DE19850526C2

DE19850526C2 - Substrat mit metallischer Beschichtung und seine Verwendung

Info

Publication number: DE19850526C2
Application number: DE1998150526
Authority: DE
Inventors: Thomas Frey; Heinz Foerderer; Guenter Herklotz
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date: 1998-11-03
Filing date: 1998-11-03
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2018-11-04
Also published as: DE19850526A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Substrat mit metallischer Beschichtung und die Verwendung eines solchen Substrats.

In der Löttechnik werden im allgemeinen Blei enthaltende Lote bzw. mit Blei versehene Löt schichten von Substraten verwendet. Nachteilig bei der Verwendung von Blei ist dessen relativ hohe Toxizität.

Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt, daß bei galvanisch abgeschiedenen reinen Zinnschichten eine anschließende Whisker-Bildung mit den entsprechend aus dem Stand der Technik bekannten Nachteilen möglich ist, beispielsweise das kristallähnliche Herauswachsen aus der Oberfläche, das bei dicht aneinander liegenden Lötkontakten unter Umständen zu Kurzschlüssen in elektrischen Schaltungen führen kann.

DE 43 11 872 A1 offenbart u. a. oberflächig mit Palladium plattierte Leiterrahmen, die zwischen dem beispielsweise aus Kupfer bestehenden Grundkörper eine Nickel-Phosphor- oder eine Kupfer-Zinn-Schicht aufweisen. Diese sind zwar gut lötbar, weisen jedoch relativ hohe Benet zungszeiten sowohl vor als auch nach Auslagerung auf.

EP 0 132 596 A2 offenbart u. a. ein Substrat aus einer Nickel-Eisen-Legierung, das mit einer Beschichtung versehen ist, die aus einer Nickelschicht und einer darüberliegenden als äußere Oberfläche fungierende Schicht aus Gold, Silber oder Platin oder einer Legierung davon be steht. Nachteilig hierbei ist, daß für manche spezifische Anwendungen die Benetzungsge schwindigkeit zum Löten unter Umständen zu gering ausfallen kann.

Aus dem vorgenannten ergibt sich das Problem, mit Hilfe eines neuartigen Substrats und einer neuartigen Verwendung die oben genannten Nachteile zumindest teilweise zu beseitigen.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch ein Substrat nach Anspruch 1 und eine Verwen dung nach Anspruch 20 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen bleifreien Substrat ist es möglich, mit einer relativ hohen Benet zungsgeschwindigkeit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine erfindungsgemäße Vor richtung herzustellen, wobei die Benetzungsgeschwindigkeit beim erfindungsgemäßen Substrat überraschenderweise annähernd so hoch wie bei den konventionellen Zinn-Blei- Beschichtungen ist.

Zur Bestimmung der einzelnen Benetzungsgeschwindigkeiten werden die einzelnen Proben mit einer Lötwaage gemessen. Die Lötwaage ist mit einer ausreichend empfindlichen Kraftmeßein richtung ausgestattet, um die Grenzflächenkräfte zwischen dem geschmolzenen Lot und dem zu verlötenden Prüfling zu messen. Entscheidend für einen Lötvorgang sind die Qualität und die Geschwindigkeit, mit der ein zu verlötender Festkörper von einer flüssigen Lotlegierung unter gegebenen Bedingungen benetzt wird. Dazu wird ein Festkörper teilweise in eine Flüssigkeit eingetaucht und die Kräfte, die auf diesen Körper aufgrund der Reaktion mit der Flüssigkeit einwirken, werden gemessen.

Die resultierende Kraft aus den Vertikalkräften von Auftrieb und Benetzungskraft, die auf die eingetauchte Probe über eine bestimmte Zeit einwirkt, wird über einen Meßwandler gemessen und aufgezeichnet. Für die Auswertung relevant ist jeweils der Zeitpunkt, an dem die Benet zungskraft gleich groß der entgegengerichteten Auftriebskraft ist; daraus resultiert, daß die auf die Probe einwirkende resultierende Kraft gleich null ist. Dieser Zeitpunkt stellt ein direktes Maß für die Benetzungsgeschwindigkeit der jeweiligen Probe dar.

Erfindungswesentlich ist die Tatsache, daß überraschenderweise durch die Anwesenheit einer sich unter einer äußeren, Silber enthaltenden Schicht befindenden, Gold enthaltenden Schicht oder unter einer äußeren, Gold enhaltenden Schicht befindenden, Silber enthaltenden Schicht ein synergistischer Effekt dahingehend einstellt, daß die Benetzungsgeschwindigkeit im Ver gleich zu einer konventionellen auf einer Nickelzwischenschicht aufgebrachten Silber- oder Goldschicht spürbar ansteigt.

Weiterhin erfindungswesentlich ist die Tatsache, daß überraschenderweise durch die Anwe senheit einer zusätzlichen, sich zwischen der Nickel- oder Nickellegierungsschicht und der Gold bzw. Silber enthaltenden Schicht angeordneten Palladium- oder Palladiumlegierungsschicht inbesondere bei äußeren Gold-Schichtdicken ab ca. 0,3 µm, insbesondere bei 0,5 µm, ein sy nergistischer Effekt dahingehend einstellt, daß die Benetzungsgeschwindigkeit im Vergleich zu entsprechenden palladiumschichtfreien Beschichtungen spürbar ansteigt.

Besonders vorteilhaft hat es sich bewährt, wenn die Silber enthaltende Schicht eine Dicke von 0,01 bis 10,0 µm, insbesondere von 0,05 bis 5,0 µm, die Gold enthaltende Schicht und/oder die Palladium enthaltende Schicht eine Dicke von 0,01 bis 5,0 µm, insbesondere von 0,02 bis 2,0 µm, und die Nickel- oder Nickellegierungsschicht eine Dicke von 0,01 bis 10,0 µm, insbesonde re von 0,5 bis 5,0 µm, aufweist.

Weiterhin sind die folgenden Ausgestaltungen vorteilhaft, da sich diese in der Praxis bewährt haben.

Die Gold enthaltende Schicht besteht aus Gold. Die Silber enthaltende Schicht besteht aus Sil ber. Die Gold enthaltende Schicht ist eine Gold-Kobalt-, eine Gold-Nickel- oder eine Gold- Silber-Legierungsschicht. Die Gold-Kobalt-Legierungsschicht weist 0,01 bis 5,0 Gewichts-% Kobalt, die Gold-Nickel-Legierungsschicht 0,01 bis 5,0 Gewichts-% Nickel und die Gold-Silber- Legierungsschicht 5,0 bis 95,0 Gewichts-% Silber auf.

Schließlich ist es von Vorteil, wenn die äußere, Silber enthaltende Schicht mit einer Silber- Anlaufschutzschicht überzogen ist, um so ein Anlaufen, d. h. Oxidieren des Silbers, zu verhin dern.

Insbesondere ist die Silbersulfidbildung unerwünscht und wird beispielsweise durch Thiole wirk sam verhindert.

Bilden die Schichten die lötfähige Beschichtung eines Leiterrahmens, so besteht das Substrat vorzugsweise aus Kupfer, Kupfer-Legierungen, wie Cu-Fe und Cu-Be, Nickel oder Nickel- Legierungen, Eisen- oder Eisen-Legierungen, wie Ni-Fe.

Für den Einsatz des beschichteten Substrats als Leiterplatte mit lötfähiger Oberfläche werden für das Substrat Metall/Kunststoff-Verbundwerkstoffe verwendet, besonders mit Kupfer- Metallisierung versehene Polyimide und insbesondere glasfaserverstärkte Epoxydharze.

Die nachfolgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung.

Tabelle 1

Durchschnittliche Benetzungs-Zeit

Lötwaagenparameter

Lot: Sn/Pb 60/40, Lotbad
Temperatur: 240°C
Eintauchgeschwindigkeit: 5 mm/s
Eintauchtiefe: 5 mm
Flußmittel: FSW-31 (600 g Rein-Kolophonium in 1 l Isopropylalkohol) nicht aktivierend
Meßdauer: 5 Sekunden

Aus Tabelle 1 ist zu erkennen, daß die üblicherweise verwendeten Zinn-Blei-Beschichtungen eine relativ hohe Benetzungsgeschwindigkeit, also eine relativ geringe Benetzungszeit, aufwei sen.

Konventionelle Nickel-Silber- und Nickel-Gold-Beschichtungen weisen eine im Vergleich hierzu erheblich geringere Benetzungsgeschwindigkeit sowohl vor als auch nach 16-stündiger Ausla gerung bei einer Temperatur von T = +155°C auf.

Überraschenderweise weisen die erfindungsgemäßen Nickel-Gold-Silber- bzw. Nickel-Silber- Gold-Beschichtungen im Vergleich zu den konventionellen Beschichtungen erheblich geringere Benetzungszeiten und somit erheblich höhere Benetzungsgeschwindigkeiten auf. Dies gilt im ersten Fall sowohl vor als auch nach Auslagerung und im zweiten Fall lediglich nach Auslage rung.

Bei äußeren Gold-Schichten mit einer Schichtdicke von mindestens 0,3 µm, insbesondere von 0,5 µm, weisen die erfindungsgemäßen, die Palladium-Schicht enthaltenden Beschichtungen geringere Benetzungszeiten zumindest vor Auslagerung als entsprechende palladiumschicht freie Beschichtungen auf.

Claims

1. Substrat mit metallischer Beschichtung, die mindestens eine Nickel enthaltende Schicht und eine die Oberfläche der Beschichtung bildende, Silber oder Gold enthaltende Schicht umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß
die Beschichtung von außen nach innen besteht aus:
einer Silber enthaltenden Schicht;
einer Gold enthaltenden Schicht und
einer Nickel- oder Nickellegierungsschicht oder
einer Gold enthaltenden Schicht,
einer Silber enthaltenden Schicht und
einer Nickel- oder Nickellegierungsschicht oder
einer Silber enthaltenden Schicht,
einer Gold enthaltenden Schicht,
einer Palladium- oder Palladiumlegierungsschicht und
einer Nickel- oder Nickellegierungsschicht oder
einer Gold enthaltenden Schicht,
einer Silber enthaltenden Schicht,
einer Palladium- oder Palladiumlegierungsschicht und
einer Nickel- oder Nickellegierungsschicht.

2. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Silber enthaltende Schicht eine Dicke von 0,01 bis 10,0 µm aufweist.

3. Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Silber enthaltende Schicht eine Dicke von 0,05-5,0 µm aufweist.

4. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gold ent haltende Schicht und/oder die Palladium- oder Palladiumlegierungsschicht eine Dicke von 0,01-5,0 µm aufweist.

5. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gold ent haltende Schicht und/oder die Palladium- oder Palladiumlegierungsschicht eine Dicke von 0,02-2,0 µm aufweist.

6. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickel- oder Nickellegierungsschicht eine Dicke von 0,01-10 µm aufweist.

7. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickel- oder Nickellegierungsschicht eine Dicke von 0,5-5,0 µm aufweist.

8. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gold ent haltende Schicht eine Gold-Kobalt-Legierungsschicht ist.

9. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gold ent haltende Schicht eine Gold-Nickel-Legierungsschicht ist.

10. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gold ent haltende Schicht eine Gold-Silber-Legierungsschicht ist.

11. Substrat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gold-Kobalt- Legierungsschicht 0,01-5,0 Gewichts-% Kobalt aufweist.

12. Substrat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gold-Nickel- Legierungsschicht 0,01-5,0 Gewichts-% Nickel aufweist.

13. Substrat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gold-Silber- Legierungsschicht 5,0-95,0 Gewichts-% Silber aufweist.

14. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gold ent haltende Schicht aus Gold besteht.

15. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Silber enthaltende Schicht aus Silber besteht.

16. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere, Silber enthaltende Schicht mit einer Silber-Anlaufschutzschicht überzogen ist.

17. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Kupfer, Nickel, Eisen oder einer Legierung dieser Metalle besteht.

18. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem Metall/Kunststoff-Verbundwerkstoff besteht.

19. Substrat nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus mit einer Kupfer-Metallisierung versehenem Polyimid oder glasfaserverstärktem Epoxydharz be steht.

20. Verwendung eines Substrats nach einem der Ansprüche 1 bis 19 zum Auf-Löten von lötfähi gen Materialien.