Immersion Tin Finish in PCB Design: Best Practices, Ontwerpoverwegingen en Prestaties

Door klanten geautoriseerde afbeeldingen

Immersion tin is naar voren gekomen als een veelzijdige oppervlakteafwerking voor PCB's, die kosten, soldeerbaarheid en compatibiliteit met componenten met fijne pitch in evenwicht brengt - waardoor het een favoriet is in industrieën van de auto-industrie tot consumentenelektronica. In tegenstelling tot ENIG (goudgebaseerd) of HASL (soldeergebaseerd) afwerkingen, gebruikt immersion tin een chemisch afzettingsproces om een dunne, uniforme laag puur tin op koperen pads te creëren, wat unieke voordelen biedt voor moderne PCB-ontwerpen. Het benutten van de voordelen vereist echter zorgvuldige ontwerpkeuzes, van padgeometrie tot opslagprotocollen. Deze gids duikt in de nuances van immersion tin in PCB-ontwerp, waarbij belangrijke overwegingen, valkuilen om te vermijden en de vergelijking met andere afwerkingen worden behandeld.

Belangrijkste punten
  1. Immersion tin biedt een vlak, soldeerbaar oppervlak dat ideaal is voor componenten met een pitch van 0,4 mm, waardoor soldeerbruggen met 50% worden verminderd in vergelijking met HASL.
  2. Ontwerpvoorschriften voor immersion tin omvatten minimale padgroottes (≥0,2 mm), grotere afstand tussen sporen en pads (≥0,1 mm) en compatibiliteit met loodvrije soldeersels (Sn-Ag-Cu).
  3. Het biedt een kosteneffectieve middenweg: 30% goedkoper dan ENIG maar 20% duurder dan HASL, met een houdbaarheid van 12+ maanden in gecontroleerde opslag.
  4. Een goed ontwerp vermindert risico's zoals tinwhiskers en padcorrosie, waardoor de betrouwbaarheid in industriële en automotive toepassingen wordt gewaarborgd.

Wat is Immersion Tin-afwerking?
Immersion tin is een chemisch immersieproces dat een dunne laag (0,8–2,5 µm) puur tin afzet op koperen PCB-pads zonder elektriciteit te gebruiken. Het proces berust op een redoxreactie: koperatomen op het PCB-oppervlak lossen op in de platingoplossing, terwijl tinionen in de oplossing worden gereduceerd en op het blootgestelde koper worden geplateerd. Dit creëert een:

Vlak oppervlak (±3 µm tolerantie), cruciaal voor componenten met fijne pitch zoals BGA's en QFN's.
Soldeerbare laag die sterke intermetallische verbindingen vormt met soldeer tijdens reflow.
Barrière tegen oxidatie, die koperen pads beschermt tegen corrosie tijdens opslag en assemblage.

In tegenstelling tot elektrolytisch vertinnen (dat een elektrische stroom gebruikt), zorgt immersion tin voor een uniforme dekking, zelfs op kleine, dicht opeengepakte pads - waardoor het ideaal is voor PCB's met hoge dichtheid.

Waarom kiezen voor Immersion Tin voor PCB-ontwerp?
De populariteit van immersion tin komt voort uit de unieke combinatie van prestaties en praktische bruikbaarheid, die belangrijke pijnpunten in modern PCB-ontwerp aanpakt:
1. Compatibiliteit met componenten met fijne pitch
Moderne PCB's gebruiken steeds vaker BGA's met een pitch van 0,4 mm, passieven van 01005 en QFN's met smalle pitch - componenten die moeite hebben met ongelijke afwerkingen zoals HASL. De vlakheid van immersion tin:

   a. Vermindert soldeerbruggen tussen nauw op elkaar geplaatste pads (0,2 mm opening of minder).
   b. Zorgt voor consistente soldeerbevochtiging op kleine pads (0,2 mm × 0,2 mm), waardoor "droge verbindingen" worden voorkomen.

   c. Een studie van de IPC wees uit dat immersion tin defecten bij het solderen met fijne pitch met 40% vermindert in vergelijking met HASL, waarbij het aantal bruggen daalt van 12% naar 7% in assemblages met een pitch van 0,5 mm.

2. Loodvrije naleving en soldeerbaarheid
Immersion tin werkt naadloos samen met loodvrije soldeersels (Sn-Ag-Cu, of SAC), die hogere reflowtemperaturen (245–260°C) vereisen dan traditioneel tin-loodsoldeer. De belangrijkste voordelen voor de soldeerbaarheid zijn:

   a. Snel bevochtigen: Soldeer verspreidt zich over vertinde pads in<1 second (per IPC-TM-650 standards), faster than aged ENIG.
   b. Sterke verbindingen: Tin vormt een betrouwbare intermetallische verbinding (Cu₆Sn₅) met koper, wat zorgt voor mechanische en elektrische stabiliteit.
   c. Herwerkings tolerantie: Overleeft 2–3 reflowcycli zonder significante degradatie, handig voor prototyping of reparaties ter plaatse.

3. Kosten en productie-efficiëntie
Immersion tin vindt een evenwicht tussen prestaties en kosten:

   a. Materiaalkosten: 30% lager dan ENIG (geen goud) en 20% hoger dan HASL, maar met minder defecten, waardoor de herwerkkosten worden verlaagd.
   b. Verwerkingssnelheid: Sneller dan ENIG (5–10 minuten per bord versus 15–20 minuten), wat de productie van grote volumes (10.000+ eenheden/dag) ondersteunt.
   c. Compatibiliteit met standaardlijnen: Integreert in bestaande PCB-productieworkflows zonder gespecialiseerde apparatuur.

4. Corrosiebestendigheid voor gematigde omgevingen
Hoewel niet zo robuust als ENIG in extreme omstandigheden, biedt immersion tin voldoende bescherming voor veel toepassingen:

   a. Bestand tegen 300+ uur zoutsproeitesten (ASTM B117), wat beter presteert dan OSP (24–48 uur) en overeenkomt met HASL.
   b. Bestand tegen vochtigheid (85% RV) gedurende 6+ maanden in verzegelde opslag, geschikt voor consumentenelektronica en industriële systemen binnenshuis.

Kritieke ontwerpoverwegingen voor Immersion Tin
Om de prestaties van immersion tin te maximaliseren, moeten PCB-ontwerpen rekening houden met de unieke eigenschappen en beperkingen.
1. Padgeometrie en -afmetingen
De dunne laag en het chemische afzettingsproces van immersion tin vereisen specifieke padontwerpen:

   a. Minimale padgrootte: ≥0,2 mm × 0,2 mm. Kleinere pads (bijv. 0,15 mm) kunnen last hebben van ongelijke tinbedekking, wat tot oxidatie leidt.
   b. Padvorm: Vermijd scherpe hoeken; gebruik afgeronde pads (radius ≥0,05 mm) om variaties in de tindikte aan de randen te voorkomen.
   c. Overgang van spoor naar pad: Laat sporen geleidelijk in pads taps toelopen (10°–15° hoeken) om spanningsconcentratie te voorkomen, wat kan leiden tot het afbladderen van tin tijdens thermische cycli.

2. Afstand en spelingen
Immersion tin is gevoeliger voor verontreiniging en kortsluiting dan dikkere afwerkingen zoals HASL:

   a. Afstand tussen pads: ≥0,1 mm voor componenten met fijne pitch om het risico op bruggen te verminderen. Voor BGA's met een pitch van 0,4 mm, vergroot de afstand tot 0,12 mm.
   b. Afstand tussen spoor en pad: ≥0,08 mm om te voorkomen dat tin van pads naar sporen "bloedt", wat kortsluiting kan veroorzaken.
  c. Speling van soldeermasker: Houd het soldeermasker 0,05 mm weg van padranden om te voorkomen dat tin wordt bedekt, wat de soldeerbaarheid vermindert.

3. Compatibiliteit met materialen en processen
Immersion tin interageert met andere PCB-materialen, wat een zorgvuldige selectie vereist:

   a. Substraten: Werkt met standaard FR4, high-Tg FR4 en zelfs flexibel polyimide - geen materiaalbeperkingen.
   b. Soldeermasker: Gebruik UV-uithardende vloeibare soldeermaskers (bijv. LPISM) in plaats van droge film, omdat vloeibare maskers beter hechten aan tin.
   c. Fluxselectie: Kies no-clean of fluxen met lage residuen die zijn ontworpen voor tin-afwerkingen; agressieve fluxen kunnen tin na verloop van tijd aantasten.

4. Thermische en mechanische spanning
Immersion tin is ductiel, maar kan barsten onder extreme spanning:

   a. Buigzones (rigide-flex PCB's): Plaats geen vertinde pads in flexgebieden; gebruik indien nodig dikker tin (2,0–2,5 µm) en radiusbochten om de spanning te verminderen.
   b. Thermische cycli: Ontwerp voor een maximale ΔT van 125°C (bijv. -40°C tot 85°C) om delaminatie van tin-koper te voorkomen.
   c. Componentgewicht: Gebruik voor zware componenten (bijv. connectoren) grotere pads (≥1,0 mm²) om de spanning te verdelen en het optillen van pads te voorkomen.

De beperkingen van Immersion Tin verminderen
Zoals elke afwerking heeft immersion tin zwakke punten - aan te pakken met proactief ontwerp:
1. Tinwhiskers
Tinwhiskers zijn dunne, geleidende filamenten die uit de tinlaag kunnen groeien en kortsluiting kunnen veroorzaken in PCB's met hoge spanning. Om het risico te minimaliseren:

   a. Tindikte: Houd tin tussen 1,0–2,0 µm. Dikkere lagen (≥2,5 µm) verhogen de interne spanning, waardoor de groei van whiskers wordt bevorderd.
   b. Bakken na het plateren: Specificeer een bak van 125°C gedurende 24 uur om de spanning in de tinlaag te verminderen, waardoor de vorming van whiskers met 90% wordt verminderd.
   c. Conforme coating: Breng een laag van 20–30 µm acryl- of siliconencoating aan over vertinde gebieden in risicovolle toepassingen (bijv. automotive ECU's).

2. Corrosie in vochtige/industriële omgevingen
Immersion tin is kwetsbaar voor vocht en chemicaliën. Ontwerpfixes omvatten:

   a. Randplateren: Plateer PCB-randen met tin om laagranden af te dichten, waardoor het binnendringen van vocht wordt voorkomen.
   b. Verzegelde behuizingen: Gebruik IP65-geclassificeerde behuizingen voor buitentoepassingen of vochtige toepassingen (bijv. maritieme sensoren).
   c. Vermijd blootstelling aan zwavel: Zwavel in industriële gassen reageert met tin en vormt niet-geleidend tinsulfide. Gebruik zwavelbestendige conforme coatings als blootstelling waarschijnlijk is.

3. Degradatie van de soldeerbaarheid in de loop van de tijd
De soldeerbaarheid van immersion tin neemt af bij langdurige opslag. Mitigatiestappen:

   a. Opslagomstandigheden: Specificeer verzegelde vochtbarrièrezakken met droogmiddelen (RV<30%) en een houdbaarheid van 12 maanden.
   b. Reiniging vóór assemblage: Gebruik isopropylalcohol (IPA) om vingerafdrukken of verontreinigingen te verwijderen voordat u soldeert.
   c. Ontwerp voor snelle omzet: Stem de PCB-fabricage af op de assemblageschema's om borden binnen 6 maanden na het plateren te gebruiken.

Immersion Tin versus andere oppervlakteafwerkingen
Het kiezen van de juiste afwerking hangt af van de behoeften van uw ontwerp. Hier is hoe immersion tin zich verhoudt:

Toepassingen waar Immersion Tin uitblinkt
Immersion tin blinkt uit in ontwerpen die prestaties, kosten en dichtheid in evenwicht brengen:
1. Automotive-elektronica
ADAS-sensoren: radarmodules met een pitch van 0,5 mm profiteren van de vlakheid van immersion tin, waardoor betrouwbare BGA-soldeerverbindingen worden gegarandeerd.
Infotainmentsystemen: Bestand tegen cabinetemperaturen van 85°C en bestand tegen kleine chemische blootstelling (bijv. gemorste drankjes).
Batterijbeheersystemen (BMS): Compatibel met loodvrije soldeersels, cruciaal voor EV-veiligheidsnormen.

2. Consumentenelektronica
Smartphones/tablets: Maakt BGA's met een pitch van 0,4 mm voor processors mogelijk, waardoor de bordgrootte met 10–15% wordt verminderd.
Wearables: Dun, lichtgewicht ontwerp past goed bij de minimale dikte van immersion tin.
Gameconsoles: Verwerkt 2–3 reflowcycli tijdens de assemblage, waardoor productiedefecten worden verminderd.

3. Industriële besturingen
PCB's voor fabrieksautomatisering: Bestand tegen bedrijfstemperaturen van 105°C en af en toe blootstelling aan olie/chemicaliën.
Sensorknopen: Brengt kosten en betrouwbaarheid in evenwicht voor industriële sensoren van gemiddelde kwaliteit (bijv. temperatuur, druk).

Immersion Tin PCB's testen
Valideer de prestaties van immersion tin met deze tests:

Soldeerbaarheid (IPC-TM-650 2.4.12): Dompel pads in soldeer van 250°C; ≥95% bevochtiging binnen 2 seconden duidt op goede soldeerbaarheid.
Zoutsproeitest (ASTM B117): 300 uur blootstelling met<5% corrosie bevestigt voldoende bescherming.
Thermische cycli (IPC-9701): 1.000 cycli (-40°C tot 125°C) om te controleren op het afbladderen van tin of de groei van whiskers.
Whiskers-inspectie (IPC-4554): Microscopische analyse (100x) na 1.000 uur opslag om ervoor te zorgen dat er geen whiskers >10 µm zijn.

Veelgestelde vragen
V: Kan immersion tin worden gebruikt met zowel loodvrije als tin-loodsoldeersels?
A: Ja, maar het is geoptimaliseerd voor loodvrije (Sn-Ag-Cu) soldeersels. Tin-loodsoldeer kan tinwhiskers veroorzaken als gevolg van intermetallische reacties, dus loodvrij wordt aanbevolen.

V: Wat is de minimale spoorbreedte die compatibel is met immersion tin?
A: 50 µm (0,002") sporen werken betrouwbaar, maar zorg voor 0,1 mm speling tussen sporen en pads om kortsluiting te voorkomen.

V: Heeft immersion tin invloed op de signaalintegriteit met hoge frequentie?
A: Nee - de dunne, uniforme laag heeft minimale impact op de impedantie (≤1% variatie voor 50Ω sporen), waardoor het geschikt is voor ontwerpen van 10 GHz+.

V: Hoe houdt immersion tin stand in buitentoepassingen?
A: Het werkt voor beschutte buitenapparaten (bijv. LED-drivers voor buiten), maar vereist een conforme coating voor directe blootstelling aan regen/zoutsproeien.

V: Kan immersion tin worden gebruikt op flexibele PCB's?
A: Ja - met een tindikte van 1,5–2,0 µm en afgeronde padhoeken om barsten tijdens het buigen te weerstaan.

Conclusie
Immersion tin-afwerking biedt een aantrekkelijke mix van vlakheid, soldeerbaarheid en kosteneffectiviteit voor moderne PCB-ontwerpen, met name die met componenten met fijne pitch. Door de beste ontwerppraktijken te volgen - de juiste padgrootte, afstand en materiaalcompatibiliteit - kunnen ingenieurs de beperkingen ervan verminderen, waardoor de betrouwbaarheid in automotive-, consumenten- en industriële toepassingen wordt gewaarborgd.

Hoewel niet ideaal voor extreme omgevingen (waar ENIG uitblinkt) of ultra-goedkope ontwerpen (waar HASL de boventoon voert), vindt immersion tin een cruciale balans, waardoor de PCB's met hoge dichtheid en hoge prestaties die de technologie van vandaag aandrijven, mogelijk worden. Met zorgvuldig ontwerp en handling is het een afwerking die zowel prestaties als waarde levert.