پایان قلع غوطه وری در طراحی PCB: بهترین روش‌ها، ملاحظات طراحی و عملکرد

تصاویر مجاز مشتری

قلع غوطه وری به عنوان یک پوشش سطحی همه کاره برای بردهای مدار چاپی (PCB) ظاهر شده است که تعادلی بین هزینه، قابلیت لحیم کاری و سازگاری با اجزای با گام ریز ایجاد می کند - و آن را به یک انتخاب محبوب در صنایعی از خودروسازی گرفته تا لوازم الکترونیکی مصرفی تبدیل کرده است. بر خلاف پوشش‌های ENIG (بر پایه طلا) یا HASL (بر پایه لحیم)، قلع غوطه وری از یک فرآیند رسوب شیمیایی برای ایجاد یک لایه نازک و یکنواخت از قلع خالص بر روی پدهای مسی استفاده می‌کند و مزایای منحصربه‌فردی را برای طراحی‌های مدرن PCB ارائه می‌دهد. با این حال، بهره‌برداری از مزایای آن مستلزم انتخاب‌های طراحی دقیق، از هندسه پد گرفته تا پروتکل‌های ذخیره‌سازی است. این راهنما به بررسی ظرافت‌های قلع غوطه‌وری در طراحی PCB می‌پردازد و ملاحظات کلیدی، اجتناب از اشتباهات و نحوه مقایسه آن با سایر پوشش‌ها را پوشش می‌دهد.

نکات کلیدی
  1. قلع غوطه وری یک سطح صاف و قابل لحیم کاری را ارائه می دهد که برای اجزای با گام 0.4 میلی متر ایده آل است و پل زدن لحیم را 50٪ در مقایسه با HASL کاهش می دهد.
  2. قوانین طراحی برای قلع غوطه وری شامل اندازه پد حداقل (≥0.2 میلی متر)، افزایش فاصله ردیابی تا پد (≥0.1 میلی متر) و سازگاری با لحیم های بدون سرب (Sn-Ag-Cu) است.
  3. یک راه حل میانی مقرون به صرفه ارائه می دهد: 30٪ ارزان تر از ENIG اما 20٪ گران تر از HASL، با ماندگاری بیش از 12 ماه در انبار کنترل شده.
  4. طراحی مناسب خطراتی مانند موهای قلع و خوردگی پد را کاهش می دهد و از قابلیت اطمینان در کاربردهای صنعتی و خودرو اطمینان حاصل می کند.

پوشش قلع غوطه وری چیست؟
قلع غوطه وری یک فرآیند غوطه وری شیمیایی است که یک لایه نازک (0.8 تا 2.5 میکرومتر) از قلع خالص را بر روی پدهای مسی PCB بدون استفاده از برق رسوب می دهد. این فرآیند به یک واکنش ردوکس متکی است: اتم‌های مس روی سطح PCB در محلول آبکاری حل می‌شوند، در حالی که یون‌های قلع در محلول کاهش می‌یابند و روی مس در معرض دید آبکاری می‌شوند. این ایجاد می کند:

سطح صاف (تلرانس ±3 میکرومتر)، که برای اجزای با گام ریز مانند BGAs و QFN ها حیاتی است.
لایه قابل لحیم کاری که پیوندهای بین فلزی قوی با لحیم در حین ریفلو تشکیل می دهد.
مانعی در برابر اکسیداسیون، محافظت از پدهای مسی در برابر خوردگی در حین ذخیره سازی و مونتاژ.

بر خلاف آبکاری قلع الکترولیتی (که از جریان الکتریکی استفاده می کند)، قلع غوطه وری پوشش یکنواختی را حتی روی پدهای کوچک و متراکم تضمین می کند - و آن را برای PCB های با چگالی بالا ایده آل می کند.

چرا قلع غوطه وری را برای طراحی PCB انتخاب کنیم؟
محبوبیت قلع غوطه وری ناشی از ترکیب منحصربه‌فرد عملکرد و عملی بودن آن است که به نقاط درد کلیدی در طراحی مدرن PCB می‌پردازد:
1. سازگاری با اجزای با گام ریز
PCB های مدرن به طور فزاینده ای از BGAs با گام 0.4 میلی متر، قطعات غیرفعال 01005 و QFN های با گام باریک استفاده می کنند - اجزایی که با پوشش های ناهموار مانند HASL مشکل دارند. صافی قلع غوطه وری:

   الف. پل زدن لحیم بین پدهای نزدیک به هم (فاصله 0.2 میلی متر یا کمتر) را کاهش می دهد.
   ب. خیس شدن مداوم لحیم را روی پدهای کوچک (0.2 میلی متر × 0.2 میلی متر) تضمین می کند و از «اتصالات خشک» جلوگیری می کند.

   ج. مطالعه ای توسط IPC نشان داد که قلع غوطه وری نقص های لحیم کاری با گام ریز را 40٪ در مقایسه با HASL کاهش می دهد، با نرخ پل زدن از 12٪ به 7٪ در مونتاژهای با گام 0.5 میلی متر.

2. انطباق با سرب آزاد و قابلیت لحیم کاری
قلع غوطه وری به طور یکپارچه با لحیم های بدون سرب (Sn-Ag-Cu یا SAC) کار می کند که به دمای ریفلو بالاتری (245 تا 260 درجه سانتیگراد) نسبت به لحیم قلع-سرب سنتی نیاز دارند. مزایای اصلی قابلیت لحیم کاری آن عبارتند از:

   الف. خیس شدن سریع: لحیم روی پدهای قلع اندود شده پخش می شود<1 second (per IPC-TM-650 standards), faster than aged ENIG.
   ب. اتصالات قوی: قلع یک ترکیب بین فلزی قابل اعتماد (Cu₆Sn₅) با مس تشکیل می دهد و از پایداری مکانیکی و الکتریکی اطمینان حاصل می کند.
   ج. تحمل مجدد: 2 تا 3 چرخه ریفلو را بدون تخریب قابل توجهی تحمل می کند، که برای نمونه سازی یا تعمیرات میدانی مفید است.

3. هزینه و راندمان تولید
قلع غوطه وری تعادلی بین عملکرد و هزینه ایجاد می کند:

   الف. هزینه های مواد: 30٪ کمتر از ENIG (بدون طلا) و 20٪ بیشتر از HASL، اما با نقص کمتر که هزینه های تعمیر را کاهش می دهد.
   ب. سرعت پردازش: سریعتر از ENIG (5 تا 10 دقیقه در هر برد در مقابل 15 تا 20 دقیقه)، پشتیبانی از تولید با حجم بالا (10000+ واحد در روز).
   ج. سازگاری با خطوط استاندارد: در گردش کار تولید PCB موجود بدون تجهیزات تخصصی ادغام می شود.

4. مقاومت در برابر خوردگی برای محیط های متوسط
در حالی که در شرایط سخت به اندازه ENIG قوی نیست، قلع غوطه وری محافظت کافی را برای بسیاری از کاربردها ارائه می دهد:

   الف. بیش از 300 ساعت تست اسپری نمک (ASTM B117) را تحمل می کند و از OSP (24 تا 48 ساعت) بهتر عمل می کند و با HASL مطابقت دارد.
   ب. در ذخیره سازی مهر و موم شده، در برابر رطوبت (85٪ RH) به مدت 6+ ماه مقاومت می کند، که برای لوازم الکترونیکی مصرفی و سیستم های صنعتی داخلی مناسب است.

ملاحظات طراحی مهم برای قلع غوطه وری
برای به حداکثر رساندن عملکرد قلع غوطه وری، طرح های PCB باید خواص و محدودیت های منحصر به فرد آن را در نظر بگیرند.
1. هندسه و اندازه پد
لایه نازک و فرآیند رسوب شیمیایی قلع غوطه وری به طرح های پد خاصی نیاز دارد:

   الف. حداقل اندازه پد: ≥0.2 میلی متر × 0.2 میلی متر. پدهای کوچکتر (به عنوان مثال، 0.15 میلی متر) ممکن است از پوشش ناهموار قلع رنج ببرند که منجر به اکسیداسیون می شود.
   ب. شکل پد: از گوشه های تیز خودداری کنید. از پدهای گرد (شعاع ≥0.05 میلی متر) برای جلوگیری از تغییرات ضخامت قلع در لبه ها استفاده کنید.
   ج. انتقال ردیابی به پد: ردیابی ها را به تدریج (زاویه 10 تا 15 درجه) به پدها باریک کنید تا از تمرکز تنش جلوگیری شود، که می تواند باعث پوسته شدن قلع در حین چرخه حرارتی شود.

2. فاصله و ترخیص کالا
قلع غوطه وری نسبت به پوشش های ضخیم تر مانند HASL نسبت به آلودگی و اتصال کوتاه حساس تر است:

   الف. فاصله پد به پد: ≥0.1 میلی متر برای اجزای با گام ریز برای کاهش خطر پل زدن. برای BGAs با گام 0.4 میلی متر، فاصله را به 0.12 میلی متر افزایش دهید.
   ب. فاصله ردیابی تا پد: ≥0.08 میلی متر برای جلوگیری از «خونریزی» قلع از پدها به ردیابی ها، که می تواند باعث اتصال کوتاه شود.
   ج. ترخیص ماسک لحیم: ماسک لحیم را 0.05 میلی متر از لبه های پد دور نگه دارید تا از پوشاندن قلع جلوگیری شود، که قابلیت لحیم کاری را مختل می کند.

3. سازگاری با مواد و فرآیندها
قلع غوطه وری با سایر مواد PCB تعامل دارد و نیاز به انتخاب دقیق دارد:

   الف. بسترها: با FR4 استاندارد، FR4 با Tg بالا و حتی پلی ایمید انعطاف پذیر کار می کند - بدون محدودیت مواد.
   ب. ماسک لحیم: از ماسک های لحیم مایع قابل درمان با UV (به عنوان مثال، LPISM) به جای فیلم خشک استفاده کنید، زیرا ماسک های مایع بهتر به قلع می چسبند.
   ج. انتخاب شار: شار بدون تمیز کردن یا باقیمانده کم را که برای پوشش های قلع طراحی شده اند انتخاب کنید. شار تهاجمی می تواند قلع را در طول زمان خورده کند.

4. تنش حرارتی و مکانیکی
قلع غوطه وری شکل پذیر است اما می تواند تحت تنش شدید ترک بخورد:

   الف. مناطق خمشی (PCB های انعطاف پذیر سفت و سخت): از قرار دادن پدهای قلع اندود شده در مناطق انعطاف پذیر خودداری کنید. در صورت لزوم، از قلع ضخیم تر (2.0 تا 2.5 میکرومتر) و خم های شعاعی برای کاهش فشار استفاده کنید.
   ب. چرخه حرارتی: برای حداکثر ΔT 125 درجه سانتیگراد (به عنوان مثال، -40 درجه سانتیگراد تا 85 درجه سانتیگراد) طراحی کنید تا از جدا شدن قلع-مس جلوگیری شود.
   ج. وزن اجزا: برای اجزای سنگین (به عنوان مثال، کانکتورها)، از پدهای بزرگتر (≥1.0 میلی متر مربع) برای توزیع تنش و جلوگیری از بلند شدن پد استفاده کنید.

کاهش محدودیت های قلع غوطه وری
مانند هر پوششی، قلع غوطه وری دارای نقاط ضعفی است - که با طراحی فعال قابل رسیدگی است:
1. موهای قلع
موهای قلع رشته های نازک و رسانایی هستند که می توانند از لایه قلع رشد کنند و باعث اتصال کوتاه در PCB های ولتاژ بالا شوند. برای به حداقل رساندن خطر:

   الف. ضخامت قلع: قلع را بین 1.0 تا 2.0 میکرومتر نگه دارید. لایه های ضخیم تر (≥2.5 میکرومتر) تنش داخلی را افزایش می دهند و رشد مو را تقویت می کنند.
   ب. پخت پس از آبکاری: یک پخت 125 درجه سانتیگراد را به مدت 24 ساعت مشخص کنید تا تنش در لایه قلع از بین برود و تشکیل مو را 90٪ کاهش دهد.
   ج. پوشش همسان: یک لایه 20 تا 30 میکرومتر از پوشش اکریلیک یا سیلیکونی را روی نواحی قلع اندود شده در کاربردهای پرخطر (به عنوان مثال، ECU های خودرو) اعمال کنید.

2. خوردگی در محیط های مرطوب/صنعتی
قلع غوطه وری در برابر رطوبت و مواد شیمیایی آسیب پذیر است. رفع طراحی شامل:

   الف. آبکاری لبه: لبه های PCB را با قلع آبکاری کنید تا لبه های لایه را آب بندی کنید و از نفوذ رطوبت جلوگیری کنید.
   ب. محفظه های مهر و موم شده: از محفظه های دارای رتبه IP65 برای کاربردهای بیرونی یا مرطوب (به عنوان مثال، سنسورهای دریایی) استفاده کنید.
   ج. از قرار گرفتن در معرض گوگرد خودداری کنید: گوگرد موجود در گازهای صنعتی با قلع واکنش می دهد و سولفید قلع غیر رسانا را تشکیل می دهد. در صورت احتمال قرار گرفتن در معرض، از پوشش های همسان مقاوم در برابر گوگرد استفاده کنید.

3. تخریب قابلیت لحیم کاری در طول زمان
قابلیت لحیم کاری قلع غوطه وری با ذخیره سازی طولانی مدت کاهش می یابد. مراحل کاهش:

   الف. شرایط ذخیره سازی: کیسه های مانع رطوبت مهر و موم شده با مواد خشک کننده (RH   ب. تمیز کردن قبل از مونتاژ: از ایزوپروپیل الکل (IPA) برای از بین بردن اثر انگشت یا آلاینده ها قبل از لحیم کاری استفاده کنید.
   ج. طراحی برای گردش سریع: ساخت PCB را با برنامه های مونتاژ هماهنگ کنید تا از بردها در عرض 6 ماه پس از آبکاری استفاده کنید.
قلع غوطه وری در مقابل سایر پوشش های سطحی

انتخاب پوشش مناسب به نیازهای طراحی شما بستگی دارد. در اینجا نحوه مقایسه قلع غوطه وری آمده است:
ویژگی

قلع غوطه وری در طرح هایی که تعادل بین عملکرد، هزینه و تراکم را ایجاد می کنند، عالی است:
1. الکترونیک خودرو
سنسورهای ADAS: ماژول های رادار با گام 0.5 میلی متر از صافی قلع غوطه وری بهره می برند و از اتصالات لحیم BGA قابل اعتماد اطمینان حاصل می کنند.
سیستم های سرگرمی: در برابر دمای کابین 85 درجه سانتیگراد مقاومت می کند و در برابر قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی جزئی (به عنوان مثال، نوشیدنی های ریخته شده) مقاومت می کند.
سیستم های مدیریت باتری (BMS): سازگار با لحیم های بدون سرب، که برای استانداردهای ایمنی EV حیاتی است.
2. لوازم الکترونیکی مصرفی

گوشی های هوشمند/تبلت ها: BGAs با گام 0.4 میلی متر را برای پردازنده ها فعال می کند و اندازه برد را 10 تا 15٪ کاهش می دهد.
وسایل پوشیدنی: طراحی نازک و سبک با حداقل ضخامت قلع غوطه وری به خوبی جفت می شود.
کنسول های بازی: 2 تا 3 چرخه ریفلو را در حین مونتاژ انجام می دهد و نقص های تولید را کاهش می دهد.
3. کنترل های صنعتی

PCB های اتوماسیون کارخانه: در برابر دمای عملیاتی 105 درجه سانتیگراد و قرار گرفتن در معرض گاه به گاه روغن/مواد شیمیایی مقاومت می کند.
گره های حسگر: تعادل بین هزینه و قابلیت اطمینان برای سنسورهای صنعتی میان رده (به عنوان مثال، دما، فشار).
تست PCB های قلع غوطه وری

عملکرد قلع غوطه وری را با این آزمایش ها تأیید کنید:
قابلیت لحیم کاری (IPC-TM-650 2.4.12): پدها را در لحیم 250 درجه سانتیگراد فرو کنید. ≥95٪ خیس شدن در عرض 2 ثانیه نشان دهنده قابلیت لحیم کاری خوب است.

اسپری نمک (ASTM B117): 300 ساعت قرار گرفتن در معرض با
<5٪ خوردگی محافظت کافی را تأیید می کند.چرخه حرارتی (IPC-9701): 1000 چرخه (-40 درجه سانتیگراد تا 125 درجه سانتیگراد) برای بررسی پوسته شدن قلع یا رشد مو.
بازرسی مو (IPC-4554): تجزیه و تحلیل میکروسکوپی (100x) پس از 1000 ساعت ذخیره سازی برای اطمینان از عدم وجود مو >10 میکرومتر.
سوالات متداول

س: آیا می توان از قلع غوطه وری با لحیم های بدون سرب و قلع-سرب استفاده کرد؟
پاسخ: بله، اما برای لحیم های بدون سرب (Sn-Ag-Cu) بهینه شده است. لحیم قلع-سرب می تواند به دلیل واکنش های بین فلزی باعث ایجاد مو شود، بنابراین لحیم بدون سرب توصیه می شود.
س: حداقل عرض ردیابی سازگار با قلع غوطه وری چقدر است؟

پاسخ: ردیابی های 50 میکرومتر (0.002 اینچ) به طور قابل اعتماد کار می کنند، اما از 0.1 میلی متر فاصله بین ردیابی ها و پدها برای جلوگیری از اتصال کوتاه اطمینان حاصل کنید.
س: آیا قلع غوطه وری بر یکپارچگی سیگنال با فرکانس بالا تأثیر می گذارد؟

پاسخ: خیر - لایه نازک و یکنواخت آن تأثیر کمی بر امپدانس دارد (≤1٪ تغییر برای ردیابی های 50Ω)، و آن را برای طرح های 10 گیگاهرتز+ مناسب می کند.
س: قلع غوطه وری در کاربردهای بیرونی چگونه عمل می کند؟

پاسخ: برای دستگاه های بیرونی محافظت شده (به عنوان مثال، درایورهای LED در فضای باز) کار می کند، اما برای قرار گرفتن مستقیم در معرض باران/اسپری نمک به پوشش همسان نیاز دارد.
س: آیا می توان از قلع غوطه وری در PCB های انعطاف پذیر استفاده کرد؟

پاسخ: بله - با ضخامت قلع 1.5 تا 2.0 میکرومتر و گوشه های پد گرد برای مقاومت در برابر ترک خوردن در حین خم شدن.
نتیجه

پوشش قلع غوطه وری ترکیبی جذاب از صافی، قابلیت لحیم کاری و مقرون به صرفه بودن را برای طرح های مدرن PCB ارائه می دهد، به ویژه آنهایی که دارای اجزای با گام ریز هستند. با پیروی از بهترین شیوه های طراحی - اندازه پد مناسب، فاصله و سازگاری مواد - مهندسان می توانند محدودیت های آن را کاهش دهند و از قابلیت اطمینان در کاربردهای خودرو، مصرف کننده و صنعتی اطمینان حاصل کنند.
در حالی که برای محیط های شدید (جایی که ENIG برتری دارد) یا طرح های فوق العاده کم هزینه (جایی که HASL حاکم است) ایده آل نیست، قلع غوطه وری تعادل مهمی را ایجاد می کند و PCB های با چگالی بالا و با عملکرد بالا را که فناوری امروزی را تامین می کنند، فعال می کند. با طراحی و جابجایی دقیق، این یک پوشش است که هم عملکرد و هم ارزش را ارائه می دهد.