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Was ist ein PCB-Oberflächenbehandlungsprozess?
Kupferoberflächen auf PCB ohne Lötmaskenabdeckung, wie Lötpads, Goldfinger, mechanische Löcher usw. Wenn keine Schutzbeschichtung vorhanden ist, oxidiert die Kupferoberfläche leicht, was die Lötverbindung zwischen blankem Kupfer und Komponenten im lötbaren Bereich der Leiterplatte beeinträchtigt.
Wie in der Abbildung unten gezeigt, Oberfläche Die Behandlung befindet sich auf der äußersten Schicht der Leiterplatte, über der Kupferschicht, und dient als „Beschichtung“ auf der Kupferoberfläche.
Die Hauptfunktion der Oberflächenbehandlung besteht darin, die freiliegende Kupferoberfläche vor Oxidationskreisläufen zu schützen und dadurch beim Schweißen eine lötbare Oberfläche zum Löten bereitzustellen.
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Klassifizierung von PCB-Oberflächenbehandlungsprozessen
Die Oberflächenbehandlungsprozesse von Leiterplatten werden in folgende Kategorien unterteilt:
Heißluft-Lötnivellierung (HASL)
Zinnimmersion (ImSn)
Chemisch Nickelgold (Immersionsgold) (ENIG)
Organische lötbare Konservierungsmittel (OSP)
Chemisches Silber (ImAg)
Chemisches Vernickeln, chemisches Palladiumbeschichten, Eintauchen in Gold (ENEPIG)
Elektrolytisches Nickel/Gold
Heißluft-Lötnivellierung (HASL)
Hot Air Solder Level (HASL), allgemein bekannt als Sprühzinn, ist ein Oberflächenbehandlungsverfahren, das am häufigsten verwendet wird und relativ kostengünstig ist. Es ist unterteilt in Bleifrei Sprühdose und Bleisprühdose.
Die Haltbarkeit von PCB kann bei einer Prozesstemperatur von 12 °C und einer Oberflächenbehandlungsdicke von 250–1 µm 40 Monate erreichen.
Beim Zinnsprühverfahren wird die Leiterplatte in geschmolzenes Lot (Zinn/Blei), um die freiliegende Kupferoberfläche der Leiterplatte abzudecken. Wenn die Leiterplatte das geschmolzene Lot verlässt, wird mit einem Luftmesser heiße Hochdruckluft durch die Oberfläche geblasen, wodurch das Lot flach aufgetragen und überschüssiges Lot entfernt wird.
Der Prozess des Zinnspritzens erfordert die Beherrschung von Schweißtemperatur, Klingentemperatur, Klingendruck, Tauchschweißzeit, Hubgeschwindigkeit usw. Stellen Sie sicher, dass die Leiterplatte vollständig in das geschmolzene Lot eingetaucht ist und das Luftmesser das Lot aufblasen kann, bevor es erstarrt. Der Druck des Luftmessers kann den Meniskus auf der Kupferoberfläche und verhindern Lötbrücken.
Heißluft-Lötnivellierung (HASL)
Vorteil:
Lange Haltbarkeit
Gute Schweißbarkeit
Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit
Eine Sichtprüfung ist möglich
Nachteile:
Oberflächenunebenheiten
Nicht geeignet für Geräte mit geringem Abstand
Einfach herzustellende Zinnperlen
Verformung durch hohe Temperaturen
Nicht geeignet für die Galvanisierung von Durchgangslöchern
Zinnimmersion (ImSn)
Immersionszinn (ImSn) ist eine Metallbeschichtung, die durch eine chemische Verdrängungsreaktion abgeschieden und direkt auf das Grundmetall (d. h. Kupfer) der Leiterplatte aufgetragen wird und die Anforderungen an die Ebenheit der Leiterplattenoberfläche von Komponenten mit kleinem Rastermaß erfüllen kann.
Die Zinnabscheidung schützt das darunterliegende Kupfer während der 3-6-monatigen Haltbarkeitsdauer vor Oxidation. Da alle Lote auf Zinn basieren, kann die Zinnabscheidungsschicht mit jedem Lottyp kompatibel sein. Durch die Zugabe organischer Additive zur Zinntauchlösung wird die Zinnschichtstruktur körnig, wodurch die durch Zinnwhisker und Zinnmigration verursachten Probleme überwunden werden und gleichzeitig gute thermische Stabilität und Schweißbarkeit.
Die Temperatur des Zinnabscheidungsprozesses beträgt 50 °C und die Oberflächenbehandlungsdicke beträgt 0.8–1.2 µm. Leiterplatte, die sich besonders für Verbindungen durch Crimpen eignet, wie beispielsweise Kommunikations-Rückwände.
Zinnimmersion (ImSn)
Vorteil:
Geeignet für kleine Abstände/BGA
Gute Oberflächenglätte
Konform mit RoHS
Gute Schweißbarkeit
Gute Stabilität
Nachteile:
Leicht kontaminiert zu werden
Zinnwhisker können Kurzschlüsse verursachen
Elektrische Tests erfordern weiche Sonden
Nicht für Kontaktschalter geeignet
Wirkt korrosiv auf die Lötmaskenschicht
Chemisch Nickelgold (Immersionsgold) (ENIG)
Chemisch Nickel Immersion Gold (ENIG) kann die Anforderungen an die Oberflächenebenheit und bleifreie Verarbeitung von Leiterplatten für Geräte mit kleinem Rastermaß (BGA und μ BGA) erfüllen.
ENIG besteht aus zwei Metallschichten. Dabei wird Nickel durch chemische Prozesse auf der Kupferoberfläche abgeschieden und anschließend durch Verdrängungsreaktionen mit Goldatomen beschichtet. Die Dicke von Nickel beträgt 3–6 μm, die von Gold 0.05–0.1 μm. Nickel wirkt als Barriere für Kupfer und ist die Oberfläche, auf die die Komponenten tatsächlich gelötet werden. Die Aufgabe von Gold besteht darin, die Oxidation von Nickel während der Lagerung zu verhindern. Die Haltbarkeit beträgt etwa ein Jahr und kann gewährleisten hervorragende Oberflächenebenheit.
Das Immersionsgoldverfahren wird häufig bei hochdichten Leiterplatten, herkömmlichen Hartplatten und Weichplatten eingesetzt. Es zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit aus und unterstützt das Drahtbonden mit Aluminiumdrähten. Es wird häufig in Branchen wie der Konsumgüterindustrie, der Kommunikation/Computertechnik, der Luft- und Raumfahrt und dem Gesundheitswesen eingesetzt.
Chemisch Nickel-Gold (ENIG)
Vorteil:
Lange Haltbarkeit
Platine mit hoher Dichte (μ BGA)
Aluminiumdrahtbonden
Hohe Oberflächenebenheit
Geeignet zum Galvanisieren von Löchern
Nachteile:
teurer preis
Dämpfung von HF-Signalen
Kann nicht nachbearbeitet werden
Schwarzes Polster/schwarzes Nickel
Der Verarbeitungsprozess ist komplex
Organische lötbare Konservierungsmittel (OSP)
Organische Lötbarkeitsschutzmittel (OSP) sind sehr dünne Materialschutzschichten, die auf freiliegendes Kupfer aufgetragen werden, um die Kupferoberfläche vor Oxidation zu schützen.
Organische Filme weisen Eigenschaften wie Oxidationsbeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit auf, die Kupferoberflächen unter normalen Bedingungen vor Oxidation oder Schwefelung schützen können. Beim Hochtemperaturschweißen wird der organische Film durch das Flussmittel leicht entfernt, wodurch sich die freiliegende, saubere Kupferoberfläche sofort mit dem geschmolzenen Material verbindet. Lot, wodurch in sehr kurzer Zeit eine starke Lötverbindung entsteht.
OSP ist eine organische Verbindung auf Wasserbasis, die sich selektiv mit Kupfer verbindet und so die Kupferoberfläche vor dem Schweißen schützt. Im Vergleich zu anderen bleifreien Oberflächenbehandlungsverfahren ist es sehr umweltfreundlich, da andere Verfahren toxisch sein oder einen höheren Energieverbrauch aufweisen können.
Organische lötbare Konservierungsmittel (OSP)
Vorteil:
Einfach und günstig
Bleifreier Umweltschutz
Glatte Oberfläche
Drahtbonden
Nachteile:
Nicht für PTH geeignet
Kurze Haltbarkeit
Nicht geeignet für visuelle und elektrische Inspektionen
IKT-Vorrichtungen können PCB beschädigen
Chemisches Silber (ImAg)
Immersionsversilberung (ImAg) ist ein Verfahren, bei dem Kupfer direkt mit einer Schicht aus reinem Silber beschichtet wird. Dazu wird eine Leiterplatte durch Verdrängungsreaktion in ein Silberionenbad getaucht. Silber hat stabile chemische Eigenschaften. Leiterplatten, die mit der Silbertauchtechnologie verarbeitet werden, behalten ihre gute elektrische Leistung und Lötbarkeit auch bei Hitze, Feuchtigkeit und Verschmutzung sowie bei Glanzverlust der Oberfläche.
Um zu verhindern, dass Silber mit Sulfiden in der Umgebung reagiert, wird die Silberabscheidung manchmal mit einer OSP-Beschichtung kombiniert. Für die meisten Anwendungen kann Silber Gold ersetzen. Wenn Sie keine magnetischen Materialien (Nickel) in die Leiterplatte einbringen möchten, können Sie sich für die Silberabscheidung entscheiden.
Die Oberflächendicke der Silberabscheidung beträgt 0.12–0.40 μm, die Haltbarkeit 6 bis 12 Monate. Der Silberabscheidungsprozess ist empfindlich gegenüber der Oberflächenreinheit während der Verarbeitung. Es muss sichergestellt werden, dass während des gesamten Produktionsprozesses keine Oberflächenverunreinigungen der Silberabscheidung auftreten. Der Silberabscheidungsprozess eignet sich für Anwendungen wie Leiterplatten, Dünnschichtschalter und Aluminiumdrahtbonden, die eine elektromagnetische Abschirmung erfordern.
Sinkendes Silber (ImAg)
Vorteil:
Gute Ebenheit der Oberfläche
Hohe Schweißbarkeit
Gute Stabilität
Gute Abschirmleistung
Geeignet für Aluminiumdrahtbonden
Nachteile:
Empfindlich gegenüber Schadstoffen
Leichte Elektromigration
Silberne Metallschnurrhaare
Kurzes Montagefenster nach dem Auspacken
Schwierigkeiten bei elektrischen Tests
Chemisches Vernickeln, chemisches Palladiumbeschichten, Eintauchen in Gold (ENEPIG)
Im Vergleich zu ENIG verfügt ENEPIG über eine zusätzliche Palladiumschicht zwischen Nickel und Gold. Diese schützt die Nickelschicht zusätzlich vor Korrosion und verhindert die Bildung von schwarzen Pads während der ENIG-Oberflächenbehandlung. Dies verbessert die Oberflächenglätte. Die Abscheidungsdicke von Nickel beträgt etwa 3–6 μm, die von Palladium etwa 0.1–0.5 μm und die von Gold 0.02–0.1 μm. Obwohl die Dicke der Goldschicht ist dünner als ENIG, es ist teurer.
Die Schichtstruktur aus Kupfer-Nickel-Palladium-Gold kann direkt mit der Plattierungsschicht verbunden werden. Die letzte Goldschicht ist sehr dünn und weich. Übermäßige mechanische Beschädigungen oder tiefe Kratzer können die Palladiumschicht freilegen.
Chemisches Vernickeln, chemisches Palladiumbeschichten, Eintauchen in Gold (ENEPIG)
Vorteil:
Extrem flache Oberfläche
Drahtbonden
Kann mehrfach reflowgelötet werden
Hohe Zuverlässigkeit der Lötverbindungen
Lange Haltbarkeit
Nachteile:
teurer preis
Golddrahtbonden ist nicht so zuverlässig wie Weichgoldbonden
Einfach herzustellende Zinnperlen
Komplexer Prozess
Schwierige Kontrolle des Verarbeitungsprozesses
Elektrolytisches Nickel/Gold
Galvanisch beschichtetes Neusilber wird in „Hartgold“ und „Weichgold“ unterteilt.
Hartgold hat eine geringe Reinheit (99.6 %) und wird häufig für Goldfinger verwendet (Leiterplattenkantenverbinder), PCB-Kontakte oder andere stark beanspruchte Bereiche. Die Golddicke kann je nach Bedarf variieren.
Weichgold ist reiner (99.9 %) und wird häufig zum Drahtbonden verwendet.
Hartes Elektrolytgold
Hartgold ist eine Goldlegierung mit Kobalt-, Nickel- oder Eisenkomplexen. Spannungsarmes Nickel wird zwischen der Goldbeschichtung und dem Kupfer verwendet. Hartgold eignet sich für häufig verwendete und verschleißanfällige Komponenten wie Trägerplatinen, Goldfinger und Tastaturen.
Die Dicke der Hartgold-Oberflächenbehandlung kann je nach Anwendung variieren. Die empfohlene maximale schweißbare Dicke für IPC beträgt 17.8 μ Zoll, 25 μ Zoll Gold und 100 μ Zoll Nickel für IPC1- und Klasse-2-Anwendungen sowie 50 μ Zoll Gold und 100 μ Zoll Nickel für IPC3-Anwendungen.
Weiches Elektrolytgold
Weichgold-Lötverbindungen werden hauptsächlich für Leiterplatten verwendet, die Drahtbonden und eine hohe Lötbarkeit erfordern. Sie sind sicherer als Hartgold-Lötverbindungen.
Sanfte elektrolytische Goldoberflächenbehandlung
Elektrolytisches Nickel/Gold
Vorteil:
Lange Haltbarkeit
Hohe Zuverlässigkeit der Lötverbindungen
Strapazierfähige Oberfläche
Nachteile:
Sehr teuer
Goldfinger erfordert zusätzliche leitfähige Verdrahtung auf der Platine
Hartgold ist schlecht schweißbar
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Wie wählt man ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Leiterplatten aus?
Der Oberflächenbehandlungsprozess von PCB wirkt sich direkt auf die Leistung aus. Nacharbeitsmenge, Ausfallrate vor Ort, Prüffähigkeit und Ausschussrate. Für die Qualität und Leistung des Endprodukts ist es notwendig, ein Oberflächenbehandlungsverfahren zu wählen, das den Designanforderungen entspricht. Im Engineering können folgende Aspekte berücksichtigt werden:
Flachheit des Pads
Die Ebenheit der Lötpads wirkt sich direkt auf die Lötqualität der PCBA aus, insbesondere wenn sich auf der Platine relativ große BGAs oder BGAs mit kleinerem µ-Pitch befinden. ENIG, ENEPIG und OSP können ausgewählt werden, wenn die Schutzschicht auf der Lötpadoberfläche dünn und gleichmäßig sein muss.
Lötbarkeit und Benetzbarkeit
Die Lötbarkeit ist bei Leiterplatten immer ein Schlüsselfaktor. Neben der Erfüllung anderer Anforderungen empfiehlt es sich, ein Oberflächenbehandlungsverfahren mit hoher Lötbarkeit zu wählen, um die Ausbeute beim Reflow-Löten zu gewährleisten.
Schweißfrequenz
Wie oft muss eine Leiterplatte gelötet oder nachbearbeitet werden? Das Oberflächenbehandlungsverfahren von OSP ist maximal für zwei Nachbearbeitungen geeignet. Derzeit werden auch kombinierte Oberflächenbehandlungsverfahren wie Immersionsgold + OSP eingesetzt. Dieses Verfahren wird derzeit für hochwertige Elektronikprodukte wie Smartphones verwendet.
RoHS-Konformität
Das Bleielement in PCBA besteht hauptsächlich aus Komponentenstiften, PCB-Pads und Lötmittel. Um den ROHS-Vorschriften zu entsprechen, muss auch die Oberflächenbehandlung von Leiterplatten den ROHS-Standards entsprechen. Beispielsweise entsprechen ENIG, Zinn, Silber und OSP den ROHS-Standards.
Metallbindung
Wenn eine Gold- oder Aluminiumdrahtverbindung erforderlich ist, kann diese auf ENIG, ENEPIG und weiches elektrolytisches Gold beschränkt sein.
Zuverlässigkeit von Lötverbindungen
Auch der Oberflächenbehandlungsprozess von PCB kann sich auf das Endergebnis auswirken Lötqualität der PCBAWenn Lötverbindungen mit hoher Zuverlässigkeit erforderlich sind, kann die Verwendung von Immersionsgold- oder Nickel-Palladium-Gold-Verfahren gewählt werden.
