DD244768B1 - Verfahren zur erhaltung der loetfaehigkeit von nickelschichten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhaltung der Lötfähigkeit von Nickelschichten und ist vorzugsweise für die Herstellung elektronischer Bauelemente einsetzbar. Ziel der Erfindung ist es, die Weichlötfähigkeiten vernickelter elektronischer Bauelemente unter Verwendung eines umweltfreundlichen Vergoldungsverfahrens bei Einsparung von Gold zu erhalten. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Abscheidung von 10 bis 50 nm dicken, dichten Goldschichten gelöst, indem die vernickelten Substrate für die Zeitdauer von 0,5 bis 10 min in ein an sich bekanntes ungiftiges, reduktives Goldbad mit einem pH-Wert im Bereich 7 bis 13 und einer Temperatur von 355 bis 371 K bei einer Badbelastung von 1 bis 10 dm,/l eingetaucht werden.

Description

einem durch Schwefelsäure einstellbaren pH-Wert im Bereich 7 bis 13 und einer Badtemperatur von 355 bis 371K bei einer Badbelastung von 1 bis 10dm²/l eingetaucht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vergoldungsbad 0,1 bis 10mg/l Thallium-I-Nitrat zugegeben werden.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhaltung der Lötfähigkeit von Nickelschichten, vorzugsweise solchen, die als Kontaktschichten bei der Herstellung von elektronischen Bauelementen aufgebracht werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der Elektrotechnik/Elektronik werden Bauteile aus unterschiedlichen Werkstoffen_rwie z. B. Silicium, Keramik, Kupfer, Wolfram, Molybdän, Edelstahl vernickelt und durch Weichlöten verbunden. Eine Voraussetzung für optimale Weichlotverbindungen ist eine gute Benetzung der Nickeloberfläche. Es ist bekannt, daß sich auf Nickel bei Lagerung an Luft sehr rasch passive Deckschichten ausbilden können. Um die Lötfähigkeit der Nickelschichten zu erhalten, ist es vielfach üblich, diese durch eine Goldschicht zu schützen. Goldoberflächen weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf und wirken benetzungsfördernd.

Bekannte Vergoldungsverfahren sind Aufdampfen, Zerstäuben, galvanische und chemische (stromlose) Abscheidung. Aus ökonomischen Gründen ist ein möglichst geringer Edelmetallverbrauch zur Realisierung der geforderten Schichteigenschaften anzustreben.

Die genannten physikalischen Verfahren sind unter diesem Gesichtspunkt nachteilig, weil eine erhöhte Goldumlaufmenge durch die unerwünschte Goldabscheidung auf Teilen der Beschichtungsapparatur (beim Sputtern kommt noch die Problematik des Resttargets hinzu) unvermeidlich ist.

Die elektrolytische Abscheidung des Goldes ist zwar sparsamer, erfordert aber zu jeder Fläche, die vergoldet werden soll, einen elektrischen Anschluß, der selbst wieder die Vergoldung stören kann. Außerdem wird oft ein gröberes Korn als mit den entsprechenden stromlosen Bädern abgeschieden.

Die stromlosen Goldbäder werden in zwei Gruppen eingeteilt, die Zementationsbäder und die reduktiven Bäder. Ein Zementationsbad wird bspw. in der DE-OS 2803147 beschrieben. Es hat jedoch wie alle Bäder dieses Typs den prinzipiellen Nachteil, das Substrat anzugreifen. Die Schichtdicke der mit diesem Bad herstellbaren Goldüberzüge ist begrenzt, die Haftfestigkeit geringer als bei bekannten reduktiven Bädern.

Zu den stromlosen Vergoldungsbädern gehört auch das reduktiv arbeitende Bad, das im WP 150762 dargestellt ist und sich durch seine Ungiftigkeit und relative Stabilität auszeichnet. Es werden dafür handelsübliche Reduktionsmittel verwendet (Natriumhypophosphit, Formaldehyd und Hydrazin). Zur Stabilisierung der Lösung werden Natriumsulfit, eine Di- bzw. Triaminoalkyl- und/oder Di- bzw. Triaminoarylverbindung, Kaliumbromid und ein Chelatbildner eingesetzt. Als Goldsalze werden Alkalisulfitoaurate der allgemeinen Formel Ме[Аи(5ОзЫ eingesetzt. Die Temperatur des Bades soll im Bereich 353 bis 371K liegen. Nachteilig bei dem Bad mit den angegebenen Toleranzen der Badzusammensetzung ist, daß eine zuverlässige Erhaltung der Lötbarkeit erst bei Schichtdicken der Au-Schicht von >200nm auftritt.

In der DE-OS 2215364 wird ein Verfahren zum Vergolden von Wolfram-oder Molybdänelektroden angegeben, bei dem auf vernickelten und anschließend versilberten Elektrodenkörpern 30 bis 100nm dicke Goldschichten stromlos abgeschieden werden. Eine Goldschicht dieser Dicke genüge für eine gute Verlotung der Elektrodenkörper mit anderen Anschlußteilen oder Bauelementen. Als nachteilig an diesem Verfahren ist die Verwendung eines giftigen Goldbades (Kaliumgoladcyanid) anzusehen.

Zur Verminderung der Goldschichtdicke sind auch Beschichtungen der Nickelschicht mit Palladium und anschließendem Goldflash bekannt. Nachteilig ist dabei, daß eine zusätzliche Edelmetallschicht benötigt wird.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, die Weichlotfähigkeit vernickelter elektronischer Bauteile bei Einsparung von Gold unter Verwendung umweltfreundlicher Vergoldungsverfahren zu erhalten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Ausgehend vom Ziel der Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur Erhaltung der Lötfähigkeit von Nickelschichten zu finden, bei dem auf die Nickelschicht eine haftfeste, dünne und dichte Goldschicht aus einem stromlosen ungiftigen Goldbad aufgebracht wird.

Es zeigte sich überraschend, daß mit der nachfolgend aufgeführten engtolerierten Zusammensetzung eines an sich bekannten Goldbades Überzüge erzielt werden können, die bereits bei Schichtdicken von 10 bis 50 nm eine solche Dichtigkeit, aufweisen, daß die Weichlötfähigkeit der Nickelschichten bei Lagerung an Luft permanent (mehrere Monate) ohne Einschränkung erhalten bleibt:

Gold als Na₃ [Au(SO₃I₂] 0,6g/l

Formaldehyd 0,9 bis 1,1 g/l

Natriumsulfit 7,7bis8,3g/l

Ethylendiamin 0,7 bis 0,8 g/l

Ethylendiamintetraessigsäure- 0,9 bis 1,0 g/l

di-Natriumsalz

Kaliumbromid 0,8 bis 1,2 g/l

Zusätzlich können dem Vergoldungsbad zur Beschleunigung der Abscheidung 0,1 bis 10 mg Thallium-I-Nitrat zugesetzt werden.

Der pH-Wert der Lösung wird im Bereich 7 bis 13 eingestellt. Die Badtemperatur soll zwischen 355 und 371K gehalten werden.

Die Badbelastung kann zwischen 1 und 1OcJmVl liegen. Die Abscheidungsdauer liegt im Bereich von 0,5 bis 10min. Die Abscheidungsgeschwindigkeit ist bis nahe der Erschöpfung des Bades verhältnismäßig konstant.

Die Haftfestigkeit der erzeugten Goldschichten auf dem Nickel ist sehr gut und übertrifft z. B. die Bruchfestigkeit von Siliciumscheiben.

Die besten Ergebnisse hinsichtlich Dichtigkeit der Goldschichten, d. h. eines besonders feinkörnige und flächenhafte Struktur, ergeben sich bei der Vergoldung von stromlos abgeschiedenen Nickelschichten. Auch bei galvanisch abgeschiedenen oder gesputterten Nickelschichten ergeben sich zufriedenstellende Ergebnisse.

In der Regel ist es vor dem Vergolden erforderlich, die Nickeloberflächen auf bekannte Weise zu dekapieren. Danach ist in jedem Falle ein gründliches Spülen der Substrate notwendig, um die Verschleppung von Säure in die Vergoldungslösung zu vermeiden.

Es ist günstig, die vernickelten Substrate unmittelbar vor dem Eintauchen in das Goldbad in heißem deionisiertem Wasser vorzuwärmen.

Nachfolgend soll die Erfindung in einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:

1. Ausführungsbeispiel

Es sollen glaspassivierte Siliciumscheiben vergoldet werden, die beidseitig mit einem bekannten Verfahren chemisch vernickelt wurden. Dazu werden die Siliciumscheiben aufrecht in ein Kunststoffmagazin gestellt und im ersten Verfahrensschritt 10s in gepufferter Flußsäure geätzt, danach für die Dauer von 60s in fließendem deionisiertem Wasser gespült, im Anschluß daran für die Dauer von 30s in deionisiertes Wasser mit einer Badtemperatur von 363K getaucht und nach Ablauf dieserZeit unverzüglich in ein Vergoldungsbad mit nachfolgender Zusammensetzung umgesetzt:

GoHaIsNa₃[Au(SO₃I₂] 0,6g/l

Formaldehyd 1,0g/l

Natriumsulfit 8,0g/l

Ethylendiamin 0,75g/l

Ethylendiamintetraessigsäure- 1,0 g/l

di-Natriumsalz

Kaliumbromid 1,0g/l

Die Temperatur des Goldbades beträgt 355 K, der pH-Wert 12,0, die Badbelastung 9,5 dmVl.

Nach einer Vergoldungszeit von 2 min werden die Scheiben dem Goldbad entnommen, intensiv in deionisiertem Wasser gespült und getrocknet. Die Goldschichtdicke beträgt 15 bis 25 nm, die vergoldeten Chips sind mehrere Monate an Luft lagerfähig, wobei die Lötbarkeit der Metalloberflächen ohne Einschränkung erhalten bleibt.

2. Ausf Uhrungsbeispiel

Es sollen beidseitig galvanisch vernickelte Molybdänbleche mit den Abmessungen (300 χ 50) mm² vergoldet werden. Da das Vergolden unmittelbar nach dem Vernickeln erfolgt, kann auf eine Aktivierung der Nickeloberflächen verzichtet werden. Nach dem Spülprozeß, der sich an das galvanische Vernickeln anschließt, werden die Gestelle mit den Molybdänblechen sofort in ein Goldbad mit derZusammensetzung wie im I.Ausführungsbeispiel umgesetzt. DieTemperatur des Goldbades beträgt 358 K, die Badbelastung 2dmVl.

Während der Zeitdauer von 5 min werden 25 bis 40 nm Gold abgeschieden. Nach dem Vergolden werden die Substrate in bekannterWeise gespült und getrocknet. Die Lötfähigkeit der metallisierten Molybdänbleche ist bei Lagerung an der Luft mehrere Monate gewährleistet.

3. Ausführungsbeispiel

Es sollen Siliciumscheiben einseitig vergoldet werden, die auf der Rückseite in bekannter Weise durch Zerstäuben vernickelt wurden. Zunächst erfolgt die Maskierung der Scheibenvorderseiten mit einem handelsüblichen Schutzlack. Die magazinierten Substrate werden 60s in 10%ige Schwefelsäure getaucht und anschließend 30s in fließendem deionisiertem Wasser gespült. Danach werden die Scheiben 30s in deionisiertem Wasser, dessen Temperatur 363K beträgt, vorgewärmt und in ein Goldbad umgesetzt, das zusätzlich zu der im 1 .Ausführungsbeispiel angegebenen Zusammensetzung 2,0 mg Thallium-I-Nitrat enthält. DerpH-Wert der Vergoldungslösung wurde durch Zugabe von Schwefelsäure auf 7,4 eingestellt. Bei einer Badtemperatur von 363 K wird in 5 min bei einer Badbelastung von 5dm²/l eine Goldschicht mit 35 bis 50 nm Dicke abgeschieden, die eine Lagerung der vergoldeten Substrate an Luft über mehrere Monat erlaubt, ohne daß die Lötfähigkeit negativ verändert wird.

Claims (1)

1. Verfahren zur Erhaltung der Lötfähigkeit von Nickelschichten mit einer bekannten Vorbehandlung zur Aktivierung der Nickelschichten, dadurch gekennzeichnet, daß 10 bis 50 nm dicke Goldschichten auf den Nickelschichten abgeschieden werden, indem die vernickelten Substrate für die Zeitdauer von 0,5 bis 10 min in ein an sich bekanntes ungiftiges, reduktives Goldbad mit der Zusammensetzung

Gold als Na₃[Au(SOa)₂] 0,6g/l

Formaldehyd 0,9 bis 1,1 g/l

Natriumsulfit 7,7bis8,3g/l

Ethylendiamin 0,7 bis 0,8 g/l

Ethylendiamintetraessigsäure- 0,9 bis 1,0 g/l

di-Natriumsalz

Kaliumbromid 0,8 bis 1,2 g/l,