In diesem umfassenden Leitfaden werden wir die verschiedenen Aspekte von ENIG, seine Vor- und Nachteile, Anwendungen und Standards untersuchen und es mit anderen Oberflächenveredelungen vergleichen.
Was ist ENIG?
Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG) ist eine beliebte Oberflächenbeschichtung, die bei der Herstellung von Leiterplatten (PCBs) verwendet wird. Diese zweischichtige Metallbeschichtung besteht aus einer Nickelschicht, die auf die Kupferpads einer Leiterplatte aufgebracht wird, gefolgt von einer dünnen Goldschicht.
ENIG-Prozessübersicht
Der ENIG-Prozess umfasst folgende Schritte:
Vorbehandlung → Ölentfernung → Wasserwäsche → Säurewäsche → Wasserwäsche → Mikroätzung → Wasserwäsche → Prepreg (H2SO4) → Aktivierung (Pd-Katalysator) → Wasserwäsche → chemisches Nickel (Ni/P) → Wasserwäsche → Immersionsvergoldung → Goldrückgewinnung → Wasserwäsche → Trocknung
Vorbehandlung:
Der Zweck besteht darin, die Oxide auf der Kupferoberfläche durch Bürsten oder Sandstrahlen zu entfernen und die Kupferoberfläche aufzurauen, um die Haftung von anschließend aufgetragenem Nickel und Gold zu verbessern.
Mikroätzung:
Natriumperoxodisulfat/Schwefelsäure zum Entfernen der Oxidschicht auf der Kupferoberfläche und zum Verringern der Tiefe der durch das Bürsten während der Vorbehandlung verursachten Rillen. Zu tiefe Bürstenstriche begünstigen häufig den Angriff der Nickelschicht durch Immersionsgold.
Aktivierung:
Da die Kupferoberfläche die chemische Nickelabscheidungsreaktion nicht direkt auslösen kann, muss zunächst eine Schicht Palladium (Pd) auf die Kupferoberfläche aufgebracht werden, die als Katalysator für die chemische Nickelabscheidungsreaktion dient. Unter Ausnutzung des Prinzips, dass Cu aktiver ist als Pd, wird das Palladiumion zu Palladiummetall reduziert und an die Kupferoberfläche gebunden.
Chemisches Nickel:
Ni/P, dessen Hauptaufgabe darin besteht, die Migration zwischen Kupfer und Gold (Migration) und die Diffusion zu blockieren und als Folge der chemischen Reaktion zwischen Schweißen und Zinn IMC-Elemente zu erzeugen.
Tauchvergolden:
Der Hauptzweck von Gold besteht darin, die Nickelschicht vor Oxidation zu schützen und zu verhindern. Gold nimmt beim Löten nicht an der chemischen Reaktion teil. Zu viel Gold beeinträchtigt die Festigkeit der Lötstelle nicht. Es reicht also aus, wenn das Gold die Nickelschicht vollständig bedeckt, damit diese nicht so leicht oxidiert. Wenn Sie COB (Chip On Board) herstellen möchten, ist dies eine andere Sache, da die Goldschicht eine ausreichende Dicke aufweisen muss.
Vor- und Nachteile von ENIG
ENIG und seine Variante ENEPIG (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold) wurden als Alternativen zu herkömmlichen Lötbeschichtungen wie Hot Air Solder Leveling (HASL) entwickelt. Diese Oberflächen sind zwar teurer und erfordern zusätzliche Verarbeitungsschritte, bieten jedoch gegenüber herkömmlichen Beschichtungen mehrere Vorteile.
Vorteile
- Hervorragende Oberflächenplanarität:
ENIG sorgt für eine ebene Oberfläche, was für die Montage von Bauteilen wie Ball Grid Arrays (BGAs) und anderen Feinrasterbauteilen von entscheidender Bedeutung ist. - Gute Oxidationsbeständigkeit:
Die Goldschicht schützt das Nickel vor Oxidation und sorgt so für eine längere Haltbarkeit und verbesserte elektrische Leistung. - Hohe Eignung für bewegliche Kontakte:
Aufgrund seines geringen Kontaktwiderstands und seiner reibungsmindernden Eigenschaften eignet sich ENIG ideal für Anwendungen wie Membranschalter und Steckverbinder. - RoHS-Konformität:
ENIG ist eine umweltfreundliche Oberflächenbeschichtung, die die RoHS-Anforderungen erfüllt.
Nachteile
- Höhere Kosten:
ENIG ist teurer als herkömmliche Lötbeschichtungen wie HASL. - Komplexe Verarbeitungsschritte:
Die zahlreichen Schritte des ENIG-Prozesses können die Komplexität der Leiterplattenherstellung erhöhen. - Möglichkeit von Black-Pad-Defekten:
Frühe ENIG-Prozesse neigten aufgrund von schwefelhaltigen Verbindungen aus der Lötmaske, die in das Plattierungsbad gelangten, zu einer schlechten Haftung auf Kupfer und zur Bildung einer nicht leitenden „Black-Pad”-Schicht.
ENIG Standards
Die Qualität und andere Aspekte von ENIG-Beschichtungen für Leiterplatten werden durch die IPC-Norm (Institute of Printed Circuits) 4552A geregelt, die Themen wie Dickenspezifikationen und Prozesskontrolle behandelt. Darüber hinaus befasst sich die IPC-Norm 7095D, die sich auf Ball-Array-Steckverbinder konzentriert, mit einigen ENIG-bezogenen Problemen und deren Behebung.
ENIG-Dickenvorgaben
Bei einer ENIG-Beschichtung dient die Nickelschicht als Barriere zum Kupferpad, während die Goldschicht das Nickel während der Lagerung schützt und einen geringen Kontaktwiderstand gewährleistet. In der Regel hat die Nickelschicht eine Dicke von 4 bis 7 µm und die Goldschicht eine Dicke von 0,05 bis 0,23 µm. Diese Dicken sind in der Norm IPC-4552 für ENIG festgelegt.
Fehler an schwarzen Polstern
Eines der Hauptprobleme bei ENIG-Oberflächen ist das Potenzial für Black-Pad-Defekte. Black Pad, auch als Sprödbruch bekannt, ist eine Folge von übermäßigem Phosphor, der sich während des ENIG-Prozesses bildet. Diese Defekte können zu einer Schwächung der metallurgischen Verbindungen und schließlich zum Versagen der Lötstellen führen.
Um Black-Pad-Defekte zu vermeiden, ist es unerlässlich, das Nickelbad streng zu kontrollieren und den pH-Wert sorgfältig zu überwachen. Verbesserungen in der Immersionsgoldtechnologie haben ebenfalls dazu beigetragen, das Risiko der Bildung von Black Pads zu verringern, indem sie die Korrosion der Nickeloberfläche minimieren.
Vergleich von ENIG mit anderen Oberflächenbehandlungen
ENIG wird oft mit anderen Oberflächenveredelungen verglichen, wie HASL, OSP (Organic Solderability Preservatives), Immersion Tin und ENEPIG. Jede Veredelung hat ihre Vor- und Nachteile, und die Wahl der Oberflächenveredelung hängt von Faktoren wie Kosten, Produktanwendung, Bauteiltypen und Produktionsvolumen ab.
Hochtemperatur-Lötlinie
HASL ist eine herkömmliche Lötbeschichtung, die eine hervorragende Lötbarkeit und niedrige Kosten bietet. Sie hat jedoch einige Nachteile, darunter eine ungleichmäßige Oberflächenplanarität und potenzielle Kompatibilitätsprobleme mit bleifreiem Löten.
OSP
OSP ist eine organische Oberflächenbeschichtung, die eine ebene Oberfläche und gute Lötbarkeit bietet. Allerdings ist ihre Haltbarkeit begrenzt und sie ist in Anwendungen mit hoher Dichte möglicherweise nicht so zuverlässig wie ENIG.
Tauchbehälter
Immersion Tin ist eine beliebte Oberflächenbeschichtung, die eine hervorragende Lötbarkeit und Ebenheit bietet. Allerdings hat sie eine kürzere Haltbarkeit als ENIG und ist nicht so oxidationsbeständig.
ENEPIG
ENEPIG ist eine verbesserte Version von ENIG, bei der zwischen der Nickel- und der Goldschicht eine dünne Schicht aus stromlosem Palladium hinzugefügt wird. Diese zusätzliche Schicht verhindert Defekte an den schwarzen Pads und verbessert die Gesamtleistung der Beschichtung. Allerdings ist ENEPIG in der Regel teurer als ENIG.
Anwendungen von ENIG
ENIG wird häufig in der Oberflächenmontagetechnik (SMT), beim bleifreien Löten und in BGA-Gehäusen eingesetzt. Es eignet sich besonders für Branchen wie Daten-/Telekommunikation, hochwertige Unterhaltungselektronik, Luft- und Raumfahrt, Militär und medizinische Geräte. Darüber hinaus wird ENIG aufgrund seiner hohen Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit häufig auf dem Markt für flexible Leiterplatten bevorzugt.
Fazit
ENIG ist eine vielseitige und zuverlässige Option für die Oberflächenveredelung von Leiterplatten und bietet eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit, Oberflächenplanarität und Lötbarkeit. Obwohl es einige Nachteile wie höhere Kosten und das Potenzial für Black-Pad-Defekte gibt, ist es aufgrund seiner Vorteile eine beliebte Wahl für viele Leiterplattenanwendungen. Durch das Verständnis der Vorteile und Einschränkungen von ENIG und den Vergleich mit anderen Oberflächenveredelungen können Leiterplattenentwickler fundierte Entscheidungen bei der Auswahl der besten Oberflächenveredelung für ihre Projekte treffen.
