Was sind PCB-Oberflächenveredelungen?

Die Oberflächenbehandlung von Leiterplatten bezieht sich auf den freiliegenden Kupferfolienbereich der Leiterplatte (z. B. Pads, Leiterbahnen), der mit einer Metall- oder Legierungsschicht bedeckt ist, die die Kupferoberfläche als "Schutzbarriere" und "Schweißmedium" schützt.

PCB-Oberflächenfinish Kernfunktionen

Physikalischer Schutz: Isoliert Kupfer vor dem Kontakt mit Luft und Feuchtigkeit und verhindert Oxidation, Sulfidierung und andere korrosive Reaktionen;
Optimierung der Lötbarkeit:Sorgen Sie für eine flache und stabile Lötstelle, um eine zuverlässige Verbindung zwischen dem Lot (z. B. Lotpaste) und der Kupferschicht zu gewährleisten;
Gewährleistung der elektrischen Leistung: Aufrechterhaltung der Leitungsstabilität des Stromkreises, Vermeidung von Impedanzanomalien oder Kurzschlussgefahr aufgrund der Verschlechterung der Kupferoberfläche.

Die Bedeutung der PCB-Oberflächenbehandlung

Hauptzweck: Lösung des "Oxidationsproblems" der Kupferoberfläche

Kupfer bei Raumtemperatur mit Sauerstoff in der Luft, Wasserdampf Kontakt wird Kupferoxid (CuO) oder alkalische Kupfercarbonat (Kupfer grün) zu erzeugen, werden diese oxidierten Schichten erheblich reduzieren die Benetzbarkeit des Lötens — speziell als Lot manifestiert "weigert sich zu löten", Lötstellen falsch oder rissig. Die Oberflächenvorbereitung stellt sicher, dass die Kupferoberfläche beim Löten aktiv ist, indem sie sie mit einer Beschichtung bedeckt, die den Kontakt des Kupfers mit dem Oxidationsmittel radikal blockiert.

Bedeutung für die Industrie: ein kritischer Prozess während des gesamten Lebenszyklus der Leiterplatte

1.Herstellung
Sichern Sie die SMT-Ausbeute (Surface Mount Technology) und reduzieren Sie die Kosten für Nacharbeit aufgrund schlechter Lötbarkeit;
Die Gleichmäßigkeit der Beschichtung wirkt sich direkt auf die mechanische Festigkeit der Bauteile nach dem Löten aus (z. B. auf die Spannung der Lötstelle und die Scherkraft).

2) Lagerung und Transport
Bei langfristiger Lagerung kann die Beschichtung Feuchtigkeit, Salzsprühnebel und anderen Umwelteinflüssen widerstehen (z. B. in Küstengebieten mit Geräten, müssen PCBs besonderes Augenmerk auf die Fähigkeit, Rost zu verhindern zu zahlen);
Vermeiden Sie Schäden an der Kupferoberfläche, die durch Reibung und Stöße während des Transports entstehen.

3. die Anpassung an die Verwendung von Szenen
In Umgebungen mit hohen Temperaturen (z. B. Automobilelektronik, industrielle Steuerungen) muss die Beschichtung alterungsbeständig sein, um eine Zersetzung oder Oxidation der Beschichtung bei hohen Temperaturen zu verhindern;
Bei Hochfrequenzschaltungen wirkt sich die Ebenheit der Beschichtung auf den Signalübertragungsverlust aus (z. B. wird bei HF-Leiterplatten wegen der guten Gleichmäßigkeit der Beschichtung häufig das Tauchgoldverfahren verwendet).

Eingehender Vergleich von 7 PCB-Oberflächenbehandlungen

1. Heißluftlöten (HASL)

Prozess-Prinzip:
Das Eintauchen der Leiterplatten in 260°C heißes, geschmolzenes Lot (Sn63Pb37 oder SAC305) und das anschließende Entfernen des überschüssigen Lots mit Hochdruck-Heißluft (400°C) führt zu unebenen, hügeligen Oberflächen.

Ideal für:

• Unterhaltungselektronik (Ladegeräte, LED-Treiber)
• Kostensensitive Aufträge mit hohen Stückzahlen

Schwere Lektion:
Ein Router-Hersteller stellte bei der Verwendung von bleifreiem HASL weit verbreitete BGA-Lücken fest und fügte schließlich einen Schritt zur Vorverzinnung des Pads hinzu, der die Kosten um 0,17 $/Platine erhöhte.

Kritische Kontrollen:

2.Chemisch Nickel Chemisch Gold (ENIG)

Schichtstruktur:
“Sandwich” deposition: Stromloses Ni (3-5μm) → Verdrängung Au (0,05-0,1μm). Ni fungiert als Kupfer-“Firewall” Au als “Lötschnittstelle”

Hochfrequenz-Fallstudie:
Eine mmWave-Radarplatine entschied sich für ENIG anstelle von OSP, weil der Skin-Effekt-Verlust von Au um 23 % geringer war (@77GHz).

Black Pad Analyse:
Wenn das Ni-Bad 91°C überschreitet, bildet die Phosphorentmischung spröde Ni3P-Phasen (SEM zeigt eine rissige Morphologie). Prävention:

• Zitronensäurepuffer hinzufügen
• Impulsplattieren umsetzen
• Mikroätzung vor der Au-Beschichtung einbeziehen

3.Organisches Konservierungsmittel für die Lötbarkeit (OSP)

Molekularer Schutz:
Benzimidazol-Kupfer-Chelate bilden 0,2-0,5 μm dicke Filme, die 6 Monate lang der natürlichen Oxidation widerstehen.

5G Bevorzugte Wahl:
Eine AAU-Platine für eine Basisstation, die OSP+LDI verwendet, spart 4,2 $/m² im Vergleich zu ENIG bei einer um 0,3dB/cm geringeren Einfügedämpfung (bei 28GHz).

Lagerung Don’ts:

• RH>60% führt zur Hydrolyse des Films
• Schwefelhaltige Verpackungen erzeugen schwarze Cu2S-Flecken
• Muss SMT innerhalb von 24 Stunden nach dem Auspacken

4.Chemisch Zinn (ImSn)

Mikrostruktur:
Die intermetallische Dicke von Cu6Sn5 (ideal: 1,2-1,8μm mittels EDX) bestimmt die Zuverlässigkeit.

Automobiler Erfolg:
Ein ECU-Modul bestand 3000x -40°C~125°C-Zyklen mit ImSn im Vergleich zu ENIG’s 2400x.

Prozess-Risiken:

• Zinn-Whisker-Wachstum (unterdrückt durch Reflow-Voralterung)
• Kreuzkontamination bei doppelseitigen Platten
• Unverträglich mit Al-Draht-Bonding

5.Tauchsilber (ImAg)

Signalintegrität Kante:
Die Einfügedämpfung bei 10 GHz ist 15 % niedriger als bei ENIG (gemäß IPC-6012B).

Gegenmaßnahmen zur Migration:
Die Dotierung mit Nanopartikeln erhöht die Migrationsschwelle von 3,1 V auf 5,6 V für 48-V-Leistungsmodule.

Dickensteuerung:

• Natriumthiosulfat als Hemmstoff
• Sprühplattierungsbehälter
• Nachbehandlung durch Chromatpassivierung

6.Chemisch Nickel Chemisch Palladium-Tauchgold (ENEPIG)

Schicht Innovation:
0,1-0,2μm Pd zwischen Ni (3-4μm) und Au (0,03-0,05μm) verhindert die Diffusion von Au.

SiP-Anwendung:
Ein 3D-Gehäuse mit gemischtem Au-Draht/SnAgCu-Löten unter Verwendung von ENEPIG.

Optimierung der Kosten:

• Gradient Pd Dicke (0,15μm Rand/0,08μm Mitte)
• Pd-Co-Legierung anstelle von reinem Pd

7.Elektrolytisches Hartgold

Schutz der Militärklasse:
Co-dotiertes Au (1-3μm) mit einer Härte von 180HV hält 50-mal mehr Verschleiß stand als ENIG.

Spezifikationen des Steckers:

• Goldfingerfase: 30°±1°
• Ni-Dicke ≥5μm
• 3 mm Übergangszonen erforderlich

Kostenfalle:
Bei einer Rückwandplatine erhöhten sich die Kosten für die Endbearbeitung von 8 % auf 34 % der Gesamtkosten.

Auswahl Entscheidungsbaum

5 Gemeinsame Versagenskliniken

Q1: Schwarze Rückstände auf ENIG-Pads nach dem Reflow-Prozess?
→ “Goldversprödung”! Sofort prüfen:

1. Ni-P-Gehalt (7-9% optimal)
2. Au-Dicke >0,08μm?
3. Lötpaste Bi-Gehalt

F2: Zinnwhisker auf ImSn nach 3-monatiger Lagerung?
→ Ausführen von “Rettungstrio”:

1. Backen bei 150°C für 2 Stunden
2. Anti-Diffusions-Nanobeschichtung auftragen
3. Umstellung auf das Mattblechverfahren

F3: OSP-Platten weisen nach mehreren Rückflüssen eine schlechte Benetzbarkeit auf?
→ Der organische Film wird abgebaut! Führen Sie diese Schritte aus:

1. Überprüfen Sie, dass die Reflow-Spitzentemperatur 245°C nicht übersteigt.
2. Überprüfen Sie die Lagerungszeit – OSP verschlechtert sich nach 6 Monaten
3. Erwägen Sie eine Stickstoffatmosphäre während des Reflow-Prozesses

Q4: Scheitern ENEPIG-Boards bei Drahtbond-Pulltests?
→ Gewöhnlich wird eine Palladiumschicht ausgegeben:

1. Messung der Pd-Dicke (ideal 0,15-0,25μm)
2. Prüfung auf Pd-Oxidation (XPS-Analyse empfohlen)
3. PD-Bad pH-Wert auf 8,2-8,6 einstellen

F5: Haben Sie HASL-Platten mit ungleichmäßiger Lötdicke?
→ Kalibrierung des Luftmessers erforderlich:

1. Prüfen Sie den Druck des Luftmessers (normalerweise 25-35 psi)
2. Nivellierzeit prüfen (optimal 3-5 Sekunden)
3. Prüfen der Platinenhalterungen auf Verzug

Profi-Tipps von PCB-Hersteller

1. HASL – Für doppelseitige Platinen bitte “dual dip” Verarbeitung anfordern, um den Schatteneffekt zu vermeiden
2. ENIG – Spezifizieren Sie immer Nickel mit mittlerem Phosphorgehalt (6-9% P) für beste Zuverlässigkeit
3. OSP – Für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit, wählen Sie “Typ 3” OSP-Formulierungen
4. ImSn – Die Lagerung in Stickstoffschränken verlängert die Haltbarkeitsdauer von 6 auf 12 Monate
5. ImAg – Fügen Sie eine Anti-Anlauf-Behandlung hinzu, wenn die Platten mehreren thermischen Zyklen ausgesetzt sind
6. ENEPIG – Spezifizieren Sie “spannungsarmes Nickel” für flexible PCB-Anwendungen
7. Hartgold – Der Kobaltgehalt sollte für eine optimale Verschleißfestigkeit 0,1-0,3% betragen.

Analyse des Kosten-Leistungs-Verhältnisses

Zukünftige Trends bei Oberflächenveredelungen

1. Nanokomposit-OSP – Mit Graphen verstärkte Formulierungen zeigen in Versuchen eine doppelt so lange Haltbarkeitsdauer
2. Niedertemperatur-ENIG – Neue Chemikalien ermöglichen die Verarbeitung bei 65°C gegenüber herkömmlichen 85°C
3. Selektive Veredelungen – Kombination verschiedener Oberflächen auf einzelnen Platten (z. B. ENIG + OSP)
4. Selbstheilende Filme – Experimenteller OSP, der kleinere Kratzer während des Reflow-Prozesses repariert
5. Halogenfreie Prozesse – Erfüllung der kommenden EU-Umweltvorschriften

Denken Sie bei der Bewertung von Oberflächenbeschichtungen daran, dass es keine universelle beste Option gibt, sondern nur die für Ihre spezifischen Designanforderungen, Budgetbeschränkungen und Fertigungsmöglichkeiten am besten geeignete Lösung. Die teuerste Ausführung ist nicht unbedingt die richtige Wahl, genauso wie die wirtschaftlichste Option zu Fehlern in der Praxis führen kann. Führen Sie immer Praxistests mit Ihrem tatsächlichen Leiterplattendesign und Ihren Komponenten durch, bevor Sie Ihre Wahl treffen.