Leiterplatten werden in einer Vielzahl elektronischer Geräte verwendet, darunter Computer, Smartphones und andere digitale Geräte. Sie sind allgegenwärtig geworden, weil sie eine hohe Zuverlässigkeit zu geringen Kosten bieten. Es gibt jedoch viele verschiedene Möglichkeiten, die Oberfläche einer Leiterplatte zu behandeln, bevor sie mit anderen Komponenten zu einem elektronischen Gerät zusammengebaut wird. Welches sollten Sie wählen? Dieser Leitfaden bietet Informationen zu drei gängigen PCB-Oberflächenveredelungen: OSP (organisches Lötschutzmittel), HASL (Heißluft-Lotnivellierung) und ENIG (stromloses Nickel-Tauchgold).
Warum ist die Oberflächenveredelung von Leiterplatten wichtig?
Die Oberflächenveredelung der Leiterplatte ist eine wichtige Schnittstelle zwischen dem Bauteil und der Leiterplatte. Die beiden Hauptfunktionen der Oberfläche bestehen darin, die freiliegenden Kupferleitungen abzuschirmen und eine lötbare Oberfläche zum Verbinden (Löten) der Komponenten mit der Leiterplatte bereitzustellen.
Was sind Leiterplattenoberflächen?
Der Prozess des Aufbringens einer PCB-Oberflächenschicht auf die PCB wird als PCB-Oberflächenveredelung bezeichnet. Das Ziel der Oberflächenveredelung von Leiterplatten besteht darin, eine gute Lötbarkeit und elektrische Eigenschaften der Leiterplatte zu gewährleisten. Für die Oberflächenbehandlung von Leiterplatten stehen zahlreiche Varianten zur Verfügung. Die PCB-Oberflächenbehandlung ist ein mehrstufiger Prozess, der die folgenden Schritte umfasst:
- Chemische Behandlung durch chemisches Ätzen oder Elektropolieren
- Organische Beschichtung und anschließendes Backen bei hoher Temperatur
- Kationische stromlose Vernickelung und chemische Umwandlung in eine Ni/Sn-Oberflächenlegierung
- Anodische Aluminiumoxid-Beschichtung (Al-Oxid).
- Organische Beschichtung und anschließendes Backen bei hoher Temperatur wie in Schritt C.
Was ist OSP?
Kupfer wird durch die Luft kontinuierlich oxidiert, wodurch es verfärbt und spröde wird. Antioxidationsmittel schützen die Oberflächen der Leiterplatten vor Korrosion, indem sie eine sehr dünne Schutzschicht aus Material über dem freiliegenden Kupfer bilden, normalerweise bei einem Förderbandsystem.
Es besteht aus einer organischen Verbindung auf Wasserbasis, die sich an Kupfer bindet und eine metallorganische Schicht bildet, die das Kupfer vor dem Löten schützt. Es ist außerdem weitaus umweltfreundlicher als herkömmliche bleifreie Lacke, die entweder gefährlicher sind oder einen erheblich höheren Energieverbrauch erfordern.
Vor- und Nachteile von OSP
Vorteile
Bleifrei
OCB ist ein bleifreies Verfahren und daher umweltfreundlicher als das herkömmliche HASL.
Kosten
OSP kann Leiterplattenoberflächen zu deutlich geringeren Kosten behandeln. Dies liegt daran, dass weniger Material zum Einweichen und Spülen erforderlich ist, wenn die Leiterplattenoberfläche fertig ist. Dies reduziert auch die Entsorgungskosten. Wenn Sie bereits eine bleifreie Lotpaste verwenden (die ein geringeres Volumen als Standard-Lotpasten hat)
Flache Leiterplattenoberflächen
OSP verfügt über eine sehr flache Leiterplattenoberfläche, was bei der Arbeit mit Bauteilen mit engen Toleranzen von Vorteil sein kann. Die Glätte der HASL-Oberfläche kann in diesem Fall zu Problemen führen, da sie eher Schmutz aus der Luft aufnimmt und Lotpaste einfängt.
Einfacher Prozess
OSP bietet einen einfachen Prozess zur Oberflächenveredelung von Leiterplatten an, der es viel einfacher macht, die Qualität jeder Leiterplatte aufrechtzuerhalten und zu kontrollieren. Dies ist von Vorteil, wenn Sie große Mengen benötigen oder sehr enge Toleranzen haben. OSP kümmert sich um die Oberflächenbeschaffenheit von Leiterplatten, da geringfügige Unregelmäßigkeiten in den Lötmasken zu Problemen führen können.
Reparierbar
Der OSP-Prozess ist reparabel, d. h. wenn Sie die Oberfläche der Platine beschädigen. Oder wenn Sie es entfernen müssen, um ein Lötproblem zu beheben. Es gibt eine Möglichkeit, es zu entfernen und zu ersetzen, ohne die gesamte Leiterplatte wegwerfen zu müssen.
Nachteile
Beschränkt auf RoHS-Konformität
OSP ist nur für Materialien konform, die frei von Blei, Cadmium und Quecksilber sind. Dies bedeutet, dass es nicht mit Nicht-RoHS-Komponenten oder Platinen aus anderen Metallarten verwendet werden kann. Aus diesem Grund kann OSP nicht in allen Situationen sowohl HASL als auch ENIG ersetzen.
Auswirkungen auf die Umwelt
Obwohl OSP ein bleifreies Verfahren ist, erfordert es die Verwendung von Lösungsmitteln, die ihre eigenen Auswirkungen auf die Umwelt haben, die berücksichtigt werden müssen. Bei den Reinigungsschritten entsteht auch Abwasser. Wenn große Mengen benötigt werden, bestehen daher möglicherweise immer noch Bedenken hinsichtlich der Auswirkungen auf die Umwelt.
Sensitiv
OSP reagiert im Laufe der Zeit empfindlich auf Hitzeeinwirkung. Das bedeutet, dass es möglicherweise nachbearbeitet werden muss, wenn sich die Platten in Bereichen mit höheren Temperaturen befinden. Dies kann zusätzliche Kosten und Ressourcen für Ihr Unternehmen bedeuten.
Kurze Haltbarkeit
OSP ist ein wasserbasiertes Finish und daher nur begrenzt haltbar. Normalerweise ist es nur etwa zwei Monate haltbar, wenn es in einem offenen Behälter aufbewahrt wird, und kann mit der Zeit durch Feuchtigkeit oder Nässe zerstört werden.
Was ist HASL?
Die meisten Leiterplattenoberflächen werden mit HASL veredelt, was für Hot Acid Pickle Wash steht. Bei dieser Methode werden Leiterplatten in eine geschmolzene Zinn-Blei-Legierung getaucht und anschließend das überschüssige Lot mithilfe von „Luftmessern“ entfernt, die heiße Luft über die Oberflächen der Leiterplatten blasen. HASL ist häufig bleifrei erhältlich, was an sich schon einen Vorteil darstellt.
Bei der HASL-Methode wird die Leiterplatte aufgrund ihrer extremen Wärmebehandlung Temperaturen ausgesetzt, die im Vergleich zu anderen Veredelungen die niedrigste Anfangshaftung im Nassbereich aufweisen (sie liegt bei 265 °C) und ermöglicht so die Erkennung etwaiger Delaminationsprobleme vor der Verwendung kostspieliger Komponenten.
Vor- und Nachteile von HASL
Vorteile
Kostengünstig
HASL ist ein kostengünstiger Prozess, der schnell und einfach durchgeführt werden kann. Das Verfahren erfordert weniger Schritte als andere Oberflächenveredelungen von Leiterplatten und eignet sich daher ideal für Anwendungen mit geringerem Volumen, die von vielen Komponentenherstellern gefordert werden, insbesondere bei kleineren Produktionsläufen. HASL ist häufig bleifrei erhältlich, was an sich schon einen Vorteil darstellt.
Reparierbar
HASL bietet minimalen Schutz für die Kupferbasis Ihrer Leiterplatte. Sollten jedoch nach Abschluss des HASL-Prozesses Schäden auftreten, können diese schnell und einfach behoben werden.
Bleifrei
HASL ist in bleifreien Versionen erhältlich, die der RoHS-Richtlinie entsprechen. Dies bedeutet, dass es im Gegensatz zu OSP-Optionen für alle Arten von Komponenten verwendet werden kann, auch für solche, die aus Nicht-RoHS-Materialien oder Metallen hergestellt werden. HASL bleifrei ist frei von Blei, Cadmium und Quecksilber.
Einfacher Prozess
HASL bietet eine einfache Produktionsmethode, die sich ideal für kleinere Mengen oder dort eignet, wo enge Toleranzen erforderlich sind. Die Einfachheit der Methode erleichtert die Kontrolle der Qualitätsniveaus, sodass Sie sich keine Sorgen über Unterschiede in der Lotdicke auf verschiedenen Platinen machen müssen.
Erhältlich in mehreren Ausführungen
HASL ist in verschiedenen Qualitäten erhältlich, von denen jede ihre eigenen Vorteile bietet. Reines Zinn/Blei hat den niedrigsten Schmelzpunkt von 269 °C, erfordert aber auch mehr Reinigungsschritte, um überschüssiges Material nach dem Löten zu entfernen. HASL Sn-Cu bietet einen höheren Schmelzpunkt von 227 °C. Dies bedeutet, dass die Gefahr einer Delamination geringer ist. HASL mit ENIG bietet die höchsten Löttemperaturen und ist daher ideal für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit.
Nachteile
Kurze Haltbarkeit
HASL hat in einem offenen Behälter eine kurze Haltbarkeit von etwa sechs Monaten, da es im Laufe der Zeit Feuchtigkeit und Nässe ausgesetzt ist. Besonders empfindlich reagiert es hierauf nach jedem Schritt des Lötprozesses.
Auswirkungen auf die Umwelt
HASL ist eine bleibasierte Oberfläche, was bedeutet, dass es nicht allen Umweltstandards entspricht, insbesondere denen, die auf RoHS-Konformität basieren, da HASL diese Anforderungen nicht ohne zusätzliche Beschichtungsprozesse erfüllt. Dies kann dazu führen, dass Kunden sich weigern, Produkte von Ihnen zu kaufen, wenn sie nicht bereit sind, das Risiko potenzieller Verstöße einzugehen.
Belastung durch Blei
HASL ist eine bleibasierte Oberfläche, was bedeutet, dass es nicht allen Umweltstandards entspricht, insbesondere denen, die auf RoHS-Konformität basieren, da HASL diese Anforderungen nicht ohne zusätzliche Beschichtungsprozesse erfüllt. Dies kann dazu führen, dass Kunden sich weigern, Produkte von Ihnen zu kaufen, wenn sie nicht bereit sind, das Risiko potenzieller Verstöße einzugehen.
Thermischer Schock
HASL erzeugt von allen Oberflächenveredelungen den höchsten Temperaturschock, was bedeutet, dass es anfälliger für Delaminierung ist. Die Kombination der im Prozess verwendeten Chemikalien erfordert hohe Temperaturen beim Löten und führt außerdem zu einer heißen Platine, die mit Wasser oder Luft schnell abgekühlt werden kann.
Schlechte Benetzung
HASL hat schlechte Benetzungseigenschaften und ist daher nicht für die Verwendung mit Aluminium oder anderen Nichteisenmetallen geeignet. Dies kann die Kosten und die Komplexität Ihrer Designs erhöhen, da Sie berücksichtigen müssen, wie verschiedene Materialien während der Lötvorgänge interagieren.
Was ist ENIG?
GOLF METAL ist eine Leiterplatten-Oberflächenveredelung, die die Korrosionsbeständigkeit von eloxiertem Aluminium mit der Politur und dem Glanz von natürlichem Metall kombiniert. Es verfügt über eine Nickelhülle über einer Kupferunterschicht, die sowohl als Barriere zum Schutz vor Oxidation als auch als Lötziel für die Verbindung von Bauteilen dient. Bei der Lagerung wird auf das Nickel eine Goldschicht aufgetragen. ENIG ist eine Lösung für große Branchentrends wie bleifreie Vorschriften. Der Aufstieg komplizierter Oberflächenkomponenten (insbesondere BGAs und Flip-Chips), die flache Oberflächen erfordern.
Es ist zu beachten, dass ZENIG keinen Schutz vor Korrosion durch ionenbasierte Angriffe bietet. In den meisten Fällen erfordert diese Art von Legierung eine häufigere Reinigung und Wartung als viele Metalle, da es schwierig ist, eine Feuchtigkeitsbarriere zwischen den Gold- und Nickelschichten aufrechtzuerhalten.
Vor- und Nachteile von ENIG
Vorteile
Flache Oberflächen
ENIG bietet ein Maß an Ebenheit, das für Komponenten mit engen Toleranzen von Vorteil sein kann. Die glatten Leiterplattenoberflächen können in diesem Fall auch dazu beitragen, Probleme zu vermeiden, da das Risiko hoch ist, dass sich Lotpaste auf HASL-Platinen festsetzt, was durch Experimente an der Stanford University und dem MIT nachgewiesen wurde.
Langlebig
Wenn es darum geht, Leiterplatten vor Korrosion zu schützen, bietet ENIG einen erheblichen Vorteil gegenüber anderen Oberflächenbehandlungen, da die Goldschicht extrem dünn ist und im Gegensatz zu herkömmlichen Eloxaltechniken, die nach längerem Gebrauch abnutzen können, weder nachgearbeitet noch ausgetauscht werden muss. Auch die Leistung von ENIG nimmt mit der Zeit zu, da sich zwischen den Nickel- und Goldschichten eine Haftung aufbaut.
Die Goldschicht von ENIG sorgt für eine erhöhte Haftung der Komponenten und ist daher ideal, wenn Sie Teile verwenden, die hitzeempfindlich sind oder einen niedrigen Schmelzpunkt haben. Das zusätzliche Lot kann auch bei Problemen mit dem Wärmemanagement während Reflow-Lötprozessen hilfreich sein, da die Verwendung von ENIG im Vergleich zu HASL den durch übermäßige Aufheizzeit verursachten Verzug reduziert.
Bleifrei
ENIG ist bleifrei kompatibel und kann daher für Projekte verwendet werden, die der RoHS-Konformität unterliegen. Dies kann Ihnen helfen, zusätzliche Kosten zu vermeiden. Vor allem, wenn Ihre Bauteile oder Leiterplatten kostspielige Nacharbeiten erfordern, um den Umweltgesetzen gerecht zu werden.
Gut für PTH
Da es sich bei ENIG um ein dickes, flaches Material handelt, das in großen Mengen für eine ganze Platine verwendet werden kann, ist der Prozess der Durchkontaktierung von Löchern kostengünstiger.
Behält die Lötbarkeit während der Lagerung bei
Die Feuchtigkeitsbeständigkeit von ENIG bedeutet, dass Komponenten weniger anfällig für Korrosion oder Delaminierung sind, wenn sie vor der Verwendung unter feuchten Bedingungen gelagert werden. Dies kann die Qualität und Konsistenz Ihrer Leiterplattenproduktion steigern. Dadurch haben Sie mehr Zeit, sich auf andere Aspekte des Designprozesses zu konzentrieren. Ohne Angst vor möglicherweise kostspieligen Fehlern durch Wasserschäden haben zu müssen.
Nachteile
Brennbar
Wenn eine Leiterplatte nicht ordnungsgemäß konstruiert ist, kann ENIG brennbare Schichten freilegen oder giftige Dämpfe freisetzen. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass Sie Ihre Leiterplatten vor der Verwendung von einem Fachmann prüfen lassen.
Schwächere Bindung für Komponenten
Die Goldschicht von ENIG kann dünner sein als bei anderen Leiterplattenoberflächen. Dies bedeutet, dass sich um die Bauteilpads herum weniger Lot ansammelt. Dies reduziert Probleme beim Wärmemanagement während Reflow-Lötprozessen. Es ist wahrscheinlicher, dass Bauteile nach dem Löten von der Platine fallen oder sich lösen.
Erfordert eine professionelle Installation
Bei ENIG handelt es sich um eine Leiterplatten-Oberflächenveredelung, für deren korrekte Anwendung fortgeschrittene Schulung und Fachwissen erforderlich sind. Das bedeutet, dass Sie ENIG nicht selbst installieren können. Dies kann zu zusätzlichen Kosten führen, wenn Ihre Leiterplatten aufgrund von Qualitätsproblemen kostspielige Nacharbeiten erfordern.
Erfordert spezielle Materialien
ENIG erfordert die Verwendung von vergoldetem Nickel und kann teuer sein, wenn es mit der Zeit abgenutzt wird. Damit die Korrosionsbeständigkeit der Platten erhalten bleibt, ist außerdem die Verwendung eines Spezialreinigers erforderlich. Nachdem sie gelötet wurden, kann dies zu zusätzlichen Kosten für Ihren Produktionsprozess führen.
Warum brauchen wir Oberflächenveredelungen für Leiterplatten?
Lötbarkeit
Die Fähigkeit eines Metalls oder einer Legierung, mit Lot eine feste Verbindung einzugehen. Eine Lötverbindung entsteht, indem zunächst eine dünne Schicht flüssiger Paste (Flussmittel) auf den Bereich aufgetragen wird, an dem zwei metallische Oberflächen verbunden werden sollen. Dann legen Sie sehr kleine Lotstücke auf die Paste. Beim Erhitzen schmilzt die flüssige Paste und bedeckt die zu verbindenden Oberflächen mit einer dünnen Schicht geschmolzenen Lots. Das kann in alle Bereiche fließen, in denen es Unregelmäßigkeiten in einer Oberfläche oder zwischen zwei Oberflächen gibt.
Oberflächenfinish
Die physikalischen Eigenschaften eines Materials gehen über seine chemische Zusammensetzung hinaus. Beispielsweise sind mit den meisten Metallen bestimmte Farben verbunden, beispielsweise Silber oder Gold. Daher ist die Oberflächenbeschaffenheit ein wichtiger Faktor für das Aussehen eines Metallobjekts.
Hohe Zuverlässigkeit zu geringen Kosten
Dies ist für die Oberflächenveredelung von Leiterplatten von entscheidender Bedeutung, da es für eine bessere Verbindung zwischen der Komponente und der Leiterplatte sorgt. Das wünschen Sie sich für Ihre elektronischen Geräte. Da es länger hält und effektiver ist als ein unbeschichtetes oder schlecht behandeltes Brett.