Alles über PCB-Plattierungen und -Dicke

Sobald Ihre Leiterplatte den Standard-PCB-Fertigungsprozess durchlaufen hat, benötigt das blanke Kupfer in Ihrer Leiterplatte eine Oberflächenveredelung in Form einer Plattierung. Die PCB-Plattierung dient dabei dem Schutz des Kupfers in Ihrer Leiterplatte. Dieses würde sonst durch die Lötmaske hindurch freiliegen, egal ob es sich dabei um ein Pad, eine Durchkontaktierung oder ein anderes leitendes Element handelt. Designer entscheiden sich oft für eine Zinn-Blei-Plattierung (SnPb). Oftmals können jedoch andere Plattierungen für die Anwendung in Ihrer Leiterplatte besser geeignet sein.

In diesem Artikel gehe ich daher auf die verschiedenen Optionen für PCB-Plattierungsmaterialien ein und erläutere deren Vorteile für Ihre Leiterplatte. Es stehen uns mehrere Optionen zur Auswahl. Abhängig von Ihren spezifischen Zuverlässigkeits- oder Anwendungsanforderungen müssen Sie möglicherweise prüfen, ob Ihr Hersteller die für Ihr Design erforderliche Plattierung überhaupt aufbringen kann. Wir werden uns hier einmal exemplarisch verschiedene Optionen ansehen sowie kurz darauf eingehen, wie sich die Plattierung auf Verluste auswirkt.

Arten von PCB-Plattierungen

PCB-Plattierungsmaterialien gibt es in mehreren Varianten. In den folgenden Abschnitten habe ich einige der beliebtesten Materialien zusammengestellt, die Designer kennen und verstehen sollten. Ich habe noch nie einen Hersteller gesehen, der nicht alle diese Optionen anbietet. Wenn der von Ihnen gewünschte Hersteller nicht ausdrücklich angibt, dass er eine der aufgeführten Optionen anbietet, können Sie ihm jederzeit eine E-Mail schicken. Bitten Sie ihn einfach um eine Liste seiner Kapazitäten, einschließlich der Optionen für das PCB-Plattierungsmaterial.

Zinn-Blei (SnPb) und Tauchzinn

Diese PCB-Oberflächenveredelung ist wahrscheinlich die billigste Option. Sie entspricht aber nicht den RoHS-Anforderungen, da bei der Plattierung Blei verwendet wird. Tauchzinn ist eine bleifreie Alternative, die in Leiterplatten im Einstiegssegment verwendet werden kann.

Heißluftverzinnung (HASL) und bleifreie HASL

HASL (Hot Air Solder Leveling) war in der Vergangenheit eine sehr beliebte Wahl für die Oberflächenveredelung; es ist allerdings nicht so zuverlässig wie andere Plattierungsmaterialien. Das Material ist jedoch kostengünstig und in einer bleifreien Option erhältlich, so dass es gut als Einstiegsoption für die Plattierung verwendet werden kann.

Chemisches Nickel-Immersions-Gold (ENIG)

Angesichts der Nachteile von SnPb und Tauchzinn ist ENIG heute wohl die beliebteste Oberflächenveredelung der Branche. In diesem Plattierungsmaterial fungiert Nickel als Barriereschicht zwischen Kupfer und der dünnen Goldoberflächenschicht, auf welcher die Komponenten gelötet werden.

Organischer Oberflächenschutz (OSP)

Diese organische Oberflächenveredelung auf Wasserbasis verbindet sich selektiv mit Kupfer und liefert so eine besonders ebene Oberfläche. Als organisches Material ist es jedoch empfindlich gegenüber Handhabung und Verunreinigungen. Dafür ist das Anbringen einfacher als bei anderen PCB-Plattierungsmaterialien. Es weist zudem sehr geringe Verluste bei hohen Frequenzen auf.

Tauchsilber

Dies ist mein bevorzugtes PCB-Plattierungsmaterial für Hochfrequenzanwendungen. Denn es bildet eine glatte Schnittstelle zum blanken Kupfer, sodass es weniger Leiterverluste verursacht als andere Veredelungen. Der größte Nachteil ist das Anlaufen auf blanken Leiterplatten. Daher sollte es nach der Herstellung so schnell wie möglich gelötet und verpackt werden.

Chemisch-Nickel-Chemisch-Palladium-Immersionsgold (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold, ENEPIG)

Dieses Plattierungsmaterial hat eine Kupfer-Nickel-Palladium-Gold-Schichtstruktur, die direkt mit der Plattierung verdrahtbar (wire-bondable) ist. Die abschließende Goldschicht ist wie bei ENIG sehr dünn. Die Goldschicht ist weich, genau wie bei ENIG, sodass übermäßige mechanische Beschädigungen oder tiefe Kratzer die Palladiumschicht leicht freilegen können.

Hartgold

Dieses Plattierungsmaterial ist im Grunde wie ENIG, allerdings mit einer sehr dicken goldenen Außenschicht. Damit gehört es zu den teuersten PCB-Plattierungsmaterialien. Die Goldschicht bietet eine harte Oberfläche, die beschädigt werden kann und ihre Dicke macht es schwierig, die Nickelschicht vollständig freizulegen.

Unter all den oben genannten Optionen bietet ENIG wohl das beste Gleichgewicht zwischen Kostenbeständigkeit und Anwendungsvielfalt. Bei den meisten analogen Systemen mit geringer Frequenz oder bei digitalen Systemen, die nicht immer mit schnellen Flankenraten (z. B. SPI oder I2C) ausgeführt werden, ist ENIG oft die bevorzugte Plattierung. Das ist auch bei Systemen mit hoher Zuverlässigkeit der Fall, die die IPC-Klasse 3 erfüllen müssen. Es eignet sich zudem auch für Pads auf dichten BGAs oder QFN-Gehäusen. Wenn wir uns die oben gezeigten alternativen Plattierungsmaterialien ansehen, sehen wir einige andere Anwendungen, die idealer sein können: Immersionssilber oder OSP eignen sich am besten für HF-Systeme, während Immersionszinn wahrscheinlich gut für Einwegprodukte (Klasse 1) geeignet ist, die lediglich bleifrei sein müssen. Bei spezielleren Anwendungen, wie etwa Hochgeschwindigkeits-Digital- und HF-Anwendungen, ist die Dicke sehr wichtig – wie ich weiter unten erläutern werde.

Wie man Material und Dicke für PCB-Plattierungen spezifiziert

Typische PCB-Plattierungsdicken liegen bei etwa 100 Mikrozoll. Für Tauchsilber und OSP kann die Dicke sogar nur um die 10 Mikrozoll betragen. Die Angabe der Art und Dicke der PCB-Plattierung ist simpel: Sie geben diese einfach in Ihren Fertigungshinweisen mit an (siehe Beispiel unten). Wenn Sie einen Prototyp herstellen und der Hersteller über ein Standard-Angebotsformular verfügt, haben Sie die Möglichkeit, den Plattierungstyp in seinem Formular anzugeben. In diesen Formularen werden Sie möglicherweise nicht direkt nach der Dicke gefragt. Wenn Sie aber eine bestimmte Dicke benötigen, geben Sie diese trotzdem unbedingt irgendwo dort an. Sobald Sie den erforderlichen Plattierungswert angegeben haben, liegt es an Ihrem Hersteller sicherzustellen, dass die Plattierung zuverlässig in der erforderlichen Dicke aufgetragen werden kann.

Warum ist die Dicke des Plattierungsmaterials wichtig? Dafür gibt es zwei Gründe. Zuerst gibt die IPC-2221A-Norm für jede IPC-Produktklasse eine minimale Plattierungsstärke an. Wenn Sie möchten, dass Ihr Produkt einer der standardmäßigen IPC-Produktklassen entspricht, sollten Sie sicherstellen, dass Ihre Plattierungsdicke mit diesen Spezifikationen übereinstimmt. Wenn Sie eine Produktklasse angeben, wie Sie es beispielsweise standardmäßig in Ihren Fertigungshinweisen tun würden, wird im Allgemeinen die Mindestplattierungsdicke impliziert. Stellen Sie nur sicher, dass Sie sich nicht widersprechen, sonst wird Ihr Hersteller Sie nachträglich per E-Mail nach dem Plattierungshinweis fragen.

Der andere wichtige Grund, sich mit der Dicke der PCB-Plattierung zu beschäftigen, ist die Auswirkung, die sie auf Verluste haben kann. Bei niedrigen Frequenzen werden Sie wahrscheinlich keine Auswirkungen auf die Frequenz bemerken. Bei digitalen Signalen mit niedriger Geschwindigkeit und Funksignalen im Sub-GHz-Bereich muss also nicht so sehr auf die PCB-Plattierungsdicke geachtet werden. Ich habe kundenspezifische gedruckte Sender für 5,8-GHz-WLAN mit ENIG (nicht die beste Option für hohe Frequenzen) hergestellt, die den Empfänger in unserem Testaufbau überlastet haben. Sie können also selbst bei diesen Frequenzen mit den meisten Plattierungen auskommen, wenn Ihre Schaltung richtig angelegt ist.

Das Problem mit Verlusten tritt vor allem bei Millimeterwellen-Frequenzen auf, z. B. bei Kurzstreckenradar (24 GHz) oder noch höheren Frequenzen. Bei diesen Frequenzen trägt die Kupferrauheit sehr deutlich zu Verlusten bei, insbesondere auf verlustarmen HF-Substraten wie etwa Rogers. Die Plattierungsdicke bestimmt das Maß an Rauheit, das Signale bei der Ausbreitung erfahren, was sich wiederum im Skin-Effekt-Widerstand manifestiert. Sehen Sie sich für einige Beispielergebnisse einfach einmal die Resultate von John Coonrod in diesem Artikel an – insbesondere die Reihe von Diagrammen, die die Einfügeverluste zeigen. Wie hier zu sehen ist, können größere Mengen an rauer Plattierung die Verluste erhöhen. Der Einfachheit halber habe ich unten ein Diagramm für Mikrostreifen eingefügt.

Sie haben die für Ihr Design erforderliche PCB-Plattierung bestimmt und sind nun bereit Ihre Fertigungsanforderungen zu spezifizieren? Dann können Sie einfach auf die benutzerfreundlichen Fertigungstools in Altium Designer® zurückgreifen und Ihre Dokumentation anfertigen. Wenn Ihr Design für eine gründliche Designprüfung und die Fertigung bereit ist, kann Ihr Team es über die Altium 365™-Plattform in Echtzeit teilen und gemeinsam daran arbeiten. Designteams können Altium 365 darüber hinaus dazu nutzen, um Fertigungsdaten und Fertigungsanforderungen über eine sichere Cloud-Plattform nicht nur innerhalb des Teams, sondern auch mit anderen relevanten Akteuren zu teilen.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Starten Sie noch heute Ihre kostenlose Testversion von Altium Designer und Altium 365.