laatuun. Upotuksessa juotoksen peruskupari ja tina muodostavat metallien välisen yhdisteen (IMC). Samalla jälkiin muodostuu juotoskerros. Tämä koko prosessi kestää yleensä 2-4 sekuntia hyvän IMC:n muodostamiseksi. Mitä pidempi aika, sitä paksumpi juote on. Mutta jos upotat liian kauan, levyn ydinmateriaali voi delaminoitua ja juotosmaski voi saada rakkuloita. Jos aika on liian lyhyt, saat osittaisen kostutuksen. Tämä aiheuttaa juotospinnan paikallisen valkaisun ja voi tehdä juotospinnasta karhean.
  2. Juotospadan lämpötila:
    Piirilevyjen ja komponenttien juottamiseen käytetty yleinen juote on lyijy 37 / tina 63 -seos, jonka sulamispiste on 183 °C. Kun juotoslämpötila on 183 °C:n ja 221 °C:n välillä, sen kyky muodostaa kuparin kanssa intermetallisia yhdisteitä on pieni. Juotos siirtyy 221 °C:n lämpötilassa kostutusalueelle. Kosteusalue on 221 °C - 293 °C. Koska korkea lämpötila voi vaurioittaa levyä, sinun tulisi valita alhaisempi juotoslämpötila kostutusalueella. Teoreettisen työn mukaan 232 °C on paras juotoslämpötila. Käytännössä käytetään usein noin 250 °C:ta parhaana lämpötilana.
  3. Ilmaveitsen paine:
    Upotuksen jälkeen levylle jää paljon juotetta, ja useimmat pinnoitetut läpiviennit täyttyvät juotteella. Ilmaveitsien tarkoituksena on puhaltaa ylimääräinen juote pois ja avata pinnoitetut läpivientireiät ilman, että reikien halkaisijat ovat liian pienet. Energia tähän saadaan ilmaveitsien paineesta ja ilman nopeudesta. Mitä suurempi paine ja nopeampi ilma, sitä ohuempi juotospinnoite. Ilmaveitsen paine on siis yksi tärkeimmistä HASL-parametreista. Yleensä ilmaveitsen paine on 0,3-0,5 MPa.
    Paine ennen ja jälkeen veitsen asetetaan yleensä niin, että etupuoli on korkeampi ja takapuoli matalampi. Paine-ero on noin 0,05 MPa. Voit säätää etu- ja takapainetta levyn tyynykuvioiden perusteella, jotta IC-alueet pysyvät tasaisina ja SMT-osat eivät tartu ylös. Tarkat suositusarvot löytyvät koneen ohjekirjasta.
  4. Ilmaveitsen lämpötila:
    Ilmaveitsestä tuleva kuuma ilma ei juurikaan muuta laudan lämpötilaa eikä se vaikuta ilmanpaineeseen. Mutta ilmaveitsen sisälämpötilan nostaminen auttaa ilmaa laajenemaan. Korkeampi ilman lämpötila antaa siis samalla paineella suuremman ilmamäärän ja nopeamman nopeuden. Tämä lisää tasoitusvoimaa. Ilmaveitsen lämpötila vaikuttaa myös juotteen ulkonäköön tasoituksen jälkeen. Kun ilmaveitsen lämpötila on alle 93 °C, kerros näyttää tylsältä. Kun ilman lämpötila nousee, tylsä ulkonäkö vähenee. Kun lämpötila on 176 °C, himmeä ulkonäkö häviää kokonaan. Ilmaveitsilämpötila ei siis saisi olla alle 176 °C. Hyvän tasaisen juotoksen saamiseksi ilmaveitsilämpötila asetetaan usein 300 °C:n ja 400 °C:n välille.
  5. Ilmaveitsien välinen etäisyys:
    Kun kuuma ilma poistuu ilmaveitsisuuttimesta, sen nopeus hidastuu. Hidastuminen kasvaa veitsien välisen etäisyyden neliön mukaan. Mitä suurempi väli on, sitä pienempi on ilman nopeus ja sitä heikompi on tasoitusvoima. Tyypillinen ilmaveitsisuuttimien väli on 0,95-1,25 cm. Älä tee suutinväliä liian pieneksi, tai ilmakitka voi vahingoittaa levyn pintaa. Ylemmän ja alemman ilmaveitsen väli pidetään yleensä noin 4 mm:n suuruisena. Liian suuri rako voi aiheuttaa juotosroiskeita.
  6. Ilmaveitsen kulma:
    Veitsen kulma vaikuttaa juotoskerroksen paksuuteen. Jos kulma on väärä, levyn kaksi puolta voivat saada erilaista juotospaksuutta. Väärä kulma voi myös aiheuttaa sulan juotteen roiskumista ja melua. Yleensä etu- ja takaosan ilmaveitset kallistetaan alaspäin noin 4 astetta. Säädä hieman tiettyjä levyn muotoja ja tyynyjen asettelua varten.
  7. Levyn nousunopeus (kuljettimen tai nostimen nopeus):
    Toinen muuttuja on nopeus, jolla lauta liikkuu ilmaveitsien läpi. Nopeus vaikuttaa pinnoitteen paksuuteen. Hidas nopeus tarkoittaa, että levyyn osuu enemmän ilmaa, joten pinnoite on ohuempi. Nopea nopeus tarkoittaa, että pinnoite on paksumpi ja voi jopa tukkia reikiä.
  8. Esilämmityslämpötila ja -aika:
    Esilämmityksen tarkoituksena on aktivoida vuo ja vähentää lämpöshokkia. Tyypillinen esilämmityslämpötila on 343 °C. Kun esilämmitys kestää 15 sekuntia, levyn pinta voi saavuttaa noin 80 °C. Joissakin HASL-linjoissa ei käytetä esilämmitysvaihetta.
Alla on selkeä taulukko, johon on koottu HASL-prosessin tärkeimmät parametrit, suositellut vaihteluvälit ja lyhyet huomautukset. Käytä sitä pikaviitteenä, kun perustat tai testaat linjaa.

Prosessiparametrit - taulukko ja suositellut vaihteluvälit

ParametriSuositeltu alueYksikköHuomautus
Juotospadan lämpötila (lyijy)245-260°CYleinen 250°C. Liian korkea lämpötila voi vääntää levyä.
Juotospotin lämpötila (lyijytön)280-300°CYleinen 290°C. Korkeampi sulamispiste.
Upotusaika2-4sLiian pitkä → kupliminen. Liian lyhyt → huono kostutus.
Ilmaveitsen paine0.30-0.50MPaKorkeampi → ohuempi pinnoite. Etuosa hieman korkeampi (≈0,05 MPa).
Ilmaveitsen lämpötila≥176; yleinen 300-400°CKorkeampi → nopeampi ilmavirtaus ja parempi tasaus.
Ilmaveitsen rako0.95-1.25cmSuurempi rako → heikompi ilmavirtaus.
Ilmaveitsen kulma2°-6° (yleinen 4°)°Vaikuttaa pinnoitteen tasaisuuteen.
Esilämmityslämpötila120-180°CLevyn pintatavoite 60-100°C.
Esilämmitysaika10-30sVähentää lämpöshokkia.
Käytä näitä alueita lähtökohtina. Suorita sitten testilevyjä ja viritä yksi parametri kerrallaan. Tarkista, ettei pinta ole tylsä, ettei siinä ole siltoja tai halkeamia. Jos havaitset ongelman, muuta yhtä kohtaa, testaa uudelleen ja kirjaa tulos ylös.

Lyijyllinen HASL vs. lyijytön HASL

Monet ihmiset tietävät HASL:stä, mutta he eivät ehkä tiedä, että juotoksia on lyijyä sisältäviä ja lyijyttömiä. Elektroniikan kehittyessä piirilevyjen tekniikka paranee jatkuvasti. Yleisiä pintakäsittelyjä ovat HASL, upotuskulta, galvanoitu kulta, OSP ja niin edelleen. HASL-juotoksia on saatavana lyijypitoisina ja lyijyttöminä. Tässä on ero:
  1. Lyijytön HASL on ympäristöystävällisempi, koska se ei sisällä lyijyä. Sen sulamispiste on noin 218 °C. Lyijytöntä HASL:ää varten juotosastian lämpötilaa on säädettävä noin 280-300 °C:een, aaltojuottolämpötilan on oltava noin 260 °C ja reflow-lämpötilan noin 260-270 °C.
  2. Lyijyllinen HASL ei ole ympäristöystävällistä. Se sisältää lyijyä, ja sen sulamispiste on noin 183 °C. Lyijyllisen HASL:n juotosastian lämpötilan tulisi olla noin 245-260 °C; aaltojuotoksen lämpötilan tulisi olla noin 250 °C; reflow-lämpötilan noin 245-255 °C.
  3. Katso juotospintaa: lyijyllinen HASL näyttää kirkkaammalta, lyijytön HASL näyttää himmeämmältä. Lyijytön kostutus on hieman huonompi kuin lyijyllinen kostutus.
  4. Lyijypitoisuussäännöt: lyijyttömien juotosten lyijypitoisuus on alle 0,5%, kun taas lyijypitoisten juotosten lyijypitoisuus on enintään 37%.
  5. Lyijy auttaa parantamaan juotteen tarttuvuutta ja aktiivisuutta juottamisen aikana. Lyijyllinen juotoslanka on helpompi käyttää kuin lyijytön lanka. Lyijy on kuitenkin myrkyllistä, ja pitkäaikainen altistuminen on haitallista ihmisille. Lyijyttömän juotteen sulamispiste on korkeampi, joten juotosliitokset voivat olla vahvempia.
  6. PCB-pintakäsittelyn hinnoittelussa lyijytetty HASL ja lyijytön HASL maksavat yleensä saman verran. Useimmissa tapauksissa hintaeroa ei ole.

Miten kertoa, onko PCB:ssä lyijyä tai lyijytöntä HASL:ää?

  1. Katso juotospintaa. Lyijyjuote näyttää kirkkaalta ja kiiltävältä. Lyijytön juote (SAC-seokset) näyttää himmeämmältä. Lyijytön kostutus on hieman huonompi kuin lyijyllinen.
  2. Lyijyjuote on haitallista ihmisille. Lyijytön on turvallisempaa. Eutektinen lämpötila riippuu lyijyttömästä seoksesta. Esimerkiksi SAC:n (SnAgCu) eutektinen lämpötila on lähellä 217 °C, ja juotoslämpötilan tulisi olla eutektinen plus 30-50 °C. Lyijyllisen eutektisen (Sn63Pb37) eutektinen lämpötila on 183 °C.
  3. Lyijypitoisuus: lyijyttömien juotosten lyijypitoisuus on ≤ 0,5%, lyijypitoisten juotosten lyijypitoisuus voi olla noin 37%.
  4. Lyijy lisää juotteen aktiivisuutta, joten lyijyjuotetta on helpompi käyttää juottamiseen. Lyijy on kuitenkin myrkyllistä ja haitallista terveydelle. Lyijyttömällä juotteella on myös korkeampi sulamispiste, mikä voi tehdä juotosliitoksista mekaanisesti vahvempia.

Yhteenveto

HASL on yleinen ja hyväksi todettu PCB-viimeistely. Se suojaa kuparia ja antaa hyvän juotettavuuden. HASL-pinnoitteella on hyvät ja huonot puolensa. Se peittää jäljen reunat ja parantaa luotettavuutta, mutta se voi lisätä lämpörasitusta ja kustannuksia. Tärkeimmät asetukset ovat juotoslämpötila, upotusaika, ilmaveitsen paine, ilman lämpötila, veitsen kulma ja levyn nopeus. Käytä taulukkoa ohjeena. Testaa ja viritä kutakin levytyyppiä varten. Käytä lyijyttömiä seoksia, kun säännöt tai turvallisuus sitä edellyttävät.

Usein kysytyt kysymykset

HASL tarjoaa erinomaisen juotettavuuden, sietää useita lämpösyklejä ja on yksi kustannustehokkaimmista pintakäsittelyistä tavallisessa SMT- ja läpireikäasennuksessa.

HASL voi tuottaa epätasaisen pinnan (huono tasaisuus) verrattuna tasopinnoitteisiin, joten se ei ole yhtä ihanteellinen erittäin pienikokoisille komponenteille ja joillekin BGA-kortille.

HASL on halvempi ja antaa vankat juotosliitokset, mutta ENIG tarjoaa paljon tasaisemman ja tasaisemman pinnan (parempi hienojakoisille/BGA- ja tasomaisille vaatimuksille). Valitse komponenttivälin ja liitin/liitäntätarpeiden mukaan.

Ei yleensä ole ensimmäinen valinta erittäin pienen jakovälin (<0,5 mm) tai tiheän BGA-levyn pinnankorkeuden vuoksi; monet suunnittelijat suosivat ENIG- tai muita tasopinnoitteita näissä tapauksissa.

HASL on yleensä yksi halvemmista pinnoitteista, ja se on nopea levittää, mutta lyijytön HASL saattaa vaatia tiukempaa prosessinvalvontaa ja hieman erilaista käsittelyä - kysy tehtaalta toimitusaikavaikutuksista.

Määritä, haluatko lyijyttömän (RoHS) vai perinteisen SnPb HASL:n, mahdolliset erityiset tyynyn pinta-alaa tai hienojakoisuutta koskevat huolenaiheet, ja pyydä tehtaalta DFM-palautetta tyynyn ja tyynyn välisten tyynyjen välisten välysten vähimmäismääristä ja tasaisuusrajoituksista.

Selaa alkuun