غوطه وری قلع در تولید PCB: چگونه بر پایداری ماسک لحیم تأثیر می گذارد

غوطه ور شدن قلع (همچنین به عنوان غوطه ور شدن قلع نیز نامیده می شود) یک پایان سطح محبوب در تولید PCB است که به دلیل مقرون به صرفه ، قابل سولدر شدن و سازگاری با فرآیندهای مونتاژ بدون سرب ارزش گذاری می شود.با این حال، تعامل آن با ماسک های جوش ◄ لایه های محافظ حیاتی که ردپای مس را عایق بندی می کنند و از مدار کوتاه جلوگیری می کنند ◄ می تواند به طور قابل توجهی بر قابلیت اطمینان PCB تأثیر بگذارد.هنگامی که فرآیند غوطه ور شدن قلع و ماسک جوش غلط است، مشکلات مانند پوست کردن ماسک، نقص های جوش و خوردگی طولانی مدت ممکن است ایجاد شود و عملکرد PCB را تضعیف کند.

این راهنما رابطه بین غوطه ور شدن قلع و ثبات ماسک جوش را بررسی می کند، جزئیات چگونگی تعامل این دو فرآیند، چالش های مشترک و راه حل های اثبات شده برای اطمینان از قوی،PCB های طولانی مدتاین که آیا شما در حال تولید لوازم الکترونیکی مصرفی یا صفحه های صنعتی با قابلیت اطمینان بالا هستید، درک این پویایی برای تولید محصولات با دوام و عملکرد بالا کلیدی است.

نکات کلیدی
1غوطه ور کردن قلع یک لایه باریک و یکنواخت قلع را فراهم می کند که از مس در برابر اکسیداسیون محافظت می کند و قابلیت سولدر شدن را افزایش می دهد و آن را برای کاربردهای حساس هزینه و بدون سرب ایده آل می کند.
2ثبات ماسک های جوش دهنده بستگی به سفت شدن مناسب، مقاومت شیمیایی و سازگاری با فرآیندهای غوطه ور شدن قلع دارد. اشتباهات در اینجا می تواند منجر به تخریب یا شکست ماسک شود.
3تعاملات شیمیایی بین حمام های غوطه ور شدن قلع و ماسک های جوش نکردن یک علت اصلی بی ثباتی هستند؛ تمیز کردن کامل و کنترل فرآیند این خطرات را کاهش می دهد.
4بهترین شیوه ها، از جمله تطبیق مواد، سفت شدن دقیق و تمیز کردن پس از درمان، اطمینان حاصل می کند که غوطه ور شدن قلع و ماسک های جوش دهنده به طور همبستگی کار می کنند تا قابلیت اطمینان PCB را افزایش دهند.

درک نقش غوطه ور شدن قلع و ماسک سولدر
برای درک تعامل آنها، ابتدا تعریف هدف و خواص هر دو غوطه ور شدن قلع و ماسک های جوش دهنده ضروری است.

غوطه ور شدن قلع در تولید PCB چیست؟
غوطه ور شدن قلع یک فرآیند پایان سطح بدون برق است که یک لایه نازک (معمولاً 0.8 × 2.0 μm) قلع را از طریق واکنش جابجایی شیمیایی بر روی پد های مس افشا می کند. بر خلاف قلع الکتروپلاکت،هیچ برق مورد استفاده قرار نمی گیرد ۰یون های طنین در حمام جایگزین اتم های مس روی سطح PCB می شوند، که مانع محافظتی را تشکیل می دهد.

مزایای اصلی غوطه ور کردن قلع:

1مقاومت در برابر خوردگی: قلع به عنوان یک مانع عمل می کند و از اکسیداسیون مس در طول ذخیره سازی و مونتاژ جلوگیری می کند.
2قابلیت جوش دادن: قلع، مفاصل قوی و قابل اعتماد را با جوش های بدون سرب (به عنوان مثال، SAC305) تشکیل می دهد که برای مطابقت با RoHS حیاتی است.
3هزینه-کارایی: ارزان تر از پوشش های مبتنی بر طلا (ENIG، ENEPIG) و مناسب برای تولید حجم بالا.
4سازگاری با پیچ خوب: رسوب یکنواخت برای اجزای کوچک (BGA های 0.4mm pitch) بدون خطرات پل کار می کند.

محدودیت ها:

1موشک های قلع: رشد های کوچک قلع مانند مو ممکن است با گذشت زمان شکل بگیرد، که خطر شارژ کوتاه را با اضافه کردن مقدار کمی از نیکل یا کنترل شرایط رسوب کاهش می دهد.
2.مدت نگهداری: به دلیل خطرات اکسیداسیون به 6 تا 12 ماه در ذخیره سازی (در مقابل 12 ماه برای ENIG) محدود است.

نقش ماسک های سولدر در عملکرد PCB
ماسک های جوش دهنده پوشش های پلیمر (معمولا اپوکسی یا پلی اورتان) هستند که بر روی PCB ها اعمال می شوند تا:

1.آزاد کردن ردپای مس: جلوگیری از مدار کوتاه ناخواسته بین هادی های مجاور
2از آسیب های زیست محیطی محافظت می کند: مس را از رطوبت، گرد و غبار و مواد شیمیایی محافظت می کند.
3کنترل جریان جوش: مناطق مشخص شده را تعریف کنید که جوش در آن چسبیده است (پد ها) و جایی که آن را نمی کند (عقب) ، کاهش پل در طول مونتاژ.
4افزایش قدرت مکانیکی: تقویت ساختار PCB، کاهش آسیب های مرتبط با انعطاف.

خواص مهم ماسک های جوش:

1چسبندگی: باید به طور محکم به زیربناهای مس و لامینات متصل شود تا از پوست شدن جلوگیری شود.
2مقاومت شیمیایی: مقاومت در برابر قرار گرفتن در معرض مواد تمیز کننده، فلوکس و حمام های لاستیکی غوطه ور.
3ثبات حرارتی: حفظ یکپارچگی در هنگام جوش مجدد (۲۴۰°C برای فرآیندهای بدون سرب).
4ضخامت یکنواخت: به طور معمول 25-50μm؛ بسیار نازک خطرات سوراخ های سوزن، بیش از حد ضخیم مانع از جوشیدن باریک می شود.

تعامل غوطه ور کردن قلع و ماسک های سولدر
این دو فرآیند به طور ذاتی با هم مرتبط هستند: ماسک های جوش دهنده قبل از غوطه ور کردن قلع استفاده می شوند و تعیین می کنند که کدام مناطق مس در معرض قرار دارند (و بنابراین با قلع پوشانده می شوند) و کدام محافظت می شوند.این تعامل فرصت های همبستگی را ایجاد می کند، اما همچنین خطرات:

1تعریف لبه ماسک: تراز دقیق ماسک تضمین می کند که سپرده های قلع فقط بر روی پد های مورد نظر قرار گیرد؛ عدم تراز می تواند مس را در معرض قرار دهد یا پد های پوشش را پوشش دهد.
2سازگاری شیمیایی: حمام های غوطه ور شدن قلع (اسیدی، با نمک قلع و عوامل پیچیده) می توانند به ماسک های جوش دهنده که خشک نشده اند یا به خوبی چسبیده اند حمله کنند و باعث تخریب شوند.
3مدیریت بقایای مواد: تمیز کردن پس از غوطه ور کردن قلع باید بقایای حمام را از بین ببرد تا از از بین رفتن لایه های ماسک یا خوردگی مس جلوگیری شود.

چالش های ثبات ماسک جوش در هنگام غوطه ور شدن قلع
عوامل متعددی می توانند ثبات ماسک جوش را در هنگام ترکیب با غوطه ور شدن قلع، اغلب ناشی از اشتباهات فرآیند یا ناسازگاری مواد، به خطر بیندازند.
1حمله شیمیایی از حمام های غوطه ور شدن قلع
حمام های غوطه ور شدن قلع خفیف اسیدی هستند (pH 1.5 ∼ 3.0) تا رسوب قلع را تسهیل کنند. این اسیدیت می تواند:

a. ماسک های بدون خشک شدن را تخریب کنید: اگر ماسک های جوشنده به اندازه کافی خشک نشده باشند (عرض UV یا حرارتی ناکافی) ، زنجیره های پلیمری آنها تا حدودی غیر متقاطع باقی می مانند و آنها را در معرض انحلال شیمیایی قرار می دهند.
ب.بستگی ضعیف: حمام اسیدی می تواند شکاف های کوچکی بین ماسک و مس را نفوذ کند و پیوند را شکسته و باعث پوست شدن شود.

شواهد: مطالعه ای که توسط IPC انجام شد نشان داد که ماسک هایی که در معرض حمام های قلع قرار گرفته اند، 30 تا 50 درصد بیشتر از ماسک های کاملاً خشک شده از هم جدا شده اند و در کنار لبه های ماسک فرسایش قابل مشاهده وجود دارد.

2. ماسک های پُر شده که کم یا بیش از حد سخت شده اند
a. زیرسخت کردن: پیوند ناقص باعث می شود ماسک ها نرم و متخلخل شوند، به این ترتیب مواد شیمیایی حمام قلع نفوذ می کنند، به مس حمله می کنند و چسبندگی را تضعیف می کنند.
ب. بیش از حد خشک کردن: قرار گرفتن در معرض حرارت بیش از حد یا اشعه UV باعث می شود ماسک ها شکننده و مستعد ترک شدن باشند و راه هایی برای رطوبت و مواد شیمیایی برای رسیدن به مس ایجاد کنند.

تأثیر: هر دو مسئله اثربخشی ماسک را کاهش می دهند. ماسک های کم سخت در هنگام غوطه ور شدن قلع ممکن است حل شوند؛ ماسک های بیش از حد سخت در طول چرخه حرارتی شکسته می شوند و منجر به خوردگی طولانی مدت می شوند.

3باقیمانده
پاکسازی ناکافی پس از غوطه ور کردن قلع باقی مانده های حمام (خمیر قلع، عوامل پیچیده آلی) را به جا می گذارد که:

a.Hinder Solder Adhesion: باقیمانده ها به عنوان موانع عمل می کنند و باعث رطوبت می شوند.
ب. باعث خوردگی می شود: نمک رطوبت را جذب می کند و اکسیداسیون مس را در زیر ماسک تسریع می کند.
c.خلاصه ضعیف ماسک: بقایای شیمیایی پیوند ماسک و زیربنای را در طول زمان تخریب می کنند و باعث افزایش خطر پوست شدن می شوند.

4رشد موشک قلع
در حالی که این موضوع به طور مستقیم یک مشکل ماسک نیست، ریش های قلع می توانند ماسک های جوش باریک را سوراخ کنند و باعث ایجاد مدار کوتاه شوند. این خطر در صورت:

a. ضخامت ماسک <25μm (خیلی نازک برای مسدود کردن ریش) است.
b. ماسک ها سوراخ های سوزن دارند (معمولاً با استفاده ضعیف یا سخت شدن).

چگونه عدم ثبات ماسک سولدر بر عملکرد PCB تأثیر می گذارد
خرابی ماسک جوش که توسط مشکلات غوطه ور شدن قلع ایجاد می شود منجر به یک سری مشکلات عملکرد و قابلیت اطمینان می شود.
1نقص های جوش
a.آزایی: جوش به طور مساوی بر روی پد ها پخش نمی شود، اغلب به دلیل بقایای ماسک یا اکسیداسیون قلع، که باعث ضعف و عدم اطمینان مفاصل می شود.
ب. پل: عدم تراز ماسک (کاپر در معرض بین پد ها) یا قطعات بیش از حد محکم شده ماسک باعث ایجاد اتصالات غیرمنتظره جوش بین ردها می شود.
c. عدم خیس شدن: انباشت شدید باقیمانده مانع از چسبیدن کامل جوش کننده می شود و پد ها را برهنه و اجزای متصل نمی کند.

داده ها: یک مطالعه در سال 2023 در مورد PCB های خودرو نشان داد که 42٪ از نقص های جوش در تخته های غرق شده قلع به عدم ثبات ماسک جوش برمی گردد که به طور متوسط 0.50 دلار برای هر واحد معیوب در کار مجدد هزینه می کند.

2مسائل مربوط به قابلیت اطمینان بلند مدت
a.تخلیه: مس در معرض (از لایه برداری ماسک) اکسید می شود، مقاومت را افزایش می دهد و خطر باز شدن را ایجاد می کند. رطوبت در زیر ماسک های پوسته شده این فرآیند را تسریع می کند.
ب. نشت الکتریکی: سوراخ ها یا ترک ها باعث نشت جریان بین خطوط مجاور می شوند و باعث تداخل سیگنال یا کوتاه شدن می شوند.
c. ناکامی استرس حرارتی: ماسک هایی که در طول جریان مجدد یا چرخه حرارتی پوست می شوند، مس را در معرض گرم کردن / خنک کردن مکرر قرار می دهند و مفاصل جوش را تضعیف می کنند.

مثال: سنسورهای صنعتی با استفاده از PCB های غوطه ور قلع با ماسک های ناپایدار در عرض ۲۰۰۰ ساعت کار با نرخ شکست ۲۰٪ (در مقابل ۲٪ برای ماسک های پایدار) ، عمدتاً به دلیل خوردگی نشان دادند.

3. انحطاط سيگنال فرکانس بالا
در RF یا PCB های دیجیتال با سرعت بالا (5G، اترنت) ، ماسک های ناپایدار باعث:

a.از دست دادن ورودی: ناهنجاری های ماسک (تفاوت ضخامت، ترک ها) مسیرهای سیگنال را مختل می کند و از دست دادن را در فرکانس های >1GHz افزایش می دهد.
b. عدم تطابق مقاومت: ضخامت ماسک نامناسب باعث تغییر ظرفیت ردیابی می شود و یکپارچگی سیگنال را کاهش می دهد.

راه حل ها و بهترین شیوه ها برای تضمین ثبات
رسیدگی به عدم ثبات ماسک جوش در PCB های غوطه ور شده قلع نیاز به ترکیبی از انتخاب مواد، کنترل فرآیند و بررسی کیفیت دارد.
1. بهینه سازی تسلیحات ماسک
a.تایید سفت شدن: برای اطمینان از سفت شدن کامل (به عنوان مثال ، 150 °C برای 30 دقیقه برای ماسک های اپوکسی) ، از اندازه گیری دوز UV و پروفایل حرارتی استفاده کنید. بررسی های پس از سفت شدن با یک تست کننده سختی (Shore D > 80) ، کافی بودن را تأیید می کند.
ب.از بیش از حد خشک شدن اجتناب کنید: از دستورالعمل های تولید کننده برای قرار گرفتن در معرض اشعه UV (معمولا 1 ٪ 3J / cm2) و چرخه های حرارتی برای جلوگیری از شکنندگی پیروی کنید.

2. اطمینان از سازگاری شیمیایی
a. تطبیق مواد: ماسک های جوش دهنده را انتخاب کنید که برای سازگاری با حمام های غوطه ور شدن قلع درجه بندی شده اند (از تامین کنندگان برای داده های آزمایش در مورد مقاومت شیمیایی درخواست کنید).ماسک های مبتنی بر اپوکسی به طور کلی در محیط های اسیدی از پلی اورتان بهتر عمل می کنند.
آزمایش قبل از غوطه ور شدن: انجام آزمایش های کوپن (نمونه های کوچک PCB) برای تأیید عملکرد ماسک در حمام های قلع قبل از تولید کامل.

3. بهبود پاکسازی پس از غوطه ور شدن
a. تمیز کردن چند مرحله ای: استفاده از:
DI آب شستشو برای حذف بقایای آزاد.
پاک کننده های قلیایی خفیف (pH 8 ≈ 10) برای خنثی کردن اسید و حل باقی مانده های آلی.
شستشوی نهایی DI با آب + خشک کردن با هوا برای جلوگیری از لکه های آب
ب.بررسی بقایای مواد: از کروماتوگرافی یون یا اندازه گیری رسانایی برای تأیید تمیز بودن استفاده کنید (سطح بقایای مواد <1μg/in2).

4کنترل پارامترهای غوطه ور شدن قلع
a.حفاظت از حمام: غلظت قلع (۵-۱۰ گرم در لیتر) ، pH (۱-۸-۲-۲) و دمای بدن (۲۰-۲۵ درجه سانتیگراد) را برای جلوگیری از شرایط تهاجمی که به ماسک ها حمله می کنند، کنترل کنید.
b. ضخامت رسوب: نگه داشتن لایه های قلع در حدود 0.8μm2.0μm. لایه های ضخیم تر خطر ریش را افزایش می دهند؛ لایه های نازک محافظت کافی را ارائه نمی دهند.

5. موشک های قلع را کاهش دهید
a. افزودنی های آلیاژ: برای سرکوب رشد ریش استفاده از حمام های قلع با 0.1~0.5٪ نیکل.
ب.پوست-مغوطه سازی: PCB ها را به درجه حرارت 150 درجه سانتیگراد برای یک ساعت گرم کنید تا فشار داخلی در لایه قلع را کاهش دهد و تشکیل ریش را کاهش دهد.

6کنترل کیفیت و آزمایش
a.بررسی چسبندگی: انجام آزمایش نوار (IPC-TM-650 2.4.1) برای بررسی چسبیدن ماسک ٫ پاک شدن مجاز نیست.
ب.بررسی قابلیت جوش: از آزمایشات تعادل رطوبت استفاده کنید تا اطمینان حاصل شود که جوش به طور مساوی بر روی پد های غوطه ور شده قلع پخش می شود.
c.بررسی محیط زیست: نمونه های مورد آزمایش را به چرخه درجه حرارت (-40 °C تا 125 °C) و رطوبت (85٪ RH در 85 °C) برای شبیه سازی شرایط میدان و بررسی خرابی ماسک.

چرا غوطه ور شدن در قوطی هنوز انتخاب ارزشمندی است
علیرغم چالش های خود، غوطه ور کردن قلع همچنان به دلیل تعادل هزینه، عملکرد و انطباق بدون سرب محبوب است. هنگامی که با شیوه های مناسب ماسک جوش داده می شود، نتایج قابل اعتماد را در:

a.الکترونیک مصرف کننده: تلفن های هوشمند، لپ تاپ ها و وسایل پوشیدنی از هزینه پایین و سازگاری خوب استفاده می کنند.
ب.الکترونیک خودرو: سنسورهای زیر هود و سیستم های اطلاعات تفریحی از غوطه ور شدن قلع استفاده می کنند.
c. کنترل های صنعتی: PLC ها و دستگاه های IoT به مقاومت در برابر خوردگی در محیط های متوسط متکی هستند.

سوالات عمومی
س: قبل از بروز مشکلات ماسک جوش، تا چه مدت می توان PCB های غوطه ور شده با قلع را ذخیره کرد؟
A: اگر به درستی تمیز و ذخیره شوند (30 ° C ، 60٪ RH) ، PCB های غوطه ور شده قلع با ماسک های جوش پایدار دارای یک عمر 6 ٪ 12 ماه هستند. فراتر از این ، اکسیداسیون قلع یا تخریب ماسک ممکن است بر جوش تاثیر بگذارد.

س: آیا می توان از غوطه ور شدن قلع با PCB های انعطاف پذیر استفاده کرد؟
A: بله، اما ماسک های جوش انعطاف پذیر (بر اساس پلی آمید) برای مقاومت در برابر خم شدن مورد نیاز است. اطمینان حاصل کنید که ماسک با حمام های قلع سازگار است تا از لایه برداری جلوگیری شود.

س: علت ریش های قلع چیست و چگونه بر ماسک های جوشگر تاثیر می گذارد؟
A: موشک ها به دلیل استرس داخلی در لایه قلع شکل می گیرند. آنها می توانند ماسک های نازک یا ترک خورده را سوراخ کنند و باعث شارژ شوند. اضافه کردن نیکل به حمام قلع یا گرم کردن پس از غوطه ور شدن این خطر را کاهش می دهد.

س: ضخامت ماسک جوشگر چگونه بر غوطه ور شدن قلع تاثیر می گذارد؟
A: ضخامت مطلوب (25μm) از حمله شیمیایی محافظت می کند بدون مانع از جوشاندن. بیش از حد نازک خطر سوراخ های سوزن را دارد؛ بیش از حد ضخیم می تواند لبه های پد را پوشش دهد و رسوب قلع را مختل کند.

س: آیا غوطه ور شدن قلع مناسب برای کاربردهای با قابلیت اطمینان بالا (به عنوان مثال، هوافضا) است؟
A: می تواند باشد، اما نیاز به کنترل دقیق فرآیند (تخفيف موشک، آزمایش چسبندگی) و غربالگری محیط زیست دارد. برای قابلیت اطمینان شدید، ENIG یا ENEPIG ممکن است با وجود هزینه های بالاتر ترجیح داده شود.

نتیجه گیری
غوطه ور کردن قلع و ماسک های جوش دهنده فرآیندهای مکمل هستند، اگر به درستی مدیریت شوند، PCB هایی را ایجاد می کنند که مقرون به صرفه، قابل فروش و قابل اعتماد هستند.کلید موفقیت در درک تعامل آنهاست: شرایط شیمیایی غوطه ور شدن قلع نیاز به ماسک های جوش قوی و خوب دارد، در حالی که استفاده مناسب از ماسک تضمین می کند که سپرده های قلع فقط در جایی که مورد نظر است.

با پیاده سازی بهترین شیوه­ها، تطبیق مواد، سخت گیری دقیق، تمیز کردن کامل و آزمایش های دقیق، تولید کنندگان می­توانند از مزایای غوطه ور شدن قلع استفاده کنند بدون اینکه ثبات ماسک جوش را از دست دهند..نتیجه این کار PCB هایی است که عملکرد قابل اعتمادی در کاربردهایی از دستگاه های مصرفی تا سیستم های صنعتی دارند.