Leitfaden zur Oberflächenveredelung von Leiterplatten für 7 gängige Optionen

Was ist eine PCB-Oberflächenbehandlung?

Unter PCB-Oberflächenbehandlung versteht man die Metallverbindung zwischen dem blanken Kupfer der Leiterplatte und dem lötbaren Bereich der Komponenten. Eine Leiterplatte hat eine Kupferbasisoberfläche, die ohne Schutzbeschichtung anfällig für Oxidation ist, weshalb eine Oberflächensauberkeit erforderlich ist.

Die PCB-Oberflächenbehandlung ist ein entscheidender Schritt im PCB-Herstellungs- und Montageprozess und erfüllt zwei Hauptfunktionen: den Schutz der freiliegenden Kupferschaltkreise und die Bereitstellung einer lötbaren Oberfläche für Komponenten zur Befestigung an der PCB. Die Oberflächenbehandlung erfolgt auf der äußersten Schicht der Leiterplatte, oberhalb der Kupferschichten, und dient als „Beschichtung“ für das Kupfer.

Arten der PCB-Oberflächenbehandlung

Heißluftlotnivellierung (HASL)
Verzinnung (Tauchzinn)
Chemisches Nickel-Immersionsgold (ENIG)
Organische Lötbarkeitsschutzmittel (OSP)
Immersionssilber (ImAg)
Chemisch Nickel Chemisch Palladium Immersionsgold (ENEPIG)
Hartgold (elektrolytisches Hartgold)

PCB-Oberflächenbehandlungsprozesse

Heißluftlotnivellierung (HASL)

HASL ist eine der am häufigsten verwendeten Oberflächenbehandlungsmethoden in der Branche. Es gibt zwei Ausführungen: eine mit Blei-Zinn und eine ohne. HASL ist auch eine der günstigsten verfügbaren Arten der PCB-Oberflächenbehandlung.

Um eine glatte HASL-Oberfläche zu erreichen, wird die Leiterplatte in geschmolzenes Lot (Zinn/Blei) getaucht, das alle freiliegenden Kupferoberflächen der Platine bedeckt. Nach dem Verlassen des geschmolzenen Lots wird Heißluft mit hohem Druck durch ein Luftmesser über die Oberfläche geblasen, wodurch die Lotablagerungen geglättet und überschüssiges Lot von der Leiterplattenoberfläche entfernt wird.

Wichtige Parameter, die während dieses Prozesses kontrolliert werden müssen, sind Löttemperatur, Luftmessertemperatur, Luftmesserdruck, Eintauchzeit, Abhebegeschwindigkeit und mehr.

Vorteile von HASL:

• Reichhaltiges Angebot
• Nacharbeitbar
• Hervorragende Haltbarkeit
• Hervorragende Lötbarkeit
• Günstig/niedrige Kosten
• Ermöglicht ein größeres Verarbeitungsfenster
• Längere Lagerzeit
• Nach Fertigstellung der Leiterplatte werden die Pads vor dem Löten vollständig mit Zinn bedeckt
• Geeignet für bleifreies Löten
• Ausgereifte Auswahl an Oberflächenbehandlungen
• Ermöglicht visuelle Inspektion und elektrische Messungen

Nachteile von HASL:

• Unebene Oberfläche
• Nicht geeignet für Fine-Pitch
• Enthält Blei (HASL)
• Wärmeschock
• Lötbrücken
• Verstopfter oder reduzierter PTH (plattiertes Durchgangsloch)
• Unterschiede in der Dicke/im Aussehen zwischen großen und kleinen Pads
• Nicht geeignet für SMD und BGA kleiner als 2000 Millionstel Zoll
• Nicht für HDI-Produkte geeignet
• Nicht für Drahtbonden geeignet

Verzinnung (Tauchzinn)

Immersionszinn (ImSn) ist ein Metallfinish, das durch eine chemische Verdrängungsreaktion direkt auf dem Grundmetall einer Leiterplatte, also Kupfer, abgeschieden wird. ISn schützt das darunter liegende Kupfer innerhalb der erwarteten Haltbarkeitsdauer vor Oxidation. Da alle Lote auf Zinn basieren, kann die Zinnschicht zu jeder Art von Lot passen.

Durch die Zugabe organischer Zusätze zur Zinnimmersionslösung wird die Zinnschichtstruktur körnig, wodurch die Probleme von Zinnwhiskern und Zinnmigration überwunden werden und gleichzeitig eine gute thermische Stabilität und Lötbarkeit erreicht wird. Durch den Zinnimmersionsprozess kann eine flache intermetallische Kupfer-Zinn-Verbindung gebildet werden. Dadurch ist es gut lötbar, ohne Probleme mit der Ebenheit und der Diffusion intermetallischer Verbindungen.

Vorteile der Verzinnung:

• Hervorragende Ebenheit (geeignet für SMT), geeignet für Fine Pitch/BGA/kleine Komponenten
• Bleifreie Oberflächenbehandlungstechnologie mit mittleren Kosten
• Geeignete Presssauberkeit
• Behält auch nach mehreren thermischen Belastungen eine gute Lötbarkeit bei
• Geeignet für horizontale Produktionslinien
• Geeignet für die Bearbeitung feiner Geometrien, bleifreie Montage

Nachteile der Verzinnung:

• Empfindlich bei der Handhabung
• Kurze Haltbarkeit, Zinnwhisker nach 6 Monaten
• Korrodiert die Lötmaskenschichten
• Nicht für die Verwendung mit abziehbaren Masken empfohlen
• Keine geeignete Wahl für Touch-Schalter
• Elektrische Tests erfordern eine spezielle Einrichtung (weiche Sondenlandung).

Chemisches Nickel-Immersionsgold (ENIG)

Die ENIG-Oberflächenbehandlung (Electroless Nickel Immersion Gold) war schon immer die beste Option für feine (flache) Oberflächen und bleifreie Optionen.
ENIG ist ein zweistufiger Prozess, bei dem eine dünne Nickelschicht über die Kupferschicht aufgetragen und diese dann mit einer dünnen Goldschicht bedeckt wird. Nickel fungiert als Barriere für Kupfer und ist die Oberfläche, auf der die Komponenten tatsächlich verlötet werden, während Gold Nickel während der Lagerung schützt.

Chemisches Nickel-Immersionsgold (ENIG)

Die innere Schichtdicke von Ni beträgt im Allgemeinen 3–6 μm und die äußere Schichtdicke von Au beträgt im Allgemeinen 0.05–0.1 μm.

Ni bildet eine Barriereschicht zwischen Lot und Kupfer.

Die Rolle von Au besteht darin, die Oxidation von Ni während der Lagerung zu verhindern und so die Haltbarkeit zu verlängern. Der Vergoldungsprozess sorgt jedoch auch für eine hervorragende Ebenheit der Oberfläche.

Der Verarbeitungsablauf von ENIG ist wie folgt: Reinigung -> Ätzen -> Katalysator -> Chemisches Nickel -> Vergolden -> Rückstandsreinigung

Obwohl dieser Beschichtungsprozess eine lange Haltbarkeit hat und für die Galvanisierung von Durchgangslöchern vorteilhaft ist, handelt es sich um einen komplexen und teuren Prozess, der nicht nachbearbeitbar ist und bekanntermaßen Verluste in Signal-HF-Schaltkreisen verursacht.

Vorteile von ENIG:

Ebene Fläche
Bleifrei
Geeignet für PTH (Durchkontaktierung)
Lange Haltbarkeit

Nachteile von ENIG:

Teuer
Nicht nacharbeitbar
Schwarzes Polster/schwarzes Nickel
Schaden durch Außerirdische
Signalverlust (RF)
Komplexer Prozess

Organische Lötbarkeitsschutzmittel (OSP)

OSP (Organic Solderability Preservatives) oder Korrosionsschutzmittel werden typischerweise mit einem Fließbandverfahren auf freiliegendes Kupfer aufgetragen und schützen die Kupferoberfläche mit einer sehr dünnen Materialschicht vor Oxidation.

Dieser Film muss Eigenschaften wie Antioxidationsfähigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit aufweisen, um die Kupferoberfläche unter normalen Bedingungen vor Rost (Oxidation oder Sulfidierung usw.) zu schützen.

Beim anschließenden Hochtemperaturlöten muss dieser Schutzfilm jedoch durch das Flussmittel leicht und schnell entfernt werden, damit sich die saubere Kupferoberfläche sofort mit dem geschmolzenen Lot verbindet und in kürzester Zeit eine feste Verbindung entsteht.

Mit anderen Worten: OSP fungiert als Barriere zwischen Kupfer und Luft.

Der allgemeine OSP-Prozess ist: Entfetten -> Mikroätzen -> Säurewaschen -> Spülen mit reinem Wasser -> organische Beschichtung -> Reinigen.

Vorteile von OSP:

• Ebene Fläche
• Einfaches Verfahren, sehr glatte Oberfläche, geeignet für bleifreies Löten und SMT
• Wiederbearbeitbar, geeignet für horizontale Produktionslinien
• Kosteneffiziente Lösung
• Umweltfreundlichkeit

Nachteile von OSP:

• Die Dicke kann nicht gemessen werden
• Nicht geeignet für PTH (Durchkontaktierung)
• Kurze Haltbarkeit
• Kann IKT-Probleme verursachen
• Freiliegendes Kupfer bei der Endmontage
• Sensible Verarbeitung
• Kann nicht mehr als zweimal gelötet (nachbearbeitet) werden
• Nicht geeignet für Einpresstechnik und Drahtbindung
• Unbequem für visuelle und elektrische Tests

Immersionssilber (ImAg)

Immersionssilber wird auf Kupfer-Leiterplatten aufgebracht, indem diese mithilfe einer nicht-elektrolytischen chemischen Oberflächenbehandlung in einen Silberionentank getaucht werden. Es ist eine ideale Wahl für Leiterplatten mit EMI-Abschirmung und wird auch in Kommunikationsgeräten verwendet.

Diese Methode eignet sich besonders für Schaltkreise mit Mikrowellenfrequenzen und Übertragungsleitungen.

Das Eintauchen in Silber sorgt für eine flache, lötbare Oberfläche und hervorragende elektrische Eigenschaften. Das Silbertauchverfahren kann auf einer Vielzahl von Leiterplatten eingesetzt werden, darunter starre und flexible Leiterplatten.

Der allgemeine Prozess des Eintauchens von Silber ist: Entfetten -> Mikroätzen -> Silberabscheidung -> Spülen.

Vorteile von Immersionssilber:

• Geeignet für feine Tonhöhe
• Geeignet für horizontale Produktionslinien
• Gut für bleifreie Montage, gute Lötbarkeit und geeignet für SMT
• Flatness
• Lange Haltbarkeit, gut für doppelseitige Tafeln, Drahtbindung, geeignet für IKT
• Gut geeignet, die Signalqualität in Hochfrequenzschaltungen aufrechtzuerhalten

Nachteile von Immersionssilber:

• Kurze Haltbarkeit, schwierig zu lagern (schwarze Flecken, Vakuumverpackung erforderlich)
• Chemikalienentsorgung
• Oxidation während der Lagerung
• Empfindlich bei der Handhabung
• Ag3Sn-Bildung
• Teuer
• Nicht geeignet für Berührungsschalter und abziehbare Masken
• Nicht für Golddrahtbonden geeignet
• IKT-Tests können zu Fehlfunktionen führen
• Schwierigkeiten bei der Prozesskontrolle

Chemisch Nickel Chemisch Palladium Immersionsgold (ENEPIG)

ENEPIG ist ein komplexer Prozess, der drei Schichten umfasst: Nickel, Palladium und Gold, die hervorragende Leitfähigkeit und Schutz bieten.

Der Verarbeitungsablauf von ENEPIG ist: Reinigung -> Ätzen -> Katalysator -> Chemisches Nickel -> Palladium -> Vergoldung -> Rückstandsreinigung

ENEPIG ist die am besten geeignete Oberflächenbehandlung für Produkte mit hoher Zuverlässigkeit und hoher Geschwindigkeit, bei denen Ebenheit, hohe Kupferbeständigkeit und gute Korrosionsschutzeigenschaften besonders wichtig sind.

Vorteile von ENEPIG:

Hervorragend geeignet für Drahtbonden
Geeignet für feine Teilungen und kleine Teile
Geeignet für Golddrahtbonden
Gut für PTH
Gut geeignet für Einpresstechnik und Drahtbonden
Geeignet für IKT- und Elektrotests
Lange Haltbarkeit
Bleifrei

Nachteile von ENEPIG:

Hohe Kosten
Nicht für Touch-Schalter geeignet
IKT-Tests können zu Fehlfunktionen führen
Erfordert eine stabile Produktionsumgebung
Nicht zum Wellenlöten geeignet

Hartgold (elektrolytisches Hartgold)

Hartgold ist eine Art Oberflächenbehandlung von Leiterplatten, bei der eine Goldschicht mit einer kleinen Menge anderer Metalle legiert wird, um die Haltbarkeit zu erhöhen. Bei diesem Verfahren wird eine Goldschicht galvanisch auf die Oberfläche der Leiterplatte aufgebracht, die anschließend mit einer Schicht aus elektrolytischem Nickel beschichtet wird, um ihre Härte und Verschleißfestigkeit zu erhöhen.

Hartgold wird häufig in Anwendungen verwendet, bei denen die Leiterplatte wiederholt eingesetzt und entfernt werden muss, beispielsweise in Steckverbindern und Schaltern. Die Hartgoldbeschichtung verhindert, dass sich das Gold mit der Zeit abnutzt, und sorgt so für zuverlässige elektrische Verbindungen.

Vorteile von Hartgold:

Hervorragende Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit
Geeignet für Anwendungen, die wiederholtes Einsetzen und Entfernen erfordern
Gut für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit
Geeignet für IKT- und Elektrotests
Geeignet für Einpresstechnik und Drahtbonden
Geeignet für feine Teilungen und kleine Teile

Nachteile von Hartgold:

Hohe Kosten
Nicht zum Wellenlöten geeignet
Nicht für Touch-Schalter geeignet
Begrenzter Dickenbereich

Wie wählt man die Oberflächenbeschaffenheit einer Leiterplatte aus?

Die Wahl der Oberflächenbeschaffenheit für Leiterplatten ist einer der wichtigsten Schritte in der Leiterplattenfertigung , da sie direkten Einfluss auf die Prozessausbeute, den Nacharbeitsaufwand, die Fehlerrate vor Ort, die Testbarkeit, die Ausschussrate und die Kosten hat. Um eine hohe Qualität und Leistungsfähigkeit des Endprodukts zu gewährleisten, müssen bei der Wahl der Oberflächenglätte alle wichtigen Aspekte der Montage berücksichtigt werden.

Dieser Artikel hilft Ihnen beim Vergleich verschiedener Oberflächenoptionen hinsichtlich Kosten, Lagerfähigkeit, Ebenheit und Montageanforderungen. Steht die Entscheidung hauptsächlich im Gegensatz zwischen HASL und ENIG, lesen Sie den Vergleich HASL vs. ENIG ; Informationen zu Produktionsmöglichkeiten und Angebotshinweisen finden Sie unter Auswahl der Leiterplatten-Oberflächenveredelung.

Oberflächenbeschaffenheit der Leiterplatte

Ebenheit des Lötpads Wie bereits erwähnt, können einige Oberflächenbeschaffenheiten zu unebenen Oberflächen führen, die sich auf die Leistung, die Lötbarkeit und andere Faktoren auswirken können. Wenn die Ebenheit ein entscheidender Faktor ist, sollten Sie eine Oberflächenveredelung mit dünnen und gleichmäßigen Schichten in Betracht ziehen. In diesem Fall sind ENIG, ENEPIG und OSP geeignete Optionen.

Lötbarkeit und Benetzung

Die Lötbarkeit ist bei der Verwendung von Leiterplatten stets ein entscheidender Faktor. Bestimmte Oberflächenveredelungen wie OSP und ENEPIG können die Lötbarkeit beeinträchtigen, während andere wie HASL besser geeignet sind.

Gold- oder Aluminiumdrahtbonden

Wenn Ihre Leiterplatte eine Gold- oder Aluminiumdrahtbondung erfordert, sind Sie möglicherweise auf ENIG und ENEPIG beschränkt.

Lagerbedingungen

Wie bereits erwähnt, können einige Oberflächenveredelungen (z. B. OSP) die Leiterplatte während der Verarbeitung spröde machen, während andere die Haltbarkeit erhöhen. Anforderungen an die Lagerung und Handhabung sollten im Voraus berücksichtigt werden und Oberflächenbehandlungen, die die Leiterplatte spröde machen, sollten nur dann verwendet werden, wenn die Anforderungen an Lagerung und Handhabung ohne Risiko erfüllt werden können.

Lötzyklen

Wie oft wird die Leiterplatte gelötet und nachbearbeitet? Viele Oberflächenveredelungen eignen sich hervorragend zur Nacharbeit. Andere Methoden wie das Eintauchen in Zinn eignen sich jedoch nicht für die Nacharbeit.

PCB-Oberflächenbeschaffenheit – RoHS-Konformität

Die Einhaltung der RoHS-Richtlinien ist entscheidend für die Wahl der Oberflächenbeschaffenheit. Oberflächen, die Blei enthalten, sind in der Regel nicht RoHS- konform und sollten vermieden werden.

Abhängig von den spezifischen Anforderungen und Eigenschaften Ihres Leiterplattenprodukts können Sie anhand dieser Tabelle die perfekte Option für die Oberflächenveredelung auswählen.

Fazit

Die Auswahl der Oberflächenbehandlungsarten muss hinsichtlich Oberflächenglätte optimal sein, um verschiedene Funktionen zu erfüllen. Jede Oberflächenbehandlungsart hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Es gibt verschiedene technische Verfahren, um Probleme zu beheben, die durch mangelnde Oberflächenglätte entstehen. Beispielsweise gibt es für die geringe Benetzungskraft von OSP Lösungen wie die Änderung der Leiterplattenbeschichtung oder der Wellenlötlegierung, die Erhöhung der Vorwärmung der Oberseite usw. Entscheidend ist, alle relevanten Faktoren zu berücksichtigen, um die gewünschte Leistung zu erzielen.