Kupfer wurde aufgrund seiner hervorragenden Leitfähigkeit und physikalischen Eigenschaften von Leiterplatten (Printed Circuit Board, PCB) als leitfähiges Material ausgewählt. Die Kupferoberfläche neigt jedoch dazu, zu oxidieren, wenn sie Luft ausgesetzt ist, wodurch sich eine feste und dünne Oxidschicht auf der Oberfläche bildet. Dies führt meist zu Defekten an Lötstellen, was wiederum die Zuverlässigkeit des Produkts verringert und die Lagerdauer verkürzt. Daher ist es äußerst notwendig, Schutzmaßnahmen zu ergreifen, um die Oxidation der Kupferoberfläche zu verhindern. Dies ist der ursprüngliche Grund für das Aufkommen von Oberflächenbeschichtungen, die hitzebeständig und lötbar sein müssen. Bis heute haben sich PCB-Oberflächenbeschichtungen rasant entwickelt, es sind zahlreiche Klassifizierungen entstanden, und die Auswahl eines geeigneten Typs ist nach wie vor von Bedeutung. Daher wird dieser Artikel die Funktionen und Klassifizierungen von PCB-Oberflächenbeschichtungen erörtern und einige Auswahlprinzipien vorstellen.
Was ist eine Leiterplatten-Oberflächenbeschichtung?
•Bedeutung der Leiterplatten-Oberflächenbeschichtung
Um zu verhindern, dass die Kupferoberfläche der Pads auf der Leiterplatte vor der Lötbarkeit oxidiert und verunreinigt wird, ist es von entscheidender Bedeutung, eine Oberflächenbeschichtung (auch Oberflächenfinish genannt) auf das Kupfer aufzubringen, um eine Schutzfunktion zu gewährleisten.
Kupfer weist die zweitbeste Leitfähigkeit und physikalischen Eigenschaften auf (an erster Stelle steht Silber) und verfügt zudem über reichliche Vorkommen und geringe Kosten, weshalb Kupfer als leitfähiges Material für Leiterplatten (PCBs) ausgewählt wurde. Dennoch oxidiert Kupfer als eine Art aktives Metall sehr leicht, sodass sich auf der Oberfläche eine Oxidschicht (Kupferoxid oder Kupfer(I)-oxid) bildet, was zu Defekten an Lötstellen führt, die die Zuverlässigkeit des Produkts verringern und die Lagerdauer verkürzen.
Statistiken zufolge stammen 70 % der Defekte auf Leiterplatten von Lötstellen, und zwar aus den folgenden zwei Gründen:
Grund Nr. 1Die Verschmutzung und Oxidation der Pads auf der Leiterplatte führt häufig zu unvollständigen Lötverbindungen und kalten Lötstellen.
Grund Nr. 2: Aufgrund der Diffusion zwischen Silber und Kupfer neigt sich eine Diffusionsschicht zu bilden, während sich zwischen Zinn und Kupfer intermetallische Verbindungen (IMC) zu bilden tendieren, was dazu führt, dass die Grenzfläche locker und brüchig wird.
Daher sollte die zum Löten vorbereitete Kupferoberfläche eine Schutzschicht mit Lötbarkeit oder Isolierfunktion aufweisen, sodass Defekte verringert oder vermieden werden können.
•Anforderung an die Leiterplattenoberflächenbeschichtung
Die Oberflächenbeschichtung auf dem Leiterplattenpad sollte mit der folgenden Anforderung kompatibel sein:
a. Hitzebeständigkeit
Unter der hohen Temperatur während des Lötens sollte die Oberflächenbeschichtung außerdem in der Lage sein, die Oxidation der Leiterplattenpads zu verhindern und es dem Lot zu ermöglichen, direkten Kontakt mit dem Kupfer zu haben.
Die Hitzebeständigkeit organischer Oberflächenbeschichtungen bezieht sich auf das Verhalten in Bezug auf Schmelzpunkt und thermische Zersetzungstemperatur. Der Schmelzpunkt der Oberflächenbeschichtung sollte nahe am oder unter dem von Zinn liegen, während ihre thermische Zersetzungstemperatur deutlich höher sein sollte als der Schmelzpunkt und die Löttemperatur des Lots. Dadurch findet während des Lötens keine Oxidation auf der Kupferoberfläche statt.
b. Abdeckbarkeit
Grundsätzlich kann die Leiterplattenoberflächenbeschichtung die Oberfläche der Kupferpads vollständig bedecken, ohne vor oder während des Lötens zu oxidieren oder verunreinigt zu werden. Sie wird sich nicht verflüchtigen, zersetzen oder auf der Oberfläche der Lötstellen aufschwimmen. Daher sollte die Oberflächenspannung der schmelzenden Oberflächenbeschichtung gering und ihre Zersetzungstemperatur hoch sein, damit das schmelzende Lot vollständig auf das Pad aufgelötet werden kann und eine hohe Bedeckung vor und während des Lötens gewährleistet ist.
c. Rückstand
Der Rückstand bezieht sich hier auf den Rückstand, der nach dem Löten auf der Oberfläche des Pads oder der Lötstellen zurückbleibt. Allgemein gesprochen ist der Rückstand schädlich und sollte entfernt werden, weshalb nach dem Löten in der Regel Reinigungsmaßnahmen durchgeführt werden.
d. Korrosivität
Die Korrosivität bezieht sich hier auf die Korrosion, die durch verbleibendes Lot nach dem Löten an der Oberfläche der Leiterplatte verursacht wird, wie etwa am PCB-Substratmaterial oder an der Metallschicht.
e. Umweltbelange
Heutzutage erregen Umweltbelange in der Industrie zunehmend große Aufmerksamkeit. Wenn es um die Oberflächenbeschichtung von Leiterplatten (PCB) geht, sollten die Abwässer, die während der Beschichtung sowie nach der Reinigung und dem Löten anfallen, leicht zu entsorgen und umweltfreundlich sein.
Wie wird die Oberflächenbeschichtung von Leiterplatten klassifiziert?
•Basierend auf Fertigungstechnologie
Basierend auf der Fertigungstechnologie kann die Leiterplattenoberfläche in Oberflächenbeschichtung und Metallbeschichtung eingeteilt werden.
a. Oberflächenbeschichtung
Oberflächenbeschichtung bezeichnet den Prozess, bei dem auf physikalischem Wege eine dünne Beschichtung, die sowohl hitzebeständig als auch lötbar ist, auf die Kupferoberfläche aufgebracht wird. Die herausragende Eigenschaft der Oberflächenbeschichtung liegt darin, dass während des Lötprozesses eine reine Kupferoberfläche für das Lot zum Löten bereitgestellt werden kann. Das Oberflächenfinish, wie HASL (Hot Air Solderability Level) oderOSP (Organischer Lötbarkeitskonservierer)gehört zu dieser Klassifizierung.
b. Metallbeschichtung
Metallbeschichtung bezeichnet den Prozess, bei dem mittels chemischer und galvanischer Beschichtung eine hitzebeständige und lötbare Metallschicht auf der reinen Kupferoberfläche der Pads auf der Leiterplatte (PCB) erzeugt wird, wie z. B. ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold), ENEPIG (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold), Immersion Gold usw.
•Basierend auf der Anwendungswirkung
Basierend auf den Anwendungseffekten kann die Oberflächenbeschaffenheit in drei Kategorien eingeteilt werden: Lötflussmittel, das auf die Beschichtung der Isolierschicht aufgelötet wird, Lötflussmittel, das auf die Metallbeschichtung der Diffusionsschicht aufgelötet wird, und Lötflussmittel, das auf die Isolierschicht der Metallbeschichtung aufgelötet wird.
Kategorie#1: Lötflussmittel wird auf die Beschichtung auf der Isolierschicht aufgelötet.
Die herausragende Eigenschaft dieser Art von Oberflächenbeschichtung besteht darin, dass das schmelzende Lot während des Hochtemperaturlötens nach dem Verlassen des Kupfers auf der Oberfläche des Lotes driftet. Allerdings wird an der Schnittstelle der Lötverbindung eine intermetallische Verbindung (IMC) gebildet, was die Wahrscheinlichkeit von Defekten erhöht.
Kategorie#2: Lötflussmittel wird auf die Metallbeschichtung der Diffusionsschicht aufgelötet.
Das Aufkommen dieser Art von Technologie zielt darauf ab, IMC zu eliminieren, weist jedoch offensichtliche Nachteile auf. Einerseits neigt sie dazu, Diffusion auszulösen; andererseits führt sie dazu, dass das Board unter Sprödigkeit leidet, was anschließend das Auftreten von Defekten in der Schaltung verursacht.
Kategorie#3: Lötflussmittel wird auf die Isolierschicht der Metallbeschichtung aufgelötet.
Der Hauptvorteil dieser Art von Technologie besteht darin, dass das Lot auf der Oberfläche der isolierenden Schicht der Metallbeschichtung statt direkt auf der Kupferoberfläche aufgelötet wird. Daher wird an der Grenzfläche keine stabile IMC gebildet und es kommt zu keiner Diffusion zwischen den Metallen.
Wie wählt man die Leiterplattenoberflächenbeschichtung aus?
Der Leiterplattenoberflächenbeschichtung muss große Aufmerksamkeit geschenkt werden, da sie eng mit der Lötbarkeit, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Leiterplatte verbunden ist. Sie sollte insbesondere in Abhängigkeit von den Einsatzbedingungen und Anwendungsbereichen ausgewählt werden.
Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungseffekte von Oberflächenbeschichtungen sollten diese entsprechend den Anwendungsanforderungen und spezifischen Anwendungsbereichen ausgewählt werden währendPCB-Herstellungsprozessund die Komplexität und die Kosten der Herstellung können nicht die hauptsächliche Beurteilungsgrundlage sein.
Allgemein gesprochen sollte bei elektronischen Produkten für den zivilen oder allgemeinen industriellen Einsatz eine Oberflächenbeschichtung gewählt werden, deren Lötflussmittel ohne Isolationsschicht verlötet wird, wie z. B. HASL, OSP usw.
In Bezug auf Anwendungen, die eine hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer anstreben, wie etwa im medizinischen Bereich, im Transportwesen, im Militär, in der Luft- und Raumfahrt usw., sollte jedoch eine Oberflächenbeschichtung gewählt werden, bei der das Lötflussmittel auf der Isolationsschicht verlötet wird, wie z. B.ENIG und ENEPIG.
