HASL-Finish in der PCB-Fertigung: Prozess, Qualität und Anwendungen

Hot Air Solder Leveling (HASL) ist seit Jahrzehnten ein Eckpfeiler der PCB-Oberflächenveredelung.und Kompatibilität mit herkömmlichen ProduktionsprozessenWährend neuere Oberflächen wie ENIG und Eintauchtzinn in feinen Tonhöhenanwendungen an Bedeutung gewonnen haben, bleibt HASL eine Wahl für kostengünstigePCB mit hohem Volumen in Industriezweigen von der Unterhaltungselektronik bis zur industriellen SteuerungDieser Leitfaden untersucht den Herstellungsprozess von HASL, Qualitätskontrollmaßnahmen, Vorteile und Einschränkungen,und wie es sich gegen alternative Oberflächen aufbaut, was sowohl Ingenieuren als auch Käufern wichtige Erkenntnisse bietet..

Wichtige Erkenntnisse
1.HASL ist 30% bis 50% günstiger als ENIG und Immersionstin, was es ideal für hohe Volumen und kostensensible Anwendungen wie Geräte und Spielzeug macht.
2Das Verfahren legt eine 1 ‰ 25 μm-Schicht Lötstoff (bleifrei oder bleifrei) auf Kupferpolster ab, wodurch eine ausgezeichnete Schweißfähigkeit für Durchlöcher und große Oberflächenbauteile gewährleistet wird.
3Die unebene Oberfläche (Toleranz von ± 10 μm) von.HASL® beschränkt den Einsatz bei Feinspitch-Komponenten (< 0,8 mm Pitch), bei denen das Überbrückungsrisiko im Vergleich zu flachen Oberflächen um 40% steigt.
4Moderne bleifreie HASL (Sn-Ag-Cu) erfüllen RoHS-Standards, erfordern jedoch höhere Verarbeitungstemperaturen (250°C bis 270°C) als herkömmliche bleifreie HASL.

Was ist HASL Finish?
Das Hot Air Solder Leveling (HASL) ist ein Oberflächenbearbeitungsprozess, bei dem Kupfer-PCB-Pads mit einer Schicht geschmolzenem Lötstoff beschichtet und der Überschuss dann mit hoher Geschwindigkeit heißer Luft ausgeglichen wird.Das Ergebnis ist eine schweißbare Schicht, die Kupfer vor Oxidation schützt und während der Montage für starke Verbindungen sorgt.

Zwei Varianten von HASL
Zinn-Blei HASL: verwendet eine 63% Zinn/37% Bleilegierung (Schmelzpunkt 183°C).auch wenn sie noch in spezialisierten militärischen/luftfahrttechnischen Anwendungen mit Ausnahmen verwendet werden.
Bleifreies HASL: In der Regel wird eine Zinn-Silber-Kupfer-Legierung (Sn-Ag-Cu oder SAC) mit einem Schmelzpunkt von 217°C227°C verwendet, um die Anforderungen von RoHS und REACH zu erfüllen.Es ist heute die vorherrschende Variante in der kommerziellen PCB-Herstellung..

Der Herstellungsprozess von HASL
HASL beinhaltet fünf Schlüsselschritte, von denen jeder für die Erzielung eines einheitlichen, schweißfähigen Finishs entscheidend ist:
1Vorbehandlung: Reinigung und Aktivierung
Vor dem Lötverfahren werden die PCBs streng gereinigt, um die Haftung sicherzustellen:
a.Entfettung: Entfernung von Ölen, Fingerabdrücken und organischen Verunreinigungen mit alkalischen Reinigungsmitteln oder Lösungsmitteln.
b.Mikro-Ätzen: Mit einer leichten Säure-Ätzung (z. B. Schwefelsäure + Wasserstoffperoxid) wird 1 μm Kupfoxid entfernt, wodurch frisches, reaktives Kupfer freigesetzt wird.
c. Flussanwendung: Auf Kupferpolster wird ein wasserlöslicher Fluss (typischerweise auf der Basis von Harz) aufgetragen, um eine Reoxidierung zu verhindern und das Befeuchten des Lödes zu fördern.

2. Schweißschweiß.
Das PCB wird in ein Bad aus geschmolzenem Löten getaucht:
a.Temperatur: 250-270 °C für bleifreie HASL (SAC-Legierung) gegenüber 200-220 °C für Blei.
b.Eintauchtzeit: 3-5 Sekunden, um eine vollständige Benetzung der Kupferpolster zu gewährleisten, ohne das PCB-Substrat (z. B. FR4) zu beschädigen.
c. Legierungskontrolle: Die Zusammensetzung von Lötbädern wird kontinuierlich überwacht (z. B. 96,5% Sn, 3% Ag, 0,5% Cu für SAC305), um die Konsistenz zu gewährleisten.

3. Heißluftnivellierung
Nach dem Eintauchen wird das überschüssige Lötmittel mit Hochdruck-Hochluftmesser entfernt:
a.Lufttemperatur: 200°C bis 250°C, um das Löten während des Ausgleichs geschmolzen zu halten.
b.Luftdruck: 5 ‰ 10 psi, angepasst anhand der Pad-Größe (höherer Druck für größere Pads).
c. Düsenposition: in einem Winkel von 30° bis 45° gegenüber der PCB-Oberfläche, um Luft gleichmäßig zu verteilen und Lötansammlungen an den Kanten zu verhindern.
Dieser Schritt erzeugt eine "ebenen" Oberfläche, obwohl einige Ungleichheiten (± 10 μm) vor allem auf großen Pads verbleiben.

4Kühlung
Das PCB wird schnell (auf Raumtemperatur in < 30 Sekunden) mit Druckluft- oder Wassernebel abgekühlt:
a. Verhindert, dass das Lötwerk auf nicht-Pad-Bereiche zurückfließt.
b.Sichert eine glatte, glänzende Oberfläche, indem die Oxidation während der Verfestigung minimiert wird.

5Nachbehandlung: Fluxentfernung
Der Restfluss wird unter Verwendung von
a.Warmwasserspülung: Für wasserlösliche Flüsse.
b.Reinigung mit Lösungsmitteln: Für Flusse auf der Basis von Harz (heute aufgrund von Umweltvorschriften weniger üblich).
Eine ordnungsgemäße Reinigung ist von entscheidender Bedeutung.

Qualitätskontrolle in der HASL-Fertigung
Eine gleichbleibende HASL-Qualität erfordert strenge Prozesskontrollen, um häufige Mängel zu vermeiden:
1. Lötdicke
Zielbereich: 1 ‰ 25 μm (normalerweise 5 ‰ 15 μm für die meisten Anwendungen).
Zu dünn (< 1 μm): Risiken für Kupferoxidation und schlechte Schweißfähigkeit.
Zu dick (> 25 μm): Verursacht unebene Oberflächen und Überbrückungen bei feinen Komponenten.
Messmethode: Röntgenfluoreszenz (XRF) oder Querschnittsmikroskopie.

2Befeuchtung und Abdeckung
Akzeptanzkriterium: ≥ 95% der Plattenfläche müssen mit Lötstoff bedeckt sein (keine nackten Kupferflecken).
Gemeinsame Fragen:
Nicht nass: Lötperlen auf Pads aufgrund schlechter Reinigung oder oxidierter Kupfer.
Abnassung: Das Lötmittel benetzt sich zunächst, zieht sich aber zurück und lässt nackte Bereiche zurück, die durch Flusskontamination oder hohe Badtemperatur verursacht werden.

3. Oberflächenrauheit
Höchsttoleranz: ±10μm (gemessen mittels Profilometrie).
Risiken einer übermäßigen Rauheit:
Überbrückung in Feinspitch-Komponenten (0,8 mm oder kleiner).
Ungleichmäßige Ablagerung der Lötmasse während der Montage.

4. Integrität der Legierung
Prüfung: Spektroskopie zur Überprüfung der Lötzusammensetzung (z. B. 3% Silber in SAC305).
Probleme: Falsche Legierungsverhältnisse können den Schmelzpunkt senken, was zu Fehlschlägen der Lötverbindungen während des Rückflusses führt.

Vorteile der HASL-Finixierung
Die dauerhafte Beliebtheit von HASL® beruht auf seinen praktischen Vorteilen für spezifische Anwendungen:
1. Niedrige Kosten
Materialkosten: Lötlegierungen (Sn-Ag-Cu) sind billiger als Gold (ENIG) oder hochreines Zinn (Eintauchzinn).
Verarbeitungseffizienz: HASL-Linien arbeiten mit hohem Durchsatz (100+ Boards/Stunde), wodurch die Arbeitskosten pro Einheit reduziert werden.
Gesamtkosten: 30% bis 50% günstiger als ENIG und 20% bis 30% günstiger als Eintauchzinn für große Stückzahlen (10.000+ Einheiten).

2. Ausgezeichnete Schweißfähigkeit
Befeuchtungsschnelligkeit: Lötpaste fließt schnell über HASL-beschichtete Pads mit Befeuchtungszeiten von < 1,5 Sekunden (IPC-TM-650-Standard).
Nachbearbeitungskompatibilität: Überlebt 3-5 Rückflusszyklen ohne Abbau mehr als OSP (1-2 Zyklen).
Durchlöchende Leistung: Ideal für durchlöchende Bauteile, da das Lötmittel die Löcher während des Eintauchens gleichmäßig füllt.

3. Haltbarkeit
Korrosionsbeständigkeit: Beständigkeit bei 200~300 Stunden Salzsprühprüfungen (ASTM B117) (besser als bei OSP (<100 Stunden) und ausreichend für Innenanwendungen.
Mechanische Festigkeit: Eine dicke Lötlagenschicht (515 μm) widersteht beim Umgang dem Abrieb und reduziert das Schadensrisiko im Vergleich zu dünnen Oberflächen wie Eintauchtin.

4. Kompatibilität mit Standardverfahren
Funktioniert mit allen gängigen PCB-Substraten (FR4, high-Tg FR4, CEM-1).
Sie integriert sich nahtlos in herkömmliche Produktionslinien ohne spezielle Ausrüstung.

Einschränkungen von HASL-Finish
Die Nachteile von HASL machen es für bestimmte moderne PCB-Konstruktionen ungeeignet:
1. Schlechte Flachheit für Feinspitzkomponenten
Oberflächenvariation: ±10 μm Toleranz erzeugt “Berge und Täler“ auf Pads, was das Überbrückungsrisiko erhöht:
0.8mm-QFPs (Bridgingrate 15~20% gegenüber 5% bei Eintauchzinn).
0BGA mit einem Schwung von.5 mm (fast unkontrollierbar mit HASL).

2. Wärmebelastung von PCBs
Bleifreie HASL's bei hoher Verarbeitungstemperatur (250°C bis 270°C) können
Warp-dünne PCB (<0,8 mm dick).
Wärmeempfindliche Substrate (z. B. einige flexible Materialien) abbauen.
Verursacht Delamination in mehrschichtigen Platten mit schlechter Laminationsqualität.

3. Bleifreie Herausforderungen
Höherer Schmelzpunkt: SAC-Legierungen erfordern während der Montage höhere Rückflusstemperaturen (245°C), was die Belastung der Bauteile erhöht.
Bulling-Risiko: Bleifreies HASL ist anfälliger für ′′bulling′′ (matte Oberfläche) aufgrund von Oxidation, was Feuchtigkeitsprobleme während der Inspektion verbergen kann.

4. Umwelt- und Sicherheitsbedenken
Abfallbehandlung: Lötschrott (verfestigtes überschüssiges Löt) bedarf einer spezialisierten Entsorgung.
Sicherheit der Arbeitnehmer: Hohe Temperaturen und Flussdämpfe erfordern eine strenge Belüftung und persönliche Schutzausrüstung (PPE).

HASL vs. andere PCB-Veredelungen

Ideale Anwendungen für HASL
HASL bleibt die beste Wahl für:
1. Billige Unterhaltungselektronik
Geräte: Kühlschränke, Mikrowellenherde und Waschmaschinen verwenden PCBs mit großen Pads (≥1 mm Abstand), bei denen die Kosteneinsparungen durch HASL ̇ am wichtigsten sind.
Spielzeug und Gadgets: Produkte mit hohem Volumen und geringen Margen profitieren von der Erschwinglichkeit und ausreichender Zuverlässigkeit von HASL.

2. Industrielle Kontrollen (Nicht-feine-Spitze)
Motorsteuerungen: Durchlöchende Komponenten und große Oberflächenmontagevorrichtungen (≥ 1206 Passiva) funktionieren gut mit HASL.
Stromversorgung: Dicke Kupferpolster (für Hochstrom) sind leicht mit HASL beschichtet und sorgen für gute Lötverbindungen.

3Militärische und Luft- und Raumfahrt (Tin-Lead HASL)
Als von den RoHS-Beschränkungen ausgenommen wird Zinn-Blei-HASL in älteren Systemen verwendet, die eine langfristige Zuverlässigkeit und Kompatibilität mit Zinn-Blei-Löten erfordern.

4Prototypenbau und Low-Volume-Runs
Kleine Chargen (10-100 Einheiten) profitieren von der schnellen Umschichtung von HASL und den geringen Einrichtungskosten im Vergleich zu ENIG.

Best Practices für die Verwendung von HASL
Um die Leistung von HASL zu maximieren, befolgen Sie folgende Richtlinien:

1. Konstruktion für HASL
Mindestpadgröße: ≥ 0,6 mm × 0,6 mm, um eine gleichmäßige Lötdeckung zu gewährleisten.
Abstand: Komponenten mit einem Abstand von < 0,8 mm vermeiden; erforderlichenfalls erhöhen Sie den Abstand zwischen den Unterlagen auf 0,2 mm.
Durchlöcherkonstruktion: Verwenden Sie plattierte Durchlöcher (PTHs) mit einem Durchmesser von ≥ 0,3 mm für eine zuverlässige Lötfüllung.

2. Qualitätsanforderungen angeben
Lötdicke: 5 ‰ 15 μm für die meisten Anwendungen.
Befeuchten: Bedarf an einer Abdeckung von ≥95% (nach IPC-A-610 Klasse 2).
Oberflächenveredelung: Es ist anzugeben, ob die HASL (gleichenweise stumpf) "hell" ist, um die richtige Zusammensetzung der Legierung zu gewährleisten und den Fluss zu entfernen.

3- Versammlungsüberlegungen
Lötpaste: Verwenden Sie Paste des Typs 3 oder 4 (feinere Partikel), um die Oberflächenungleichheit zu berücksichtigen.
Rückflussprofil: Bei bleifreien HASL ist eine langsame Rampe (2°C/s) bis zur Spitzentemperatur von 250°C zu verwenden.
Inspektion: Verwenden Sie AOI (Automated Optical Inspection), um Brücken in fast feinen Komponenten (0,8 ∼1,0 mm) zu erkennen.

Häufig gestellte Fragen
F: Ist die bleifreie HASL so zuverlässig wie die bleifreie HASL?
A: Ja, wenn sie ordnungsgemäß verarbeitet werden. Bleifreies HASL (SAC) bietet eine ähnliche Schweißfähigkeit und eine etwas bessere Korrosionsbeständigkeit, obwohl es höhere Montagetemperaturen erfordert.

F: Kann HASL mit Hochgeschwindigkeits-PCBs verwendet werden?
A: Beschränkt. Seine unebene Oberfläche kann zu Impedanzschwankungen bei Signalen von 10 Gbps + führen, was ENIG oder Immersion Tin für Hochfrequenzkonstruktionen besser macht.

F: Was verursacht HASL?Ices?
A: Eisblätter bilden sich, wenn der Druck der heißen Luft zu niedrig ist und überschüssiges Löt an den Padkanten zurückbleibt.

F: Wie lange hält sich HASL?
A: Mehr als 12 Monate in verschlossener Verpackung mit Trocknungsmitteln, ähnlich wie Eintauchzinn und ENIG.

F: Ist HASL mit konformen Beschichtungen kompatibel?
A: Ja, aber sicherstellen Sie zuerst die vollständige Fluxentfernung. Rückstände können Probleme mit der Beschichtung verursachen.

Schlussfolgerung
HASL-Abschluss bleibt eine tragfähige, kostengünstige Option für Leiterplatten mit großen Pads, durchlöchrigen Komponenten und kostengünstigen Anforderungen.seine Zuverlässigkeit, Verkaufbarkeit und Erschwinglichkeit machen sie für Unterhaltungselektronik, industrielle Steuerungen und alte Systeme unverzichtbar.
Im Zuge der Weiterentwicklung der PCB-Technologie wird HASL mit neueren Oberflächen wie ENIG und Eintauchenzinn koexistieren, die jeweils unterschiedlichen Nischen dienen.Das Verständnis der Stärken und Grenzen von HASL sorgt dafür, dass es dort eingesetzt wird, wo es den größten Mehrwert bietet.: hohe Volumen und kostensensible Anwendungen, bei denen die Leistungsanforderungen mit den Fähigkeiten des Gerätes übereinstimmen.
Letztendlich spricht die Langlebigkeit von HASL in der Branche von seiner Praktikabilität.