Moderne elektronische Geräte haben seit der Erfindung der Leiterplatten ein neues Gesicht bekommen. Leiterplatten haben die Leistung elektronischer Geräte verbessert, ihre Größe reduziert und die Produkthaltbarkeit erhöht. Diese Eigenschaften wurden durch fortschrittlichere Oberflächenveredelungen noch weiter verbessert. Es gibt viele verschiedene Verfahren zur Oberflächenveredelung, die gängigsten sind jedoch das Heißluft-Lötnivellieren (HASL) und die Chemisch-Nickel-Immersion-Gold-Beschichtung (ENIG). Alle diese Verfahren sind unerlässlich, und die Wahl kann nur auf Grundlage des jeweiligen Anwendungsbereichs getroffen werden. Dieser Artikel stellt Ihnen die HASL- und ENIG-Verfahren zur Oberflächenveredelung im Detail vor und ermöglicht Ihnen die Auswahl des für Ihr Produkt geeigneten Verfahrens.

Was ist HASL?

HASL steht für Hot Air Solder Leveling. Es ist die älteste und am häufigsten verwendete Methode zur Oberflächenbehandlung und -veredelung von Leiterplatten. Bei diesem Verfahren werden die Kupferbahnen der Leiterplatte mit geschmolzenem Lot beschichtet. Das geschmolzene Lot besteht zu 37 % aus Blei und zu 63 % aus Zinn, die dem Lötmaterial zugesetzt werden.

Figure 1: Struktur der Leiterplatten mit HASL-Oberflächenbeschaffenheit

Schritt-für-Schritt-Prozesse in HASL

Um HASL besser zu verstehen, gehen wir die beteiligten Prozesse Schritt für Schritt durch.

Abbildung 2: Schritt-für-Schritt-HASL-Prozess

·       Vorreinigung und Aufbereitung: Der erste Schritt besteht darin, die Leiterplatte zu reinigen, um Schmutz, Ablagerungen und oxidierte Kupferschichten zu entfernen.

·       Flussmittelbeschichtung: Vor dem Lötvorgang wird Flussmittel auf die Leiterplatte aufgetragen. Seine Funktion besteht darin, Oxidation zu verhindern und die Löthaftung während des Lötvorgangs zu verbessern.

·       Vorheizen: Die Leiterplatte wird auf eine Durchschnittstemperatur von 150 °C vorgewärmt.^oC, um die thermische Stabilität zu gewährleisten, thermische Schocks zu vermeiden und den Oxidationsprozess zu verhindern. Dieser Prozess bereitet die Leiterplatte auf das Eintauchen in geschmolzenes Lot vor.

·       Lötbad-Eintauchen: Die Leiterplatte wird dann in ein Lötbad getaucht, das auf etwa 265 °C erhitzt wird.^oC. Dieser Vorgang stellt sicher, dass alle freiliegenden Kupferbereiche beschichtet sind.

·       Heißluftnivellierung: Nach dem Eintauchen wird die Leiterplatte aus dem Bad genommen und durch Heißluftmesser geführt. Der Prozess entfernt überschüssiges Lot und sorgt für eine gleichmäßig verteilte, flache Beschichtung.

·       PCB-Kühlung: Die Platine wird einige Minuten abkühlen gelassen. Durch den Abkühlvorgang kann das gleichmäßig verteilte Lot erstarren.

·       Nachreinigung und Inspektion: Auf dieser Ebene werden alle verbleibenden Rückstände von der Oberfläche der Leiterplatte entfernt. Die Platine wird außerdem einem Inspektionsprozess unterzogen, um sicherzustellen, dass das gewünschte Ergebnis erreicht wird.

Welche HASL-Typen gibt es?

Es gibt zwei Arten von HASL-Leiterplattenoberflächenbehandlungen: bleibasiertes und bleifreies HASL.

·       Bleibasiertes HASL: Bei diesem Verfahren wird eine Zinnlegierung verwendet, bei der 63 % Zinn mit 37 % Blei gemischt werden. Dieses Verfahren ist aufgrund seiner Umweltbelastung durch RoHS eingeschränkt.

·       Bleifreies HASL: Bei diesem Verfahren werden bleifreie Lötbadlegierungen verwendet. Anstelle von Blei verstärkt Kupfer das Zinn. Die RoHS-Richtlinien bevorzugten dieses Verfahren.

Vorteile und Nachteile von HASL

Vorteile von HASL

Nachfolgend sind die Vorteile der Verwendung von HASL bei der Oberflächenbehandlung von Leiterplatten aufgeführt:

·       Kosteneffektivität: HASL ist eine der wirtschaftlichsten und kostengünstigsten PCB-Behandlungsmethoden.

·       Haltbarkeit: Mit HASL und richtiger Lagerung ist dem Produkt eine längere Haltbarkeit als bei anderen Methoden garantiert.

·       Lötbarkeit: HASL bietet eine gute Lötbarkeit und gewährleistet eine starke Verbindung nach Abschluss des PCB-Lötprozesses.

·       Visuelle Inspektion: Mit HASL kann der Benutzer das Endprodukt visuell inspizieren und alle während des Prozesses aufgetretenen Ströme identifizieren.

Nachteile von HASL

Nach der Verwendung der HASL-Methode zur Oberflächenbearbeitung müssen Sie mit folgenden Nachteilen rechnen:

·       Ebenheitsfehler: Das Erreichen einer perfekten Ebenheit ist beim Heißluftnivellieren nahezu unmöglich, was bei Komponenten mit kleinen Abständen, wie beispielsweise den BGAs, eine Herausforderung darstellen kann.

·       RoHS-Umweltbelange: Bleibasierte Legierungen (HASL) stellen eine Gefahr für die Umwelt und die Gesundheit dar, weshalb der Prozess nicht den RoHS-Standards entspricht.

·       Dickenvariation: HASL kann Leiterplatten mit unterschiedlichen Dicken aufweisen, was zu Problemen bei den Endprodukten führen kann.

·       Nicht empfohlen für fortgeschrittenere Leiterplatten: Einige Leiterplatten, z. B. Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzschaltungen, erfordern eine hochpräzise Endbearbeitung, die HASL nicht leisten kann. Anstelle von HASL wird ENIG bevorzugt.

Was ist ENIG?

ENIG, die Chemisch-Nickel-Immersion-Gold-Beschichtung, ist heute das am weitesten verbreitete Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Leiterplatten. Es besteht aus zwei Schichten, die eine ebene und lötbare Oberfläche bilden. Das Verfahren wird durch die Bildung einer 0.05 bis 0.2 mil dicken flachen Nickelschicht ermöglicht, die die Kupferbahnen und Pads bedeckt. Anschließend wird eine abschließende Goldschicht (0.05 bis 0.15 mil) aufgetragen, die die Nickelschicht bedeckt.

Für optimale Leistung muss der Hersteller die erforderliche ENIG-Schichtdicke erreichen. Eine Nickelschicht mit Standarddicke schützt die Goldschicht vor dem Eindringen in die Kupferleiterbahnen und Pads. Die Goldschicht bietet eine Oberfläche für optimale Lötbarkeit. Hersteller entscheiden sich für eine ENIG-Oberflächenveredelung, wenn sie hochzuverlässige Produkte herstellen; der Leistung wird dabei besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Dies gilt beispielsweise für Bereiche wie die Medizin-, Verteidigungs- und Luft- und Raumfahrtindustrie.

Abbildung 3: Leiterplatte mit ENIG-Oberflächenfinish

Schritt-für-Schritt-Prozesse in ENIG

ENIG wird durch den folgenden schrittweisen Prozess ermöglicht:

Abbildung 4: Schritt-für-Schritt-Prozesse in ENIG

·       Vorreinigung: Die Leiterplatte durchläuft einen gründlichen Vorreinigungsprozess, um eventuell auf ihrer Oberfläche vorhandene Ablagerungen, Schmutz und andere Verunreinigungen zu entfernen.

·       Radierung: Die Leiterplatte wird einem Ätzprozess unterzogen, um überschüssiges Kupfer von der Oberfläche zu entfernen. Dabei wird eine spezielle Säurelösung verwendet, die das Kupfer auflöst und gleichzeitig die restlichen Schaltkreise intakt hält.

·       Chemische Vernickelung: Die Platine wird in ein chemisch nickellösliches Bad getaucht, um eine dünne Nickelschicht auf der Oberfläche der Kupferbahnen und -pads abzuscheiden. Diese Schicht schützt die Goldschicht vor dem Eindringen in die Kupferpads und -bahnen.

·       Erstes Spülen: Die Leiterplatte wird gespült, was zum Entfernen der stark abgelagerten Nickellösung auf ihrer Oberfläche erforderlich ist.

·       Tauchgoldabscheidung: Die Leiterplatte wird in ein Goldbad getaucht. Die Goldlösung reagiert mit der zuvor gebildeten Nickelschicht und lagert so eine dünne Goldschicht auf der Oberfläche ab. Die gebildete Goldschicht soll die Lötbarkeit verbessern.

·       Schlussspülung: Durch ein abschließendes Spülen wird überschüssige Goldlösung von der Leiterplattenoberfläche entfernt.

·       Nachreinigung, Trocknung und Inspektion: Die Leiterplatte wird einer gründlichen Nachreinigung und Trocknung unterzogen. Anschließend wird sie überprüft, um sicherzustellen, dass während der Herstellung keine Mängel aufgetreten sind.

Vorteile und Nachteile von ENIG

Vorteile von ENIG

·       Oberflächenebenheit: Eine ebene Oberfläche lässt sich leicht erzielen und ist daher für BGAs und SMT-Komponenten geeignet.

·       Haltbarkeit:  ENIG ist äußerst langlebig, da Nickel robust ist und das Produkt daher sehr verschleißfest ist.

·       Korrosionsbeständigkeit: Gold ist korrosionsbeständig und schützt korrosionsanfälliges Nickel.

·       Spurentextur: ENIG erzeugt feine Leiterbahnen, die bei der Herstellung von Leiterplatten mit hoher Verbindungsdichte sehr beliebt sind.

·       Umweltkonformität: Aufgrund seines umweltfreundlichen Charakters ist das Verfahren RoHS-konform. ENIG verwendet keine Bleimaterialien.

·       Haltbarkeit: ENIG verfügt über eine Oxidationsschutzfunktion und verleiht Leiterplatten somit eine längere Haltbarkeit.

Nachteile von ENIG

·       Kosten: Im Vergleich zu HASL ist ENIG teurer.

·       Prozesskomplexität: ENIG ist ein komplexerer Prozess. Er erfordert besondere Aufmerksamkeit und Ausrüstung.

·       Mängel: ENIG ist anfällig für den Black-Pad-Defekt, der auftritt, wenn durch die Vernickelung Fehler in den Lötstellen entstehen.

        Dickenbeschränkungen: Die Goldplattierung ist immer dünn, was für manche Anwendungsbereiche nicht ratsam sein kann.

HASL vs. ENIG: Der Vergleich

Was ist bei der Wahl zwischen HASL und ENIG zu beachten?

Die Wahl der richtigen Oberflächenbeschaffenheit bei der Leiterplattenherstellung kann eine Herausforderung sein. Hersteller berücksichtigen dabei verschiedene Faktoren. Im Folgenden sind einige davon aufgeführt.

·       Anwendungsgebiete: ENIG eignet sich für Projekte, die ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Leiterplatten mit hoher Dichte erfordern. Wenn Ihr Produkt geringere Designanforderungen stellt und kostengünstig sein soll, entscheiden Sie sich für HASL.

·       Budgetbeschränkung: Diese Frage ist entscheidend, bevor Sie sich zwischen ENIG und HASL entscheiden. Low-Budget-Produkte können sich nicht mit ENIG zufrieden geben, während HASL die beste Leistung zu einem günstigeren Preis bietet.

·       Berücksichtigung der RoHS-Standards: ENIG oder bleifreies HASL kommen in Betracht, wenn umweltfreundliche Produkte erforderlich sind. Die Prozesse entsprechen den RoHS-Standards.

·       Die Baugruppe benötigt: Bei feinen Abständen und kleinen Komponenten sollten Sie sich aufgrund der Ebenheit der Oberfläche für eine ENIG-Oberflächenveredelung entscheiden.

Fazit

HASL und ENIG bieten beide verschiedene Vorteile und Nachteile. Hersteller müssen daher eine fundierte Entscheidung über die zu verwendende Oberflächenveredelung treffen. HASL bietet Kosteneffizienz und häufig verfügbare Lösungen und ist daher eine Option für einfache Leiterplattendesigns. ENIG bietet beste Ebenheit, Zuverlässigkeit und ästhetische Eigenschaften, die bei Hochleistungs- und modernen Leiterplatten sehr beliebt sind. Um die beste Wahl zwischen beiden Verfahren zu treffen, müssen Sie Ihre Projektanforderungen verstehen, damit die Wahl der Oberflächenveredelung optimal zu Ihrem Endproduktziel passt.