Richtlinien zur Auswahl der besten Oberflächenbehandlung von Leiterplatten

Leiterplatten stellen in modernen elektronischen Bauelementen die für die Funktion von elektronischen Komponenten als geschlossene Einheit erforderlichen Verbindungen und Unterstützungen zur Verfügung. Da elektronische Bauelemente immer kleiner werden und ihre Komplexität und Leistungsanforderungen stetig steigen, wird die Auswahl der Oberflächenbehandlung von Leiterplatten immer wichtiger. Die Oberflächenqualität beeinflusst nicht nur die Lötbarkeit von Komponenten, sondern auch die Zuverlässigkeit, Haltbarkeit und allgemeine Leistung des Bauelements.

Dieser Artikel enthält eine umfassende Analyse jener Faktoren, welche die Auswahl der optimalen Oberflächenbehandlung von Leiterplatten beeinflussen. Es werden die verfügbaren Optionen zur Oberflächenbehandlung sowie ihre Vor- und Nachteile besprochen und Ingenieure und Designer erhalten Richtlinien zur fundierten Entscheidungsfindung.

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Der Zweck der Oberflächenbehandlung von Leiterplatten

Die Oberflächenbeschichtung erfüllt auf Leiterplatten einige wichtige Funktionen, die wie folgt zusammengefasst werden können:

• Gewährleistung der Lötbarkeit: Die Lötbarkeit ist eine der wichtigsten Funktionen der Oberflächenbehandlung von Leiterplatten. Während der Bestückung bietet sie eine lötbare Oberfläche zum Aufbringen von elektronischen Komponenten. Bei einer ungeeigneten Oberflächenbehandlung bilden sich möglicherweise keine präzisen Lötstellen, was zu Defekten wie Lötbrücken oder schlechten Verbindungen führt.
• Verhinderung von Oxidation: Kupfer, welches das am häufigsten eingesetzte Leitermaterial bei Leiterplatten ist, kann leicht oxidieren, wenn es Sauerstoff ausgesetzt ist. Eine entsprechende Oberflächenbehandlung verhindert das Oxidieren von Leiterbahnen aus Kupfer, indem sie eine Schutzschicht bildet. Aufgrund von Oxidation kann es zu unzureichenden elektrischen Verbindungen und Signalverschlechterung kommen.
• Verbesserung der Zuverlässigkeit: Die Oberflächenstruktur von Leiterplatten spielt eine wichtige Rolle für ihre Zuverlässigkeit. Sie wirkt sich auf die Leistung von Lötstellen aus, die für die Resistenz gegen mechanische Spannung, Temperaturschwankungen und Umgebungsbedingungen von grundlegender Wichtigkeit sind. Es ist eine robuste Oberflächenbehandlung erforderlich, um eine langfristige Zuverlässigkeit der Leiterplatte zu gewährleisten.
• Vereinfachung des Drahtbondings: Unter bestimmten Bedingungen erfolgt die Verbindung von Halbleiterelementen mit der Leiterplatte über Drahtbonding. Die Qualität und Zuverlässigkeit dieses Drahtbondings unterliegt dem Einfluss der ausgewählten Oberflächenbehandlung.

In Abbildung 1 wird ein Gerät zum Auftragen der Oberflächenbehandlung auf die Leiterplatte gezeigt.

Abbildung 1: Gerät zum Auftragen der Oberflächenbehandlung auf die Leiterplatte.

Arten von Oberflächenbehandlungen für Leiterplatten

Die Oberflächenbehandlung von Leiterplatten ist eine wichtige Schnittstelle zwischen den elektronischen Komponenten und dem Leiterplattensubstrat. Sie gewährleistet zuverlässige Lötbarkeit, verhindert die Oxidation von Leiterbahnen aus Kupfer und beeinflusst die elektrische Leistung. Die Auswahl der Oberflächenbehandlung wirkt sich auf die Bestückungsausbeute, die Qualität der Lötstellen und die langfristige Zuverlässigkeit aus.

Die am häufigsten verwendeten Oberflächenbehandlungen von Leiterplatten gehören zu den folgenden Klassen:

• Organic Solderability Preservatives (OSP): Dies ist eine dünne, organische Schicht, die das Kupfer schützt und ein direktes Löten ermöglicht.
• Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG): Dies ist eine zweischichtige Behandlung mit einer Unterschicht aus Nickel und einer Oberschicht aus Gold (Abbildung 2); sie bietet hervorragende Lötbarkeit und Korrosionsschutz.
• Chemisch-Zinn (ImSn): Dies ist eine kostengünstige, bleifreie Beschichtung, die gute Lötbarkeit bietet, jedoch aufgrund der Bildung von Zinnwhiskern sorgfältig behandelt werden muss.
• Galvanisch Nickel-Gold (Ni/Au): Dies ist eine robuste Beschichtung mit hervorragendem Korrosionsschutz und Drahtbondingfähigkeit.
• Hot Air Solder Leveling (HASL): Diese traditionelle Beschichtung besteht aus einer Lötschicht über dem exponierten Kupfer (Abbildung 3) und ist für einfache Leiterplatten geeignet.
• Galvanisch-Zinn: Diese bleifreie Alternative zu HASL bietet bessere Ebenheit und eine glatte Oberfläche.
• Organic Surface Protectant (OSP): Dies ist eine umweltfreundliche Beschichtung, die Lötbarkeit bietet und vor Oxidation schützt.
• Chemisch-Silber (ImAg): Diese Beschichtung bietet gute Leitfähigkeit und Lötbarkeit (Abbildung 4), reagiert empfindlich auf Lagerbedingungen und bildet Silbersulfid.
• Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold (ENEPIG): Dies ist eine sehr zuverlässige, komplexe Beschichtung, die sich für fortschrittliche Anwendungen eignet.

Abbildung 2: Leiterplatte mit ENIG-Oberflächenbehandlung

Abbildung 3: Leiterplatte mit HASL-Oberflächenbehandlung

Abbildung 4: Leiterplatte mit ImAg-Oberflächenbehandlung

Wichtige Richtlinien für die Auswahl der Oberflächenbehandlung

Die Auswahl der geeigneten Oberflächenbehandlung für Leiterplatten ist ein sehr wichtiger Schritt, der von zahlreichen unterschiedlichen Aspekten wie der vorgesehenen Anwendung, der Lötmethode (z. B. bleifrei oder bleibasiert), den Umgebungsbedingungen, den Anforderungen an die Signalintegrität, den Kosten und der Einhaltung von Richtlinien abhängig ist.

Nachfolgend sehen Sie eine Liste der wichtigsten Faktoren, welche die Auswahl der Oberflächenbehandlung beeinflussen:

• Die Anwendung und die vorgesehene Verwendung der Leiterplatte: Die grundlegenden Merkmale Ihres elektronischen Bauelements und sein vorgesehener Zweck sind äußerst wichtig. Es muss berücksichtigt werden, ob die betreffende Leiterplatte in ein Verbraucherprodukt, ein Automobilsystem, eine Luftfahrtanwendung mit hoher Zuverlässigkeit oder ein medizinisches Gerät integriert wird. Unterschiedliche Anwendungen weisen unterschiedliche Spezifikationen hinsichtlich Lebensdauer, Wärmeleistung und Umweltbeständigkeit auf.
• Die Lötart – bleifrei oder bleibasiert: Die Einführung des bleifreien Lötens wurde durch Regulierungsstandards wie die RoHS-Richtlinie (Restriction of Hazardous Substances, Beschränkung gefährlicher Stoffe) veranlasst. Unabhängig davon, ob es sich um bleifreies oder bleibasiertes Löten handelt, muss unbedingt die Kompatibilität der ausgewählten Oberflächenbehandlung mit dem angewendeten Lötvorgang überprüft werden. Designer müssen sicherstellen, dass die ausgewählte Oberflächenbehandlung den Regulierungsstandards (wie RoHS und REACH) entspricht, vor allem hinsichtlich der Verwendung von beschränkten Stoffen.
• Die Lagerungsdauer und die Anforderungen an die Lagerung: Der Designer ist dafür verantwortlich, die Lagerungsdauer sowie die Lagerungsumstände für die Leiterplatte zu berücksichtigen. Bestimmte Oberflächenbehandlungen reagieren empfindlicher auf manche Lagerbedingungen und können im Lauf der Zeit abbauen; dies kann sich auf ihre Lötfähigkeit auswirken.
• Umweltbedenken: Die Auswahl der Oberflächenbehandlung kann durch unterschiedliche Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit, Chemikalien oder extreme Temperaturen beeinflusst werden. Es muss unbedingt eine Beschichtung ausgewählt werden, welche den unterschiedlichen Wetterbedingungen vor Ort standhält.
• Die Zuverlässigkeit der Lötstellen: Der Designer muss die entsprechende Zuverlässigkeit der Lötstellen für die jeweilige Anwendung beurteilen. Bestimmte Oberflächenbehandlungen weisen eine bessere Resistenz gegen Temperaturschwankungen und mechanische Beanspruchung auf, wodurch sie sich besser für Anwendungen eignen, die rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind.
• Die Signalintegrität und die Impedanzkontrolle: Es ist möglich, dass sich die Oberflächenbehandlung bei Hochfrequenz- oder Hochgeschwindigkeitsanwendungen auf die Signalintegrität sowie das Impedanzmanagement auswirkt. Aus diesem Grund ist es erforderlich, eine Beschichtung auszuwählen, die den Spezifikationen für die elektrische Leistung der jeweiligen Schaltung entspricht.
• Die Kompatibilität mit dem Bestückungsprozess: Es gibt zahlreiche unterschiedliche Bestückungsverfahren wie Rückflusslöten, Wellenlöten und Drahtbonding. Unterschiedliche Oberflächenbehandlungen interagieren mit diesen Verfahren unterschiedlich. Achten Sie darauf, dass die ausgewählte Beschichtung für die bei der Fertigung des Produktes angewendeten Verfahren geeignet ist.
• Kosten und Budget: Die Kosten für die Oberflächenbehandlung umfassen Kosten für das Material, die Anwendung und die entsprechende Bestückung. Es muss ein Gleichgewicht zwischen Kosten, Leistung und Zuverlässigkeit angestrebt werden.

Vergleichende Analyse der Oberflächenbehandlungen

Jede der oben erwähnten Oberflächenbehandlungen bietet gewisse Vor- und Nachteile sowie bestimmte Anwendungsfälle, für die sie am besten geeignet sind. Da für Leiterplattendesigns oft sehr genaue Anforderungen gelten, müssen die für ihre Erstellung verantwortlichen Ingenieure und Designer die geeignete Oberflächenbehandlung sorgfältig auswählen.

Dazu sind fundierte Kenntnisse über die zahlreichen verfügbaren Oberflächenbehandlungen sowie ihre Vor- und Nachteile erforderlich. Nachfolgend sehen Sie einen kurzen Vergleich der unterschiedlichen Oberflächenbehandlungen, die häufig in der Elektronik zur Anwendung kommen.

Fazit

Die Auswahl der optimalen Oberflächenbehandlung von Leiterplatten ist ein wichtiger Schritt im Leiterplattendesign. Unter Berücksichtigung von Anwendung, Kompatibilität mit dem Lötverfahren, Zuverlässigkeit, Umweltbeständigkeit, Signalintegrität, Kosten und Einhaltung der Bestimmungen können Sie die Leistung und Zuverlässigkeit ihrer elektronischen Bauelemente sicherstellen. Beachten Sie dabei, dass jede Anwendung einzigartig ist, sodass für die richtige Auswahl eine gründliche Beurteilung der speziellen Anforderungen erforderlich ist.

In der sich schnell weiterentwickelnden Elektronikbranche ist es außerdem wichtig, bei aufkommenden Technologien und Materialien zur Oberflächenbehandlung stets auf dem neuesten Stand zu bleiben. Beurteilen Sie Ihre Optionen für die Oberflächenbehandlung regelmäßig neu, um sicherzustellen, dass sie den neuesten Innovationen und Branchenstandards entsprechen. Eine gut durchdachte Entscheidung zur Oberflächenbehandlung von Leiterplatten trägt schließlich zum Erfolg und zur Langlebigkeit Ihrer elektronischen Produkte bei.

07.11.2023