Leiterplattenendfertigung: Wie wählen Sie Ihre Oberflächenendfertigungen?

Um die Oxidation vom Kupfer zu verhindern und eine gute Schweißbarkeit der Bauteile zu gewährleisten, müssen die Oberflächen einer Leiterplatte einen Endfertigungsschritt durchlaufen. Hier finden Sie eine Tour und ein paar Ratschläge, um Ihnen dabei zu helfen, die passende Endfertigungsmethode für Ihre Anwendung zu wählen.

Die Qualität einer Lötung ergibt sich aus der verwendeten ursprünglichen Qualität (im Vergleich zum Löten) einer Leiterplatte und ihrer elektronischen Bauteile, die auf die Oberflächen montiert werden: Die Qualität wird Lötbarkeit genannt. Die Endfertigung der Leiterplatten – mittels Metallisierung oder eines anderen Verfahrens – hat zum Ziel, die Lötbarkeit des Grundmetalls zu bewahren und die bestmögliche Schnittstelle mit der gelöteten Naht zu bieten.

Wenn Ihre Anwendung über eine RoHS-Ausname verfügt, die es Ihnen ermöglicht, weiterhin Blei zu verwenden, dann können Sie die Zinn-Blei-Legierung beibehalten, die während der Herstellung der Leiterplatte als Gravurmaske gedient hat: Nach dem Aufschmelzen stellt die Zinn-Blei-Legierung eine gute Endfertigung dar.

Aber die vorherrschende Endfertigungsoberfläche bleibt immer noch das Hot Air Solder Leveling (HASL). Es besteht darin, eine selektive Abscheidung von Zinn-Blei durch Eintauchen in ein geschmolzenes Legierungsbad zu tauchen und einer anschließenden Nivellierung bei heißer Luft. Diese lötbare Endfertigung ist seit Langem als die widerstandsfähigste anerkannt, die es auch ermöglicht, zusammenhängende Anordnungen zu erhalten: Sie stößt jedoch angesichts der ständigen Erhöhung der Komplexität der Leiterplatten und die Dichte der Bauteile an ihre Grenzen.

Alternative Beschichtungen nutzen die Elektrolyse oder das Eintauchen

Seit Umsetzung der RoHS-Richtlinie im Jahr 2006 hat das Verschwinden von Blei in Leiterplatten zur Entstehung zahlreicher Alternativen im Bereich der Endfertigung geführt. Sie ermöglichen es einerseits, die Nutzung von Blei im gesamten Prozess zu vermeiden, und andererseits, dünne Beschichtungen und kleinere Schlaglängen zu erreichen.

Organic Solderability Preservative (OSP) oder organische Passivierung

Die erste Methode, die wir uns anschauen, ist die organische Passivierung, auch OSP (Organic Solderability Preservative) genannt. OSP ist ein Verfahren zum Eintauchen oder Zerstäubung eines organischen Bauteils auf Wasserbasis, der sich wahlweise mit dem Kupfer bindet und eine organisch-metallische Schutzschicht bietet.

Vorteile

Das Verfahren ist einfach und kostengünstig; es verwendet keine toxischen Materialien und verbraucht weniger Energie als die anderen Verfahren. Es produziert sehr ebene Oberflächen und gewährleistet eine ausreichende Benetzbarkeit beim Aufschmelzen.

Nachteile

Die Lagerdauer ist gering, die Anzahl der Aufschmelzungen ist begrenzt und die Zuverlässigkeit der Baugruppen ist nicht außergewöhnlich.

Die anderen Endfertigungen, die wir studieren werden, erfolgen durch Metallisierung der Oberfläche des Kupfers mithilfe von Silber, Zinn oder Gold. Diese Metallisierung wird entweder durch chemische Aufdampfung oder durch elektrolytische Abscheidung durchgeführt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Präsenz dieser Metalle, selbst in geringen Mengen, die Art der Legierung der Endfertigung verändern wird.

Hot Air Levelling oder Verzinnen durch Heißluftnivellierung

Das Verzinnen durch Heißluftnivellierung (Hot Air Levelling) ist eine Variante des HASL, bei der kein Blei verwendet wird: Die Leiterplatte, vorab mit flüssigen Produkten befeuchtet, wird in ein flüssiges Zinn-Kupfer-Bad getaucht und dann mit Druckluft getrocknet, um Legierungsreste zu beseitigen.

Vorteile

Die Lötbarkeit und Benetzbarkeit sind gut und die Produktionskosten niedrig.

Nachteile

Die Ebenheit ermöglicht kein Zusammenfügen von Bauteilen mit feinem Kontaktabstand und das Zinn diffundiert in das Kupfer.

ENIG (Electroless Nickel/Immersion Gold)

Das ENIG-Verfahren (Electroless Nickel / Immersion Gold) besteht darin, eine Nickelschicht autokatalytisch aufzutragen und dann durch Eintauchen eine sehr feine Goldschicht aufzutragen. Das Nickel schützt das Kupfer und stellt die Oberfläche dar, an welche die Bauteile gelötet werden.

Es verhindert auch das Diffundieren des Kupfers ins Gold, dessen Aufgabe es ist, den Schaltkreis während der Lagerung zu schützen. Es gibt zwei Varianten des Verfahrens:

• in bestimmten Fällen kann die selektive Nickel-Gold-Abscheidung nach dem Auftragen des Lötabdecklacks durchgeführt werden;
• in anderen Fällen wird diese Schicht vor dem Abdecklack auf das gesamte äußere Kupfer aufgetragen. Der Referenzstandard ist IPC-4552 Specification for Electroless Nickel/Immersion Gold (ENIG) Plating for PCBs.

ENIG eignet sich sehr gut für mehrlagige Leiterplatten oder solche, die Bauteile mit feinen Kontaktabständen umfassen. Es wird für Leiterplatten mit einer SMD-Bestückung.

Vorteile

Eine einheitliche und völlig flache Schicht, eine gute Benetzbarkeit, die Möglichkeit mehrerer Aufschmelzungen, eine lange Lagerdauer.

Nachteile

Die hohen Produktionskosten und das Risiko von Fehlern im Zusammenhang mit der Oxidation des Nickels vor dem Eintauchen in das Gold (black pad genannt), die Probleme beim BGA-Löten darstellen.

ENEPIG (Electroless Nickel / Electroless Palladium / Immersion Gold)

ENEPIG ist ein vom ENIG abgeleitetes Verfahren: Die Mittelschicht aus Palladium verhindert die Oxidation des Nickels vor dem Eintauchen in das Gold (was sogenannte Black-pad-Mängel generiert).

Der Referenzstandard ist IPC-4556 Specification for Electroless Nickel/Electroless Palladium/Immersion Gold (ENEPIG) Plating for PCBs.

Vorteile

Diese Endfertigung hält sehr gut mehreren Aufschmelzungen stand, kann eine gute Benetzbarkeit gewährleisten und ermöglicht einen zuverlässigen Zusammenbau. Sie ist für die Aluminiumverdrahtung geeignet und ermöglicht vor allem das Thermoschweißen der Goldfäden.

Nachteile

Die Gesamtkosten sind hoch, die Lötbarkeit wird reduziert, wenn die Palladiumschicht dick ist, und die Benetzbarkeit ist nicht hervorragend.

Tin plating oder chemisches Zinn

Chemisches Zinn (Tin Plating) ist eine metallische Endfertigung, die mithilfe einer chemischen Verschiebungsreaktion aufgetragen wird, die direkt auf das Kupfer der Platte angewendet wird. Dieses alte Verfahren wurde vor einigen Jahren abgeändert und die Leistungen der Endfertigung wurden verbessert. Der Referenzstandard ist IPC-4554 Specification for Immersion Tin Plating for PCBs.

Chemisches Zinn kommt wieder in Mode und sollte kurzfristig die bevorzugte Alternativendfertigung zu ENIG für CMS-Anwendungen werden. Diese Endfertigung ist mit dem Zusammenbau mittels mit Krafteinsatz eingesetzten Verbindungen und mittels Bauteilen mit feinen Kontaktabständen kompatibel.

Vorteile

Die Schicht ist einheitlich und bietet eine gute Benetzbarkeit, es sind mehrere Aufschmelzungen möglich. Die Endfertigung ist ideal für Press-fit-Stecker und Rückwandplatinen.

Nachteile

Die Dicke ist schwer zu kontrollieren, das Zinn oxidiert sehr leicht und kann Whiskers entwickeln (winzigkleine Fäden, die Kurzschlüsse verursachen können). Die Lagerung ist auf 6 Monate beschränkt.

Silver Plating oder chemische Silberschicht

Die chemische Silberschicht (Silver Plating) wird erhalten, indem die Platine in eine Säurelösung mit Silbersalzen getaucht wird. Der Referenzstandard ist IPC-4553 Specification for Immersion Silver Plating for PCBs.

Vorteile

Eine einheitliche Schicht, eine gute Benetzbarkeit, die Ideallösung für das Aufkleben von Silberdrähten.

Nachteile

Eine geringe Lagerzeit, Oxidation in Anwesenheit von Schwefel oder Sauerstoff.

Hard Electrolytic Gold oder das Hartgoldverfahren

Zu guter Letzt, Hartgold (Hard Electrolytic Gold) ist ein Elektrolytverfahren, während dessen eine Goldschicht auf eine Nickelschicht plattiert wird. Im Unterschied zum ENIG-Verfahren kann die Dicke der Goldschicht angepasst werden, indem die Dauer des Plattierungszyklus verändert wird.

Vorteile

Hartgold ist sehr beständig und wird meist für jene Bereiche mit hoher Abnutzung angewendet, wie die Kontaktfinger der Randverbinder und der Tastaturen. Im Allgemeinen wird die Endfertigung verwendet, wenn die ausgesetzten Oberflächen der Platte Reibungen ausgesetzt sind: beweglicher Kontakt, Reibung, Stecker, usw.

Nachteile

Hartgold ist sehr beständig und wird meist für jene Bereiche mit hoher Abnutzung angewendet, wie die Kontaktfinger der Randverbinder und der Tastaturen. Im Allgemeinen wird die Endfertigung verwendet, wenn die ausgesetzten Oberflächen der Platte Reibungen ausgesetzt sind: beweglicher Kontakt, Reibung, Stecker, usw.

Was ist die beste Wahl?

Unabhängig von der Art der Leiterplatte und der erwarteten Spezifikationen empfehlen wir Ihnen, die folgenden Kriterien zu berücksichtigen:

• die Kosten
• das Einsatzgebiet des fertigen Produkts
• die Feinheit der Kontaktabstände
• das mögliche Vorhandensein von Blei
• die Möglichkeit hohen Frequenzen (für Anwendungen mit Funkfrequenz)
• die Lagerdauer
• die Beständigkeit gegen Sturz- und Stoßbeanspruchung
• die Temperaturbelastbarkeit
• Produktionsvolumen und ‑rate

Weitere Informationen finden Sie in den Normen IPC-2221B „Basisrichtlinie für das Design von Leiterplatten“ und IPC-6012 „Qualifikation und Leistungsspezifikation für starre Leiterplatten“.

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