DE102014211298A1

DE102014211298A1 - Substrat mit einer Oberflächenbeschichtung und Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrates

Info

Publication number: DE102014211298A1
Application number: DE102014211298.2A
Authority: DE
Inventors: Hans Oddens; Hans-Peter Baer; Eckart Schellkes; Ingo HENKEL; Jos Verhoeven
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2015-12-17
Also published as: WO2015188971A1; TW201604014A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Substrat mit einer Oberflächenbeschichtung, wobei auf das Substrat (10) eine Schichtanordnung (12) aufgebracht ist, welche aus einem Metall oder einer Metalllegierung ausgebildet ist, und wobei eine Körnung (14) der Schichtanordnung (12) aus einer Oberfläche (12a) der Schichtanordnung (12) herausgewachsen ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche des Substrates (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Substrat mit einer Oberflächenbeschichtung und ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrates.
Stand der Technik
Elektronische Komponenten werden in vielen Varianten von elektrisch leitenden Substraten, insbesondere Stanzgittern, aufgebaut und danach mit Kunststoff umspritzt oder auf einem zuvor umspritzten Stanzgitter und Substraten aufgebaut. Diese Art von Gehäusen werden sowohl für rein elektronische Komponenten als auch für mikromechanische Bausteine wie beispielsweise Sensoren eingesetzt. Ein Stanzgitter ist typischerweise aus Kupfer ausgebildet und weist für Eigenschaften wie Bondbarkeit, Lötbarkeit oder Korrosionsschutz eine Beschichtung auf. Diese Beschichtung besteht typischerweise aus mehreren Schichten wie beispielsweise Nickel, Palladium und/oder Gold und kann über das Stanzgitter galvanisch abgeschieden werden. Ist das Substrat aus Leiterplattenmaterial, werden ebenfalls galvanische Beschichtungen aus Edelmetall verwendet, um die Kupferleiterbahnen bondbar, lötbar und korrosionskorrosionsgeschützt zu machen.
Auch für rein mechanische Gehäuse werden Stanzgitter mit Kunststoffen umspritzt, wobei zwischen Kunststoff und Metall eine gute Haftung erwünscht ist. Auch hier ist in der Regel eine Oberflächenbeschichtung des Stanzgitters notwendig, um Korrosionsschutz und ähnliche Eigenschaften zu gewährleisten.
Material und Art der Beschichtung besitzen einen bedeutenden Einfluss auf die Haftung des Kunststoffmaterials auf dem Stanzgitter. Eine hohe Haftung ist für wichtige Eigenschaften des Gehäuses wie Stabilität über die Lebensdauer gegenüber einer Delamination des Kunststoffes vom Stanzgitter, für eine Dichtheit, Korrosions- und Feuchtebeständigkeit sowie Lötbarkeit unabdingbar.
Die US 7,285,845 B2 offenbart einen Zuleitungsrahmen für ein Halbleiterbauteil. Zur Verbesserung der Haftung des Zuleitungsrahmens wird eine Nickelschicht aus einem Elektrolyt in bestimmter Konzentration und Prozesszeit abgeschieden, so dass eine Oberflächenstruktur entsteht, die unter Edelmetallschichten liegt.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein Substrat mit einer Oberflächenbeschichtung, wobei auf das Substrat eine Schichtanordnung aufgebracht ist, welche aus einem Metall oder einer Metalllegierung ausgebildet ist, und wobei eine Körnung der Schichtanordnung aus einer Oberfläche der Schichtanordnung herausgewachsen ist.
Die vorliegende Erfindung schafft überdies ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrates, wobei eine aus einem Metall oder einer Metalllegierung ausgebildete Schichtanordnung derart auf das Substrat aufgebracht wird, dass eine Körnung der Schichtanordnung aus einer Oberfläche der Schichtanordnung herauswächst.
Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, durch einen angepassten Abscheideprozess eine Oberfläche der Schichtanordnung zu erzeugen, die durch eine Rauheit im Nano- und Mikrometerbereich eine bessere Anbindung und Haftung eines auf die Oberflächenbeschichtung aufbringbaren Kunststoffes ermöglicht. Ein zusätzlicher Vorteil der Oberflächenbeschichtung liegt darin, dass sie weitere funktionale Aufgaben, die beispielsweise Korrosionsschutz und elektrischen Kontakt erfüllen kann.
Eine solche Oberflächenstruktur ermöglicht zudem typische Weiterverarbeitungsschritte wie Kleben und Drahtbonden. Die erhöhte Haftung des Kunststoffes auf der Oberfläche der erfindungsgemäßen Schichtanordnung resultiert in einer höheren mechanischen und thermomechanischen Stabilität der Verbindung zwischen dem Kunststoff und der Oberflächenbeschichtung. Durch die verbesserte Klebbarkeit und Bondbarkeit, den verbesserten elektrischen Kontakt sowie den Korrosionsschutz kann eine Abdeckung von vielen Funktionalitäten mit einem einzigen Prozess erreicht werden.
Des Weiteren besteht kein Bedarf an zusätzlichen Chemikalien oder Zusatzprozessen gegenüber üblichen Abscheideprozessen. Die Oberflächenstruktur der erfindungsgemäßen Schichtanordnung wirkt direkt mit dem Kunststoff zusammen, da die aus dem Metall oder der Metalllegierung ausgebildete Schichtanordnung die oberste Plating-Schicht darstellt und keine zusätzliche Abdeckung ihre Wirkung verringert.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Schichtanordnung in zumindest einem Teilbereich mit einem Kunststoff umspritzt ist. Die derart geschaffene Materialverbindung zwischen Schichtanordnung und Kunststoff weist besonders vorteilhafte Haftungseigenschaften auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Schichtanordnung vollflächig oder selektiv auf das Substrat aufgebracht und das Substrat elektrisch leitfähig ist. Somit kann die Schichtanordnung an jeweilige Anforderungen des zu beschichtenden elektrisch leitfähigen Substrates angepasst werden.
Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass die aus der Oberfläche der Schichtanordnung herausgewachsene Körnung eine Korngröße von bis zu 100 Mikrometer, vorzugsweise bis zu 10 Mikrometer aufweist. Die Körnung bildet somit eine Oberflächenstruktur der Schichtanordnung, welche eine verbesserte Haftung eines Kunststoffes auf der Oberfläche der Schichtanordnung ermöglicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Substrat aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder einem verkupferten Substrat und die auf das Substrat aufbringbare Schichtanordnung aus Gold oder einer Goldlegierung ausgebildet ist. Gold weist besonders vorteilhafte Materialeigenschaften beispielsweise hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit und Korrosionsschutz auf. Die Realisierbarkeit der Oberflächenstruktur bei dünnen Goldschichten ermöglicht hierbei eine effiziente Nutzung des Edelmetalls.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass eine Größe und Dichte der Körnung an Rändern der Schichtanordnung höher als in anderen Bereichen der Schichtanordnung ausgebildet ist. Damit können vorteilhafterweise die Haftungseigenschaften gerade an diesen besonders stark belasteten Bereichen selektiv verstärkt werden.
Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass zwischen dem Substrat und der auf dem Substrat aufgebrachten Schichtanordnung eine aus einem Metall oder einer Metalllegierung, vorzugsweise Nickel ausgebildete Zwischenschicht angeordnet ist. Material und Dicke der Zwischenschicht sind in vorteilhafter Weise an bauliche Anforderungen anpassbar.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das in zumindest einem Teilbereich mit einem Kunststoff umspritzte Substrat als Stanzgitter ausgebildet ist. Das derart geschaffene Stanzgitter weist besonders vorteilhafte Haftungseigenschaften zwischen Schichtanordnung und Kunststoff auf.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Schichtanordnung durch elektrochemische Abscheidung vollflächig oder selektiv auf dem Substrat aufgebracht wird. Somit kann die Schichtanordnung an jeweilige Anforderungen des zu beschichtenden Substrates angepasst werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Größe der Körnung durch eine Konzentration des die Schichtanordnung ausbildenden Metalls oder der Metalllegierung in einem Elektrolytbad, eine Agitationsströmung des Elektrolytbades und/oder eine Stromdichte eines in dem Elektrolytbad angelegten Stroms gesteuert wird. Die Größe der Körnung kann somit gezielt über das Verfahren gesteuert werden. Dadurch ist eine deutlich verbesserte Haftung zwischen Kunststoff und Schichtanordnung erzielbar. Damit wird ebenfalls die Lebensdauerbeständigkeit eines Mold-Gehäuses bestehend aus der umspritzten Beschichtung signifikant erhöht. Die elektrochemische bzw. galvanische Abscheidung ist des Weiteren mittels einer Standard-Plating-Linie umsetzbar.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Konzentration des die Schichtanordnung ausbildenden Metalls oder der Metalllegierung in dem Elektrolytbad vorzugsweise < 10 Gramm/Liter, die Aggitationsströmung des Elektrolytbades ≥ 1 Meter/Sekunde und die Stromdichte des in dem Elektrolytbad angelegten Stroms < 25 Ampere / Dezimeter² beträgt. Durch die vorstehend genannten Parameter ist eine besonders vorteilhafte Ausbildung der aus der Oberfläche der Schichtanordnung herauswachsenden Körnung zur Verbesserung der Haftung zwischen Kunststoff und Schichtanordnung möglich.
Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass eine Größe und Dichte der Körnung an Rändern der Schichtanordnung höher als in anderen Bereichen der Schichtanordnung ausgebildet wird. Damit können vorteilhafterweise die Haftungseigenschaften gerade an diesen besonders stark belasteten Bereichen selektiv verstärkt werden.
Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.
Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung.
Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
Es zeigen:
1 eine Schnittansicht eines Substrates mit einer erfindungsgemäßen Oberflächenbeschichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Schnittansicht des Substrates mit der erfindungsgemäßen mit einem Kunststoff umspritzten Oberflächenbeschichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Oberflächenbeschichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und
4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Beschichten einer Oberfläche des Substrates gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile oder Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
1 zeigt eine Schnittansicht eines Substrates mit einer erfindungsgemäßen Oberflächenbeschichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Das Substrat 10 ist elektrisch leitfähig und im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Kupfer ausgebildet. Alternativ kann das Substrat 10 auch aus einer Kupferlegierung oder einem anderen geeigneten Metall oder einer Metalllegierung ausgebildet sein. Auf dem Substrat 10 ist eine aus Nickel ausgebildete Zwischenschicht 20 angeordnet. Das Vorsehen der Zwischenschicht 20 ist optional. Die Zwischenschicht 20 kann alternativ auch aus einem anderen geeigneten Metall oder einer Metalllegierung ausgebildet sein. Auf der Zwischenschicht 20 ist eine Schichtanordnung 12 angeordnet, welche aus Gold ausgebildet ist. Die Schichtanordnung 12 kann alternativ auch aus einer Goldlegierung, aus Kupfer, Silber, Palladium oder einem anderen geeigneten Metall oder einer Metalllegierung ausgebildet sein.
Die Schichtanordnung 12 weist eine Oberfläche 12a auf, wobei aus der Oberfläche 12a der Schichtanordnung 12 eine Körnung 14 herausgewachsen ist. Die Körnung 14 weist eine Korngröße bis 10 Mikrometer auf. Alternativ kann die Körnung 14 auch eine Korngröße von bis zu 100 Mikrometer aufweisen.
Die Schichtanordnung 12 wird durch elektrochemische bzw. galvanische Abscheidung auf der Zwischenschicht 20 bzw. alternativ direkt auf dem Substrat 10 abgeschieden. Eine Größe der Körnung 14 wird durch eine Goldkonzentration in einem Elektrolytbad, einer Aggitationsströmung des Elektrolytbades und/oder einer Stromdichte eines in dem Elektrolytbad angelegten Stroms gesteuert. Die Goldkonzentration in dem Elektrolytbad beträgt vorzugsweise ≤ 10 Gramm / Liter, die Aggitationsströmung des Elektrolytbades beträgt ≥ 1 Meter / Sekunde und die Stromdichte des in dem Elektrolytbad angelegten Stroms beträgt < 25 Ampere / Dezimeter².
Die Größe und Dichte der Körnung 14 an Rändern 16 der Schichtanordnung 12 ist hierbei höher als in anderen Bereichen der Schichtanordnung 12 ausgebildet. Dies resultiert aus einer höheren Stromdichte an den Rändern 16 der Schichtanordnung 12, was zu einer höheren Größe und Dichte der Körnung 14 führt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Schichtanordnung 12 auf das Substrat 10 vollflächig aufgebracht. Alternativ kann die Schichtanordnung 12 auch selektiv auf vorbestimmte Bereiche des Substrates 10 bzw. der Zwischenschicht 20 aufgebracht sein.
2 zeigt eine Schnittansicht des Substrates mit der erfindungsgemäßen mit einem Kunststoff umspritzten Oberflächenbeschichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Die mit der Körnung 14 ausgebildete Oberfläche 12a der Schichtanordnung 12 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit dem Kunststoff 18 umspritzt. Aufgrund der aus der Oberfläche 12a der Schichtanordnung 12 herausgewachsenen Körnung 14 besteht eine verbesserte Haftung des Kunststoffes an der Oberflächenbeschichtung des Substrates 10.
3 zeigt eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Oberflächenbeschichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Struktur der aus einer Goldschicht ausgebildeten Schichtanordnung 12 weist eine Vielzahl von im Inneren der Schichtanordnung 12 sowie an der Oberfläche 12a der Schichtanordnung 12 ausgebildeten Körnern bzw. Kristallen 14 auf.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Beschichten einer Oberfläche des Substrates gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Das Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrates 10 umfasst ein Aufbringen S1 einer aus einem Metall oder einer Metalllegierung ausgebildeten Schichtanordnung 12 auf das Substrat 10. Eine Körnung 14 der Schichtanordnung 12 wächst hierbei aus der Oberfläche 12a der Schichtanordnung 12 heraus. Die Größe der Körnung 14 kann durch Parameter wie einer Konzentration des die Schichtanordnung 12 ausbildenden Metalls oder der Metalllegierung in einem Elektrolytbad, einer Aggitationsströmung des Elektrolytbades und/oder einer Stromdichte eines in dem Elektrolytbad angelegten Stroms gesteuert werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise können die Parameter zum Steuern der Größe der Körnung auch andere als die vorstehend aufgeführten Werte aufweisen. Ebenfalls kann auch eine andere als die beschriebene Kombination von Materialien des Substrates bzw. der Oberflächenbeschichtung verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7285845 B2 [0005]

Claims

Substrat mit einer Oberflächenbeschichtung, wobei auf das Substrat (10) eine Schichtanordnung (12) aufgebracht ist, welche aus einem Metall oder einer Metalllegierung ausgebildet ist, und wobei eine Körnung (14) der Schichtanordnung (12) aus einer Oberfläche (12a) der Schichtanordnung (12) herausgewachsen ist.
Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtanordnung (12) in zumindest einem Teilbereich mit einem Kunststoff (18) umspritzt ist.
Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtanordnung (12) vollflächig oder selektiv auf das Substrat (10) aufgebracht und das Substrat (10) elektrisch leitfähig ist.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass die aus der Oberfläche (12a) der Schichtanordnung (12) herausgewachsene Körnung (14) eine Korngröße von bis zu 100 Mikrometer, vorzugsweise bis zu 10 Mikrometer aufweist.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder einem verkupferten Substrat und die auf das Substrat (10) aufbringbare Schichtanordnung (12) aus Gold oder einer Goldlegierung ausgebildet ist.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dadurch gekennzeichnet, dass eine Größe und Dichte der Körnung (14) an Rändern (16) der Schichtanordnung (12) höher als in anderen Bereichen der Schichtanordnung (12) ausgebildet ist.
Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat (10) und der auf dem Substrat (10) aufgebrachten Schichtanordnung (12) eine aus einem Metall oder einer Metalllegierung, vorzugsweise Nickel ausgebildete Zwischenschicht (20) angeordnet ist.
Substrat nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das in zumindest einem Teilbereich mit einem Kunststoff (18) umspritzte Substrat (10) als Stanzgitter ausgebildet ist.
Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrates (10), wobei eine aus einem Metall oder einer Metalllegierung ausgebildete Schichtanordnung (12) derart auf das Substrat (10) aufgebracht wird (S1), dass eine Körnung (14) der Schichtanordnung (12) aus einer Oberfläche (12a) der Schichtanordnung (12) herauswächst.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtanordnung (12) in zumindest einem Teilbereich mit einem Kunststoff (18) umspritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtanordnung (12) durch elektrochemische Abscheidung vollflächig oder selektiv auf dem Substrat (10) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Größe der Körnung (14) durch eine Konzentration des die Schichtanordnung (12) ausbildenden Metalls oder der Metalllegierung in einem Elektrolytbad, eine Agitationsströmung des Elektrolytbades und/oder eine Stromdichte eines in dem Elektrolytbad angelegten Stroms gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des die Schichtanordnung (12) ausbildenden Metalls oder der Metalllegierung in dem Elektrolytbad vorzugsweise ≤ 10 Gramm / Liter, die Agitationsströmung des Elektrolytbades ≥ 1 Meter / Sekunde und die Stromdichte des in dem Elektrolytbad angelegten Stroms < 25 Ampere / Dezimeter² beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Größe und Dichte der Körnung (14) an Rändern (16) der Schichtanordnung (12) höher als in anderen Bereichen der Schichtanordnung (12) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das in zumindest einem Teilbereich mit einem Kunststoff (18) umspritzte Substrat (10) als Stanzgitter ausgebildet wird.