HASL Finish dalam Manufaktur PCB: Proses, Kualitas, dan Aplikasi

Hot Air Solder Leveling (HASL) telah menjadi landasan akhir permukaan PCB selama beberapa dekade, dihargai karena efektifitas biaya, solderable yang andal,dan kompatibilitas dengan alur kerja manufaktur tradisionalSementara finishing yang lebih baru seperti ENIG dan tin immersion telah mendapatkan tanah dalam aplikasi pitch halus, HASL tetap menjadi pilihan untuk biaya rendah,PCB bervolume tinggi di industri mulai dari elektronik konsumen hingga kontrol industriPanduan ini mengeksplorasi proses manufaktur HASL, langkah-langkah kontrol kualitas, keuntungan dan keterbatasan,dan bagaimana ia menumpuk terhadap akhir alternatif √ memberikan wawasan penting bagi insinyur dan pembeli sama.

Hal-Hal Utama
1.HASL 30~50% lebih murah daripada ENIG dan timah perendaman, menjadikannya ideal untuk aplikasi bervolume tinggi dan sensitif biaya seperti peralatan dan mainan.
2Proses ini mendepositkan lapisan solder (tin-lead atau lead-free) 1 ‰ 25μm pada bantalan tembaga, memastikan soldering yang sangat baik untuk lubang dan komponen permukaan-mount besar.
3.HASL?? permukaan yang tidak merata (toleransi ± 10μm) membatasi penggunaannya dengan komponen pitch halus (pitch < 0.8mm), di mana risiko menjembatani meningkat sebesar 40% dibandingkan dengan finishing datar.
4.HASL bebas timbal modern (Sn-Ag-Cu) memenuhi standar RoHS tetapi membutuhkan suhu pengolahan yang lebih tinggi (250-270 °C) daripada HASL timbal timah tradisional.

Apa itu HASL Finish?
Hot Air Solder Leveling (HASL) adalah proses finishing permukaan yang melapisi bantalan PCB tembaga dengan lapisan solder cair, kemudian meratakan kelebihan menggunakan udara panas berkecepatan tinggi.Hasilnya adalah lapisan yang dapat dilas yang melindungi tembaga dari oksidasi dan memastikan sendi yang kuat selama pemasangan.

Dua Varian HASL
Tin-Lead HASL: Menggunakan paduan timah 63% tin/37% (titik leleh 183°C).meskipun masih digunakan dalam aplikasi khusus militer/aerospace dengan pengecualian.
HASL Bebas Timah: Biasanya menggunakan paduan timah-perak-tembaga (Sn-Ag-Cu, atau SAC) (titik leleh 217 ∼ 227 °C) untuk memenuhi persyaratan RoHS dan REACH.Ini adalah varian dominan dalam manufaktur PCB komersial saat ini.

Proses Manufaktur HASL
HASL melibatkan lima langkah utama, masing-masing penting untuk mencapai hasil yang seragam dan dapat dilas:
1Pengolahan pra: pembersihan dan aktivasi
Sebelum aplikasi solder, PCB menjalani pembersihan yang ketat untuk memastikan adhesi:
a.Degreasing: Penghapusan minyak, sidik jari, dan kontaminan organik menggunakan pembersih alkali atau pelarut.
b.Mikro-Etching: Etching asam ringan (misalnya, asam sulfat + hidrogen peroksida) menghilangkan 1 ‰ 2 μm dari tembaga oksida, mengekspos tembaga segar, reaktif.
c. Aplikasi fluks: Fluks larut dalam air (biasanya berbahan dasar rosin) diterapkan pada bantalan tembaga untuk mencegah re-oksidasi dan mempromosikan pembasmian solder.

2. Solder Immersion
PCB dicelupkan ke dalam air mandi dari solder cair:
a.Suhu: 250-270°C untuk HASL bebas timbal (paduan SAC) vs 200-220°C untuk timah-timah.
b.Waktu rendaman: 3 ∼ 5 detik untuk memastikan pemocotan total bantalan tembaga tanpa merusak substrat PCB (misalnya, FR4).
c. Kontrol paduan: Bath solder terus-menerus dipantau untuk komposisi (misalnya, 96,5% Sn, 3% Ag, 0,5% Cu untuk SAC305) untuk menjaga konsistensi.

3. Panas Udara Leveling
Setelah tenggelam, kelebihan pengelasan dihapus menggunakan pisau udara panas bertekanan tinggi:
a.Suhu udara: 200-250°C untuk menjaga solder cair selama perataan.
Tekanan udara: 5 ∼ 10 psi, disesuaikan berdasarkan ukuran bantalan (tekanan yang lebih tinggi untuk bantalan yang lebih besar).
c. Posisi nozel: Bersudut 30°-45° relatif terhadap permukaan PCB untuk mendistribusikan udara secara merata dan mencegah penumpukan solder di tepi.
Langkah ini menciptakan permukaan yang merata, meskipun beberapa ketidaksetaraan (± 10 μm) tetap terutama pada bantalan besar.

4. pendinginan
PCB didinginkan dengan cepat (ke suhu kamar dalam waktu < 30 detik) dengan menggunakan udara atau kabut air yang dipaksa:
a. Mencegah solder dari mengalir kembali ke area non-pad.
b.Memastikan permukaan yang halus dan mengkilap dengan meminimalkan oksidasi selama pengerasan.

5Pasca-perawatan: Penghapusan Flux
Aliran residu dibersihkan dengan menggunakan:
a.Biarkan air hangat: Untuk aliran larut dalam air.
b.Pembersihan dengan pelarut: Untuk fluks berbasis rosin (kurang umum saat ini karena peraturan lingkungan).
Pembersihan yang tepat sangat penting. Sisa fluks dapat menyebabkan korosi atau kebocoran listrik jika dibiarkan di papan.

Kontrol Kualitas dalam Manufaktur HASL
Kualitas HASL yang konsisten membutuhkan kontrol proses yang ketat untuk menghindari cacat umum:
1. Ketebalan Solder
Jangkauan target: 1 25 μm (biasanya 5 15 μm untuk sebagian besar aplikasi).
Terlalu Nipis (<1μm): Risiko oksidasi tembaga dan soldebility yang buruk.
Terlalu tebal (> 25μm): menyebabkan permukaan yang tidak merata dan jembatan pada komponen dengan pitch halus.
Metode pengukuran: fluoresensi sinar-X (XRF) atau mikroskop transversal.

2. Pembasmian dan Penutup
Kriteria penerimaan: ≥95% dari area pad harus ditutupi dengan solder (tidak ada bintik-bintik tembaga telanjang).
Masalah Umum:
Non-Wetting: Manik-manik solder pada bantalan karena pembersihan yang buruk atau tembaga teroksidasi.
Penghapusan Kelembaban: Solder awalnya basah tetapi menarik kembali, meninggalkan area kosong yang disebabkan oleh kontaminasi fluks atau suhu mandi yang tinggi.

3. Karat permukaan
Toleransi maksimum: ±10μm (diukur dengan profilometri).
Risiko Kerontokan yang Terlalu Banyak:
Jembatan dalam komponen pitch halus (0,8 mm pitch atau lebih kecil).
Pengendapan pasta solder yang tidak konsisten selama pemasangan.

4. Integritas paduan
Pengujian: Spektroskopi untuk memverifikasi komposisi solder (misalnya, perak 3% dalam SAC305).
Masalah: Rasio paduan yang salah dapat menurunkan titik leleh, menyebabkan kegagalan sendi solder selama aliran kembali.

Keuntungan dari HASL Finish
Popularitas HASL berasal dari manfaat praktisnya untuk aplikasi tertentu:
1. Biaya Rendah
Biaya Bahan: Paduan solder (Sn-Ag-Cu) lebih murah daripada emas (ENIG) atau timah dengan kemurnian tinggi (timah perendaman).
Efisiensi Pengolahan: Jalur HASL beroperasi pada throughput tinggi (100+ papan / jam), mengurangi biaya tenaga kerja per unit.
Total Cost: 30~50% lebih murah daripada ENIG dan 20~30% lebih murah daripada tin immersion untuk run volume tinggi (10.000 unit +).

2. Soldability yang sangat baik
Kecepatan pembasmian: Pasta solder mengalir dengan cepat di atas bantalan yang dilapisi HASL, dengan waktu pembasmian <1,5 detik (standar IPC-TM-650).
Kompatibilitas rework: bertahan 3 ′′5 siklus reflow tanpa degradasi ′′lebih dari OSP (1 ′′2 siklus).
Kinerja melalui lubang: Ideal untuk komponen melalui lubang, karena solder mengisi lubang secara seragam selama mencelup.

3. Daya tahan
Ketahanan Korosi: Tahan 200~300 jam pengujian semprotan garam (ASTM B117) lebih baik dari OSP (<100 jam) dan cukup untuk aplikasi dalam ruangan.
Kekuatan Mekanis: Lapisan solder tebal (515μm) tahan abrasi selama penanganan, mengurangi risiko kerusakan dibandingkan dengan finishing tipis seperti timah perendaman.

4. Kompatibilitas dengan Proses Standar
Bekerja dengan semua substrat PCB umum (FR4, high-Tg FR4, CEM-1).
Terintegrasi dengan mulus ke dalam lini manufaktur tradisional tanpa peralatan khusus.

Keterbatasan HASL Finish
Kelemahan HASL membuat tidak cocok untuk desain PCB modern tertentu:
1. Flatness yang buruk untuk komponen halus-pitch
Variasi permukaan: Toleransi ±10μm menciptakan “puncak dan lembah” pada pad, meningkatkan risiko jembatan di:
0.8mm pitch QFP (tingkat jembatan 15~20% vs 5% dengan tin immersion).
0.5mm pitch BGA (hampir tidak dapat dikelola dengan HASL).

2. Tekanan termal pada PCB
HASL bebas timbal dengan suhu pengolahan yang tinggi (250-270°C) dapat:
Warp PCB tipis (< 0,8 mm tebal).
Menurunkan substrat yang sensitif terhadap panas (misalnya, beberapa bahan fleksibel).
Penyebab delaminasi pada papan multi-lapisan dengan kualitas laminasi yang buruk.

3. Tantangan Bebas Timah
Titik Peleburan yang Lebih Tinggi: Paduan SAC membutuhkan suhu aliran balik yang lebih tinggi (245-260 °C) selama perakitan, meningkatkan tekanan pada komponen.
Risiko membosankan: HASL bebas timbal lebih rentan terhadap “bulling” (penyelesaian matte) karena oksidasi, yang dapat menutupi masalah basah selama inspeksi.

4. Masalah Lingkungan dan Keselamatan
Pengolahan Limbah: Limbah solder (lebih banyak solder yang mengeras) membutuhkan pembuangan khusus.
Keselamatan pekerja: Suhu tinggi dan asap fluks membutuhkan ventilasi yang ketat dan PPE (perlengkapan perlindungan pribadi).

HASL vs. Akhir PCB Lainnya

Aplikasi ideal untuk HASL
HASL tetap pilihan terbaik untuk:
1Elektronik Konsumen Berbiaya Rendah
Peralatan: Kulkas, microwave, dan mesin cuci menggunakan PCB pad besar (sampel ≥ 1 mm) di mana penghematan biaya HASL paling penting.
Mainan dan Gadget: Produk bervolume tinggi dan margin rendah mendapat manfaat dari keterjangkauan harga dan keandalan yang cukup dari HASL.

2. Kontrol Industri (Bukan Pitch Fine)
Pengontrol motor: Komponen melalui lubang dan perangkat pemasangan permukaan besar (≥ 1206 pasif) bekerja dengan baik dengan HASL.
Sumber Daya: Pad tembaga tebal (untuk arus tinggi) mudah dilapisi dengan HASL, memastikan sendi solder yang baik.

3Militer dan Aerospace (Tin-Lead HASL)
Dibebaskan dari pembatasan RoHS, HASL tin-lead digunakan dalam sistem lama yang membutuhkan keandalan jangka panjang dan kompatibilitas dengan solder timah.

4. Prototyping dan Low-Volume Runs
Batch kecil (10-100 unit) mendapat manfaat dari turnaround cepat HASL dan biaya instalasi yang rendah dibandingkan dengan ENIG.

Praktik Terbaik untuk Menggunakan HASL
Untuk memaksimalkan kinerja HASL, ikuti pedoman ini:

1. Desain untuk HASL
Ukuran Pad Minimal: ≥ 0,6 mm × 0,6 mm untuk memastikan cakupan solder yang seragam.
Pitch: Hindari komponen pitch <0,8 mm; jika perlu, tingkatkan jarak antara pad-to-pad menjadi 0,2 mm.
Desain lubang tembus: Gunakan lubang tembus dilapisi (PTH) dengan diameter ≥ 0,3 mm untuk pengisian solder yang dapat diandalkan.

2. Menentukan persyaratan kualitas
Ketebalan solder: 5 ‰ 15 μm untuk sebagian besar aplikasi.
Kelembaban: Membutuhkan cakupan bantalan ≥95% (per IPC-A-610 Kelas 2).
Perbaikan permukaan: Tentukan HASL yang cerah (versus kusam) untuk memastikan komposisi paduan yang tepat dan penghapusan fluks.

3Pertimbangan Majelis
Paste Solder: Gunakan Paste Tipe 3 atau 4 (partikel yang lebih halus) untuk mengakomodasi ketidakseimbangan permukaan.
Profil aliran balik: Untuk HASL bebas timbal, gunakan ramping lambat (2°C/detik) hingga suhu puncak 250°C.
Inspeksi: Gunakan AOI (Automated Optical Inspection) untuk mendeteksi jembatan di komponen pitch hampir halus (0,8 ∼1,0 mm pitch).

Pertanyaan Umum
T: Apakah HASL bebas timbal sama dapat diandalkannya dengan HASL tin-lead?
A: Ya, bila diproses dengan benar. HASL bebas timbal (SAC) menawarkan solder yang sama dan ketahanan korosi yang sedikit lebih baik, meskipun membutuhkan suhu perakitan yang lebih tinggi.

T: Dapatkah HASL digunakan dengan PCB berkecepatan tinggi?
A: Terbatas. Permukaannya yang tidak merata dapat menyebabkan variasi impedansi dalam sinyal 10Gbps +, membuat ENIG atau tin immersi lebih baik untuk desain frekuensi tinggi.

T: Apa yang menyebabkan HASL?
A: Es batu terbentuk ketika tekanan udara panas terlalu rendah, meninggalkan leleh berlebih di tepi bantalan.

T: Berapa lama umur HASL?
A: 12+ bulan dalam kemasan tertutup dengan pengering, mirip dengan tin dan ENIG.

T: Apakah HASL kompatibel dengan lapisan konformal?
A: Ya, tetapi pastikan penghapusan fluks penuh terlebih dahulu. residu dapat menyebabkan masalah adhesi lapisan.

Kesimpulan
HASL finish tetap menjadi pilihan yang layak dan hemat biaya untuk PCB dengan bantalan besar, komponen lubang, dan persyaratan biaya rendah.keandalan, mudah dijual, dan terjangkau membuatnya sangat diperlukan dalam elektronik konsumen, kontrol industri, dan sistem lama.
Ketika teknologi PCB berkembang, HASL akan hidup berdampingan dengan finishing yang lebih baru seperti ENIG dan tin immersion yang masing-masing melayani ceruk yang berbeda.memahami kekuatan dan keterbatasan HASL memastikan bahwa ia digunakan di mana ia memberikan nilai tambah yang paling besar: aplikasi bervolume tinggi dan sensitif terhadap biaya di mana persyaratan kinerja selaras dengan kemampuannya.
Pada akhirnya, umur panjang HASL dalam industri ini berbicara tentang kepraktisan-nya. Sebuah bukti untuk pepatah bahwa kadang-kadang, solusi yang terbukti bertahan lebih lama daripada alternatif baru dalam konteks yang tepat.