DE1521401C3 - Verfahren zum Verbessern der Lötbarkeit einer im wesentlichen aus Nickel bestehenden Oberfläche eines Körpers - Google Patents

Verfahren zum Verbessern der Lötbarkeit einer im wesentlichen aus Nickel bestehenden Oberfläche eines Körpers

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern der Lötbarkeit einer im wesentlichen aus Nickel bestehenden Oberfläche eines Körpers durch Aufbringen einer Goldschicht auf die Nickel-Oberfläche.
Zur Verbesserung der Schichten-Lötbarkeit auf Oberflächen aus Nickel oder Nickellegierungen mit Lötmetallen wie Pb, Sn, In, einer Zinnlegierung oder einer Indiumlegierung ist es z. B. aus der deutschen Ausl'egeschrift 1 087 868 und der schweizerischen Patentschrift 216 950 bekannt, die Oberfläche zunächst mit einer Goldschicht von 1 bis 2,5 μΐη Dicke zu überziehen und dann erst das Lötmetall aufzubringen. Lötmetalle auf Zinnbasis benetzen Gold-Oberflächen erheblich besser als Nickel oder Nickellegierungen, ergeben aber noch keine ganz zufriedenstellende Lötbarkeit.
Wenn auf eine Nickel-Oberfläche eine bestimmte Menge eines Lötmetalls aufgebracht wird, breitet dieses sich nicht hinreichend über die Oberfläche aus, was zur Folge hat, daß eine große Lötmetallmenge aufgebracht werden muß und daß ein Flußmittel erforderlich ist, was jedoch bei vielen Anwendungen nicht zulässig ist.
Dies gilt unter anderem für den Fall, daß eine Halbleitervorrichtung am Montageboden einer Metallhülle befestigt werden soll. Mit Rücksicht darauf, daß die Temperatur der Halbleitervorrichtung nicht so hoch werden darf, wird zu diesem Zweck als Lötmetall oft Pb, Sn, eine Zinnlegierung, Indium oder eine Indiumlegierung mit Gallium oder Aluminium benutzt. Der Montageboden besteht aus vernickeltem Eisen-Nickel-Kobalt oder Eisen. Für eine gute Wirkungsweise der Halbleitervorrichtung ist es erforderlich, daß die Lötmetallschicht .einen niedrigen. thermischen und elektrischen Übergangswiderstand aufweist, d. h., daß sie möglichst dünn ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Nachteile der bekannten Verfahren zu bessern.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren "der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der mit einer 0,01 bis 0,2 μΐη,dicken Goldschicht versehene Körper einer Diffusionsbehandlung bei einer Temperatur zwischen 300 und 450° C unterworfen wird.
Während der Diffusionsbehandlung diffundiert die Goldschicht in die im wesentlichen aus Nickel bestehende Oberfläche, so daß eine Nickel-Gold-Legierung entsteht, die eine vorzügliche Benetzbarkeit aufweist. Um dies zu erreichen, ist es unbedingt erforderlich, daß die Diffusionsbehandlung innerhalb der genannten Temperaturgrenzen, d. h. zwischen 300 und 450° C, durchgeführt wird. Wird die Diffusionsbehandlung bei einer Temperatur unterhalb von 300° C durchgeführt, so diffundiert das Gold nicht hinreichend stark in die Nickelschicht ein, und die Benetzbarkeit übersteigt kaum die einer aus Gold bestehenden Oberfläche. Wird die Diffusionsbehandlung bei einer Temperatur oberhalb von 450° C durchgeführt, so diffundiert das Gold so tief in das Nickel hinein, daß die Oberfläche ebenfalls eine geringe Benetzbarkeit aufweist.
ίο Als Maß für die Lötbarkeit und damit für die Benetzbarkeit betrachtet man den Durchmesser, auf dem sich eine auf die Oberfläche aufgebrachte bestimmte Gewichtsmenge Zinnlot ausbreitet. Versuchsweise wurden Nickelplatten mit einer Grundschicht von etwa 0,1 μπι Dicke überzogen. Eine Platte wurde nicht erhitzt, und die anderen Platten wurden über 30 Minuten auf Temperaturen von 100, 200, 250, 300, 350, 400, 450 und 500° C erhitzt. Für die bei Temperaturen zwischen 300 und 400° C behandelten Platten wurden Durchmesser der geschmolzenen Zinnmengen gemessen, die etwa dreimal größer waren als der entsprechende Durchmesser auf einer vergoldeten, jedoch nicht erhitzten Platte. Bei den auf Temperaturen unterhalb von 300° C erhitzten Platten war dieser Durchmesser kaum größer, und bei den auf eine Temperatur oberhalb von 450° C erhitzten Platten war er proportional zur Temperaturzunahme kleiner als bei einer vergoldeten, nicht erhitzten Platte.
Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß es aus der französischen Patentschrift 1 074 831 bekannt war, um Schmuckgegenstände mit einer harten abriebfesten Gold- oder Goldlegierungsschicht zu überziehen, eine auf ein Trägermaterial aufgebrachte dünne Schicht aus Gold oder einer Goldlegierung durch Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 300 und 400° C in das Trägermaterial und das Trägermaterial in die Gold- oder Goldlegierungsschicht eindiffundieren zu lassen. Dieser Stand der Technik gibt keinen Hinweis darauf, wie die Lötbarkeit einer mit einer dünnen Goldschicht überzogenen Nickel-Oberfläche verbessert werden kann, da auf die Frage der Lötbarkeit nicht eingegangen ist und zwischen der Abriebfestigkeit und der Lötbarkeit einer Schicht kein erkennbarer Zusammenhang besteht.
Die Goldschicht kann auf verschiedene Weise auf die im wesentlichen aus Nickel bestehende Oberfläche aufgebracht werden, insbesondere galvanisch oder auch mit Hilfe eines Austauschbades ohne äußere Stromquelle. Mit' Hinblick auf die Gleichmäßigkeit der Goldschicht und insbesondere dann, wenn es sich um kleine Körper handelt, wird wegen der Einfachheit des Verfahrens das Aufbringen in einem Austauschbad bevorzugt. Solche Austauschbäder sind an isich bekannt, so'enthält ein Bad z. B. K-Gold-Zyanid und Weinsäure und hat einen pH-Wert von etwa 6.
Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die
mit der Erfindung erzielten Vorteile insbesondere darin bestehen, daß die Lötbarkeit durch Verbesserung der Benetzung beträchtlich erhöht wird, so daß auf die Verwendung eines Flußmittels verzichtet werden kann. Darüber hinaus eignen sich die gemäß der Erfindung in ihrer Lötbarkeit verbesserten Oberflächen vorzüglich zum drucklosen Löten; sie können zusätzlich auch als ein Korrosionsschutz benutzt werden, der erheblich günstiger ist als die üblichen Korrosionsschichten. Es ist bekannt, zu diesem Zweck eine Schicht eines weniger edlen Metalls als das der
Unterlage aufzubringen. Es entsteht dann in einer feuchten Atmosphäre nach Beschädigung ein kurzgeschlossenen galvanisches Element, so daß das untenliegende Metall, auf Grund des unedleren, in Lösung gehenden Metalls kathodisch geschützt wird. Nach einer gewissen Zeit geht jedoch der Schutz verloren, da dann eine zu große Menge des unedlen Metalls gelöst ist. Bei einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Eindiffusion von Gold in ihrer Lötbarkeit verbesserten, im wesentlichen aus Nickel be- ίο stehenden Oberfläche eines Körpers entsteht nach dem Aufbringen einer Lötmetallschicht eine Grenzschicht zwischen der unedlen Lötmetallschicht, z.B. Zinn, und dem Basismetall, z. B. Nickel, vernickeltem Eisen oder vernickeltem Eisen-Nickel-Kobalt. Soweit diese edle Metallschicht nicht zu stark beschädigt wird, bietet bei Beschädigung der unedlen äußeren Lötmetallschicht dieser Schichtenaufbau einen erheblich dauerhafteren Schutz als die bekannten Antikorrosionsschichten. ■ ■
Wird eine Transistorhülle für eine Halbleitervorrichtung z. B. als Ganzes vernickelt, darauf eine Goldschicht niedergeschlagen, eindiffundiert und dann, z. B. galvanisch, verzinnt, so entsteht eine Halbleitervorrichtung mit einer Hülle, deren Anschlußdrähte vorzüglich lötbar sind und die erheblich korrosionsfester ist als die bisherigen Hüllen.
Im folgenden werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.
Beispiel 1
Auf einer Anzahl eisener Montageböden für ein halbleitendes Element mit einem Durchmesser von 8 mm, zwei Glasdurchführungen und einem Anschlußdraht, der am Montageboden angeschweißt vtax, wurde durch galvanisches Vernickeln eine Nikkeischicht mit einer Stärke von 5 μΐη angebracht. Zu diesem Zweck wurde ein auf 60° C erhitztes Wattsches Vernickelungsbad mit folgender Zusammensetzung pro Liter benutzt:
20 g NiCl, ■ 6H2O,
200 g NiSO4 · 7H.,O und
25gH3BO3.
Darauf wurden die Montageböden mittels eines bekannten Austauschbades mit einer 0,1 μΐη dicken Goldschicht überzogen.
Die Montageböden wurden darauf 30 Minuten lang auf einer Temperatur von 350° C gehalten. Nach Abkühlung wurde auf der Seite des Montagebodens, an der das Halbleiterelement angebracht werden sollte, eine Folie aus Lötmetall mit der Zusammensetzung 70% Sn und 30% Pb angebracht und darauf ein Nickelstreifen mit einem daran befestigten Halbleiterkristall gelegt. Das Ganze wurde zum Schmelzen der Folie einige Stunden lang in einem heißen Mischgasstrom aus Stickstoff mit 5 Volumprozent Wasserstoff mit einer Temperatur von 300° C erwärmt. Die Folien flössen unmittelbar aus und lieferten eine gleichmäßige Bedeckung der Oberfläche des Montagebodens. Das Halbleiterelement bestand aus einer Germaniumkristallplatte, die mit einer In-Ga-Legierung auf einem Nickelstreifen festgelötet war. Darauf wurde das Ganze in einem kalten Luftstrom auf Zimmertemperatur abgekühlt. Es wurde eine vorzügliche Haftung des Kristalls an dem Montageboden erzielt.
Beispiel 2
Ein aus Kupfer bestehender Montageboden für eine Hochleistungsdiode, in dem eine kreisförmige Nut angebracht war, wurde mittels des vorstehend beschriebenen Bades mit einer 1 μΐη dicken Nickelschicht und diese mittels eines Austauschbades mit einem 0,1 μΐη dicken Goldüberzug versehen und darauf der Kupferboden 30 Minuten lang auf eine Temperatur von 350° C erwärmt. Eine zylindrische, einseitig geschlossene Kappe, deren untere Seite mit einem gewissen Spiel in die kreisförmige Nut des Montagebodens paßte, wurde auf gleiche Weise vernickelt, vergoldet und erwärmt. Auf den Montageboden wurde eine Folie aus Blei-Zinn-Lot gelegt und darauf ein Kristall angebracht. Dann wurde die Kappe mit der unteren Seite in die Nut geführt. Es wurden einige Perlchen Blei-Zinn-Lot an der Nut gegen die Kappe gelegt und das Ganze auf eine Temperatur von etwa 300° C erwärmt. Nach Abkühlung war das Lot zwischen die Nut und den Kappenrand geflossen. Es ergab sich eine vorzügliche Haftung bei einer gut aussehenden, glatten Lotnaht. Gleichzeitig war der Kristall fest mit dem Montageboden verlötet.
Beispiel 3
Auf einen Kupferboden für eine Halbleitervorrichtung wurde mittels des Vernickelungsbades nach Beispiel 1 eine Nickelschicht mit einer Dicke von 1 μΐη aufgebracht, die mittels eines Austauschbades mit einem Goldüberzug mit einer Dicke von 0,1 μΐη versehen wurde, worauf das Ganze 30 Minuten lang auf 350° C erwärmt wurde. Die Halbleitervorrichtung bestand aus einer Germaniumkristallplatte, in die beiderseits eine Indiumkugel durch Erwärmung teilweise eindiffundiert war. Auf der Kollektorseite war die Indiumkugel flach abgeschliffen. Der Halbleiterkörper wurde mit dieser Seite auf die vergoldete Oberfläche gelegt und das Ganze einige Minuten lang auf eine Temperatur von 160° C in einer Atmosphäre aus Stickstoff und 5 Volumprozent Wasserstoff erwärmt. Eine dünne Oberfläche des Indiums floß über die vergoldete Bodenfläche aus und ergab so eine vorzügliche Haftung des Halbleiterkristalls am Boden.

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zum Verbessern der Lötbarkeit einer im wesentlichen aus Nickel bestehenden Oberfläche eines Körpers durch Aufbringen einer Goldschicht auf die Nickeloberfläche, dadurchgekennzeichnet, daß der mit einer 0,01 bis 0,2 μΐη dicken Goldschicht versehene Körper einer Diffusionsbehandlung bei einer Temperatur zwischen 300 und 450° C unterworfen wird.
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