Oberflächenfinish für Kristalloszillator-Pads: Die Notwendigkeit der Vergoldung, Verfahren und Vergleichsanalyse

1.Hervorragende Lötfähigkeit und Lötverbindungszuverlässigkeit (Hauptgrund)

Verhindert Oxidation: Gold (Au) ist ein sehr stabiles Metall, das an der Luft nicht leicht oxidiert. Andere gebräuchliche Pad-Oberflächenfinishes, wie Zinnbeschichtung (HASL), neigen während der Lagerung zur Oxidation, wodurch sich ein Zinnoxidfilm bildet, der die Lötfähigkeit verschlechtert.

Gewährleistet die Festigkeit der Lötverbindung: Eine saubere Goldoberfläche bietet eine hervorragende Benetzbarkeit, die es dem Lot ermöglicht, sich leicht und gleichmäßig auszubreiten und so feste, zuverlässige Lötstellen zu bilden. Dies ist entscheidend für die automatisierte SMT-Produktion, da es die Fehlerrate durch kalte Lötstellen und scheinbare Lötverbindungen erheblich reduziert.

 

2.Gewährleistung der Hochfrequenz-Leistung

Hervorragende Leitfähigkeit: Gold ist ein ausgezeichneter elektrischer Leiter mit sehr geringem Oberflächenwiderstand. Bei Hochfrequenzbauteilen wie Kristalloszillatoren (insbesondere bei zehn oder sogar hundert MHz) können winzige Unterschiede im Oberflächenwiderstand der Pads unnötige Verluste oder Signalintegritätsprobleme verursachen.

Stabiler Kontakt: Die vergoldete Schicht ist flach und glatt (als "Planarisierung" bezeichnet) und ermöglicht einen gleichmäßigen, stabilen elektrischen Kontakt mit den vergoldeten Elektroden oder Lötkugeln des Kristalloszillators. Dies verringert den Verlust und die Reflexion während der Signalübertragung, was für die Reinheit und Stabilität des Taktsignals sehr wichtig ist.

 

3.Geeignet für Golddrahtbonding (Wire Bonding)

Bei einigen High-End- oder speziell verpackten Kristalloszillatoren (wie einigen OCXOs) müssen die internen Chips mit externen Anschlüssen über sehr dünne Golddrähte verbunden werden. Dieser Prozess muss auf den Pads des Gehäuses des Oszillators durchgeführt werden.

Nur eine Gold-Gold-Verbindung kann die zuverlässigste und stabilste Verbindung gewährleisten. Vergoldete Pads sind eine Voraussetzung für dieses Verfahren.

 

4.Verlängerte Haltbarkeit (Shelf Life)

Da Gold nicht leicht oxidiert, bleibt die Lötfähigkeit vergoldeter Leiterplatten lange erhalten (in der Regel über 1 Jahr), was die Materialverwaltung und Lagerumschlag erleichtert. Zinnbeschichtete Platten können in feuchter Umgebung bereits nach wenigen Monaten Lötprobleme aufweisen.

 

5.Geeignet für mehrfaches Reflow-Löten (Reflow)

Während der komplexen PCBA-Montage muss die Platine möglicherweise mehrere Hochtemperatur-Reflow-Lötzyklen durchlaufen. Die Goldschicht bleibt bei hohen Temperaturen stabil und schmilzt oder bildet keine "Zinnwhisker" wie Zinnbeschichtungen, so dass die Pads nach jedem Durchgang eine gute Lötfähigkeit behalten.

 

Wahl des Vergoldungsverfahrens: ENIG
Das am häufigsten verwendete Vergoldungsverfahren für Kristalloszillator-Pads ist ENIG (Elektroless Nickel Immersion Gold, Chemische Vernickelung und Immersionsvergoldung).

Nickel-(Ni-)Zwischenschicht: Dies ist entscheidend. Die Nickelschicht dient als Sperrschicht und verhindert, dass sich die obere Goldschicht und das darunterliegende Kupfer (Cu) bei hohen Temperaturen gegenseitig durchdringen und spröde intermetallische Verbindungen (IMC) bilden, welche die mechanische Festigkeit der Lötstelle erheblich beeinträchtigen.

Äußere Gold-(Au-)Schicht: Die Goldschicht ist sehr dünn (typischerweise 0,05-0,1 μm) und dient nur zum Schutz der Nickelschicht vor Oxidation und zur Bereitstellung einer ausgezeichneten lötfähigen Oberfläche. Im Moment des Lötens löst sich das Gold schnell im Lot auf, und die eigentliche Lötverbindung wird durch die Kombination der darunterliegenden Nickelschicht mit dem Lot (Sn) zu einer Ni-Sn-Legierung gebildet.

 

Vergleich mit anderen Oberflächenfinishes
Oberflächenfinish -- Vorteile, Nachteile: (Für SMD-Kristalloszillatoren)
ENIG (Chemische Vernickelung/Immersionsvergoldung) -- Vorteile: Hohe Ebenheit, gute Lötfähigkeit, Oxidationsbeständigkeit, für Drahtbonding geeignet. Nachteile: Höhere Kosten.
HASL (Lötspiegelung) -- Vorteile: Geringe Kosten. Nachteile: Unebene Oberfläche, kann zu Lötproblemen bei kleinen Bauteilen führen; anfällig für Oxidation.
OSP (Organischer Lötbarkeitsschutz) -- Vorteile: Geringe Kosten, sehr eben. Nachteile: Schutzschicht ist empfindlich, nicht beständig gegen mehrmaliges Reflow-Löten; kurze

 

Haltbarkeit.
Immersionssilber -- Vorteile: Eben, gute Lötfähigkeit, moderate Kosten. Nachteile: Anfällig für Oxidation und Sulfidbildung (Anlaufen); Langzeitzuverlässigkeit nicht so gut wie ENIG.
ENEPIG (Chemische Vernickelung / chemische Palladierung / Immersionsvergoldung) -- Vorteile: Optimale Leistung, sehr gut für Golddrahtbonding geeignet. Nachteile: Höchste Kosten.

Zusammenfassung
Die Vergoldung (ENIG) der Pads für SMD-Kristalloszillatoren hat im Kern das Ziel, diesen kritischen Baustein, der den "Herzschlag" des Systems liefert, in der hochspeed-, automatisierten SMT-Produktion auf Anhieb erfolgreich zu löten und eine langzeitstabile, zuverlässige elektrische und mechanische Verbindung zu gewährleisten.
Obwohl die Vergoldung höhere Kosten verursacht, ist diese Investition in den allermeisten Elektronikprodukten, die hohe Zuverlässigkeit erfordern (wie Kommunikationsgeräte, Industriesteuerungen, Automotive-Elektronik, Medizingeräte), vollauf gerechtfertigt, um System-Taktfehler, Nacharbeit ganzer Chargen oder sogar Produktrückrufe aufgrund von Lötfehlern zu vermeiden.