Bleifreie Leiterplatten (Printed Circuit Boards, PCBs) wurden zunächst nur im Hinblick auf die Einhaltung der RoHS-Richtlinie (Restriction of Hazardous Substances) der EU (Europäische Union) gefordert, die vorschreibt, dass alle elektronischen Geräte den RoHS-Bestimmungen entsprechen müssen. Infolgedessen begann die Leiterplattenfertigung, von bleihaltig auf bleifrei umzustellen.
Das Blei in Lötstellen stammt hauptsächlich von den beschichteten Pins der Bauteile, den beschichteten Leiterplattenpads und dem Lot. Um sicherzustellen, dass der Bleigehalt in den Lötstellen den ROHS-Vorschriften entspricht (Massenanteil sollte unter 0,1 % liegen),Oberflächenfinishauf Leiterplatten aufgebracht werden und müssen daher bleifrei-kompatibel sein. Derzeit wurden mehrere Oberflächenveredelungen für die Realisierung einer bleifreien Fertigung entwickelt, und ENIG, ImAg, ImSn und OSP werden am weitesten verbreitet eingesetzt.
Da jede Art von Oberflächenfinish ihre eigenen Vor- und Nachteile aufweist, ist es wichtig, klar zu bestimmen, welche Art von Oberflächenfinish für Ihre Projekte optimal ist. Daher vergleicht dieser Artikel die vier Arten von Oberflächenfinishes in erster Linie auf der Grundlage der Analyse von Einsatzbedingungen, Kosten, Kompatibilität mit bleifreien Anforderungen, Lagerfähigkeit, Lötbarkeit usw., sodass Sie in der Lage sein werden, das optimale Oberflächenfinish für Ihre bleifreien Leiterplatten zu ermitteln.
ENIG
ENIG ist die Abkürzung für „Electroless Nickel/Immersion Gold“ und seine Struktur ist unten dargestellt.
• Allgemeine Beschreibung
Als bleifreie Oberflächenbeschichtung weist ENIG einige offensichtliche VORTEILE auf, darunter lange Lagerfähigkeit, ausgezeichnete Lötbarkeit und eine flache Oberfläche. Sein wesentlicher NACHTEIL liegt in den vergleichsweise hohen Kosten und dem Risiko von „Black Pad“.
• Schwarzes Pad
Black Pad ist tatsächlich ein Defekt, der bei Lötverbindungen mit ENIG auftritt und darauf zurückzuführen ist, dass die Nickelschicht stark erodiert. Da die beschädigte Nickelschicht grau und schwarz aussieht, wird dieser Defekt als Black Pad bezeichnet.
Der größte Nachteil von Black Pad liegt darin, dass es nur schwer zu beseitigen ist. Außerdem kann es nicht mit bloßem Auge inspiziert werden. Daher stellt es eine zusätzliche Bedrohung für die Zuverlässigkeit der Produkte dar.
• Diskussion der Nachteile
a. Nichtbenetzbarkeit
Nichtbenetzbarkeit ist die direkte Ursache von Black Pad. Allgemein gesprochen hält eine Leiterplatte mit ENIG-Beschichtung, die von Black Pad betroffen ist, der Beanspruchung nicht stand. Infolgedessen werden Lötstellen, sobald die Produkte Hoch‑/Tieftemperatur-Zyklustests, Vibrationstests sowie das tägliche Ein- und Ausstecken durchlaufen, Rissen ausgesetzt, was die Zuverlässigkeit der Produkte verringert.
b. Neigung zur Erosion
Lötstellen mit ENIG neigen dazu, in feuchter Umgebung leichter zu erodieren, weil die Goldschicht sehr dünn ist und Poren aufweist. Gold selbst wird jedoch nicht erodiert, sondern die darunterliegende Nickelschicht leidet unter der Erosion.
• Zusammenfassung
Im-Sn
Im-Sn ist eine Kurzform für Immersionszinn, das durch eine Austauschreaktion erzielt wird, um eine reine Zinnschicht auf der Kupferoberfläche zu bilden. Aufgrund der Austauschreaktion ist die Dicke der Oberflächenbeschichtung begrenzt und beträgt normalerweise 1 μm.
• Diskussion der Nachteile
a. Nicht beständig gegen Lagerung
Selbst bei normaler Temperatur neigen die Zinnschicht und die Kupfermatrix dazu, sich gegenseitig zu diffundieren. Bei Raumtemperatur bleibt die Diffusionsgeschwindigkeit von Zinn ungefähr im Bereich von 0,144 bis 0,166 nm/s, und es kann 30 Tage lang bei Raumtemperatur gelagert werden. Dabei gehen 0,23 μm der Zinnschicht verloren, die in IMC umgewandelt werden. Nach dem Reflow-Löten wird ihre Dicke um mehr als 0,8 μm reduziert. Wenn eine Lagerung über 180 Tage erforderlich ist, muss dreimal gelötet werden. Die Mindestdicke von Im-Sn muss über 1,28 μm liegen. Das lässt sich jedoch in der Regel nicht erreichen, und die übliche Dicke beträgt nur 1,15 μm.
b. Farbwechsel
Da die Temperatur im Lötprozess ständig ansteigt, neigt die Im-Sn-Schicht dazu, ihre Farbe zu verändern, was auf organische Verunreinigungen oder die Oxidation von Zinn zurückzuführen ist. Allgemein gilt: Je dicker das Zinnoxid wird, desto intensiver wird seine Farbe.
c. Nicht geeignet für die Montage mit feiner Teilung
Da die Verzinnungschemikalie die meisten Lötstopplacke stark beeinträchtigt, darf der Lötstopplack nicht zu schmal sein, da er sonst beschädigt wird. Daher ist Im-Sn für Fine-Pitch-Bestückung nicht geeignet.
d. Zinn-Whisker
Zinn-Whisker sind bei Im-Sn das, was Black Pad bei ENIG ist. Zinn-Whisker treten normalerweise bei Im-Sn auf, und der Abstand zwischen den Pads kann auf mehr als 0,4 mm festgelegt werden.
e. Lösungsangriff
Aufgrund des Angriffs durch chemische Lösungen neigt die mit Via gefüllte Tinte dazu, Risse zu bekommen, in denen sich häufig etwas Lösung verbirgt, die während des Reflow-Lötens herausgepresst wird, was das Erscheinungsbild und die Zuverlässigkeit stark beeinträchtigt.
• Zusammenfassung
Im-Ag
Im-Ag ist eine Kurzform für Immersionssilber, das darauf abzielt, durch die Wirkung der Lösung eine Silberschicht zu erzeugen. Anstelle einer reinen Silberschicht enthält Im-Ag organische Substanzen, deren Massenanteil ungefähr 30 % beträgt.
• Diskussion der Nachteile
a. Mikrokavität
Mikrohohlräume mit einem Durchmesser von weniger als 0,05 mm neigen dazu, auf der Silberoberfläche aufzutreten. Diese Hohlräume verringern die Festigkeit der Lötverbindung erheblich, was besonders deutlich wird, wenn die Leiterplatte Erschütterungen ausgesetzt ist. Infolgedessen können die Endprodukte sogar ausfallen.
b. Schleichende Erosion
Kriechkorrosion ist ein führender Defekt, wenn Im-Ag als Oberflächenfinish eingesetzt wird. Da galvanische Kopplung durch die Kombination von freiliegendem Kupfer am Rand der Lötstoppmaske und der Silberoberfläche von Masseflächen verursacht wird, neigt elektrochemische Korrosion dazu, sich bei Feuchtigkeit zu bilden.
c. Silbermigration
Silberwanderung tritt normalerweise bei Dickschichtschaltungen oder im Inneren von ICs auf.
d. Farbwechsel
Die Farbe der Oberfläche einer mit Immersionssilber beschichteten Leiterplatte neigt dazu, nach der Einwirkung von Luft gelb oder schwarz zu werden. Die Farbveränderung tritt in der Luft hauptsächlich deshalb auf, weil sich kleine Poren auf der Silberoberfläche befinden und eine Farbveränderung einsetzt, sobald Halogenide in der Luft mit diesen Silberporen reagieren.
Neben dieser Ursache für Farbveränderungen ändert sich manchmal die Oberflächenfarbe nach dem Löten. Es gibt zwei Faktoren, die zu Farbveränderungen nach dem Löten führen: die Beschichtungsdicke und die Expositionszeit. Es wurde nachgewiesen, dass eine Erhöhung der Beschichtungsdicke zur Verbesserung der Beständigkeit gegen Farbveränderungen beiträgt und dass eine Verkürzung der Expositionszeit ebenfalls in der Lage ist, ein nachträgliches Ändern der Oberflächenfarbe weitgehend zu verhindern.
• Zusammenfassung
OSP
OSPist die Abkürzung für „Organic Solderability Preservatives“. OSP ist tatsächlich eine Schicht aus organischem Film, die auf chemischem Wege auf einer sauberen Kupferoberfläche erzeugt wird. Sie wird verwendet, um die Kupferoberfläche vor Oxidation zu schützen. Außerdem kann sie thermischen Schock und Benetzbarkeit widerstehen.
• Herausforderungen, die OSP nach dem Löten durchlaufen wird
Herausforderung #1
Unter der hohen Temperatur des Reflow-Lötofens findet kaum eine Verdampfung statt, sodass ein Massenverlust von nicht weniger als 10 % auftritt, was darauf hinweist, dass die geringste Schichtdicke bei OSP verwendet werden kann.
Herausforderung Nr. 2
OSP wird bei einer Temperatur von 260 ℃ nicht zersetzt. Im Prozess wird OSP ohne Wärmeentwicklung direkt von festem in gasförmigen Zustand überführt.
Herausforderung Nr. 3
OSP neigt dazu, während des Lötprozesses mit Sauerstoff zu reagieren.
Herausforderung Nr. 4
Sobald OSP in den Lötofen gelangt, verfärbt es sich leicht rostfarben und seine Lötbarkeit verschlechtert sich.
Herausforderung Nr. 5
OSP lässt sich mit dem aufgetragenen Flussmittel nur schwer entfernen, sodass stattdessen ein stärkeres Flussmittel verwendet werden sollte.
• Zusammenfassung
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