DE102008050983B4 - Verfahren zur Herstellung eines lötbaren Mehrschichtaufbaus - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines lötbaren Mehrschichtaufbaus, welches folgende Schritte umfasst:- (A) Herstellen einer elektrisch leitfähigen ersten Schicht (1) auf einem elektrisch isolierenden Substrat (4),- (B) Aktivieren der Oberfläche (1.1) der ersten Schicht (1),- (C) stromloses Abscheiden einer elektrisch leitfähigen zweiten Schicht (2) auf der aktivierten Oberfläche (1.1),- (D) Spülen der zweiten Schicht (2) mit einer ersten Spülflüssigkeit,- (F) stromloses Abscheiden einer elektrisch leitfähigen dritten Schicht (3) auf der zweiten Schicht (2),- (G) Spülen der dritten Schicht (3) mit einer zweiten Spülflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spülflüssigkeit Ammoniumhydroxid enthält.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines lötbaren Mehrschichtaufbaus gemäß dem Anspruch 1, wobei ein derartiger Mehrschichtaufbau eine Lötoberfläche aufweist zur elektrischen Verbindung mit elektronischen Bauelementen.
  • Als Mehrschichtaufbau kann z. B ein Mehrschichtaufbau auf keramischer Basis oder auf Polymerbasis gesehen werden. Insbesondere fallen unter diesen Begriff beispielsweise Leiterplatten oder sonstige Interkonnektoren.
  • Leiterplatten werden üblicherweise mit elektronischen Bauelementen bestückt. Dabei dienen die Leiterplatten einerseits als mechanische Träger der Bauelemente und andererseits ist auf den Leiterplatten eine elektrische Schaltung in Form von Leiterbahnen abgebildet. Die Bauelemente werden auf den Leiterplatten häufig auf elektrisch leitfähigen Pads, die mit den Leiterbahnen in Kontakt sind, durch einen Lötvorgang fixiert. Somit ist eine gute Lötbarkeit ein wichtiger Faktor für einen qualitativ guten und wirtschaftlichen Bestückungsprozess der Leiterplatte. Dabei ist es von Bedeutung, dass die Pads eine geeignete Oberflächengüte, insbesondere eine gute Benetzbarkeit für Lot, aufweisen. Insbesondere wenn Leiterplatten für neueste Bestückungstechnologien, etwa Chip On Board (COB) oder Surface Mounting Technology (SMT) verwendet werden sollen, werden hohe Anforderungen an die Oberflächengüte gestellt, zumal die Rastermaße (Pitches) immer weiter reduziert werden. Zur Erreichung einer hohen Oberflächengüte, ist ein Mehrschichtaufbau mit einer chemisch Nickel und einer chemisch GoldSchicht grundsätzlich geeignet, bei der zunächst Nickel und dann Gold stromlos abgeschieden werden.
  • Aus der Patenschrift US 7067918 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte bekannt, bei dem eine verbesserte Benetzbarkeit der Pads erreicht wird, indem der Phosphorgehalt in der Nickelschicht gering gehalten wird. Diese Methode hat den Nachteil, dass die Prozessbedingen für das stromlose Abscheiden der Nickelschicht nicht optimal eingestellt werden können.
  • In der Patentschrift US 5431959 wird ein Verfahren zum Aktivieren einer Oberfläche einer Schicht aus einer phosphorigen Nickellegierung vorgeschlagen. Insbesondere soll im Rahmen dieses Verfahrens ein wässriges Säuremittel verwendet werden, welches Ammoniumionen enthält.
  • Aus der Offenlegungsschrift US 2004/0022934 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit Durchgangslöchern bekannt, bei dem eine Metalllage stromlos auf dem Leiterplattensubstrat abgeschieden wird. Im Zuge des Herstellungsverfahrens wird ein Reinigungsbad verwendet, welches spezielle Schwefelverbindungen umfasst.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines lötbaren Mehrschichtaufbaus bereitzustellen, durch welches insbesondere Leiterplatten geschaffen werden, deren Pads eine überaus gute Lötbarkeit aufweisen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Entsprechend umfasst das Verfahren zur Herstellung eines lötbaren Mehrschichtaufbaus folgende Schritte:
    • (A) Herstellen einer elektrisch leitfähigen ersten Schicht auf einem elektrisch isolierenden Substrat,
    • (B) Aktivieren der Oberfläche der ersten Schicht,
    • (C) stromloses Abscheiden einer elektrisch leitfähigen zweiten Schicht auf der aktivierten Oberfläche,
    • (D) Spülen der zweiten Schicht mit einer ersten Spülflüssigkeit, wobei die erste Spülflüssigkeit Ammoniumhydroxid enthält,
    • (F) stromloses Abscheiden einer elektrisch leitfähigen dritten Schicht auf der zweiten Schicht,
    • (G) Spülen der dritten Schicht mit einer zweiten Spülflüssigkeit.
  • In der Regel folgt dem Spülen der dritten Schicht ein weiterer Verfahrensschritt, bei dem der auf diese Weise hergestellte Mehrschichtaufbau getrocknet wird.
  • Mit Vorteil umfasst die zweite Schicht Nickel. Weiterhin kann die dritte Schicht Gold umfassen und die erste Schicht Kupfer. Dabei kann in vorteilhafter Weise der Anteil an Nickel, Gold oder Kupfer in der jeweiligen Schicht mehr als 80% Gew. betragen.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Spülflüssigkeit einen pH-Wert von mindesten 9 auf. Mit Vorteil kann der pH-Wert zwischen 9 und 12, insbesondere zwischen 9,5 und 11, liegen.
  • In vorteilhafter Weise ist liegt das Ammoniumhydroxid in der ersten Spülflüssigkeit mit einer Konzentration von 10-5 mol/l bis 10-2 mol/l vor.
  • Der Mehrschichtaufbau kann als ein Bestandteil einer Leiterplatte ausgestaltet sein oder eine als eine Leiterplatte selbst gesehen werden.
  • Bei herkömmlich hergestellten Mehrschichtaufbauten, insbesondere bei Leiterplatten, wurde eine so genannte Entnetzung der Pads festgestellt, welche die Lötbarkeit negativ beeinflusst und möglicherweise auf Korrosionsprozesse der zweiten Schicht, beispielsweise einer Nickelschicht, zurückzuführen ist. Diese Korrosionsprozesse laufen vor dem Aufbringen der dritten Schicht ab. Versuche die erste Spülflüssigkeit durch Mischung verschiedenster Stoffe mit dem Ziel die Entnetzung der Pads zu verbessern führten zunächst nicht zum Erfolg, auch wenn die erste Spülflüssigkeit basischen Charakter aufwies. Überraschenderweise zeigte es sich aber, dass die Verwendung von Ammoniumhydroxid in der ersten Spülflüssigkeit erhebliche Verbesserungen der Lötbarkeit zur Folge hat.
  • Die erste Spülflüssigkeit kann aus einem Gemisch aus vollentsalztem Wasser und Ammoniak hergestellt sein, so dass die Spülflüssigkeit Ammoniumhydroxid enthält. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Wasser eine Leitfähigkeit zwischen 0,1 µS/cm und 15 µS/cm, insbesondere zwischen 0,3 µS/cm und 10 µS/cm aufweist. Diese Werte beziehen sich auf das Wasser, so wie es dem Prozess zugeführt wird. Während des Spülens kann sich selbstredend die Leitfähigkeit verändern. Weiterhin ist eine Verweilzeit des bis zum Verfahrensschritt D hergestellten Mehrschichtaufbaus in der ersten Spülflüssigkeit von 1 s bis 10 min vorteilhaft, insbesondere kann eine Verweilzeit von 1 s bis 30 s gewählt werden. Die Temperatur der ersten Spülflüssigkeit kann zwischen 10°C und 35°C betragen.
  • Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den abhängigen Ansprüchen.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der beiliegenden Figuren.
  • Es zeigen die
    • 1 ein Ablaufdiagramm der einzelnen Verfahrensschritte,
    • 2 eine Schnittdarstellung durch einen Mehrschichtaufbau.
  • Gemäß dem vorgestellten Ausführungsbeispiel wird als Mehrschichtaufbau eine Leiterplatte, bzw. ein Bestandteil einer Leiterplatte hergestellt. Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt A (1) zunächst eine elektrisch leitfähige erste Schicht, hier eine Kupferschicht 1, auf einem elektrisch isolierenden Substrat 4 aufgebracht. Als Substrat 4 wird im Ausführungsbeispiel eine Epoxy-Platte verwendet. Die Kupferschicht 1 wird dann fotolithographisch bearbeitet, so dass danach aus der Kupferschicht 1 unter anderem Bereiche oder Pads herausgearbeitet sind, die für eine Bestückung von elektronischen Bauelementen bestimmt sind, insbesondere mit Hilfe eines Lötprozesses. Sodann wird das mit der strukturierten Kupferschicht 1 versehene Substrat 4 einem Vorreinigungsprozess zugeführt, bei dem eine Entfettung und Spülung der Oberfläche erfolgt.
  • Als nächster Schritt B erfolgt nun eine Aktivierung der vom Substrat 4 abgewandten Oberfläche 1.1 der Kupferschicht 1. Zu diesem Zweck wird beispielsweise eine Palladium-Bekeimung vorgenommen.
  • Danach kann gemäß dem Verfahrensschritt C das stromlose Abscheiden einer leitfähigen zweiten Schicht, hier einer Nickelschicht 2 auf der aktivierten Oberfläche 1.1 begonnen werden. Das stromlose Abscheiden der Nickelschicht 2 bzw. der chemische Nickelprozess wird in einem Bad vorgenommen, welches unter anderem Hypophosphit als Reduktionsmittel aufweist, bei einer Temperatur von 80°C bis 90°C. Nachdem die Nickelschicht 2 in ausreichender Dicke, hier z. B. 4 µm bis 8 µm, aufgebracht ist, wird der Schichtaufbau aus dem Bad entnommen.
  • Im Anschluss daran wird ein Spülvorgang im Schritt D durchgeführt. Dabei wird der bisher erzeugte Schichtaufbau, insbesondere die Nickelschicht 2, in einem Bad, welches etwa 15°C aufweist mit einer ersten Spülflüssigkeit ca. 10 Sekunden lang gespült. Die erste Spülflüssigkeit enthält Ammoniumhydroxid, bzw. ein Gemisch aus Ammoniak und vollentsalztem Wasser. Im Ausführungsbeispiel wird ein Bad mit 270 I bereitgestellt, welches 1 I 12%-ige Salmiaklösung enthält.
  • Nachher erfolgt in einem Nachreinigungsschritt E ein weiterer Spülprozess in einem Bad mit 270 I vollentsalztem Wasser, dessen Leitwert in einem Bereich von 0,1 bis 15 µS/cm liegt und welches mit einem Durchfluss von 150 I/h durch dieses Bad fließt. Der Schichtaufbau verbleibt für eine Zeit von 10 s bis 30 s in diesem Bad.
  • Danach wird im Schritt F eine dritte Schicht in Form einer Goldschicht 3 auf die Nickelschicht 2 aufgebracht. Zu diesem Zweck wird der bisher hergestellte Schichtaufbau in ein weiteres Bad, das Sudgold umfasst, bei 60°C bis 90°C gegeben.
  • Darauffolgend wird die Leiterplatte, insbesondere die Goldschicht 3, im nächsten Schritt G nochmals einer Spülung unterworfen unter Verwendung einer zweiten Spülflüssigkeit, die im vorgestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls vollentsalztes Wasser ist. Hier wird im Übrigen eine Mehrfachkaskade angewendet.
  • Schließlich wird danach als Schritt H eine Trocknung der Leiterplatte vorgenommen.
  • Die auf diese Weise hergestellte Leiterplatte zeichnet sich insbesondere durch eine überaus gute Benetzbarkeit bei einem Lötprozess der entsprechenden Pads aus.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung eines lötbaren Mehrschichtaufbaus, welches folgende Schritte umfasst: - (A) Herstellen einer elektrisch leitfähigen ersten Schicht (1) auf einem elektrisch isolierenden Substrat (4), - (B) Aktivieren der Oberfläche (1.1) der ersten Schicht (1), - (C) stromloses Abscheiden einer elektrisch leitfähigen zweiten Schicht (2) auf der aktivierten Oberfläche (1.1), - (D) Spülen der zweiten Schicht (2) mit einer ersten Spülflüssigkeit, - (F) stromloses Abscheiden einer elektrisch leitfähigen dritten Schicht (3) auf der zweiten Schicht (2), - (G) Spülen der dritten Schicht (3) mit einer zweiten Spülflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spülflüssigkeit Ammoniumhydroxid enthält.
  2. Verfahren gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (2) Nickel umfasst.
  3. Verfahren gemäß dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht (3) Gold umfasst.
  4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (1) Kupfer umfasst.
  5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrschichtaufbau Bestandteil einer Leiterplatte ist.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spülflüssigkeit einen pH-Wert größer oder gleich 9 aufweist.
  7. Verfahren gemäß dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spülflüssigkeit einen pH-Wert zwischen 9 und 12 aufweist
  8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ammoniumhydroxid in der ersten Spülflüssigkeit mit einer Konzentration von 10-5 mol/l bis 10-2 mol/l vorliegt.
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