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Lötoberflächen für Leiterplatten, Teil 5: Organic Solderability Preservative (OSP)

KSG Leiterplatte

Der organische Oberflächenschutz (OSP, Organic Solderability Preservative oder auch Organic Surface Protection) stellt eine kostengünstige Alternative zu metallischen Endoberflächen bei Leiterplatten dar. Auf den freiliegenden Kupferstellen wird eine organische Schicht gebildet, die vor Oxidation durch Sauerstoff schützt. Dadurch bleibt die Lötbarkeit der Leiterplatte für einen definierten Zeitraum erhalten, ohne dass eine zusätzliche, metallische Schutzschicht erforderlich ist.

Die Lagerfähigkeit von Leiterplatten, die mittels dem OSP ENTEK Plus HT beschichtet werden, beträgt mindestens sechs Monate bei maximal 30 °C und maximal 70 % rF. Danach kann eine Neubeschichtung durchgeführt werden um die Lagerfähigkeit zu erneuern. Alternativen, bei denen die Lagerfähigkeit auf über 12 Monate erhöht werden kann, werden derzeit untersucht. KSG bringt eine OSP-Schichtstärke auf, die mehrfache, thermische Belastungen bei der Weiterverarbeitung der Leiterplatten ermöglicht. Dabei wird die erzeugte Schichtdicke regelmäßig mittels spektralphotometrischer Analyse überprüft.

Vor- und Nachteile von OSP

Im Vergleich zum Heißluftverzinnungsprozess zeichnet sich der organische Oberflächenschutz (OSP) durch eine sehr dünne und homogene Abscheidung aus. Dadurch ist er ideal für flache SMD-Pads geeignet und vereinfacht den Lotpastendruck. Durch die Abscheidung bei 35 °C erfolgt kein thermischer Stress auf die Leiterpatte und es gibt keine Verzüge oder Zerrüttungen im Basismaterial. Bei Hochfrequenz-Anwendungen ist OSP eine bevorzugte Endoberfläche, weil die elektrischen Übertragungseigenschaften durch den organischen Auftrag, verglichen mit einer metallischen Endoberfläche wie z.B. bei chemisch-Nickel-Gold, nicht nachteilig verändert werden. OSP eignet sich für Einpresstechnik und kann auch mit anderen Endoberflächen kombiniert werden kann (z.B. galvanisch Nickel-Gold). 

Zu beachten ist, dass die OSP-Schicht durch Lösemittel, Säuren und Laugen angegriffen wird. Das hat zur Folge, dass eine Nacharbeit beim Lotpastendruck nur bedingt möglich ist, da das Flussmittel in der Lotpaste die OSP-Schicht angreift und das Kupfer nach dem Entfernen der Lotpaste und dem Reinigen der Leiterplatte freiliegen kann. Beim Verpacken von Leiterplatten mit OSP-Beschichtung sollten im Fall von Papierzwischen diese schwefelfrei und pH-neutral sein sowie das Trockenmittel in Paket nie in direkten Kontakt mit der OSP-Schicht kommen, da Trockenmittel Schwefelverbindungen enthalten können und damit die organische Schutzschicht schädigen.

Empfehlungen zur Verarbeitbarkeit

Um optimale Lötergebnisse zu erzielen, müssen die Lötparameter auf die neue Oberfläche angepasst werden. Bei allen ENTEK Plus HT-Leiterplatten sind insbesondere die Auswahl des verwendeten Flussmittels und Lotpaste sowie die Temperaturauswirkungen auf die Oberfläche bei Lötanlagen ohne Schutzgas zu berücksichtigen.

Die OSP-Schicht wird durch Chloride und Schwefelverbindungen aus der Umgebungsluft geschädigt. Das bedeutet, dass nach Öffnen der Lieferverpackung nicht verarbeitete Leiterplatten schnellstmöglich wieder verpackt und unter den genannten Bedingungen gelagert werden müssen. Weiterhin sollte auf den Einsatz von Klebebänder, Klebeetiketten, Stempelfarbe, Marker und Gummibänder in direkten Kontakt mit der OSP-Schicht verzichtet werden, da diese auch Schwefelverbindungen enthalten können.

Beachtung der Oberflächentemperatur

Die OSP-Beschichtung wird durch Wärme und Sauerstoff beeinflusst. Werden die Leiterplatten besonders hohen Temperaturen ausgesetzt, diffundiert Sauerstoff durch die OSP-Schicht und die Kupferoxid-Schicht an der Grenze von dem Kupfer der Leiterplatte zur organischen Schicht vergrößert sich (Bereich weniger Nanometer). Durch den Einsatz von Niedrig-Temperatur-Reflow-Profilen und Stickstoff als Schutzgas wird weniger Kupferoxid erzeugt als mit Hoch-Temperatur-Reflow-Profilen und der Verarbeitung unter Luftatmosphäre. Der Aspekt ist nicht nur für Bestückung selber zu beachten, sondern auch für das Tempern vor dem Bestücken. Damit ist kein ausgedehntes Tempern über 100 °C ohne Schutzgas möglich. Als Grenze für ENTEK Plus HT gibt der Verfahrenslieferant 125 °C für 3 Stunden an. Bei der Einwirkung von Temperatur auf die OSP-Schicht zeigt sich noch ein weiterer Effekt, die OSP wird härter und kompakter, was durch den Einsatz von Stickstoff verstärkt wird. Die erläuterten Aspekte führen dazu, dass die OSP-Schicht schwer zu entfernen ist und die Auswahl des verwendeten Flussmittels und Lotpaste eine wichtige Rolle spielt.

Auswahl des richtigen Flussmittels und Lotpaste

Was passiert beim Löten mit der OSP-Schicht? Das Bestandteile des Flussmittels bzw. der Lötpaste, genau gesagt organische Lösemittel und organische Säuren, sorgen dafür, dass die OSP-Schicht ausgelöst wird. Weitere Bestandteile, hauptsächlich die Aktivatoren, entfernen dagegen die sehr dünne Kupferoxidschicht, die zwischen der OSP-Schicht und dem Kupfer der Leiterplatten vorliegt. Danach kann sich beim Löten die intermetallische Phase zwischen Kupfer und Zinn ausbilden, d.h. eine fehlerfreie Benetzung erfolgen.

Es hat sich gezeigt, dass bestimmte Lösemittel und organische Säure die ENTEK Plus HT-Schicht effektiver entfernen sowie die Kupferoxid-Schicht durch bestimmte Aktivatoren besser ausgelöst wird. Generell erzielen Kombinationen der genannten Bestandteile bessere Ergebnisse. Das ist besonders wichtig, wenn die OSP-Schicht schon Temperaturschritte, z.B. bei mehrfachen Reflow-Löten. Speziell angepasste Flussmittel für das Selektiv- und Wellenlöten können die Kupferfläche besser reinigen, beim Reflow-Prozess kann mit der Wahl der Lotpaste die temperaturbelastete OSP-Schicht effektiver entfernt werden.

Qualifizierungstest

Zur Überprüfung der Zuverlässigkeit lässt sich eine thermische Alterung, wie sie bei verzinnten Leiterplatten zur Simulation einer Langzeitlagerung durchgeführt wird, bei ENTEK Plus HT-Leiterplatten nicht anwenden. Eine Prüfung der organischen Oberfläche, die sich bewährt hat, ist der Klimatest (5 Tage, 40 °C, 92 % relative Luftfeuchtigkeit). Dieser zeigt eindeutig, ob die Qualität der aufgebrachten Oberflächenbeschichtung einwandfrei oder beeinträchtigt ist. Fehlstellen oder Poren lassen sich nach dem Test sehr leicht erkennen, da ungeschützte Kupferstellen während des Klimatests oxidieren und sich dadurch dunkel verfärben. Neben dem Klimatest werden bei der KSG Group im Rahmen der Zuverlässigkeitsprüfung auch die Benetzungsfähigkeit mittels Solder Spread Test und Solder Float Test regelmäßig kontrolliert.

Key Take Aways

Insgesamt ist OSP äußerst vielseitig einsetzbar und bietet neben Kosten- und Umweltaspekten eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zu metallischen Endoberflächen. Um die Haltbarkeit und Leistungsfähigkeit der OSP-Oberfläche zu maximieren, gilt es die Empfehlungen zur Weiterverarbeitung sorgfältig zu beachten.  Erst kürzlich hat die KSG Group ihre Kapazitäten im Bereich der organischen Oberflächenbearbeitung ausgebaut und eine neue OSP-Anlage in Betrieb genommen. Alle Informationen dazu finden Sie in dieser Pressemeldung.

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