DE19613415A1 - Verfahren zum Herstellen einer Leiterplatte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Leiterplatte.

In herkömmlicher Weise werden dünne Platten aus Leiterplat­ tenmaterialien und zwar üblicherweise aus einer Kupfer- oder Nickellegierung durch Prägen oder Ätzen in die Form einer Lei­ terplatte gebracht. Nach der Formung der Leiterplatte erfolgt ein Galvanisieren durch Überströmen mit einem Metall wie bei­ spielsweise Nickel auf der sich ergebenden Struktur, woraufhin eine weitere Galvanisierung durch Überströmen unter Verwendung einer Palladium- (Pd)- oder Palladium-Nickel-(Pd-Ni)-Legierung durchgeführt wird, um eine fertige Leiterplatte zu erzielen.

Die Galvanisierungsverfahren durch Überströmen können grob in Elektrolytgalvanisierungsverfahren oder Nichtelektrolytgal­ vanisierungsverfahren unterteilt werden, wobei das Elektrolyt­ verfahren üblicher ist. Beim Elektrolytgalvanisierungsverfahren werden positive Metallionen, die in einer Lösung gelöst sind, zwangsweise auf die Oberfläche des zu galvanisierenden Leiter­ plattenmaterials durch negative Aufladung der Leiterplatte nie­ dergeschlagen.

Die positiven Metallionen, die Elektronen aufnehmen, werden als Kerne auf der Oberfläche der Leiterplatte niedergeschlagen. Diese Kerne werden in Abhängigkeit von der Form der Leiterplat­ te, der Stromdichte und der Konzentrationsverteilung der positi­ ven Metallionen, die in der Lösung gelöst sind, ungleichmäßig niedergeschlagen. Wenn die Kerne an einer Stelle auf der Ober­ fläche der Leiterplatte erzeugt werden, dann wächst Metall um den Kern mit einer Wachstumsgeschwindigkeit auf, die größer als die eines benachbarten Kernes ist. Diese Erscheinung zeigt sich, wenn mittels einer Röntgenstrahlenbeugungsanalyse die gleichmä­ ßige Kristallausrichtung der Galvanisierungsschicht betrachtet wird.

In einer derartigen Galvanisierungsstruktur bleiben Gase oder Poren zwischen den Kernen auf der Galvanisierungsschicht und können folglich korrodierende Ionen wie beispielsweise Chlo­ rionen (Cl^-) leicht durch die Poren in die Galvanisierungsschicht eintreten. Wenn in der Praxis ein Salzsprühtest auf einer Lei­ terplatte nach der Galvanisierung erfolgt, wobei die Leiterplat­ te aus einer Legierung 42, d. h. einer Nickel-Eisen-Legierung mit 42% Nickel besteht, dann kann eine Korrosion um die Bereiche mit Porenbildung auf der gesamten Oberfläche der Leiterplatte in­ nerhalb von zwei bis drei Stunden beobachtet werden. Eine der­ artige Korrosion erodiert die Oberfläche der Leiterplatte und verringert die elektrische Leitfähigkeit der Leiterplatte, was deren Eigenschaften extrem beeinträchtigt. Da Palladium, das ein leitendes Material ist, eine hohe Reaktivität hat, wird weiter­ hin durch Wasserstoffionen, die von der Galvanisierungslösung kommen, ein Sprödbruch verursacht, der die galvanisierte Ober­ fläche schwächt.

Um dieses Problem zu überwinden, soll durch die vorliegende Erfindung die Porenbildung so gering wie möglich gehalten wer­ den, indem schädliche Gasbestandteile über eine Wärmebehandlung und über eine Umstrukturierung der Kristallstruktur der Galvani­ sierungsschicht beseitigt werden.

Um das zu erreichen, wird durch die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Leiterplatte geschaffen, bei dem die Lei­ terplatte durch Überströmen galvanisiert wird, um darauf eine Galvanisierungsschicht zu bilden, und bei dem die galvanisierte Leiterplatte wärmebehandelt wird, um die Galvanisierungsschicht umzustrukturieren.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die galvanisierte Leiterplatte auf eine Tempera­ tur zwischen 450°C und 800°C für eine Zeitspanne zwischen 30 Sekunden und 160 Sekunden unter einer Gasatmosphäre erwärmt, die wenigstens ein Gas enthält, das aus der Gruppe Stickstoff, Was­ serstoff, Argon und Helium gewählt ist.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevor­ zugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.

Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver­ fahren zum Herstellen einer Leiterplatte wird ein Schichtmateri­ al aus einer Legierung 42 wie beim herkömmlichen Verfahren vor­ zugsweise geprägt oder geätzt. Dann erfolgt eine Galvanisierung durch Überströmen auf der Leiterplatte unter Verwendung von Palladium oder einer Palladiumlegierung, um die elektrische Ver­ bindung der Leiterplatte mit einer äußeren Energiequelle zu erleichtern. Die galvanisierte Leiterplatte wird dann wärmebe­ handelt. Diese Wärmebehandlung ist einer der entscheidenden Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Wenn im allgemeinen ein Metall auf eine Temperatur erwärmt wird, die eine bestimmte Temperatur überschreitet, werden die Poren im Metall entleert und läuft ein Materialerholungsprozeß ab. Diese Erscheinung wird als Umstrukturierung der Kristalle bezeichnet. In ähnlicher Weise werden die Poren, die in der Galvanisierungsschicht der durch Überströmen galvanisierten Leiterplatte gebildet werden, bei dem vorliegenden Ausführungs­ beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in ihrer Anzahl über eine eine Umstrukturierung einschließende Wärmebehandlung erheb­ lich verringert. Die Umstrukturierungstemperatur eines Metalls liegt im allgemeinen bei dem 0,3- bis 0,6-fachen des Schmelz­ punktes des Metalls. Bei Nickel liegt der Schmelzpunkt bei­ spielsweise bei 1455°C, so daß dessen Umstrukturierungstempera­ tur im Bereich von 245°C bis 764°C liegt.

Die Wärmebehandlung bei dem vorliegenden Ausführungsbei­ spiel schließt eine Erwärmung der galvanisierten Leiterplatte in einem Wärmebehandlungsofen über eine bestimmte Zeitdauer bei einer Temperatur, die ausreicht, um die Umstrukturierung zu bewirken, das Abkühlen der erwärmten Leiterplatte und das Her­ ausnehmen der wärmebehandelten Leiterplatte aus dem Ofen ein. Das Leiterplattenmaterial beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist im allgemeinen zur Erleichtung der Massenproduktion auf eine Rolle aufgewickelt. Die Leiterplatte wird vorzugsweise dem Ofen mit einer konstanten Geschwindigkeit zugeführt, wobei die Wärme­ behandlungszeit dadurch gesteuert wird, daß die Zuführungsge­ schwindigkeit geändert wird.

Um eine Oxidation der Galvanisierungsschicht auf der Lei­ terplatte während der Wärmebehandlung zu verhindern, die bei einer höheren Atmosphärentemperatur durch eine Bindung mit dem Sauerstoff in der Luft auftritt, werden Stickstoff, Wasserstoff, Argon und/oder Helium vorzugsweise in den Wärmebehandlungsofen eingeblasen. Im Abkühlungsschritt können das Kühlmittel und die Kühlgeschwindigkeit in passender Weise bezüglich der Festigkeit der umstrukturierten Leiterplatte eingestellt werden.

Um die Anzahl der Poren, die in einer wärmebehandelten, d. h. einer umstrukturierten Leiterplatte gebildet sind, mit der Anzahl von Poren in einer unbehandelten Leiterplatte zu verglei­ chen, wurden zwei Gruppen von Probenstücken 1A bis 1D und 2A bis 2D aus einem 0,203 mm dicken Material aus Legierung 42 herge­ stellt. Anschließend erfolgte eine Wärmebehandlung zur Umstruk­ turierung und wurde ein Salzbadtest an jedem Probestück ausge­ führt. Während des Salzbadtestes wurde jedes Probestück in eine 5 Gew.-%ige wäßrige Salzlösung bei 20°C über 96 Stunden einge­ taucht, woraufhin die Anzahl der korrodierten Bereiche in einem galvanisierten Teil des Probestückes mit einer Größe von 15 × 25 mm² gemessen wurde. Es wurde davon ausgegangen, daß die Anzahl der korrodierten Bereiche direkt proportional zur Anzahl der Poren ist.

Nach einer herkömmlichen Entfettung und Aktivierung wurden die Probestücke durch Galvanisieren im Überstrom unter den fol­ genden Bedingungen hergestellt. Die Probestücke 1A bis 1D wurden mit Nickel in einer Stärke von etwa 1,5 µm unter Verwendung einer herkömmlichen Nickelgalvanisierungslösung galvanisiert, wie sie beispielsweise unter der Bezeichnung SOFNAL auf dem Markt er­ hältlich ist, und anschließend mit Palladium in einer Stärke von 0,2 µm unter Verwendung einer herkömmlichen Palladiumlösung gal­ vanisiert, die beispielsweise unter der Bezeichnung ALPADIN-100 auf dem Markt erhältlich ist. Die Probestücke 1B, 1C und 1D wurden dann bei Temperaturen von 450°C (Probestück 1B), 600°C (Probestück 1C) und 800°C (Probestück 1D) jeweils 90 Sekunden lang wärmebehandelt. Das Probestück 1A ist eine Vergleichsprobe ohne Wärmebehandlung.

Die Probestücke 2A bis 2D wurden mit Nickel in einer Stärke von etwa 1,5 µm unter Verwendung der Nickelgalvanisierungslösung galvanisiert, die beispielsweise auf dem Markt unter der Be­ zeichnung SOFNAL erhältlich ist, und dann mit einer Palladiumle­ gierung (Pd-Au) in einer Stärke von etwa 0,2 µm unter Verwendung einer Palladiumlegierungslösung galvanisiert, die beispielsweise unter der Bezeichnung PALLAGOLD auf dem Markt erhältlich ist. Die Probestücke 2B, 2C und 2D wurden anschließend bei Temperatu­ ren von 450°C (Probestück 2B), 600°C (Probestück 2C) und 800°C (Probestück 2D) jeweils 90 Sekunden lang wärmebehandelt. Das Probestück 2A ist eine Vergleichsprobe ohne Wärmebehandlung. Die folgenden Tabellen 1 und 2 zeigen die Meßdaten für jedes Probe­ stück.

Tabelle 1

Tabelle 2

Die Anzahl der korrodierten Bereiche ist merklich geringer bei den wärmebehandelten Probestücken 1B bis 1D und 2B bis 2D im Vergleich mit den unbehandelten Probestücken 1A und 2A. Aus den obigen Tabellen ergibt sich, daß die Wärmebehandlungstemperatur zwischen 450°C und 800°C bei einer Behandlungsdauer von 90 Se­ kunden bevorzugt ist. Die Wärmebehandlungsdauer kann vorzugs­ weise im Bereich von 30 Sekunden bis 160 Sekunden liegen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch eine Umstruktu­ rierung der durch Überströmen galvanisierten Leiterplatte mit­ tels einer Wärmebehandlung wirksam die Anzahl der in der Galva­ nisierungsschicht der Leiterplatte gebildeten Poren herabge­ setzt, was die Anzahl an korrodierten Bereichen stark verringert. Gasanteile, die die Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen, wie beispielsweise Wasserstoff, der aus der Galvanisierungslösung während der Galvanisierung kommt, werden gleichfalls entfernt. Die elektrische Leitfähigkeit der Leiterplatte ist weiterhin verbessert, da die Korrosionsbeständigkeit erhöht ist. Durch die Wärmebehandlung wird weiterhin die Dehnbarkeit der Leiterplatte verbessert, wodurch das Auftreten von Rissen in den gebogenen Bereichen der Leiterplatte so gering wie möglich gehalten wird.

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen einer Leiterplatte, bei dem die Leiterplatte im Überstrom galvanisiert wird, um darauf eine Galvanisierungsschicht zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß, die galvanisierte Leiterplatte bei einer bestimmten Tempe­ ratur wärmebehandelt wird, um die Galvanisierungsschicht umzu­ strukturieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Temperatur zwischen 450°C und 800°C liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung das Erwärmen der galvanisierten Leiterplatte unter einer Gasatmosphäre einschließt, die wenigstens ein Gas enthält, das aus Stickstoff, Wasserstoff, Argon und Helium ge­ wählt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung ein Erwärmen der galvanisierten Leiterplatte für eine bestimmte Zeitdauer einschließt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Zeitdauer zwischen 30 Sekunden und 160 Sekunden liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Zeitdauer bei etwa 90 Sekunden liegt.