PCB-HASL und bleifreie HASL-Verfahren

HASL-Verfahren

HASL (Hot Air Solder Leveling) ist eines der klassischsten und kosteneffizientesten Oberflächenbehandlungsverfahren in der Leiterplattenherstellung und spielt eine wichtige Rolle in der Elektronikindustrie. Bei diesem Verfahren wird die Kupferoberfläche mit einer Zinn-Blei-Legierungsschicht überzogen, um eine zuverlässige Lötleistung und einen Oxidationsschutz für Leiterplatten zu gewährleisten.

1.1 Unterschiede zwischen HASL und bleifreiem HASL

HASL (Hot Air Solder Leveling) ist eine der klassischsten und kosteneffektivsten Oberflächenbehandlungsmethoden in der PCB-Herstellung. Bei diesem Verfahren werden Kupferoberflächen mit einer Zinn-Blei-Legierungsschicht überzogen, um zuverlässige Lötbarkeit und Oxidationsbeständigkeit zu gewährleisten. Mit zunehmenden Umweltanforderungen ist bleifreies HASL zum Industriestandard geworden.

Unterschiede in der Materialzusammensetzung:

• Traditional HASL uses Sn63/Pb37 alloy (63% tin + 37% lead), melting point: 183°C
• Bleifreies HASL wird hauptsächlich verwendet:
• SAC305 (96.5% tin + 3% silver + 0.5% copper), melting point: 217-220°C
• SnCu0.7 (99.3% tin + 0.7% copper), melting point: 227°C
• Pure tin (Sn100), melting point: 232°C

Vergleich der Prozessmerkmale:

Praktische Leistungsunterschiede:

• Lötbarkeit:

• Verbleites HASL bietet bessere Lötaktivität bei kürzerer Benetzungszeit (1-2 Sekunden)
• Bleifreies HASL erfordert stärkere Flussmittel und eine strengere Temperaturkontrolle

• Verlässlichkeit:

• Verbleite Lötstellen weisen eine bessere thermische Ermüdungsbeständigkeit auf (mehr Temperaturzyklen)
• Bleifreie Lötstellen behalten nach Langzeitalterung eine höhere mechanische Festigkeit

• Prozess-Fenster:

• Leaded HASL has a wider process window (±10°C)
• Lead-free HASL requires tighter temperature control (±3°C)

Profi-Tipp: Topfast optimiert die bleifreien HASL-Parameter, um eine Lötausbeute von >99,5% zu erreichen und gleichzeitig die IPC-6012 Klasse 3-Normen zu erfüllen.

1.2 Kernprozessablauf bei HASL

Als professioneller Leiterplattenhersteller verfügt Topfast über vollautomatische HASL-Produktionslinien mit streng standardisierten Prozessen:

1.2.1 Vorbehandlungsstufe

• Chemische Reinigung:
• Saurer Reiniger (pH 2-3) entfernt Kupferoxide
• Temperature control: 40-50°C, duration: 2-3 min
• Micro-etching ensures surface roughness Ra 0.3-0.5μm
• Spülung:
• Three-stage countercurrent rinsing (DI water resistivity >15MΩ·cm)
• Hot air drying (60-80°C)

1.2.2 Flussmittel Anwendung

• Anwendungsmethoden:
• Schäumend (traditionell): Flussmittelstärke 0,01-0,03mm
• Sprühen (fortschrittlich):Gleichmäßiger, 30% weniger Flussmittelverbrauch
• Flussmittel-Typen:
• No-clean auf Kolophoniumbasis (ROH)
• Feststoffgehalt: 8-12%, Säurewert: 35-45mgKOH/g

1.2.3 Schlüsselschritte der Heißluftnivellierung

• Vorheizen:

• Leaded: 130-140°C
• Lead-free: 150-160°C
• Dauer: 60-90 Sekunden

• Eintauchen in Lötzinn:

• Temperatur des Löttopfes:
  • Leaded: 210±5°C
  • Lead-free: 250±5°C
• Dwell time: 2-4 sec (±0.5 sec precision)
• Eintauchtiefe: 3-5 mm

• Heißluft-Nivellierung:

• Parameter des Luftmessers:
  • Druck: 0,3-0,5MPa
  • Temperature: 300-350°C
  • Angle: 4° downward tilt
  • Luftgeschwindigkeit: 20-30m/s
• Verarbeitungszeit: 1-2 Sekunden

• Kühlung:

• Forced air cooling (rate: 2-3°C/sec)
• Final temperature <60°C

1.2.4 Qualitätsprüfung

• Online AOI (100% Abdeckung):
• Solder thickness inspection (1-40μm)
• Erkennung von Oberflächenfehlern (Lötkugeln, freiliegendes Kupfer usw.)
• Stichprobentests:
• Solderability test (245°C, 3 sec)
• Haftfestigkeitsprüfung (Klebebandmethode)

Technologischer Durchbruch: Das stickstoffgeschützte bleifreie HASL-Verfahren von Topfast reduziert die Oxidation des Lots von 5 % auf 1,5 % und verbessert damit die Lötausbeute erheblich.

1.3 Vorteile und Beschränkungen des Verfahrens

Vorteile

• Kosteneffizienz:

• Geringe Ausrüstungsinvestitionen (~1/3 von ENIG)
• Erhebliche Materialkosteneinsparungen (40-60% billiger als ENIG)

• Zuverlässigkeit des Lötens:

• Withstands >3 reflow cycles (peak 260°C)
• Hohe Verbindungszugfestigkeit (verbleit: 50-60MPa; bleifrei: 55-65MPa)

• Breite Anwendbarkeit:

• Geeignet für verschiedene Padgrößen (min. 0,5 mm Abstand)
• Kompatibel mit Durchgangsloch- und SMT-Verfahren

• Speicherleistung:

• 12 Monate Haltbarkeitsdauer (RH <60%)
• Ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit (48-Stunden-Salzsprühtest)

Beschränkungen

• Fine-Pitch-Beschränkungen:

• Nicht geeignet für <0,4mm Pitch BGA/QFN Komponenten
• Risiko der Lötbrückenbildung bei Fine-Pitch-Designs

• Fragen der Planarität:

• Surface unevenness: 15-25μm (affects HDI assembly)
• Thickness variation up to 20μm between large/small pads

• Thermische Belastung:

• Hochtemperaturverfahren (insbesondere bleifreie) können sich auf Materialien mit hohem Tg-Wert auswirken
• Höheres Verzugsrisiko bei dünnen Platten (<0,8mm)

• Umweltbezogene Überlegungen:

• Verbleites HASL nicht RoHS-konform
• Lead-free HASL consumes more energy (30-50°C higher temperatures)

Benötigen Sie professionelle HASL-Unterstützung? Kontakt zu Topfast-Ingenieuren für maßgeschneiderte Lösungen

ENIG (Chemisch Nickel Immersions Gold) Verfahren

2.1 Verfahrensgrundsätze

ENIG bildet eine zusammengesetzte Schutzschicht durch stromloses Vernickeln und Tauchvergoldung:

• Nickel layer: 3-6μm (7-9% phosphorus)
• Gold layer: 0.05-0.1μm

Wichtige Parameter:

• Nickel bath temp: 85-90°C
• Plating rate: 15-20μm/h
• Gold bath temp: 80-85°C
• pH-Wert: Nickelbad 4,5-5,0, Goldbad 5,5-6,5

2.2 Vorteile

• Hervorragende Ebenheit (Ra<0.1μm):

• Ideal für <BGA/CSP mit 0,3 mm Abstand
• Pad coplanarity <5μm/m

• Oxidationsbeständigkeit:

• 18-monatige Haltbarkeitsdauer
• J-STD-003B Klasse 3 zertifiziert

• Elektrische Leitfähigkeit:

• Gold resistivity: 2.44μΩ·cm
• Contact resistance <10mΩ

2.3 Herausforderungen

• Black Pad Ausgabe:

• Ursachen: Nickelüberätzung oder abnormaler Phosphorgehalt
• Lösung:Topfast’s patentierte Passivierung reduziert den Anteil der schwarzen Pads auf <0,1%

• Kosten-Faktoren:

• Hohe Materialkosten (Volatilität des Goldpreises)
• Komplexes Verfahren (8-10 Schritte)

• Festigkeit der Lötverbindung:

• Spröde Ni-Au-IMC-Schicht
• Zugfestigkeit ~40-45MPa

Topfast’s ENIG achieves ±10% thickness uniformity, surpassing industry ±15% standards.

OSP (Organisches Konservierungsmittel für die Lötbarkeit)

3.1 Verfahrensgrundsätze

OSP forms a 0.2-0.5μm organic protective film on bare copper, containing:

• Benzotriazol-Verbindungen
• Imidazol-Verbindungen
• Carboxylsäuren

Prozessablauf:

1. Säurereinigung (5% H2SO4, 2min)
2. Micro-etch (Na2S2O8, remove 1-2μm copper)
3. OSP treatment (40-50°C, 1-2min)
4. Drying (60-80°C hot air)

3.2 Vorteile

• Kostengünstig:

• 60% billiger als HASL
• Geringe Ausrüstungsinvestitionen (~1/5 von ENIG)

• Signalintegrität:

• Stable dielectric constant (ΔDk <0.02)
• Ideal für Hochfrequenzanwendungen (>10GHz)

• Umweltfreundlich:

• Keine Schwermetalle
• Vereinfachte Abwasserbehandlung

3.3 Beschränkungen

• Fenster Lötbarkeit:

• Muss innerhalb von 24 Stunden nach Öffnung verwendet werden
• Nur für 1 Reflow-Zyklus geeignet (Ausbeute sinkt um 30% beim zweiten Reflow)

• Schwierigkeiten bei der Inspektion:

• Optisch schwer zu messende Schichtdicke
• Erfordert eine spezielle IKT-Behandlung

• Lagerungsbedingungen:

• Vakuumverpackung erforderlich (RH <30%)
• Storage temp: 15-30°C

Topfast’s verbesserter OSP verlängert die Haltbarkeit von 3 auf 6 Monate und hält 2 Reflow-Zyklen stand.

Leitfaden zur Prozessauswahl

4.1 Vergleich

4.2 Empfehlungen

• Unterhaltungselektronik:

• Bleifreies HASL (bestes Preis-Leistungs-Verhältnis)
• Kontrolle der Lotpastenmenge für Fine-Pitch-Bauteile

• HDI-Tafeln:

• ENIG (hervorragende Ebenheit)
• Strenge Qualitätskontrolle bei Nickel

• Hochgeschwindigkeits-PCBs:

• OSP/ENIG (bessere Signalintegrität)
• Vermeiden Sie HASL’s unebene Oberfläche

• Prototyping:

• OSP (schnellste Bearbeitungszeit)
• Sicherstellung der rechtzeitigen Montage

4.3 Topfast-Fähigkeiten

Komplette Lösungen für die Oberflächenbearbeitung:

• 20 automated HASL lines (500,000㎡/month)
• 10 ENIG lines (±8% thickness uniformity)
• 5 OSP-Linien (nano-verstärkt verfügbar)
• 100%ige Inline-Prüfung (AOI+SPI)

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