Neue Serie zur Fertigungstechnik Welche Lötoberflächen wählen? Entscheidend ist die Anwendung!

Autor / Redakteur: Dr. Christoph Budelmann * / Kristin Rinortner

In der Praxis wird oft die Lötoberfläche eingesetzt, die immer verwendet wurde. Das funktioniert in den meisten Fällen. Bei kleinen Strukturen sollten Sie aber die Vor- und Nachteile der Verfahren HAL, ENIG, Chemisch Silber und Hartgold sorgfältig gegeneinander abwägen. Ein Leitfaden.

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Schematischer 
Querschnitt 
der Leiterplatte: 
Die HAL-Oberfläche weist an den Kanten weniger und an den Flächen mehr Zinn auf, die ENIG-Oberfläche ist planar.
Schematischer 
Querschnitt 
der Leiterplatte: 
Die HAL-Oberfläche weist an den Kanten weniger und an den Flächen mehr Zinn auf, die ENIG-Oberfläche ist planar.
(Bild: Budelmann)

Die Auswahl der richtigen Lötoberfläche hat einen wesentlichen Einfluss auf den späteren Lötprozess und die Belastbarkeit der Baugruppen – trotzdem wird in der Praxis häufig die Lötoberfläche eingesetzt, die schon immer bestellt wurde.

Das kann funktionieren; gerade bei anspruchsvollen Baugruppen mit kleinen Strukturen sollten Sie aber Nutzen und Mankos der unterschiedlichen Lötoberflächen sorgfältig gegeneinander abwägen.

Die Verfahren HAL, ENIG, Chemisch Silber, Hartgold

Nachfolgend gebe ich einen Überblick zu den Verfahren HAL, ENIG, Chemisch Silber und Hartgold und deren spezifischen Vor- und Nachteilen.

HAL – Hot Air (Solder) Leveling: Bei HAL wird die Leiterplatte in ein Bad aus flüssigem Zinn getaucht. Anschließend wird das überschüssige Zinn von der Oberfläche geblasen. Aufgrund der geringen Kosten und weil der verbleibende Zinn-Überzug dem herkömmlichen Lötzinn entspricht, ist HAL die am häufigsten eingesetzte Oberflächenbehandlung.

Nachteilig ist die Belastung der Leiterplatte durch das Tauchen im Zinnbad aufgrund der thermischen Spannungen insbesondere bei sehr kleinen Vias oder sehr dicken Leiterplatten. Zudem ist die Verteilung des Zinns auf den Pads nicht gleichmäßig: Während an Ecken und Kanten mitunter kaum Zinn „hängen“ bleibt, entstehen auf den Pads kleine Zinnerhebungen, was insbesondere bei Finepitch-SMD-Bauteilen zu Kontaktproblemen führen kann.

ENIG – Electroless Nickel Immersion Gold: Beim ENIG-Prozess wird zunächst eine dünne Schicht Nickel chemisch auf der Kupferoberfläche abgeschieden. Die Nickelschicht stellt eine Barriere dar für das anschließend chemisch aufgebrachte Gold. Im Gegensatz zur HAL-Oberfläche ist die ENIG-Oberfläche planar und weist eine längere Lagerfähigkeit auf.

Die Gold-Oberfläche ist sehr gut geeignet für Schaltkontakte oder Draht-Bonden. Nachteilig ist, dass das Gold beim Löten aufgelöst wird. Die resultierende Nickel-Zinn-Legierung ist deutlich brüchiger als eine Kupfer-Zinn-Verbindung und damit für Leiterplatten, die starken Biegungen oder Vibrationen ausgesetzt sind, nicht zu empfehlen. Zusätzlich verunreinigt Gold das Wellenlötbad.

Chemisch Silber: Die planare Oberfläche aus chemisch Silber eignet sich sehr gut für Finepitch-SMD-Bauteile und aufgrund des Skin-Effektes auch für verlustarme HF-Anwendungen. Das Silber diffundiert beim Löten in das Zinn, womit sich eine sehr stabile Lötverbindung zwischen Kupfer und Zinn bildet.

Nachteilig ist die empfindliche Oberfläche, insbesondere bei Kontakt mit Schwefeldioxid aus der Atmosphäre. Aus diesem Grund sollten die Leiterplatten erst unmittelbar vor der Bestückung aus der Vakuumverpackung entnommen und bei mehrstufigen Bestückungs- und Löt-prozessen zwischendurch schwefelfrei gelagert werden. Auch eignet sich chemisch Silber nicht für Press-Fit-Steckverbinder (Einpresstechnik).

Hartgold (Steckergold): Eine Sonderrolle in der Leiterplattenfertigung hat Hartgold: Um die Abriebfestigkeit von Platinensteckverbindern zu erhöhen wird Nickel-Gold galvanisch auf den Kupferflächen abgeschieden. Die Gold-Oberfläche wird dadurch deutlich dicker und robuster als bei ENIG, eignet sich aber als Ergänzung zu den anderen Oberflächen nur für Kontakte im Randbereich der Leiterplatte und kann nicht auf der übrigen Leiterplatte aufgebracht werden.

Fazit: Eine universelle Lösung gibt es nicht

Der Vergleich der unterschiedlichen Lötoberflächen zeigt: Eine universelle Lösung gibt es nicht. Wer sich aber vor der Leiterplatten-Fertigung mit den unterschiedlichen Techniken auseinandersetzt, findet sicherlich die für seine Anwendung optimale Oberfläche.

* Dr. Christoph Budelmann ist Geschäftsführer von Budelmann Elektronik in Münster und Lehrbeauftragter für industrielle Elektronikfertigung an der Hochschule Rhein-Waal.

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