Procédés HASL pour PCB et HASL sans plomb

Procédé HASL

Le procédé HASL (Hot Air Solder Leveling) est l'un des procédés de traitement de surface les plus classiques et les plus rentables dans la fabrication des circuits imprimés et joue un rôle important dans l'industrie de l'électronique. Ce procédé consiste à recouvrir la surface du cuivre d'une couche d'alliage d'étain et de plomb afin d'assurer des performances de soudure fiables et une protection contre l'oxydation des circuits imprimés.

1.1 Différences entre HASL et HASL sans plomb

L'HASL (Hot Air Solder Leveling) est l'une des technologies de traitement de surface les plus classiques et les plus rentables du marché. Fabrication de circuits imprimés. Ce procédé consiste à recouvrir les surfaces de cuivre d'une couche d'alliage d'étain et de plomb afin de garantir une soudabilité et une résistance à l'oxydation fiables. Les exigences environnementales étant de plus en plus strictes, le procédé HASL sans plomb est devenu la norme dans l'industrie.

Différences de composition des matériaux:

• Traditional HASL uses Sn63/Pb37 alloy (63% tin + 37% lead), melting point: 183°C
• L'HASL sans plomb est principalement utilisé :
• 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

Comparaison des caractéristiques du processus:

Différences de performances pratiques:

• Soudabilité:

• L'HASL au plomb offre une meilleure activité de soudure avec un temps de mouillage plus court (1-2 sec).
• L'HASL sans plomb nécessite un flux plus puissant et un contrôle plus strict de la température.

• Fiabilité:

• Les joints de soudure au plomb présentent une meilleure résistance à la fatigue thermique (plus de cycles de température).
• Les joints de soudure sans plomb conservent une plus grande résistance mécanique après un vieillissement à long terme.

• Fenêtre de processus:

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

Conseil professionnel : Topfast optimise les paramètres HASL sans plomb pour obtenir un rendement de soudure de 99,5 % tout en respectant les normes IPC-6012 Classe 3.

1.2 Flux du processus HASL de base

En tant que fabricant professionnel de circuits imprimés, Topfast utilise des lignes de production HASL entièrement automatisées avec des processus standardisés stricts :

1.2.1 Phase de prétraitement

• Nettoyage chimique:
• Un nettoyant acide (pH 2-3) élimine les oxydes de cuivre.
• Temperature control: 40-50°C, duration: 2-3 min
• Micro-etching ensures surface roughness Ra 0.3-0.5μm
• Rinçage:
• Three-stage countercurrent rinsing (DI water resistivity >15MΩ·cm)
• Hot air drying (60-80°C)

1.2.2 Application du flux

• Méthodes d'application :
• Mousse (traditionnelle) : Epaisseur du flux 0,01-0,03mm
• Pulvérisation (avancée) :Plus uniforme, 30% de consommation de flux en moins
• Types de flux :
• A base de colophane non nettoyée (ROH)
• Teneur en solides : 8-12%, indice d'acidité : 35-45mgKOH/g

1.2.3 Etapes clés du nivellement à air chaud

• Préchauffage:

• Leaded: 130-140°C
• Lead-free: 150-160°C
• Durée : 60-90 sec

• Trempage de la soudure:

• Température du pot de soudure :
  • Leaded: 210±5°C
  • Lead-free: 250±5°C
• Dwell time: 2-4 sec (±0.5 sec precision)
• Profondeur d'immersion : 3-5 mm

• Nivellement à l'air chaud:

• Paramètres de la lame d'air :
  • Pression : 0,3-0,5MPa
  • Temperature: 300-350°C
  • Angle: 4° downward tilt
  • Vitesse de l'air : 20-30m/s
• Temps de traitement : 1-2 sec

• Refroidissement:

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

1.2.4 Contrôle de la qualité

• AOI en ligne (couverture à 100 %) :
• Solder thickness inspection (1-40μm)
• Détection des défauts de surface (billes de soudure, cuivre exposé, etc.)
• Tests d'échantillonnage :
• Solderability test (245°C, 3 sec)
• Test d'adhésion (méthode du ruban)

Percée technologique : Le procédé HASL sans plomb protégé par l'azote de Topfast réduit l'oxydation de la soudure de 5 % à 1,5 %, ce qui améliore considérablement le rendement de la soudure.

1.3 Avantages et limites du processus

Avantages

• Rapport coût-efficacité:

• Faible investissement en équipement (~1/3 de l'ENIG)
• Économies significatives sur le coût des matériaux (40-60% moins cher que l'ENIG)

• Fiabilité des soudures:

• Withstands >3 reflow cycles (peak 260°C)
• Résistance élevée à la traction des joints (avec plomb : 50-60MPa ; sans plomb : 55-65MPa)

• Large applicabilité:

• Convient à différentes tailles de tampons (pas de 0,5 mm minimum)
• Compatible avec les procédés de trous traversants et SMT

• Performances de stockage:

• Durée de conservation de 12 mois (HR <60%)
• Excellente résistance à l'oxydation (test au brouillard salin de 48 heures)

Limites

• Restrictions en hauteur:

• Ne convient pas aux composants BGA/QFN au pas de 0,4 mm
• Risque de pontage de soudure pour les conceptions à pas fin

• Questions de planéité:

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

• Stress thermique:

• Les procédés à haute température (en particulier sans plomb) peuvent affecter les matériaux à haute Tg.
• Risque de gauchissement plus élevé pour les panneaux minces (<0.8mm)

• Considérations environnementales:

• HASL plombé non conforme à la directive RoHS
• Lead-free HASL consumes more energy (30-50°C higher temperatures)

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Procédé ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold)

2.1 Principes du processus

ENIG forme une couche protectrice composite par nickelage chimique et dorure par immersion :

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

Paramètres clés:

• Nickel bath temp: 85-90°C
• Plating rate: 15-20μm/h
• Gold bath temp: 80-85°C
• pH : Bain de nickel 4,5-5,0, bain d'or 5,5-6,5

2.2 Avantages

• Superbe planéité (Ra<0.1μm):

• Idéal pour les BGA/CSP au pas de 0,3 mm
• Pad coplanarity <5μm/m

• Résistance à l'oxydation:

• Durée de conservation de 18 mois
• Certifié J-STD-003B Classe 3

• Conductivité électrique:

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

2.3 Les défis

• Problème du tampon noir:

• Causes : Surmordançage du nickel ou teneur anormale en phosphore
• Solution :La passivation brevetée de Topfast réduit le taux de black pad à 0,1%.

• Facteurs de coût:

• Coûts élevés des matériaux (volatilité du prix de l'or)
• Processus complexe (8-10 étapes)

• Résistance du joint de soudure:

• Couche IMC Ni-Au fragile
• Résistance à la traction ~40-45MPa

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

OSP (conservateur de soudabilité organique)

3.1 Principes du processus

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

• Composés du benzotriazole
• Composés de l'imidazole
• Acides carboxyliques

Déroulement du processus:

1. Nettoyage à l'acide (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 Avantages

• Rentabilité:

• 60% moins cher que le HASL
• Faible investissement en équipement (~1/5 de l'ENIG)

• Intégrité du signal:

• Stable dielectric constant (ΔDk <0.02)
• Idéal pour les applications à haute fréquence (>10GHz)

• Respect de l'environnement:

• Pas de métaux lourds
• Traitement simplifié des eaux usées

3.3 Limites

• Fenêtre de soudabilité:

• À utiliser dans les 24 heures suivant l'ouverture
• Convient uniquement pour un cycle de refusion (le rendement chute de 30 % lors de la deuxième refusion)

• Difficultés d'inspection:

• Difficile de mesurer optiquement l'épaisseur du film
• Nécessite un traitement spécial en matière de TIC

• Conditions de stockage:

• Emballage sous vide requis (RH <30%)
• Storage temp: 15-30°C

L'OSP amélioré de Topfast prolonge la durée de conservation de 3 à 6 mois et résiste à 2 cycles de refusion.

Guide de sélection des processus

4.1 Comparaison

4.2 Recommandations

• Électronique grand public:

• HASL sans plomb (meilleur rapport coût/performance)
• Contrôle du volume de pâte à braser pour les composants à pas fin

• Cartes HDI:

• ENIG (planéité supérieure)
• Contrôle strict de la qualité du nickel

• Circuits imprimés à grande vitesse:

• OSP/ENIG (meilleure intégrité du signal)
• Éviter la surface irrégulière de HASL

• Prototypage:

• OSP (délai le plus court)
• Assurer l'assemblage en temps voulu

4.3 Capacités Topfast

Solutions complètes de finition de surface :

• 20 automated HASL lines (500,000㎡/month)
• 10 ENIG lines (±8% thickness uniformity)
• 5 lignes OSP (nano-améliorées disponibles)
• Inspection 100% en ligne (AOI+SPI)

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