DE10129648A1 - Verfahren und Anordnung zum elektromechanischen Beschichten von Metallelementen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zum elektrochemischen Beschichten von Metallelementen mit mindestens einer lötbaren und einer kontaktgeeigneten Schicht, bei dem mindestens ein Bereich der Metallelemente mittels eines Zinnlegierungselektrolyten in einem Abscheideprozess mit der lötbaren Schicht aus einer Zinnlegierung und in einem weiteren Abscheideprozess mindestens ein weiterer Bereich mit einer kontaktgeeigneten Schicht versehen wird. DOLLAR A Um ein solches Verfahren mit möglichst geringem Aufwand durchführen zu können, wird erfindungsgemäß in dem weiteren Abscheideprozess die steck-/schaltkontaktgeeignete Schicht aus einer Zinnlegierung mit einer von der eutektischen Zusammensetzung abweichenden Legierungszusammensetzung mit erhöhtem Schmelzpunkt hergestellt, wobei im Vergleich zu dem einen Abscheideprozess mindestens ein Abscheideparameter verändert wird.

Description

Seit langem werden in der Elektrotechnik längliche Metallele­ mente verwendet, die z. B. an ihrem einen Ende eine lötbare Schicht und an ihrem anderen Ende eine steck-/schalt-kontakt­ geeignete Schicht aufweisen. Solche Metallelemente bilden elektrische Verbindungsteile, wie sie beispielsweise bei Steckverbindern, so genannten Lead-Frames oder als Relais­ kontakte verwendet werden. Die lötbaren Schichten sind in der Regel bleihaltige Zinnlegierungsschichten, die auf elektrochemischem Wege auf das jeweilige Metallelement aufge­ bracht wurden. Die kontaktgeeigneten Schichten werden als Edelmetallschichten ebenfalls auf elektrochemischen Wege aufgebracht und stellen zum Beispiel Gold-, Gold/Nickel-, Ko­ balt-, Gold/Palladium- und Gold/Palladium/Nickel-Schichten dar. Das elektrochemische Aufbringen dieser bekannten Schichten ist verhältnismäßig aufwendig, weil sowohl die löt­ bare Schicht für sich als auch die steck- /schaltkontaktgeeignete Schicht für sich in jeweils einem be­ sonderen Beschichtungsverfahren elektrochemisch aufgebracht werden müssen. Dadurch ist der Aufwand für das Beschichten verhältnismäßig groß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen mindestens einer lötbaren Schicht und mindestens einer kontaktgeeigneten Schicht auf Metallelementen durch elektrochemisches Beschichten anzugeben, bei dem mindestens ein Bereich der Metallelemente mittels eines Zinnlegierungs­ elektrolyten in einem Abscheideprozess mit der lötbaren Schicht aus einer Zinnlegierung und in einem weiteren Ab­ scheideprozess mindestens ein weiterer Bereich mit der kon­ taktgeeigneten Schicht versehen wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß in dem weiteren Abscheideprozess die kontaktgeeignete Schicht aus einer Zinn/Silber-Legierung mit einer von der eutektischen Zusammensetzung abweichenden Legierungszusammensetzung hergestellt, indem der weitere Abscheideprozess mit einer im Vergleich zu dem einen Abscheidungsprozess veränderten Zinn/Silber-Legierungselektrolyt-Zusammensetzung und/oder Abscheidestromdichte, Hydrodynamik, Temperatur oder räumli­ chen Ausgestaltung einer zur Durchführung des Verfahrens er­ forderlichen elektrochemischen Zelle durchgeführt wird.

Vorteilhaft ist an dem erfindungsgemäßen Verfahren vor allem, dass unter Verwendung eines Zinnlegierungselektrolyten beide Schichten aufgebracht werden können; dadurch entfällt nicht nur die Bevorratung unterschiedlicher Elektrolyten, sondern es können beide Schichten aufgebracht werden, ohne dass zwi­ schen dem Aufbringen der lötbaren Schicht und dem Auftragen der kontaktgeeigneten Schicht Spühlschritte und dergleichen durchgeführt werden müssen. Dabei ist auch sichergestellt, dass die steck-/schaltkontaktgeeignete Schicht beim Löten im Bereich der lötbaren Schicht keinen Schaden nimmt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können kontaktgeeignete Schichten verschiedener Art hergestellt werden. Zum Herstel­ len einer steck-/schaltkontaktgeeigneten Schicht als kontakt­ geeigneter Schicht wird in dem weiteren Abscheideverfahren eine Schicht mit einem Silberanteil zwischen 15 und 95% und einem Zinnanteil zwischen 95 und 5% abgeschieden.

Zum Herstellen einer bondkontaktgeeigenten Schicht als kon­ taktgeeigneter Schicht in dem weiteren Abscheideverfahren wird eine Schicht mit einem Silberanteil größer als etwa 90% abgeschieden.

Vorteilhafterweise werden zunächst in dem weiteren Abscheideprozess die Metallelemente mit der kontaktgeeigneten Schicht versehen und danach wird in dem einen Abscheideprozess auf den mindestens einen Bereich der Metallelemente die lötbare Schicht gebildet.

Hinsichtlich der Abfolge in der Aufbringung der lötbaren und der kontaktgeeigneten Schicht auf die Metallelemente kann das erfindungsgemäße Verfahren in unterschiedlicher Weise durchgeführt werden. Als vorteilhaft wird es angesehen, wenn zunächst in dem weiteren Abscheideprozess die Metallelemente mit der kontaktgeeigneten Schicht versehen werden und danach in dem einen Abscheideprozess auf den mindestens einen Bereich der Metallelemente die lötbare Schicht gebildet wird. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hat den Vorteil, dass zunächst auch das gesamte Metallelement mit der kontaktgeeigneten oder der bondkontaktgeeigneten Schicht versehen werden kann und anschließend gezielt nur der Bereich mit der lötbaren Schicht versehen wird, der dazu vorgesehen ist. Dabei wird in vorteilhafter Weise eine Maskierung gespart.

Bei einer besonders vorteilhaften Form des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die lötbare Schicht und die steck- /schaltkontaktgeeignete oder bondkontaktgeeignete Schicht gleichzeitig aufgebracht, indem die Metallelemente so ange­ ordnet werden, dass ihr einer Bereich in einem ersten Be­ schichtungsraum zur Durchführung des einen Abscheideprozesses und ihr weiterer Bereich in einem zweiten Beschichtungsraum zur Durchführung des weiteren Abscheideprozesses liegen. Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform des er­ findungsgemäßen Verfahrens wird darin gesehen, dass die Me­ tallelemente schnell in einem einzigen Durchgang sowohl mit der lötbaren als auch mit der kontaktgeeigneten Schicht ver­ sehen werden können, wodurch die Durchlaufzeiten in der Fertigung erheblich verkürzt werden.

Bei einer ebenfalls als besonders vorteilhaft erachteten Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Zinn­ legierungselektrolyt ein Zinn/Silber-Elektrolyt mit Zinn- und Silber-Ionen und organischen Zusätzen sowie Wasser und einem pH-Wert kleiner als 2 verwendet.

Ein solcher Elektrolyt ist an sich aus der US-Patentschrift 5,911,866 bekannt; die Verwendung eines solchen Elektrolyten bringt den besonderen Vorteil mit sich, dass er das Aufbrin­ gen von bleigehaltfreien Zinnlegierungsschichten erlaubt, deren Verwendung in zunehmenden Maße wegen der Toxizität des Bleis als kritisch erachtet wird.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Anordnung zum elektrochemischen Beschichten von Metallelementen mit einer mit einem Zinnlegierungselektrolyten gefüllten elektrochemi­ schen Zelle, in der sich in einem Aufnahmebereich das mit dem Minuspol einer Stromversorgungseinrichtung verbundene Me­ tallelement und außerhalb des Aufnahmebereichs eine an den Pluspol der Stromversorgungseinrichtung angeschlossene flä­ chenhafte Elektrode befinden.

Eine solche Anordnung ist der oben bereits genannten US-Pa­ tentschrift 5,911,866 ebenfalls entnehmbar. Mit dieser be­ kannten Anordnung lassen sich längliche Metallelemente mit Zinn/Silber-Schichten versehen, die frei von Blei sind und als Kontaktmaterial in der Elektrotechnik geeignet sind.

Um eine solche Anordnung so weiterzuentwickeln, dass mit ihr in vorteilhaft kurzer Zeit Metallelemente sowohl mit einer lötbaren Schicht als auch mit einer kontaktgeeigneten Schicht versehen werden können, besteht erfindungsgemäß die flächen­ hafte Elektrode aus einer Zinnlegierung, und es ist in dem Aufnahmebereich für das Metallelement mindestens eine weitere flächenhafte Elektrode aus einer Zinnlegierung als Anode angeordnet.

Zur Lösung der oben angegebenen Aufgabe ist bei einer weite­ ren Ausführung der Erfindung die Anordnung so ausgebildet, dass die flächenhafte Elektrode aus einem inerten Werkstoff besteht und in dem Aufnahmebereich für das Metallelement mindestens eine weitere flächenhafte Elektrode aus einem inerten Werkstoff als Anode angeordnet ist.

Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Anordnung beiderlei Ausführungsformen ist vor allem, dass sie in sich gewisser­ maßen zwei Beschichtungseinrichtungen vereinigt, weil au­ ßerhalb des Bereichs der weiteren flächenhaften Elektrode eine Beschichtung eines Metallelementes mit einer lötbaren Schicht aus einer Zinnlegierung und im Bereich der weiteren flächenhaften Elektrode durch entsprechende Stromdichte-Ver­ änderung eine Beschichtung mit der kontaktgeeigneten Schicht erzeugbar ist. Beide Beschichtungsprozesse verlaufen zeitlich parallel, was nicht nur zur Einsparung an Fertigungszeiten führt, sondern auch den apparativen Aufwand zum Aufbringen der beiden Schichten relativ klein hält.

Um das Beschichten zwar zeitlich parallel aber räumlich ge­ trennt in der einen Anordnung durchführen zu können, ist vor­ teilhafter Weise der Teil des Aufnahmebereichs mit der weite­ ren flächenhaften Elektrode von einem Gehäuse mit Schlitz zum Hindurchführen des Metallelementes umgeben.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Anordnung ist die Stromversorgungseinrichtung derart eingestellt ist, dass über die eine flächenhafte Elektrode und die weitere flächenhafte Elektrode unterschied­ lich große, konstante Ströme derart fließen, dass mit der weiteren flächenhaften Elektrode eine relativ geringe Strom­ dichte erzeugt wird.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist in der Figur ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des er­ findungsgemäßen Verfahrens wiedergegeben.

Die Figur zeigt eine elektrochemische Zelle 1, in der eine flächenhafte Elektrode 2 untergebracht ist, die bei einer zy­ lindrischen Zelle ebenfalls zylindrisch ausgebildet ist. Die flächenhafte Elektrode 2 ist an einen Pluspol 4 einer Stromversorgungseinrichtung 5 angeschlossen.

Innerhalb der flächenhaften Elektrode 2 endet eine in der Fi­ gur nur schematisch dargestellte Halteeinrichtung 6 für ein Metallelement 7, das zu beschichten ist. Die Halteeinrichtung 6 bildet gleichzeitig eine elektrische Verbindung 8 zu einem Minuspol 9 der Stromversorgungseinrichtung 5.

Der zur Aufnahme des Metallelementes 7 vorgesehene Raum in der Zelle 1 weist einen Aufnahmebereich 10 auf, der von einem Gehäuse 11 mit Schlitzen 12 und 13 zum Hindurchführen des Metallelementes 7 gebildet ist. Innerhalb dieses Gehäuses 11 befindet sich eine weitere flächenhafte Elektrode, die als Anode 14 mit einem weiteren Pluspol 15 der Stromversorgungs­ einrichtung 5 verbunden ist.

Das zu beschichtende Metallelement 7 liegt mit seinem mittle­ ren Teil 16 innerhalb des Gehäuses 11, weil es dort mit einer kontaktgeeigneten Schicht versehen werden soll. Dies ge­ schieht mit einem in der Zelle 1 befindlichen Zinn/Silber- Elektrolyten 17 in der Weise, dass mit der weiteren flächenhaften Elektrode 14 innerhalb des Gehäuses 11 durch entsprechende Einstellung der Stromversorgungseinrichtung 5 mit einer relativ kleinen Stromdichte gearbeitet wird, wodurch sich auf dem Teil 16 des Metallelements 7 eine steck- /schaltkontaktgeeignete Schicht aus einer Zinn/Silber-Le­ gierung mit mindestens sieben Gewichtsprozenten Silber nie­ derschlägt, die eine von der eutektischen Zusammensetzung abweichende Legierungszusammensetzung mit erhöhten Schmelz­ punkt aufweist.

Außerhalb des Gehäuses 11 werden an den beiden Enden 18 und 19 des Metallelementes 7 lötbare Silber/Zinnlegierungs- Schichten mit nahe dem Eutektikum liegender Legierungszusam­ mensetzung elektrochemisch aufgebracht, deren Silberanteil 7 oder weniger Gewichtsprozente, vorteilhaft 3,5 Gewichtspro­ zente Silber beträgt.

Nach dem Beschichten wird das Metallelement 7 aus der Zelle 1 entnommen und nach weiteren Behandlungsschritten, wie zum Beispiel spülen, in der Mitte durchtrennt, um elektrische Kontaktstücke zu gewinnen, die an ihrem einen Ende eine löt­ bare Schicht und an ihrem anderen Ende eine steck- /schaltkontaktgeeignete Schicht aufweisen.

Claims (11)

1. Verfahren zum Herstellen mindestens einer lötbaren Schicht und mindestens einer kontaktgeeigneten Schicht auf Metall­ elementen durch elektrochemisches Beschichten,
bei dem mindestens ein Bereich der Metallelemente mittels eines Zinnlegierungselektrolyten in einem Abscheideprozess mit der lötbaren Schicht aus einer Zinnlegierung und in einem weiteren Abscheideprozess mindestens ein weiterer Bereich mit der kontaktgeeigneten Schicht versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass
in dem weiteren Abscheideprozess die kontaktgeeignete Schicht aus einer Zinn/Silber-Legierung mit einer von der eutektischen Zusammensetzung abweichenden Legierungszu­ sammensetzung hergestellt wird, indem der weitere Ab­ scheideprozess mit einer im Vergleich zu dem einen Ab­ scheidungsprozess veränderten Zinn/Silber-Legierungs­ elektrolyt-Zusammensetzung und/oder Abscheidestromdichte, Hydrodynamik, Temperatur oder räumlichen Ausgestaltung ei­ ner zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen elekt­ rochemischen Zelle durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen einer steck-/schaltkontaktgeeigneten Schicht als kontaktgeeigneter Schicht in dem weiteren Ab­ scheideverfahren eine Schicht mit einem Silberanteil zwi­ schen 15 und 95% und einem Zinnanteil zwischen 95 und 5% abgeschieden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen einer bondkontaktgeeigenten Schicht als kon­ taktgeeigneter Schicht in dem weiteren Abscheideverfahren eine Schicht mit einem Silberanteil größer als etwa 90% ab­ geschieden wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst in dem weiteren Abscheideprozess die Metallele­ mente mit der kontaktgeeigneten Schicht versehen werden und danach in dem einen Abscheideprozess auf den min­ destens einen Bereich der Metallelemente die lötbare Schicht gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lötbare Schicht und die steck-/schaltkontaktgeeignete Schicht gleichzeitig aufgebracht werden, indem die Metall­ elemente so angeordnet werden, dass ihr einer Bereich in einem ersten Beschichtungsraum zur Durchführung des einen Abscheideprozesses und ihr weiterer Bereich in einem zweiten Beschichtungsraum zur Durchführung des weiteren Abscheideprozesses liegen.

6. Verfahren nach der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass als Zinnlegierungselektrolyt ein Zinn/Silber-Elektrolyt mit Zinn- und Silber-Ionen und organischen Zusätzen, Was­ ser und einem pH-Wert kleiner als 2 verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die steck-/schaltkontaktgeeignete Schicht mit einer Zinn/Silber-Legierung mit mindestens 7 Gewichtsprozenten Silber und die lötbare Schicht mit weniger als 7 Gewichts­ prozenten Silber in seiner Zinn/Silber-Legierung erzeugt wird.

8. Anordnung zum elektrochemischen Beschichten von Metallele­ menten mit einer mit einem Zinnlegierungselektrolyten gefüll­ ten elektrochemischen Zelle (1), in der sich in einem Aufnah­ mebereich (10) das mit dem Minuspol (9) einer Stromversor­ gungseinrichtung (5) verbundene Metallelement (7) und au­ ßerhalb des Aufnahmebereichs (10) eine an den Pluspol (4) der Stromversorgungseinrichtung (5) angeschlossene flächenhafte Elektrode (2) befinden, dadurch gekennzeichnet, dass
die flächenhafte Elektrode (2) aus einer Zinnlegierung be­ steht und
in dem Aufnahmebereich (10) für das Metallelement(7) min­ destens eine weitere flächenhafte Elektrode (14) aus einer Zinnlegierung als Anode (14) angeordnet ist.

9. Anordnung zum elektrochemischen Beschichten von Metallele­ menten mit einer mit einem Zinnlegierungselektrolyten gefüll­ ten elektrochemischen Zelle (1), in der sich in einem Aufnah­ mebereich (10) das mit dem Minuspol (9) einer Stromversor­ gungseinrichtung (5) verbundene Metallelement (7) und au­ ßerhalb des Aufnahmebereichs (10) eine an den Pluspol (4) der Stromversorgungseinrichtung (5) angeschlossene flächenhafte Elektrode (2) befinden, dadurch gekennzeichnet, dass
die flächenhafte Elektrode aus einem inerten Werkstoff be­ steht und
in dem Aufnahmebereich für das Metallelement mindestens eine weitere flächenhafte Elektrode aus einem inerten Werkstoff als Anode angeordnet ist.

10. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil des Aufnahmebereichs (10) mit der weiteren flä­ chenhaften Elektrode als Anode (14) von einem Gehäuse (11) mit Schlitzen (12, 13) zum Hindurchführen des Me­ tallelements (7) umgeben ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinrichtung derart eingestellt ist, dass über die eine flächenhafte Elektrode (2) und die wei­ tere flächenhafte Elektrode (14) unterschiedlich große, konstante Ströme derart fließen, dass mit der weiteren flächenhaften Elektrode (14) eine relativ geringe Strom­ dichte erzeugt wird.