PCB Üretiminde HASL Bitirme: Süreç, Kalite ve Uygulamalar

Sıcak Hava Lehimleme Seviyelendirme (HASL), maliyet etkinliği, güvenilir lehimlenebilirliği ve geleneksel üretim iş akışlarıyla uyumluluğu nedeniyle onlarca yıldır PCB yüzey kaplamasının temel taşı olmuştur. ENIG ve daldırma kalay gibi daha yeni kaplamalar ince aralıklı uygulamalarda yer kazanmış olsa da, HASL, tüketici elektroniğinden endüstriyel kontrollere kadar çeşitli sektörlerdeki düşük maliyetli, yüksek hacimli PCB'ler için tercih edilen bir seçim olmaya devam etmektedir. Bu kılavuz, HASL üretim sürecini, kalite kontrol önlemlerini, avantajlarını ve sınırlamalarını ve alternatif kaplamalarla nasıl karşılaştırıldığını inceleyerek mühendisler ve alıcılar için temel bilgiler sağlamaktadır.

Önemli Çıkarımlar
  1.HASL, ENIG ve daldırma kalaydan %30-50 daha ucuzdur, bu da onu ev aletleri ve oyuncaklar gibi yüksek hacimli, maliyet duyarlı uygulamalar için ideal hale getirir.
  2.Süreç, bakır pedler üzerine 1-25μm'lik bir lehim (kalay-kurşun veya kurşunsuz) katmanı biriktirerek, delikten delikli ve büyük yüzeye montaj bileşenleri için mükemmel lehimlenebilirlik sağlar.
  3.HASL'nin düzensiz yüzeyi (±10μm tolerans), ince aralıklı bileşenlerle kullanımını sınırlar (<0,8 mm aralık), burada köprüleme riskleri düz yüzeylere göre %40 artar.
   4.Modern kurşunsuz HASL (Sn-Ag-Cu), RoHS standartlarını karşılar ancak geleneksel kalay-kurşun HASL'den daha yüksek işlem sıcaklıkları (250-270°C) gerektirir.

HASL Kaplama Nedir?
Sıcak Hava Lehimleme Seviyelendirme (HASL), bakır PCB pedlerini erimiş lehim katmanıyla kaplayan ve ardından fazlalığı yüksek hızlı sıcak hava kullanarak düzleştiren bir yüzey kaplama işlemidir. Sonuç, bakırı oksidasyondan koruyan ve montaj sırasında güçlü bağlantılar sağlayan lehimlenebilir bir katmandır.

HASL'nin İki Çeşidi
   Kalay-Kurşun HASL: %63 kalay / %37 kurşun alaşımı kullanır (erime noktası 183°C). Bir zamanlar endüstri standardı olan bu, RoHS düzenlemeleri nedeniyle çoğu bölgede artık kısıtlanmıştır, ancak özel askeri/havacılık uygulamalarında muafiyetlerle hala kullanılmaktadır.
   Kurşunsuz HASL: Genellikle RoHS ve REACH gereksinimlerini karşılamak için bir kalay-gümüş-bakır (Sn-Ag-Cu veya SAC) alaşımı (erime noktası 217-227°C) kullanır. Günümüzde ticari PCB üretiminde baskın çeşittir.

HASL Üretim Süreci
HASL, her biri düzgün, lehimlenebilir bir kaplama elde etmek için kritik olan beş temel adımdan oluşur:
1. Ön İşlem: Temizleme ve Aktivasyon
Lehim uygulamadan önce, PCB'ler yapışmayı sağlamak için titiz bir temizlemeden geçer:
  a.Yağ Alma: Alkali temizleyiciler veya çözücüler kullanılarak yağların, parmak izlerinin ve organik kirleticilerin giderilmesi.
  b.Mikro-Aşındırma: Hafif bir asit aşındırma (örneğin, sülfürik asit + hidrojen peroksit), 1-2μm bakır oksidi gidererek taze, reaktif bakırı ortaya çıkarır.
  c.Akı Uygulaması: Bakır pedlere, yeniden oksidasyonu önlemek ve lehim ıslanmasını teşvik etmek için suda çözünür bir akı (tipik olarak reçine bazlı) uygulanır.

2. Lehim Daldırma
PCB, erimiş lehim banyosuna daldırılır:
  a.Sıcaklık: Kurşunsuz HASL (SAC alaşımı) için 250-270°C'ye karşı kalay-kurşun için 200-220°C.
  b.Daldırma Süresi: PCB alt tabakasına (örneğin, FR4) zarar vermeden bakır pedlerin tamamen ıslanmasını sağlamak için 3-5 saniye.
  c.Alaşım Kontrolü: Lehim banyoları, tutarlılığı korumak için bileşim açısından (örneğin, SAC305 için %96,5 Sn, %3 Ag, %0,5 Cu) sürekli olarak izlenir.

3. Sıcak Hava Seviyelendirme
Daldırmadan sonra, fazla lehim yüksek basınçlı sıcak hava bıçakları kullanılarak uzaklaştırılır:
  a.Hava Sıcaklığı: Seviyelendirme sırasında lehimi erimiş halde tutmak için 200-250°C.
  b.Hava Basıncı: Ped boyutuna göre ayarlanır (daha büyük pedler için daha yüksek basınç) 5-10 psi.
  c.Nozül Konumu: Havayı eşit olarak dağıtmak ve kenarlarda lehim birikmesini önlemek için PCB yüzeyine göre 30-45° açıyla.
Bu adım, bir “düzleştirilmiş” yüzey oluşturur, ancak bazı düzensizlikler (±10μm) kalır - özellikle büyük pedlerde.

4. Soğutma
PCB hızla soğutulur (oda sıcaklığına)<30 seconds) using forced air or water mist:
  a.Lehimin ped olmayan alanlara geri akmasını engeller.
  b.Katılaşma sırasında oksidasyonu en aza indirerek pürüzsüz, parlak bir yüzey sağlar.

5. Son İşlem: Akı Giderme
Kalıntı akı aşağıdakiler kullanılarak temizlenir:
  a.Ilık su durulama: Suda çözünür akılar için.
  b.Çözücü temizleme: Reçine bazlı akılar için (çevresel düzenlemeler nedeniyle günümüzde daha az yaygın).
Uygun temizlik kritiktir - akı kalıntıları, kart üzerinde bırakılırsa korozyona veya elektriksel kaçağa neden olabilir.

HASL Üretiminde Kalite Kontrol
Tutarlı HASL kalitesi, yaygın kusurlardan kaçınmak için sıkı proses kontrolleri gerektirir:
1. Lehim Kalınlığı
   Hedef Aralığı: 1-25μm (çoğu uygulama için tipik olarak 5-15μm).
   Çok İnce (<1μm): Bakır oksidasyonu ve zayıf lehimlenebilirlik riski.
   Çok Kalın (>25μm): Düzensiz yüzeylere ve ince aralıklı bileşenlerde köprülenmeye neden olur.
   Ölçüm Yöntemi: X-ışını floresansı (XRF) veya kesitsel mikroskopi.

2. Islanma ve Kapsama
   Kabul Kriteri: Ped alanının ≥%95'i lehim ile kaplanmalıdır (çıplak bakır noktası olmamalıdır).
Yaygın Sorunlar:
   Islanmama: Kötü temizleme veya oksitlenmiş bakır nedeniyle lehim pedler üzerinde boncuklanır.
   Islanma Kaybı: Lehim başlangıçta ıslanır ancak geri çekilir ve çıplak alanlar bırakır - akı kontaminasyonu veya yüksek banyo sıcaklığı nedeniyle.

3. Yüzey Pürüzlülüğü
   Maksimum Tolerans: ±10μm (profilometri ile ölçülür).
   Aşırı Pürüzlülük Riskleri:
       İnce aralıklı bileşenlerde köprüleme (0,8 mm aralık veya daha küçük).
       Montaj sırasında tutarsız lehim pastası birikimi.

4. Alaşım Bütünlüğü
   Test: Lehim bileşimini doğrulamak için spektroskopi (örneğin, SAC305'te %3 gümüş).
   Sorunlar: Yanlış alaşım oranları, erime noktalarını düşürebilir ve yeniden akış sırasında lehim bağlantı arızalarına neden olabilir.

HASL Kaplamanın Avantajları
HASL'nin kalıcı popülaritesi, belirli uygulamalar için pratik faydalarından kaynaklanmaktadır:
1. Düşük Maliyet
Malzeme Maliyetleri: Lehim alaşımları (Sn-Ag-Cu), altın (ENIG) veya yüksek saflıkta kalaydan (daldırma kalay) daha ucuzdur.
İşleme Verimliliği: HASL hatları yüksek verimle çalışır (100+ kart/saat), birim başına işçilik maliyetlerini düşürür.
Toplam Maliyet: Yüksek hacimli çalıştırmalar (10.000+ birim) için ENIG'den %30-50 ve daldırma kalaydan %20-30 daha ucuzdur.

2. Mükemmel Lehimlenebilirlik
Islanma Hızı: Lehim pastası, HASL kaplı pedler üzerinde hızlı akar, ıslanma süreleri<1,5 saniye (IPC-TM-650 standardı).
Yeniden İşleme Uyumluluğu: Bozulmadan 3-5 yeniden akış döngüsünden sağ çıkar - OSP'den (1-2 döngü) daha fazla.
Delikten Delikli Performans: Lehim, daldırma sırasında delikleri eşit olarak doldurduğu için delikten delikli bileşenler için idealdir.

3. Dayanıklılık
Korozyon Direnci: 200-300 saat tuz püskürtme testine (ASTM B117) dayanır - OSP'den daha iyi (<100 hours) and sufficient for indoor applications.
Mekanik Dayanım: Kalın lehim katmanı (5-15μm), elleçleme sırasında aşınmaya karşı direnç gösterir ve daldırma kalay gibi ince kaplamalara kıyasla hasar riskini azaltır.

4. Standart Proseslerle Uyumluluk
Tüm yaygın PCB alt tabakalarıyla (FR4, yüksek-Tg FR4, CEM-1) çalışır.
Özel ekipman olmadan geleneksel üretim hatlarına sorunsuz bir şekilde entegre olur.

HASL Kaplamanın Sınırlamaları
HASL'nin dezavantajları, onu belirli modern PCB tasarımları için uygunsuz hale getirir:
1. İnce Aralıklı Bileşenler İçin Zayıf Düzlük
Yüzey Değişimi: ±10μm tolerans, pedlerde “tepeler ve vadiler” oluşturarak köprüleme riskini artırır:
0,8 mm aralıklı QFP'ler (köprüleme oranı %15-20'ye karşı daldırma kalay ile %5).
0,5 mm aralıklı BGA'lar (HASL ile neredeyse yönetilemez).

2. PCB'lerde Termal Gerilme
Kurşunsuz HASL'nin yüksek işlem sıcaklığı (250-270°C) şunlara neden olabilir:
İnce PCB'leri (<0,8 mm kalınlığında) çarpıtmak.
Isıya duyarlı alt tabakaları (örneğin, bazı esnek malzemeler) bozmak.
Kötü laminasyon kalitesine sahip çok katmanlı kartlarda delaminasyona neden olmak.

3. Kurşunsuz Zorluklar
Daha Yüksek Erime Noktası: SAC alaşımları, montaj sırasında daha yüksek yeniden akış sıcaklıkları (245-260°C) gerektirir ve bileşenler üzerindeki gerilimi artırır.
Donuklaşma Riski: Kurşunsuz HASL, oksidasyon nedeniyle “donuklaşmaya” (mat yüzey) daha yatkındır, bu da inceleme sırasında ıslanma sorunlarını maskeleyebilir.

4. Çevresel ve Güvenlik Endişeleri
Atık İşleme: Lehim cürufu (katılaşmış fazla lehim) özel bertaraf gerektirir.
Çalışan Güvenliği: Yüksek sıcaklıklar ve akı dumanları, sıkı havalandırma ve KKD (kişisel koruyucu ekipman) gerektirir.

HASL'ye Karşı Diğer PCB Kaplamaları

HASL İçin İdeal Uygulamalar
HASL, aşağıdakiler için en iyi seçenek olmaya devam etmektedir:
1. Düşük Maliyetli Tüketici Elektroniği
Ev Aletleri: Buzdolapları, mikrodalga fırınlar ve çamaşır makineleri, HASL'nin maliyet tasarruflarının en önemli olduğu büyük pedli PCB'ler (≥1 mm aralık) kullanır.
Oyuncaklar ve Aletler: Yüksek hacimli, düşük marjlı ürünler, HASL'nin uygun fiyatından ve yeterli güvenilirliğinden yararlanır.

2. Endüstriyel Kontroller (İnce Olmayan Aralık)
Motor Kontrol Cihazları: Delikten delikli bileşenler ve büyük yüzeye montaj cihazları (≥1206 pasif) HASL ile iyi çalışır.
Güç Kaynakları: Kalın bakır pedler (yüksek akım için), iyi lehim bağlantıları sağlayarak HASL ile kolayca kaplanır.

3. Askeri ve Havacılık (Kalay-Kurşun HASL)
RoHS kısıtlamalarından muaf olan kalay-kurşun HASL, uzun vadeli güvenilirlik ve kalay-kurşun lehim ile uyumluluk gerektiren eski sistemlerde kullanılır.

4. Prototipleme ve Düşük Hacimli Çalıştırmalar
Küçük partiler (10-100 birim), ENIG'ye kıyasla HASL'nin hızlı dönüşünden ve düşük kurulum maliyetlerinden yararlanır.

HASL Kullanımı İçin En İyi Uygulamalar
HASL performansını en üst düzeye çıkarmak için şu yönergeleri izleyin:

1. HASL İçin Tasarım
Minimum Ped Boyutu: Düzgün lehim kapsamını sağlamak için ≥0,6 mm × 0,6 mm.
Aralık: <0,8 mm aralıklı bileşenlerden kaçının; gerekirse, pedler arası mesafeyi 0,2 mm'ye artırın.
Delikten Delikli Tasarım: Güvenilir lehim dolgusu için ≥0,3 mm çaplı kaplamalı delikten delikli delikler (PTH'ler) kullanın.

2. Kalite Gereksinimlerini Belirtin
Lehim Kalınlığı: Çoğu uygulama için 5-15μm.
Islanma: ≥%95 ped kapsamı gerektirir (IPC-A-610 Sınıf 2 başına).
Yüzey Kaplaması: Uygun alaşım bileşimini ve akı gidermeyi sağlamak için “parlak” HASL'yi (donuk olana karşı) belirtin.

3. Montaj Hususları
Lehim Pastası: Yüzey düzensizliğini gidermek için Tip 3 veya 4 pasta (daha ince parçacıklar) kullanın.
Yeniden Akış Profili: Kurşunsuz HASL için, 250-260°C tepe sıcaklığına yavaş bir rampa (2-3°C/saniye) kullanın.
İnceleme: Yakın ince aralıklı bileşenlerde (0,8-1,0 mm aralık) köprülemeyi tespit etmek için AOI (Otomatik Optik İnceleme) kullanın.

SSS
S: Kurşunsuz HASL, kalay-kurşun HASL kadar güvenilir mi?
C: Evet, düzgün bir şekilde işlendiğinde. Kurşunsuz HASL (SAC), benzer lehimlenebilirlik ve biraz daha iyi korozyon direnci sunar, ancak daha yüksek montaj sıcaklıkları gerektirir.

S: HASL, yüksek hızlı PCB'lerle kullanılabilir mi?
C: Sınırlı olarak. Düzensiz yüzeyi, 10 Gbps+ sinyallerde empedans varyasyonlarına neden olabilir, bu da ENIG veya daldırma kalayı yüksek frekanslı tasarımlar için daha iyi hale getirir.

S: HASL “buz kristalleri”ne (lehim çıkıntıları) ne neden olur?
C: Buz kristalleri, sıcak hava basıncı çok düşük olduğunda oluşur ve ped kenarlarında fazla lehim bırakır. Kısa devrelere neden olabilirler ve IPC-A-610 Sınıf 2/3 kapsamında reddedilirler.

S: HASL'nin raf ömrü ne kadardır?
C: Daldırma kalay ve ENIG'ye benzer şekilde, kurutucu maddelerle birlikte kapalı ambalajda 12+ ay.

S: HASL, konformal kaplama ile uyumlu mu?
C: Evet, ancak önce tam akı gidermeyi sağlayın - kalıntılar kaplama yapışma sorunlarına neden olabilir.

Sonuç
HASL kaplama, büyük pedleri, delikten delikli bileşenleri ve düşük maliyet gereksinimleri olan PCB'ler için uygun, maliyet etkin bir seçenek olmaya devam etmektedir. Düzensiz yüzeyi ince aralıklı tasarımlarla kullanımı sınırlarken, güvenilirliği, lehimlenebilirliği ve uygun fiyatlılığı, onu tüketici elektroniği, endüstriyel kontroller ve eski sistemlerde vazgeçilmez hale getirir.
PCB teknolojisi geliştikçe, HASL, ENIG ve daldırma kalay gibi daha yeni kaplamalarla birlikte var olacaktır - her biri farklı nişlere hizmet eder. Mühendisler için, HASL'nin güçlü yönlerini ve sınırlamalarını anlamak, onun en fazla değer kattığı yerde kullanılmasını sağlar: performans gereksinimlerinin yetenekleriyle uyumlu olduğu yüksek hacimli, maliyet duyarlı uygulamalar.
Sonuç olarak, HASL'nin sektördeki uzun ömürlülüğü, pratikliğinin bir kanıtıdır - bazen, kanıtlanmış çözümlerin doğru bağlamlarda daha yeni alternatiflerden daha uzun ömürlü olduğuna dair bir kanıt.