DE2159612A1

DE2159612A1 - Verfahren zum stromlosen Metall plattieren nichtleitender Korper

Info

Publication number: DE2159612A1
Application number: DE19712159612
Authority: DE
Inventors: Glenn Van Ness Vestal NY Elmore (VStA)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1970-12-07
Filing date: 1971-12-01
Publication date: 1972-08-10
Also published as: US3690921A; FR2116376A1; FR2116376B1; GB1302674A

Description

Böblingen, 30. November 19 71 ru-bue/fr

Anmelderini International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin. Docket EN 9 70,030

Verfahren zum stromlosen Metallplattieren nichtleitender Körper

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stromlosen Metallplattieren nichtleitender Körper, insbesondere von Schaltkarten für elektronische Geräte, unter Anwendung von Sensibilisierungs- und Aktivierungsverfahren.

Prinzipiell sind drei Verfahren bekannt, um Metall auf nichtmetallische poröse oder nichtporöse Unterlagen bzw. Glas aufzubringen. Einmal ist es möglich, die Metalle mechanisch durch Plattierung bzw. durch Aufsprühen oder Aufdampfen aufzubringen. Diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß die aufgebrachten Schichten sehr große Dickenunterschiede aufweisen und daß die Haftfähigkeit auf der Unterlage sehr klein ist, so daß sogar Unterbrechungen der Leiterzüge auf Schaltkarten möglich sind, wobei zu beachten ist, daß die Leiterzüge von Schaltungsplättchen für rnikrominiaturisierte Schaltkreise nur eine Breite von 100 u und kleiner haben. Eine homogene Dicke über das ganze Plättchen ist deshalb von so großer Bedeutung, weil der Widerstand der einzelnen Leiterzüge des Plättchens konstant und sehr klein sein soll, um möglichst wenig elektrische Verluste zu haben.

Außerdem ist es bekannt, Metalle, wie z.B. Kupfer und Gold, mit Hilfe der Galvanotechnik auf nichtmetallische Unterlagen aufzubringen. Auch sind die hierzu erforderlichen Vorriciitungen

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bekannt. Diese Verfahren und Vorrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß die nichtmetallischen Unterlagen mit viel Aufwand an Zeit und Material für den galvanischen Prozeß vorbereitet werden müssen. Damit eine einwandfreie Haftung des Goldes bzw. des Metalles auf der nichtmetallischen Unterlage erreicht wird, müssen vor dem eigentlichen Metallisierungsprozeß in mehreren Prozessen verschiedene metallische Zwiscnenschichten auf chemischem oder galvanischem Wege auf das Grundmaterial aufgebracht werden. Dadurch wird dieses gesamte Verfahren sehr teuer und zeitaufwendig. Außerdem haben diese bekannten Verfahren den Nachteil, daß sie zur Herstellung von mehrschichtigen Leiterzügen auf nichtmetallischen Unterlagen ungeeignet sind, da die Leiterzüge durch Ätzen mittels Königswasser hergestellt werden müssen.

Außerdem ist es bekannt, Kupfer oder Silber mit Hilfe chemischer Verfahren auf nichtleitende poröse Körper oder Unterlagen aufzubringen. Dabei wird der zu versilbernde bzw. verkupfernde Körper vor dem eigentlichen Metallisierungsprozeß sensibilisiert und aktiviert sowie gegebenenfalls noch mit einer anderen metallhaltigen Zwischenschicht versehen. Dieses Verfahren ist jedoch sehr umständlich und hat auch zur Folge, daß die Haftungsfähigkeit auf der nichtelektrischen Unterlage äußerst gering ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein stromloses Metallplattierungsverfahren anzugeben, das einmal eine sehr große Haftfähigkeit der aufgebrachten Schicht auf der Unterlage ermöglicht und zum anderen eine homogene und gleichmäßig starke Schicht ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Keramikträger nach dem Reinigen in eine konzentrierte alkalische Metallhydroxydlösung eingetaucht und erwärmt wird, um das Wasser aus dieser Lösung zu entfernen und das feste alkalische Metallhydroxyd auf der Überfläche des Keramikträgers niederzuschlagen, wonach der Keramikträger auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des niedergeschlagenen alkalischen Metallhydroxyds so lange erwärmt

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wird, bis das geschmolzene alkalische Metallhydroxyd die Oberfläche des Keramikträgers und gegebenenfalls eines Binders verändert, daß danach der Keramikträger gekühlt und gespült und das alkalische Metallhydroxyd neutralisiert wird, wonach er in ein Metallisierungsbad zum stromlosen Plattieren gebracht wird.

Wie sich gezeigt hat, hat ein auf diese Art und Weise aufgebrachtes Metall auf einer nichtelektrischen Unterlage eine äußerst große Haftfähigkeit, die mit den bisherigen Verfahren nicht erreicht wurde.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Nach konventionellen Verfahren zur stromlosen Kupferplattierung wird ein Substrat in geeigneter Weise in einer wässrigen Alkalilösung gereinigt. Das gereinigte Substrat kann in einer Vielzahl von Lösungen sensitiviert werden. Eine Sensitxvierungslösung besteht aus einer wässrigen Zusammensetzung mit einem Gehalt von 160 bis 165 g Zinnchlorid Dihydrat, 170 bis 175 cm Salzsäure als Reagenz und 3,78 Liter destilliertes Wasser. Die Sensitivierungslösung soll auf einer Temperatur von 20 bis 30 ⁰C gehalten werden. Das Substrat wird 5 bis 7 Minuten lang in diese Lösung eingetaucht. Substrate können auch durch Eintauchen in eine der folgenden Lösungen sensitiviert werden: eine wässrige Salzsäurelösung von Titaniumtrichlorid; eine wässrige Ammonium-Hydroxydlösung von Silbernitrat; eine wässrige Lösung von Hydrochinon und Äthanol; eine wässrige Lösung von Zinnfluoroborat und freier Fluoro-Borsäure.

Nach der Sensibilisierung wird das Substrat in Wasser gespült und in eine Aktivierungslösung getaucht, um einen Film eines sich ablagernden Metalles auf dem Substrat niederzuschlagen. Die vorgesogenen Aktivierungslösungen schlagen entweder Gold, Silber oder Pallstii-im nieder. Eine Aktivierungs lösung wird hergestellt, indem man 0_:2 bis 2 g PdCl₉.2HO, gelöst in destilliertem Wasser, Lr, Λ0 bis ."^?;C cm" honzentrierte Salzsäure als Reagenz gibt. Die-

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se Lösung wird auf einer Temperatur von 20 bis 30 C gehalten und das Substrat wird 2 bis 4 Minuten lang in diese Lösung getaucht.

Danach wird das Substrat in ein Plattierungsbad getaucht, welches z. B. eine wässrige Lösung eines Kupfersalzes und eine alkalischen Metallhydroxydes unter Anwesenheit von Salzen wie Kaliumnatriumtartrat und/oder Natriumcarbonat enthält. Das Substrat wird so lange eingetaucht, bis sich ein leitender Überzug bildet.

Die vorliegende Erfindung kann unter Verwendung eines konventionellen wässrigen Bades zur stromlosen Plattierung durchgeführt werden, z. B. in einem Nickel- oder Kupferbad. Anschließend wird ein Beispiel für ein geeignetes Kupferplattierungsbad gegeben.

Bestandteil

Untergrenze

Obergrenze

Kupfersulfatpentahydrat

Formaldehyd (37%)

Nickelchloridhexahydrat

Natriumhydroxyd

Kaliumnatriumtratrate

Natriumcarbonat

165 g/3,78 Liter 175 g/3,78 Liter

ml/3,78 Liter 1900 ml/3,78 Liter

63 g/3,78 Liter 72 g/3,78 Liter

152 g/3,78 Liter 162 g/3,78 Liter

695 g/3,78 Liter 710 g/3,78 Liter

68 g/3,78 Liter

77 g/3,78 Liter

Ein typisches Nickelbad zur stromlosen Plattierung hat folgende Zusammensetzung:

2 NiCo₃.3 Ni(OH)₂ 4H₂O HF (als 50 % HF) Zitronensäure

10 g/l
6 ml/1
5,5 g/l

Docket EN 97C

3 3/0.9 81

NH₄HF₂ IO g/l

NaH₂PO₃.H₂O 20 g/l

NH.OH 30 ml/1 4

ph 4,5 - 6,8

Temperatur 75-85 ⁰C

Die Al₃O₃ Keramiksubstrate, die in dieser Erfindung verwendet werden, werden durch Standardtechniken vorbereitet. Ein Binder aus Glas und Al₂O₃-Pulver wird zum Beispiel mit einem organisehen Binder gemischt und zu Tafeln ausgewalzt. Die Tafeln werden soweit erwärmt, daß der organische Binder verbrennt und dann weitererhitzt, um die Glaskomponente zu schmelzen und dann wird das resultierende gesinterte Substrat abgekühlt. Andere reine Al₂O₃-Substrate werden durch Sinterung von Al₃O₃ selbst hergestellt. Das Verfahren der Erfindung kann wie folgt ausgeführt werden:

Ein rechteckiges Substrat aus gesintertem Al O₃ wird durch Eintauchen in eine alkalische Lösung gereinigt. Die Lösung wird auf etwa 60 ⁰C erwärmt und das Substrat darin etwa zwei Minuten gelassen. Das Substrat wird in Wasser abgespült und dann eine Minute lang in eine konzentrierte Lösung von Natriumhydroxyd getaucht, welches etwa 50 g NaOH pro 100 ml Wasser enthält. Nach Entfernen des Substrates aus dieser Lösung wird es etwa fünf Minuten lang auf rund 170 ⁰C erwärmt, um das Wasser zu entfernen und dadurch einen überzug von NaOH auf der Oberfläche des Substrates niederzuschlagen. Das mit NaOH überzogene Substrat wird dann etwa 10 -15 Minuten lang ausreichend, d. h. auf eine Temperatur von 318 bis 1000 ⁰C erwärmt, um das NaOH auf der Substratoberfläche zu schmelzen. Die optimale Erwärmungstemperatur liegt bei etwa 450 bis 500 ⁰C. Nach der Abkühlung auf Raumtemperatur wird das Substrat mit seinem überzug aus festem NaOH in Wasser gespült, um das meiste NaOH zu entfernen und hinterher wird das Substrat etwa zwei Minuten lang in einer

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verdünnnten Säure wie z. B. einer 20 %igen Lösung von HCl, ^H ₂ ^SO4 oder HNO- gespült. Schließlich wird das Subst Wasser unter Ultraschallbehandlung abgespült.

oder HNO- gespült. Schließlich wird das Substrat sorgfältig in *

Das so behandelte Substrat aus Aluminiumoxyd wird sensitiviert, aktiviert und etwa 20 Minuten lang in ein konventionelles Bad zur stromlosen Kupferplattierung gesetzt, wie es oben beschrieben wurde. Es wurde festgestellt, daß ein gut haftender Kupferüberzug von ungefähr 0,0001 mm Dicke auf dem Aluminiumoxyd niedergeschlagen wurde. Dann wird das so behandelte Substrat in ein elektrolytisches Plattierungsbad getaucht und wodurch elektrolytisch eine Kupferschicht niedergeschlagen wird.

Das gereinigte Substrat wird abwechselnd direkt in das geschmolzene alkalische Metallsalz eingetaucht. Das alkalische Metallsalz wird in einem Behälter zwischen 318 und 1000 ⁰C, vorzugsweise zwischen 450 und 500 ⁰C erhitzt und das Substrat für etwa 10 bis 15 Minuten darin eingetaucht. Bei diesem direkten Eintauchen werden die oben beschriebenen Schritte der Erwärmung zum Niederschlag des alkalischen Metallhydroxydüberzuges auf dem Substrat und das anschließende Schmelzen dieses Überzuges vermieden.

Abweichend von obiger Beschreibung können natürlich auch andere alkalische Metallhydroxyde verwendet werden wie z. B. LiOH oder KaOH. Weiterhin abweichend von obigem Beispiel können für das Keramiksubstrat auch andere keramische Materialien wie Zircon, Beryllium und Steatite bzw. Silicate, Glaskeramikmaterialien verwendet und genauso behandelt werden. Anstatt die Substrate fünf Minuten lang auf 170 ⁰C zu erwärmen, um das Wasser zu entfernen und dadurch das alkalische Metallhydroxyd auf der Oberfläche niederzuschlagen, kann man auch andere Temperaturen und Erwärmungszeiten wählen.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum stromlosen Metallplattieren nichtleitender Körper, insbesondere von keramischen Trägermaterialien für monolithische Schaltkreise, unter Anwendung von bekannten Sensibilisierungs- und Aktivierungsverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikträger nach dem Reinigen in eine konzentrierte alkalische Metallhydroxydlösung eingetaucht und erwärmt wird, um das Wasser aus dieser Lösung zu entfernen und das feste alkalische Metallhydroxyd auf der Oberfläche des Keramikträgers niederzuschlagen, wonach der Keramikträger auf eine ■l'emperatur oberhalb des Schmelzpunktes des niedergeschlagenen alkalischen Metallhydroxyds so lange erwärmt wird, bis das geschmolzene alkalische Metallhydroxyd die Oberfläche des Keramikträgers und gegebenenfalls eines Binders verändert, daß danach der Keramikträger gekühlt und gespült und das alkalische Metallhydroxyd neutralisiert wird, wonach er in ein Metallisierungsbad zum stromlosen Plattieren gebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die alkalische Metallhydroxydlösung aus in 100 ml Wasser gelösten 50 g NaOH besteht.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit NaOH überzogene Substrat bzw. der überzogene Keramikträger ca. 15 Minuten auf eine Temperatur zwischen 318 und 1000 ⁰C erwärmt wird, um das NaOH auf der Keramikträgeroberfläche zu schmelzen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ο
liegt

der optimale Temperaturbereich zwischen 450 bis 500 °C
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch Docket en 970 O30 209833/Π981

zeichnet, daß das mit einem Überzug aus festem NaOH versehene Substrat bzw. der Keramikträger nach dem Spülen in Wasser noch zusätzlich etwa 2 Minuten in einer verdünnten Säure/ insbesondere einer 20%igen Salzsäure oder Schwefelsäure, gespült wird.

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