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:

• Traditionelles HASL verwendet eine Sn63/Pb37-Legierung (63 % Zinn + 37 % Blei) mit einem Schmelzpunkt von 183 °C.
• Bleifreies HASL wird hauptsächlich verwendet:
• SAC305 (96,5 % Zinn + 3 % Silber + 0,5 % Kupfer), Schmelzpunkt: 217–220 °C
• SnCu0,7 (99,3 % Zinn + 0,7 % Kupfer), Schmelzpunkt: 227 °C
• Reines Zinn (Sn100), Schmelzpunkt: 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:

• Bleihaltiges HASL hat ein breiteres Prozessfenster (±10 °C).
• Bleifreies HASL erfordert eine strengere Temperaturkontrolle (±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
• Temperaturregelung: 40–50 °C, Dauer: 2–3 Min.
• Die Mikroätzung gewährleistet eine Oberflächenrauheit von Ra 0,3–0,5 μm.
• Spülung:
• Dreistufige Gegenstromspülung (Widerstandsfähigkeit des DI-Wassers >15 MΩ·cm)
• Heißlufttrocknung (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:

• Bleihaltig: 130–140 °C
• Bleifrei: 150–160 °C
• Dauer: 60-90 Sekunden

• Eintauchen in Lötzinn:

• Temperatur des Löttopfes:
  • Bleihaltig: 210 ± 5 °C
  • Bleifrei: 250 ± 5 °C
• Verweildauer: 2–4 Sekunden (Genauigkeit ±0,5 Sekunden)
• Eintauchtiefe: 3-5 mm

• Heißluft-Nivellierung:

• Parameter des Luftmessers:
  • Druck: 0,3-0,5MPa
  • Temperatur: 300–350 °C
  • Winkel: 4° Neigung nach unten
  • Luftgeschwindigkeit: 20-30m/s
• Verarbeitungszeit: 1-2 Sekunden

• Kühlung:

• Zwangsluftkühlung (Rate: 2–3 °C/Sek.)
• Endtemperatur < 60 °C

1.2.4 Qualitätsprüfung

• Online AOI (100% Abdeckung):
• Lötdickenprüfung (1–40 μm)
• Erkennung von Oberflächenfehlern (Lötkugeln, freiliegendes Kupfer usw.)
• Stichprobentests:
• Lötbarkeitstest (245 °C, 3 Sek.)
• 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:

• Hält mehr als 3 Reflow-Zyklen stand (Spitzenwert 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:

• Oberflächenunebenheit: 15–25 μm (beeinträchtigt die HDI-Montage)
• Dickenabweichung von bis zu 20 μm zwischen großen und kleinen 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
• Bleifreies HASL verbraucht mehr Energie (30–50 °C höhere Temperaturen).

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:

• Nickelschicht: 3–6 μm (7–9 % Phosphor)
• Goldschicht: 0,05–0,1 μm

Wichtige Parameter:

• Nickelbad-Temperatur: 85–90 °C
• Beschichtungsrate: 15–20 μm/h
• Goldbad-Temperatur: 80–85 °C
• pH-Wert: Nickelbad 4,5-5,0, Goldbad 5,5-6,5

2.2 Vorteile

• Hervorragende Ebenheit (Ra<0,1 μm):

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

• Oxidationsbeständigkeit:

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

• Elektrische Leitfähigkeit:

• Widerstandsfähigkeit von Gold: 2,44 μΩ·cm
• Kontaktwiderstand <10 mΩ

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

Topfasts ENIG erreicht eine Gleichmäßigkeit der Schichtdicke von ±10 % und übertrifft damit die Branchenstandards von ±15 %.

OSP (Organisches Konservierungsmittel für die Lötbarkeit)

3.1 Verfahrensgrundsätze

OSP bildet einen 0,2–0,5 μm dicken organischen Schutzfilm auf blankem Kupfer, der Folgendes enthält:

• Benzotriazol-Verbindungen
• Imidazol-Verbindungen
• Carboxylsäuren

Prozessablauf:

1. Säurereinigung (5% H2SO4, 2min)
2. Mikroätz (Na2S2O8, Entfernung von 1–2 μm Kupfer)
3. OSP-Behandlung (40–50 °C, 1–2 min)
4. Trocknen (60–80 °C Heißluft)

3.2 Vorteile

• Kostengünstig:

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

• Signalintegrität:

• Stabile Dielektrizitätskonstante (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%)
• Lagertemperatur: 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 automatisierte HASL-Linien (500.000 m²/Monat)
• 10 ENIG-Leitungen (±8 % Gleichmäßigkeit der Dicke)
• 5 OSP-Linien (nano-verstärkt verfügbar)
• 100%ige Inline-Prüfung (AOI+SPI)

Leitfaden zur Auswahl der PCB-Oberflächenbeschaffenheit herunterladen