CAD, Leiterplatten- und Baugruppentechnik, Folge 12 Keine Elektronik ohne Chemie — die Oberflächen von Leiterplatten

Alle am Produktionsprozess der Baugruppe Mitwirkende müssen sich abstimmen. CAD-Design, Leiterplattenproduktion und Baugruppenfertigung arbeiten dabei Hand in Hand. Ein Muss ist die Dokumentation.

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Das eigentliche elektrisch leitende Metall auf der Oberfläche von Leiterplatten bleibt natürlich auch künftig das Kupfer. Die Endoberfläche (Finish) wird erst nach dem Ätzen der Leiterbildstruktur aufgebracht. Die Aufgabe der Endoberfläche ist, freiliegendes Kupfer vor der Oxidation zu schützen und das zuverlässige Löten der Bauteilkomponenten sicherzustellen.

Zur Auswahl für die Endoberfläche stehen die vier Metalle Gold, Silber, Zinn und Nickel sowie eine organische Schutzschicht. Die Metallschichten werden durch einen Galvanoprozess auf die Leiterplatte abgeschieden. Alle vier Metalle können chemisch aufgebracht werden, die Metalle Gold und Nickel auch galvanisch (Bild 1).

Die galvanische Metallisierung wird genutzt, wenn dickere und abriebfestere Oberflächen gefordert sind. Beispiele dafür sind PC-Stecker oder Schalter, deren Schleifer direkt auf der Leiterplattenoberfläche arbeiten. Es kann auch die Montagetechnik eine Rolle spielen, ein Beispiel hierfür ist das Bonden von Chips mit Golddraht auf einer galvanischen Goldoberfläche.

Galvanische Oberflächen sind meist teurer als chemische

Die galvanischen Oberflächen sind üblicherweise teurer als die chemischen Oberflächen. Weil das Verfahren kathodisch-anodisch erfolgt und weil das Leiterbild zum Zeitpunkt der Prozessierung der Endoberfläche bereits geätzt ist, müssen alle zu galvanisierenden Oberflächen im Galvanobad mit einem elektrischen Potenzial belegt werden können. Das CAD-Layout muss das berücksichtigen.

Die chemische Metallisierung ist heute das Standardverfahren für das Aufbringen einer Endoberfläche. Die Oberflächen sind plan und sind (bisher) ohne Einschränkungen zu handhaben. Chemisch Gold in diversen Varianten ist mit Abstand die häufigste Endoberfläche. Zinn kann als Hot-Air-Leveling auch in einem Tauchbad aufgebracht werden. OSP (OSP; Organic Surface Protection) ist ebenfalls in einem Tauchbad prozessierbar und bildet dann eine <1,0 µm dicke Schutzschicht auf dem Kupfer. Für komplexe Bauteile mit hohen Anschlussdichten (wie bei BGAs) oder mit sehr planen Anschlussflächen (wie bei BTCs) sind die chemischen Oberflächen und das OSP ideal.

Lötstoplack als Resist bei chemischen Oberflächen

Die chemischen Oberflächen und das Hot-Air-Leveling bedecken nur freiliegende Kupferflächen auf der Leiterplatte, das sind üblicherweise die Lötflächen der Bauteile sowie gegebenenfalls Kühlflächen und Kontaktflächen, die von Bauteilen genutzt werden. Diese partielle Bedeckung wird erreicht durch das vorherige Aufbringen des Lötstoplackes. Der Lötstoplack läßt nur die Löt- und Kontaktflächen frei und wirkt damit als Resist (Schutz, Abdeckung) für den direkt nachfolgenden Prozess der Oberflächenbeschichtung. Alle Leiterbildstrukturen, die unter dem Lötstoplack liegen, verbleiben also in Kupfer und bekommen keine Endoberfläche.

Für die Qualität des über die Kupferleiterbahn transportierten Signals hat sich das als vorteilhaft erwiesen, weil viele Endoberflächen die Signalübertragung dämpfen. Insbesondere bei Oberflächen mit Chemisch Gold (das über einer als Diffusionssperre wirkenden Nickelschicht aufgebaut wird) macht sich die Dämpfung bemerkbar. Für die langfristige funktionale Zuverlässigkeit einer Baugruppe erweist sich jedoch das übliche CAD-Design für den Lötstopdruck als Nachteil. Die klassische Vorgehensweise seit Ende der 80er Jahre ist, beim Erstellen des CAD-Layoutes mit Padstacks zu arbeiten, die ein Zudrucken der Vias mit Lötstoplack vorsehen. Die Änderung der Fertigungstechnologie von Siebdruck auf fotosensitiven Lötstoplack und die Reduzierung der Vias auf 300 µm und kleiner haben in den letzten Jahren dazu geführt, dass die Via-Hülsen nicht mehr mit Lack verfüllt werden und auch (wegen mangelnder Durchflutung aufgrund des ungünstigen Aspekt-Ratios) nicht mehr mit einem Finish überzogen werden.

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