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Bleifreie Endoberflächen auf Leiterplatten – aber welche ?
Diese Frage stellt sich seit die Diskussion des Bleiverbotes begann. Für viele Firmen, sowohl auf der Bestückerseite als auch auf der Seite der Leiterplattenhersteller, eine schwer lösbare Aufgabenstellung.
Die Investitionen für alle Oberflächen sind hoch und rechnen sich selten.
Die Vergabe von Aufträgen an Dienstleister oder Subunternehmer kostet Zeit und Geld und birgt Risiken, die nicht immer vertretbar sind.
So sieht sich der Bestücker einer Unzahl von verschiedenen Legierungen, sowohl als Lötpaste als auch als Lot für die Wellenlötung, gegenübergestellt.
Noch schwieriger ist es für den Leiterplattenhersteller von dem bis zu sechs verschiedene Oberflächen verlangt werden, wobei sich beim bleifrei HAL zusätzlich noch die Frage der Legierung stellt.
Die Situation ist schwierig, vor allem weil die Pro und Contra Argumente teilweise sehr unterschiedlich gewichtet und bewertet werden.
Die nachfolgenden Bewertungen sind eine Sammlung von Argumenten aus den unterschiedlichsten Quellen und erheben keinen Anspruch auf Richtigkeit oder Vollständigkeit. Sie sollen zu Denkanstössen führen und bei der Entscheidungsfindung helfen.
1. Hot Air Leveling
Die wohl verbreitetste Oberfläche überhaupt. Sie steht durch Ihren Bleianteil von 37% wohl am stärksten in der Kritik.
Zwar gibt es Alternativen, die verfügbaren Legierungen unterscheiden sich jedoch stark in ihren Inhaltsstoffen, ihren Schmelzpunkten, ihren Preisen sowie ihren Verträglichkeiten mit den vorhandenen Anlagen.
So ist beispielsweise eine silberdotierte Legierung mit Ihrem relativ niedrigen Schmelzpunkt ideal für die Temperaturbelastung der Baugruppen, jedoch ist sie unverhältnismässig teuer und greift die bestehenden Anlagenteile an.
| Pro | Contra | ||||||||||||||||||||||||||
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2. OSP – organischer Oberflächenschutz
Eine in der Konsumindustrie sehr weit verbreitete Oberfläche.
Die in anderen Industriezweigen teilweise unbekannte Oberfläche kann mit einer Reihe von Vorteilen aufwarten, die nicht zu unterschätzen sind.
Die Entwicklung auf diesem Sektor ist sehr stark fortgeschritten.
Die zu bestückenden Bohrungen und Pads werden mit einer hauchdünnen Schicht bedeckt, welche beim Löten rückstandslos verschwindet.
Es muss aber gewährleistet sein, das alle Flächen und Bohrungen gelötet werden, da die Schicht aufbricht und somit die Korrosion des Kupfers unmittelbar beginnen kann.
| Pro | Contra | ||||||||||||||||||||
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3. Chemisch Zinn
Diese Oberfläche ist wohl recht weit verbreitet.
Sie ist relativ günstig und ohne grosse Anlagenveränderungen für jeden Bestücker problemlos verarbeitbar, da ihre Eigenschaften dem Hot Air wohl am nächsten kommen.
Es ist aber auch die Oberfläche, bei der sich Befürworter wie Gegner die Waage halten.
Der Umgang vor der Verarbeitung ist etwas sensibel.
Über die Lagerfähigkeit und das Handling scheiden sich die Geister. Fingerabdrücke sind genauso tödlich wie Lagerung bei hoher Luftfeuchtigkeit.
Eine Zwischenlagerung zwischen einzelnen Lötprozessen über längere Zeit empfiehlt sich nicht, da dann die Mehrfachlötbarkeit nicht mehr gegeben ist.
Ebenso wie bei OSP sollten bei der Weiterverarbeitung alle Pads und Bohrungen mit Zinn benetzt werden, um unkontrollierte Korrosionen zu vermeiden.
Für den Leiterplattenhersteller muss die Oberfläche als umwelttechnisch bedenklich eingestuft werden, da in Ihrer Prozesschemie mit Thioharnstoff ein extrem starker Komplexbildner zur Anwendung kommt, der für Abwasseranlagen ein aufwändiges Problem darstellt.
| Pro | Contra | ||||||||||||||||||||||||||
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4. Chemisch Nickel / Gold
Die Oberfläche, die für die Standardleiterplatte aufgrund ihres erheblich höheren Preises kaum in Frage kommt.
Wie beim chemisch Zinn entsteht hier eine sehr plane Oberfläche, welche für die Bestückung mit Fine Pitch Bauteilen hervorragend geeignet ist.
Für Anwendungen mit Aludrahtbonden ist sie unumgänglich und auch bei Tastaturanwendungen, die nur auf Druck nicht aber auf Reibung reagieren, leistet sie gute Dienste und stellt eine günstige Alternative zur galvanischen Vergoldung dar.
Jedoch wird sie von vielen Leiterplattenherstellern nur über externe Dienstleister angeboten.
Für die Leiterplatte an sich stellt die Oberfläche einen gewissen Stress dar; zwar nicht so heiss wie HAL, jedoch nagt die Chemie während der 40minütigen Prozesse bei fast 90°C gewaltig an der Lötstoppmaske.
Auch haben sich seit einiger Zeit Stimmen gemeldet, die die Langzeitzuverlässigkeit dieser Oberfläche anzweifeln, weil es wohl zu abfallenden Bauteilen bei mechanischer Einwirkung gekommen ist - ein Ergebnis durch Metalldiffusion zwischen Kupfer und Nickel.
| Pro | Contra | ||||||||||||||||||||
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5. Chemisch Silber
Da die Oberfläche aus chemisch Silber sich bei uns nur einer geringen Verbreitung erfreut, fällt es relativ schwer, Argumente für und wider aufzuführen.
Mit ähnlichen Eigenschaften wie chemisch Zinn, mit besseren Eigenschaften bei Kontaktanwendungen jedoch aufgrund von Edelmetall etwas teurer, hat sie in unseren Breitengraden bis jetzt nur wenige Freunde gefunden.
In England und Übersee ist sie jedoch aufgrund des hohen Marktanteils einiger Chemikalienproduzenten wesentlich stärker verbreitet.
Technische Argumente, die massive Vorteile aufzeigen würden, fehlen jedoch.
| Pro | Contra | ||||||||||||||||||||
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Zusammenfassung
Trotz der ganzen Diskussionen im Zusammenhang mit dem Thema bleifrei wird die alte HAL Oberfläche noch lange nicht ausgedient haben, sofern man sich in naher Zukunft auf eine einheitliche Legierung für HAL und Lot sowie Paste einigt.
Die Nachteile bei den chemischen Oberflächen werden weiterhin überwiegen und nur spezielle Anforderungen deren Einsatz rechtfertigen.
So sind beispielsweise Fine-pitch, Bondbarkeit und Kontaktanwendungen zu nennen.
Es lässt sich nicht wegargumentieren, das eine gelötete
Baugruppe mit chemischer Oberfläche und sonst ungeschützten Vias
und Pads ohne Schutzlackierung oder Vergussmasse beim Thema Langzeitzuverlässigkeit
durch Metalldiffusion und Korrosion versagen wird. Dass noch niemand das goldene
Ei gefunden hat, zeigen auch die Leiterplattenhersteller aus Fernost.
Auch hier ist das Thema Oberfläche nach wie vor genauso in Bewegung und
bis heute ohne Ergebnis.
Chemisch Ni/Au ist dort zwar eine Standardoberfläche, aber wenn es um günstigere Anwendungen geht, schwankt man auch dort zwischen chemisch Zinn, OSP und chemisch Silber.
Und das, obwohl man dort mit Sicherheit mal eher einen Schritt auf Risiko macht als bei uns in Europa.
Thomas Schürholz
Produktionsleiter db electronic Daniel Böck GmbH