Processos de PCB HASL e HASL sem chumbo

Processo HASL

O HASL (Hot Air Solder Leveling) é um dos processos de tratamento de superfície mais clássicos e económicos no fabrico de PCB e desempenha um papel importante na indústria de fabrico de produtos electrónicos. Este processo envolve a cobertura da superfície de cobre com uma camada de liga de estanho-chumbo para proporcionar um desempenho de soldadura fiável e proteção contra a oxidação das PCB.

1.1 Diferenças entre HASL e HASL sem chumbo

O HASL (Hot Air Solder Leveling) é uma das tecnologias de tratamento de superfície mais clássicas e económicas em Fabrico de PCB. Este processo reveste as superfícies de cobre com uma camada de liga de estanho-chumbo para proporcionar uma soldabilidade fiável e resistência à oxidação. Com o aumento das exigências ambientais, o HASL sem chumbo tornou-se o padrão da indústria.

Diferenças na composição dos materiais:

• A HASL tradicional utiliza a liga Sn63/Pb37 (63% estanho + 37% chumbo), ponto de fusão: 183°C
• A HASL sem chumbo é principalmente utilizada:
• SAC305 (96,5% de estanho + 3% de prata + 0,5% de cobre), ponto de fusão: 217-220°C
• SnCu0.7 (99.3% estanho + 0.7% cobre), ponto de fusão: 227°C
• Estanho puro (Sn100), ponto de fusão: 232°C

Comparação das caraterísticas do processo:

Diferenças práticas de desempenho:

• Soldabilidade:

• A HASL com chumbo oferece uma melhor atividade de soldadura com um tempo de molhagem mais curto (1-2 segundos)
• O HASL sem chumbo requer um fluxo mais forte e um controlo mais rigoroso da temperatura

• Fiabilidade:

• As juntas de solda com chumbo apresentam melhor resistência à fadiga térmica (mais ciclos de temperatura)
• As juntas de solda sem chumbo mantêm uma maior resistência mecânica após um longo período de envelhecimento

• Janela de processo:

• O HASL com chumbo tem uma janela de processo mais ampla (±10°C)
• A HASL sem chumbo requer um controlo mais rigoroso da temperatura (±3°C)

Dica profissional: A Topfast optimiza os parâmetros HASL sem chumbo para obter um rendimento de soldadura de 99,5%, cumprindo as normas IPC-6012 Classe 3.

1.2 Fluxo do processo HASL principal

Como um fabricante profissional de PCB, Topfast emprega linhas de produção HASL totalmente automatizadas com processos padronizados rigorosos:

1.2.1 Fase de pré-tratamento

• Limpeza química:
• O produto de limpeza ácido (pH 2-3) remove os óxidos de cobre
• Controlo da temperatura: 40-50°C, duração: 2-3 min
• A micro-corrosão garante uma rugosidade de superfície Ra 0,3-0,5μm
• Enxaguamento:
• Enxaguamento em contracorrente em três fases (resistividade da água DI >15MΩ-cm)
• Secagem com ar quente (60-80°C)

1.2.2 Aplicação do fluxo

• Métodos de aplicação:
• Espuma (tradicional): Espessura do fluxo 0,01-0,03 mm
• Pulverização (avançada):Mais uniforme, 30% menos consumo de fluxo
• Tipos de fluxo:
• À base de colofónia não limpa (ROH)
• Teor de sólidos: 8-12%, índice de acidez: 35-45mgKOH/g

1.2.3 Etapas principais do nivelamento por ar quente

• Pré-aquecimento:

• Com chumbo: 130-140°C
• Sem chumbo: 150-160°C
• Duração: 60-90 segundos

• Imersão de solda:

• Temperatura do cadinho de solda:
  • Com chumbo: 210±5°C
  • Sem chumbo: 250±5°C
• Tempo de espera: 2-4 segundos (precisão de ±0,5 segundos)
• Profundidade de imersão: 3-5mm

• Nivelamento por ar quente:

• Parâmetros da faca de ar:
  • Pressão: 0,3-0,5MPa
  • Temperatura: 300-350°C
  • Ângulo: 4° de inclinação para baixo
  • Velocidade do ar: 20-30m/s
• Tempo de processamento: 1-2 segundos

• Arrefecimento:

• Arrefecimento por ar forçado (taxa: 2-3°C/seg.)
• Temperatura final <60°C

1.2.4 Inspeção da qualidade

• AOI em linha (100% de cobertura):
• Inspeção da espessura da solda (1-40μm)
• Deteção de defeitos de superfície (bolas de solda, cobre exposto, etc.)
• Testes de amostragem:
• Ensaio de soldabilidade (245°C, 3 seg.)
• Ensaio de aderência (método da fita)

Avanço tecnológico: O processo HASL sem chumbo protegido por nitrogénio da Topfast reduz a oxidação da solda de 5% para 1,5%, melhorando significativamente o rendimento da solda.

1.3 Vantagens e limitações do processo

Vantagens

• Eficiência de custos:

• Baixo investimento em equipamento (~1/3 da ENIG)
• Poupanças significativas no custo do material (40-60% mais barato do que o ENIG)

• Fiabilidade da solda:

• Suporta >3 ciclos de refusão (pico de 260°C)
• Elevada resistência à tração da junta (com chumbo: 50-60MPa; sem chumbo: 55-65MPa)

• Ampla aplicabilidade:

• Adequado para vários tamanhos de almofadas (passo mínimo de 0,5 mm)
• Compatível com processos de furo passante e SMT

• Desempenho do armazenamento:

• Prazo de validade de 12 meses (RH <60%)
• Excelente resistência à oxidação (teste de pulverização salina de 48 horas)

Limitações

• Restrições de passo fino:

• Não adequado para componentes BGA/QFN com passo de 0,4 mm
• Risco de ponte de solda em projectos de passo fino

• Questões de planaridade:

• Desnivelamento da superfície: 15-25μm (afecta a montagem HDI)
• Variação da espessura até 20μm entre almofadas grandes/pequenas

• Stress térmico:

• O processo a alta temperatura (especialmente sem chumbo) pode afetar os materiais de alta Tg
• Maior risco de empenamento para placas finas (<0,8mm)

• Considerações ambientais:

• HASL com chumbo não compatível com RoHS
• O HASL sem chumbo consome mais energia (temperaturas 30-50°C mais elevadas)

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Processo ENIG (ouro de imersão em níquel sem electrodos)

2.1 Princípios do processo

O ENIG forma uma camada protetora composta através de niquelagem electrolítica e imersão em ouro:

• Camada de níquel: 3-6μm (fósforo 7-9%)
• Camada de ouro: 0,05-0,1μm

Parâmetros-chave:

• Temperatura do banho de níquel: 85-90°C
• Taxa de revestimento: 15-20μm/h
• Temperatura do banho de ouro: 80-85°C
• pH: Banho de níquel 4,5-5,0, banho de ouro 5,5-6,5

2.2 Vantagens

• Excelente planicidade (Ra<0,1μm):

• Ideal para BGA/CSP com passo de 0,3 mm
• Coplanaridade da almofada <5μm/m

• Resistência à oxidação:

• Prazo de validade de 18 meses
• Certificação J-STD-003B Classe 3

• Condutividade eléctrica:

• Resistividade do ouro: 2,44μΩ-cm
• Resistência de contacto <10mΩ

2.3 Desafios

• Problema do bloco preto:

• Causas: Niquelagem excessiva ou teor anormal de fósforo
• Solução:A passivação patenteada da Topfast&#8217 reduz a taxa de blocos pretos para <0,1%

• Factores de custo:

• Custos elevados dos materiais (volatilidade do preço do ouro)
• Processo complexo (8-10 etapas)

• Resistência da junta de solda:

• Camada de IMC Ni-Au frágil
• Resistência à tração ~40-45MPa

O ENIG da Topfast alcança uma uniformidade de espessura de ±10%, superando os padrões da indústria de ±15%.

OSP (conservante orgânico de soldabilidade)

3.1 Princípios do processo

OSP forma uma película protetora orgânica de 0,2-0,5μm sobre cobre nu, contendo:

• Compostos de benzotriazol
• Compostos de imidazol
• Ácidos carboxílicos

Fluxo do processo:

1. Limpeza com ácido (5% H2SO4, 2min)
2. Micro-etch (Na2S2O8, remover 1-2μm de cobre)
3. Tratamento OSP (40-50°C, 1-2min)
4. Secagem (60-80°C ar quente)

3.2 Vantagens

• Rentável:

• 60% mais barato do que o HASL
• Baixo investimento em equipamento (~1/5 da ENIG)

• Integridade do sinal:

• Constante dieléctrica estável (ΔDk <0,02)
• Ideal para aplicações de alta frequência (>10GHz)

• Amigo do ambiente:

• Sem metais pesados
• Tratamento simplificado das águas residuais

3.3 Limitações

• Janela de soldabilidade:

• Deve ser utilizado nas 24 horas seguintes à abertura
• Apenas adequado para 1 ciclo de refusão (o rendimento cai 30% na segunda refusão)

• Dificuldades de inspeção:

• Difícil de medir opticamente a espessura da película
• Requer tratamento especial das TIC

• Condições de armazenamento:

• Embalagem sob vácuo necessária (RH <30%)
• Temperatura de armazenamento: 15-30°C

A OSP melhorada da Topfast&#8217 aumenta o prazo de validade de 3 para 6 meses e resiste a 2 ciclos de refluxo.

Guia de seleção de processos

4.1 Comparação

4.2 Recomendações

• Eletrónica de consumo:

• HASL sem chumbo (melhor desempenho em termos de custos)
• Controlo do volume de pasta de solda para componentes de passo fino

• Placas HDI:

• ENIG (planicidade superior)
• Controlo rigoroso da qualidade do níquel

• PCBs de alta velocidade:

• OSP/ENIG (melhor integridade do sinal)
• Evitar a superfície irregular da HASL&#8217

• Prototipagem:

• OSP (resposta mais rápida)
• Assegurar a montagem atempada

4.3 Capacidades Topfast

Soluções completas de acabamento de superfícies:

• 20 linhas HASL automatizadas (500.000㎡/mês)
• 10 linhas ENIG (uniformidade de espessura ±8%)
• 5 linhas OSP (disponível com nano-reforço)
• Inspeção 100% em linha (AOI+SPI)

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