إكمال القصدير عن طريق الغمر في تصميم الأقراص الصلبة: أفضل الممارسات، اعتبارات التصميم، والأداء

الصور التي يستخدمها الزبائن

لقد ظهر القصدير الغمر كنهاية سطحية متعددة الاستخدامات لـ PCBs ، تكلفة التوازن ، قابلية اللحام ،وموافقتها مع مكونات دقيقة الصوت مما يجعلها المفضلة في الصناعات من السيارات إلى الإلكترونيات الاستهلاكيةعلى عكس ENIG (على أساس الذهب) أو HASL (على أساس اللحام) ، يستخدم القصدير الغمر عملية ترسب كيميائية لإنشاء طبقة رقيقة ومتساوية من القصدير النقي على وسائد النحاس ،تقدم مزايا فريدة لتصميمات PCB الحديثةومع ذلك، فإن الاستفادة من فوائدها تتطلب خيارات تصميم دقيقة، من هندسة العلب إلى بروتوكولات التخزين. هذا الدليل يغوص في الفروق الدقيقة للقصدير الغمر في تصميم PCB،تغطي الاعتبارات الرئيسية، والفخاخ التي يجب تجنبها، وكيف يتراكم مع التشطيبات الأخرى.

المعلومات الرئيسية
1يقدم القصدير المغمور سطحًا مسطحًا قابلًا لللحام مثاليًا لمكونات مسافة 0.4 ملم ، مما يقلل من جسر اللحام بنسبة 50٪ مقارنةً بـ HASL.
2تتضمن قواعد التصميم للقصدير الغمر الحد الأدنى لأحجام البطاقات (≥ 0.2mm) ، وزيادة المسافة بين البطاقات (≥ 0.1mm) ، والتوافق مع الحوائط الخالية من الرصاص (Sn-Ag-Cu).
3يقدم أرضية متوسطة فعالة من حيث التكلفة: أرخص بنسبة 30٪ من ENIG ولكن أكثر تكلفة بنسبة 20٪ من HASL ، مع مدة صلاحية أكثر من 12 شهرًا في التخزين المسيطر عليه.
4التصميم السليم يقلل من المخاطر مثل شارب القصدير وتآكل البود، مما يضمن الموثوقية في التطبيقات الصناعية والسيارات.

ما هو غمر القصدير النهائي؟
القصدير الغمر هو عملية غمر كيميائية تقوم بإيداع طبقة رقيقة (0.8 ∼2.5 ميكرو مترا) من القصدير النقي على لوحات PCB النحاسية دون استخدام الكهرباء. تعتمد العملية على تفاعل التكسير:ذرات النحاس على سطح PCB تذوب في محلول التصفيف، بينما يتم تقليل أيونات الصين في المحلول ويتم طبقتها على النحاس المكشوف. وهذا يخلق:

السطح المسطح (±3μm التسامح) ، أمر بالغ الأهمية للمكونات الدقيقة مثل BGA و QFN.
طبقة قابلة لللحام التي تشكل روابط بين المعادن القوية مع اللحام أثناء التدفق.
حاجز ضد الأكسدة، يحمي وسائد النحاس من التآكل أثناء التخزين والتجميع.

على عكس طبقة القصدير الكهربائية (التي تستخدم التيار الكهربائي) ، يضمن القصدير الغمر تغطية موحدة حتى على الأغطية الصغيرة المكتظة، مما يجعله مثاليًا لPCB عالي الكثافة.

لماذا تختار القصدير المغمورة لتصميم الـ PCB؟
تستمد شعبية القصدير الغمر من مزيجها الفريد من الأداء والعملية ، معالجة النقاط الرئيسية في تصميم PCB الحديث:
1التوافق مع المكونات الدقيقة
تستخدم أقراص PCB الحديثة بشكل متزايد أجهزة BGA ذات المسافة 0.4mm ، 01005 السلبية ، ومكونات QFNs ضيقة المسافة التي تكافح مع التشطيبات غير المتساوية مثل HASL. مسطحة القصدير الغمر:

يقلل من جسر اللحام بين الأغطية المسافة الوثيقة (فجوة 0.2 ملم أو أقل).
b. يضمن رطوبة اللحام المستمرة على الأغطية الصغيرة (0.2mm × 0.2mm) ، وتجنب "المفاصل الجافة".

وجدت دراسة أجرتها اللجنة الدولية للصين أن القصدير الغمر يقلل من عيوب اللحام بدقة 40 ٪ مقارنة بـ HASL ، مع انخفاض معدلات الجسر من 12 ٪ إلى 7 ٪ في مجموعات 0.5 ملم.

2الامتثال الخالي من الرصاص والقدرة على اللحام
يعمل القصدير الغمر بسلاسة مع اللحام الخالي من الرصاص (Sn-Ag-Cu ، أو SAC) ، والذي يتطلب درجات حرارة إعادة التدفق أعلى (245 ∼ 260 درجة مئوية) من لحام القصدير الرصاص التقليدي. وتشمل مزاياه الرئيسية في القدرة على اللحام::

الرطوبة السريعة: ينتشر اللحام على الأغطية المقوى بالقصدير في < 1 ثانية (حسب معايير IPC-TM-650) ، أسرع من ENIG المسن.
ب.مفاصل قوية: يشكّل القطن مركباً متداخلًا للمعادن (Cu6Sn5) مع النحاس، مما يضمن الاستقرار الميكانيكي والكهربائي.
c. تحمل إعادة العمل: ينجو من دورات إعادة التدفق 2 ٪ 3 دون تدهور كبير ، مفيد لإنتاج نماذج أولية أو إصلاح الميدان.

3التكلفة وكفاءة التصنيع
القصدير الغمر يصل إلى توازن بين الأداء والتكلفة:

تكاليف المواد: 30% أقل من ENIG (لا ذهب) و 20% أعلى من HASL ، ولكن مع عدد أقل من العيوب خفض تكاليف إعادة العمل.
b.سرعة المعالجة: أسرع من ENIG (5-10 دقائق لكل لوحة مقابل 15-20 دقيقة) ، تدعم الإنتاج بكميات كبيرة (10,000 وحدة / يوم).
c. التوافق مع الخطوط القياسية: يتم دمجها في سير عمل تصنيع PCB الموجودة دون معدات متخصصة.

4مقاومة للتآكل في البيئات المعتدلة
على الرغم من أنها ليست قوية مثل ENIG في الظروف القاسية ، إلا أن القصدير الغمر يوفر حماية كافية للعديد من التطبيقات:

a. يتحمل أكثر من 300 ساعة من اختبار رش الملح (ASTM B117) ، وتفوق أداء OSP (24 × 48 ساعة) ومطابقة HASL.
مقاومة للرطوبة (85% RH) لمدة 6 أشهر أو أكثر في تخزين مغلق، مناسبة للإلكترونيات الاستهلاكية والأنظمة الصناعية الداخلية.

اعتبارات تصميم حاسمة للقصدير الغمر
لتحقيق أقصى قدر من أداء القصدير المغمور، يجب أن تأخذ تصاميم الـ PCB في الاعتبار خصائصها وقيودها الفريدة.
1الهندسة والحجم
تتطلب طبقة رقيقة من القصدير الغوصي وعملية الترسب الكيميائي تصاميم خاصة للطلاء:

a. الحد الأدنى لحجم الوسادة: ≥0.2mm × 0.2mm. قد تعاني الوسادات الأصغر (على سبيل المثال، 0.15mm) من تغطية غير متساوية للقصدير، مما يؤدي إلى الأكسدة.
شكل الوسادة: تجنب الزوايا الحادة؛ استخدم وسادات مستديرة (بقطر ≥0.05mm) لمنع الاختلافات في سمك القصدير في الحواف.
c. التحول من العلامة إلى العلامة: العلامات الشحيحة إلى العلامات تدريجياً (زوايا 10 ° ∼ 15 °) لتجنب تركيز الإجهاد ، والذي يمكن أن يسبب قشر القصدير أثناء الدورة الحرارية.

2المسافات والمساحات المفتوحة
القصدير الغمر أكثر حساسية للتلوث والدائرة القصيرة من التشطيبات السميكة مثل HASL:

الفجوة بين الأقواس: ≥0.1mm للمكونات ذات الوتيرة الدقيقة للحد من خطر الجسر. بالنسبة لـ 0.4mm BGAs ، زيد الفجوة إلى 0.12mm.
ب. المسافة بين البصمة والبطاقة: ≥0.08mm لمنع "نزيف" القصدير من البطاقات إلى البصمات ، مما قد يسبب حلقات قصيرة.
c. مساحة صافية لقناع اللحام: ابقي قناع اللحام على بعد 0.05 ملم من حواف الوسادة لتجنب تغطية القصدير ، مما يضعف قابلية اللحام.

3التوافق مع المواد والعمليات
الصين الغمر يتفاعل مع مواد PCB الأخرى ، مما يتطلب اختيارا دقيقا:

أ.الملفات: تعمل مع FR4 القياسية، FR4 عالية Tg، وحتى البوليميد المرنة بدون قيود المواد.
قناع لحام: استخدم أقنعة لحام سائلة قابلة للتجفيف بالأشعة فوق البنفسجية (مثل LPISM) بدلاً من فيلم جاف ، لأن الأقنعة السائلة تلتصق بشكل أفضل بالقصدير.
c. اختيار تدفق: اختر تدفقات غير نظيفة أو منخفضة البقايا مصممة لإنهاء الصين ؛ يمكن أن تتآكل التدفقات العدوانية للصين بمرور الوقت.

4الإجهاد الحراري والميكانيكي
القصدير المغمور صلب ولكنه يمكن أن يتشقق تحت الضغط الشديد:

مناطق الانحناء (PCBات صلبة ومرنة): تجنب وضع وسائد مغلفة بالقصدير في المناطق المرنة ؛ إذا لزم الأمر ، استخدم القصدير الأكثر سمكاً (2.0 ~ 2.5μm) واصدار الانحناءات لتقليل الإجهاد.
ب. الدورة الحرارية: تصميم لحد أقصى ΔT من 125 درجة مئوية (على سبيل المثال، من -40 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية) لمنع تحلل القطن والنحاس.
c.وزن المكونات: بالنسبة للمكونات الثقيلة (مثل الموصلات) ، استخدم وسائد أكبر (≥ 1.0mm2) لتوزيع الضغط ومنع رفع وسادة.

التخفيف من قيود الغمر
كما هو الحال مع أي طلاء، فإن القصدير المغمور له نقاط ضعف يمكن معالجتها مع التصميم الاستباقي:
1" شارب الصفيح "
الشوارب من القصدير هي خيوط رقيقة موصلة يمكن أن تنمو من طبقة القصدير، مما يسبب دوائر قصيرة في أقراص PCB عالية الجهد. للحد من المخاطر:

a.سمك القصدير: الحفاظ على القصدير بين 1.0 إلى 2.0 ميكرو متراً. الطبقات الأكثر سمكاً (≥ 2.5 ميكرو متراً) تزيد من الإجهاد الداخلي، مما يعزز نمو الشارب.
ب.تخزين ما بعد الصبغ: حدد تخزين في درجة حرارة 125 درجة مئوية لمدة 24 ساعة لتخفيف الضغط في طبقة القصدير ، مما يقلل من تكوين الشارب بنسبة 90٪.
ج.طلاء مطابق: تطبيق طبقة من الاكريليك أو السيليكون بطبقة 20-30μm على المناطق المطلية بالقصدير في التطبيقات عالية المخاطر (مثل وحدات التحكم الالكتروني للسيارات).

2التآكل في البيئات الرطبة / الصناعية
القصدير الغمر عرضة للرطوبة والمواد الكيميائية. تشمل إصلاحات التصميم:

a.طلاء الحواف: حواف اللوحات PCB مع طبقة القصدير لإغلاق حواف الطبقة، ومنع دخول الرطوبة.
ب.المحاطات المغلقة: استخدم الحاويات التي تم تصنيفها على مستوى IP65 للتطبيقات الخارجية أو الرطبة (على سبيل المثال، أجهزة الاستشعار البحرية).
تجنب التعرض للكبريت: الكبريت في الغازات الصناعية يتفاعل مع القصدير، وتشكيل كبريتيد القصدير غير الموصل. استخدم طلاءات مطابقة مقاومة للكبريت إذا كان من المحتمل التعرض.

3تدهور قابلية اللحام مع مرور الوقت
تنخفض قابلية اللحام للقصدير الغوص مع التخزين الطويل. خطوات التخفيف:

a.شروط التخزين: تحديد أكياس مغلقة ضد الرطوبة مع المجففات (RH < 30٪) ومدة صلاحية 12 شهرًا.
تنظيف ما قبل التجميع: استخدم الكحول الإيزوبروبيل (IPA) لإزالة بصمات الأصابع أو الملوثات قبل اللحام.
c. التصميم للدورة السريعة: تنسيق تصنيع PCB مع جداول التجميع لاستخدام اللوحات في غضون 6 أشهر من التصفيف.

القصدير الغمر مقابل التشطيبات السطحية الأخرى
اختيار التشطيب المناسب يعتمد على احتياجات تصميمك.

التطبيقات التي يضيء فيها الغمر
الخزف المغمور يتفوق في التصميمات التي توازن بين الأداء والتكلفة والكثافة:
1إلكترونيات السيارات
أجهزة استشعار ADAS: وحدات رادار 0.5mm pitch تستفيد من مسطحة القصدير الغمر ، مما يضمن مفاصل لحام BGA الموثوق بها.
أنظمة المعلومات والترفيه: تتحمل درجات حرارة المقصورة 85 درجة مئوية وتقاوم التعرض الكيميائي البسيط (على سبيل المثال، المشروبات المنسكبة).
أنظمة إدارة البطارية (BMS): متوافقة مع الحوائط الخالية من الرصاص ، وهي حاسمة لمعايير سلامة المركبات.

2إلكترونيات المستهلك
الهواتف الذكية / الأجهزة اللوحية: يمكّن BGA من 0.4mm pitch للمعالجات ، مما يقلل من حجم اللوحة بنسبة 10 ٪ 15 ٪.
الأدوات القابلة للارتداء: تصميم رقيق وخفيف الوزن يتناسب بشكل جيد مع الحد الأدنى من سمك القماش.
وحدات التحكم في الألعاب: تتعامل مع دورات إعادة التدفق 2×3 أثناء التجميع ، مما يقلل من عيوب الإنتاج.

3التحكم الصناعي
أجهزة التشغيل الالكتروني الآلي: مقاومة لدرجات حرارة تشغيل 105 درجة مئوية والتعرض الحاد للزيت / الكيماويات.
عقدة الاستشعار: توازن التكلفة والموثوقية للمستشعرات الصناعية المتوسطة المدى (على سبيل المثال، درجة الحرارة والضغط).

اختبار PCBs القصدير الغمر
تأكيد أداء القصدير الغمر بهذه الاختبارات:

قابلية اللحام (IPC-TM-650 2.4.12): غمر المسامير في لحام عند درجة حرارة 250 درجة مئوية؛ تبلل ≥95٪ خلال ثانيتين يشير إلى قابلية لحام جيدة.
رذاذ الملح (ASTM B117): تعرض لمدة 300 ساعة مع تآكل < 5٪ يؤكد حماية كافية.
الدورة الحرارية (IPC-9701): 1000 دورة (-40 درجة مئوية إلى 125 درجة مئوية) للتحقق من قشر القصدير أو نمو الشارب.
فحص الشارب (IPC-4554): تحليل المجهر (100x) بعد 1000 ساعة من التخزين لضمان عدم وجود شارب > 10μm.

الأسئلة الشائعة
س: هل يمكن استخدام القصدير الغمر مع كل من اللحام الخالي من الرصاص والقصدير ذو الرصاص؟
الجواب: نعم، ولكنها مُحسّنة لحوائط خالية من الرصاص (Sn-Ag-Cu). يمكن أن يسبب لحام القصدير الرصاص شارب القصدير بسبب التفاعلات بين المعادن، لذلك يُنصح بالحرارة خالية من الرصاص.

السؤال: ما هو الحد الأدنى لعرض الأثر المتوافق مع القصدير الغمر؟
ج: تعمل آثار 50 ميكرومتر (0.002 ") بشكل موثوق به ، ولكنها تضمن مساحة 0.1 ملم بين العلامات والوسائد لمنع الاختصارات.

س: هل يؤثر الغمر على سلامة الإشارة عالية التردد؟
ج: ليس لها طبقة رقيقة ومتساوية لها تأثير ضئيل على الانسداد (≤1٪ تغير ل 50Ω آثار) ، مما يجعلها مناسبة لتصاميم 10GHz +.

س: كيف يستمر القصدير الغمر في التطبيقات الخارجية؟
ج: يعمل على الأجهزة الخارجية المحمية (على سبيل المثال، أجهزة تشغيل LED الخارجية) ولكن يتطلب طبقة مطابقة للتعرض المباشر للمطر / رش الملح.

س: هل يمكن استخدام القصدير الغمر على الأقراص المرنة؟
ج: نعم ‬مع سمك 1.5 ‬2.0μm من القصدير و زوايا الرصيف المستديرة لمقاومة الشقوق أثناء الانحناء.

الاستنتاج
توفر النهاية من القصدير الغمر مزيجًا مقنعًا من السطوح والقدرة على اللحام والفعالية من حيث التكلفة لتصاميم PCB الحديثة ، خاصة تلك التي تحتوي على مكونات رقيقة.من خلال اتباع أفضل الممارسات في التصميميمكن للمهندسين تخفيف قيودها، وضمان الموثوقية في تطبيقات السيارات والمستهلكين والصناعية.

على الرغم من أنها ليست مثالية للبيئات القاسية (حيث تتفوق ENIG) أو التصاميم منخفضة التكلفة للغاية (حيث يحكم HASL) ، فإن القصدير الغمر يصل إلى توازن حاسم ، مما يتيح الكثافة العالية ،الـ (بي سي بي) عالية الأداء التي تدعم التكنولوجيا الحاليةمع التصميم الدقيق والتعامل معه، فهي نهاية توفر كل من الأداء والقيمة.