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Aufbau von Metallschichten für Dünnschichtleiterbahnen.
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Die Erfindung betrifft elektrische Leiterbahnen auf, insbesondere
Halbleiterschaltungen tragenden Substraten, nämlich Leiterbahnen auf insbesondere
großintegrierte Kodierer-Dekodierbausteine von Fernsprech-Vermittlungssystemen tragenden
Al203-Substraten oder Glassubstraten.
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Diese Leiterbahnen werden später, bevorzugt durch Ätzen mittels Fotolackverfahren,
aus den aufgebauten Metallschichten hergestellt und bilden dann Bahnen von mehrschichtigen
Metallen. Diese Leiterbahnen sollen sich für spätere Verbindungen durch Löten, insbesondere
durch Tauchlöten Schwallöten und auch für Reflowlöten, eignen.
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Die Erfindung geht von dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen
Aufbau von Metallschichten aus, der in der älteren, nicht vorveröffentlichten DE-OS
30 29 277 angegeben ist. Die Leiterbahnen enthalten also eine Pd-Schicht über einem
isolierenden Substrat. Ein solcher Aufbau enthält, vgl. jene ältere DE-OS, insbesondere
bei tauchlötbaren und reflowlötbaren Leiterbahnen, von oben her beginnend, häufig
die im Vakuum aufgedampfte Schichtenfolge Pd mit z.B. 280 nm Dicke, Ti mit z.B.
50 nm Dicke und CrNi mit z.B. 30 nm Dicke bei 100 #/# Widerstand auf z.B. Al203-Substrat
oder Glassubstrat.
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Die Pd-Schicht wird dort von einer dünnen weiteren im Vakuum sofort
nach dem Aufdampfen der Pd-Schicht aufgedampften oder erst später galvanisch auf
der Pd-Schicht angebrachten Au-Schicht von z.B. 100 mm bedeckt, vor allem um die
Pd-Schicht beim späteren Tempern der CrNi-Schicht nicht zu stark in für Lötungen
sehr schädlicher Weise zu oxidieren sowie um mittels der Au-Schicht eine
gute
Haftgrundierung auf der Pd-Schicht für Lötmassen wie Sn zu bieten, wobei die Au-schicht
während des Lötens zumindest zu einem beachtlichen Teil weglegiert wird und die
Lötmasse dort unmittelbar auf der Pd-Schicht haftet. Die Pd-Schicht darf nicht zu
dünn sein, weil sie selbst während des Lötens langsam ablegiert wird, besonders
wenn ein mehrmaliges An- und Ablöten zulässig sein soll.
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Die unter der Au-Schicht liegende Pd-Schicht dient dort außer als
Kontaktmasse für Lötmassen beim Löten, zusätzlich zur Verhinderung, daß die sehr
beweglichen Au-Atome in noch tiefere Schichten, z.B. Ti und CrNi, eindiffundieren
und damit u.a. die Langzeiteigenschaften dieser noch tieferen Schichten ungünstig
beeinflussen.
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Hierbei kann einerseits die Ti-Schicht insbesondere als gute Haftschicht
zwischen Pd und CrNi dienen, sowie zum Schutz gegen zu starke Unterätzung der CrNi-Schicht
beim Wegätzen der außerhalb der Leiterbahnen liegenden Teile dieser CrNi-Schicht.
Andererseits kann die CrNi-Schicht bevorzugt unmittelbar auf dem Substrat angebracht
sein und bei Bedarf insbesondere zur Bildung von elektrischen Widerständen dienen,
indem unter dem Au-Pd-Ti der Leiterbahnen verbleibende CrNi-Reste, wegen der guten
Isolatoreigenschaften des Substrats, elektrisch weitgehend vernachlässigbar sind
und indem zwischen zwei Leiterbahnen verbleibende, nicht mit weggeätzte CrNi-Schichten
bei Bedarf den Widerstand zwischen diesen beiden Leiterbahnen bilden.
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Die Erfindung hat demnach ebenso wie der zitierte ältere Gegenstand
den Vorteil, - eine gute Haftung der Lötmassen beim späteren Verlöten der, insbesondere
durch Ätzen, aus den Metallschichten
gebildeten Leiterbahnen, -
eine Vermeidung von, durch Diffusion von Au-Atomen in noch tieferen Schichten, ausgelösten
Störungen, - eine lange Lagerfähigkeit der nicht verlöteten, noch rILdtgeformten
oder durch Ätzung bereits zu Leiterbahnen geformten Metallschichten auf dem Substrat,
- eine gute Haftung zwischen der zum Löten benötigten Pd-Schicht, z.B. mittels Ti-Schicht,
auf einer CrNi-Schicht, - d# bei hohen Stückzahlen, z.B. bei 100 000 Substraten
pro Jahr, sehr beachtliche Verringerung des Au-Materialaufwandesl - bei Bedarf sogar
mehrmalig wiederholtes Löten ohne Ablegieren der Pd-Schicht und - die Vermeidung
der starken Oxidation der Pd-Schicht besonders beim Tempern der unten angebrachten
CrNi-Schicht, zu ermöglichen.
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Der genannte ältere Gegenstand unterscheidet sich vom sonstigen, vergleichbaren
Stand der Technik, vgl. z.B.
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- Thin Solid Films 41 (1977)87 - 103 und - in beachtlichen Anzahlen
hergestellte, im EMS-Vermittlungssystem bisher benutzte Siemens-Bausteine, Typ S42026B6012,
bereits dadurch, daß in diesem Stande der Technik noch viel dickere Au-Schichten
mit entsprechend hohem Au-Verbrauch für nötig gehalten wurden, nämlich häufig z.B.
die Schichtenfolge:Au mit z.B. 600 nm Dicke, Pd mit z.B. 400 nm Dicke, Ti mit z.B.
50 nm Dicke, CrNi mit z.B. 100 Q/ Widerstand auf z.B. Al203-Substrat oder Glassubstrat,
oder z.B. die Schichtenfolge von Au mit z.B. 6000 nm Dicke, Pd mit z.B. 200 nm Dicke,
Ti mit z.B. 75 bis 200 nm Dicke.
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Bei der Entwicklung des älteren Gegenstandes wurde nämlich bereits
das allgemein bis dahin verbreitete Vorurteil der Fachwelt durchbrochen, für solche
gut lötbaren
Dünnschichtleiterbahnenfals Bedeckung der Pd-Schicht'Au-Schichten
von mindestens 600 nm verwenden zu müssen.
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Der ältere Gegenstand löste nämlich seine Aufgabe, Au daß#Cu#Schicht
einzusparen, dadurch, daBsAu-Schicht dünner als 500 nm gemacht wurde, nämlich bevorzugt
nur nach 50 bis 120 nm dick gemacht wurde.
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Au-Einsparungen sind überdies in Zukunft umso bedeutsamer, je mehr
generell auf dem Weltmarkt der Au-Bedarf bzw. die Au-Nachfrage steigt, und je mehr
leicht abbaubare Au-Vorräte der Welt zurückgehen, je mehr also die schon bisher
hohen Kosten für Au weiter steigen. Bei der Entwicklung des älteren Gegenstandes
hatten Versuche gezeigt, daß oft auch die Pd-Schicht dann dünner als bisher üblich
ohne Störung der Langzeiteigenschaften der noch tieferen Ti-CrNi-Schichten gemacht
werden konnte, wenn die Au-Schicht besonders dünn ist, z.B. 280 nm Pd bei zum Au,
statt 400 nm Pd bei 600 nm Au. Dadurch wurde zusätzlich der Pd-Materialverbrauch
erheblich verringert, was ebenfalls hohen Kostenverminderungen entspricht. Überdies
bildeten sich im Fotolack über der Au-Schicht umso weniger Versprödungen bzw. Risse
beim späteren Ätzen der Pd-Schicht - also beim späteren Herstellen der Leiterbahnen
aus den Metallschichten - je dünner die Pd-Schicht war, also je kürzer die Einwirkdauer
des das Pd lösenden Ätzmittels auf den Fotolack war. Risse im Fotolack bewirken
beim Ätzen Löcher und Unterbrechungen in Pd und Ti bzw.
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in den Leiterbahnen - also Ausschuß, wobei insbesondere beim Tauchlöten
Benetzungsschwierigkeiten bez. Sn entstehen. Die Au-Schicht,wenn auch nur noch dünn,
wurde aber in Hinblick auf die damit erreichte Haftung von Lötmasse bzw. Sn auf
Pd und besonders zur Vermeidung von starken Oxidationen des Pd beim anschließenden
Tempern, weiterhin für nötig gehalten.
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Die Erfindung stellt also, wie oben angegeben, eine Weiterentwicklung
des älteren Gegenstandes dar. Die Er-
findung hat zusätzlich den
Vorteil, 81 P ç 9 4 9 DE - eine weitere beachtliche Einsparung des Au-Aufwandes
und des damit verbundenen Zeit- und Hilfsmittel- und Geräteaufwandes, - eine Einsparung
des Zeit- und Zubehöraufwandes zur Anbringung irgendeiner Ersatzschicht, statt Au-Schicht1
auf der Pd-Schicht, - eine gute Benetzung mit der Lötmasse und damit gute Haftung
der späteren Lötverbindung, also eine gute Haftung zwischen dem Pd und der darüberliegenden
Lötmasse1 besonders z.B. aus 60 % Sn 36,5 °b Pb und 3,5 % Ag,selbst bei zweifachem
also mehrmaligen An- und Ablöten, - eine gute Zugfestigkeit bzw. Abreißfestigkeit
der Lötverbindung selbst nach monatelager Lagerung der Lötverbindung unter 1500C
in normaler Luft, trotz extremer Reduktion des Au-Aufwandes, und - eine gute Lagerfähigkeit
des fertigen Aufbaus der Metallschichten in normaler Luft ohne wesentliche Beeinträchtigung
der guten Löteigenschaften ~trotz extremer Reduktion des Au-Aufwandes zu bieten.
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Diese zusätzlichen Vorteile werden durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs
1 angegebenen Maßnahmen erreicht.
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Es zeigte sich nämlich überraschenderweise, daß auf die Anbringung
der Au-Schicht1 ohne wesentliche Einbuße der Löteigenschaften von Pd völlig verzichtet
werden kann, selbst wenn man die unges##ützte Pd-Schicht an normaler Luft lagert.
Die sich bei dieser Lagerung bildende dünne Palladiumoxid-Schicht. auf der Pd-Schicht
ist oft eher sogar nützlich als schädlich für die Löteigenschaften, weil die Ablegierungder
Pd-Schicht wegen der dünnen Palladiumoxid-Schich;b verzögert wird, wodurch trotz
besonders dünner Pd-Schicht von z.B. 280 nm Dicke sogar
ein mehrmaliges
An- und Ablöten zulässig ist. Diese dünne durch Lagerung entstehende Palladiumoxid~~
Schicht verhindert jedenfalls nicht das spätere Löten.
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Nur eine sehr dicke Palladiumoxtd-Söhicht , wie sie z.B.
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beim halbstündigen Tempern in 3500C heißer Luft bei Fehlen der Au-Schicht
entsteht, verunmöglicht ein späteres Löten. Die bisherige Annahme, man müsse eine
-Au-Schicht, sogar aus mehreren Gründensanbringen, erwies sich also als reines Vorurteil.
Dabei ist übrigens, falls eine Temperung,z.B. wegen einer unten angebrachten CrNi-Schicht'
nötig ist, diese Temperung bereits vor An--bringung der Pd-Schicht und vor Anbringung
der Ti-Schicht möglich, ohne die Haftung der Ti-Schicht auf der CrNi-Schicht wesentlich
zu beeinträchtigen. Tempert man also vor der Anbringung der Pd-Schicht, dann ist
die sich bei der Lagerung auf der Pd-Schicht bildende dünne Palladiumoxid-Schicht
jedenfalls kein Hinernis für eine noch spätere Lötung.
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Die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen haben zusätzliche Vorteile,
nämlich die Maßnahmen gemäß Anspruch 2, den Aufwand an Pd gering zu halten, 3, trotz
des besonders geringen Aufwandes an Pd, selbst bei langdauernder Erwärmung auf 15000
an Luft, noch immer eine hohe Abreißfestigkeit der Lötverbindung zwischen Pd und
der Lötmasse zu erhalten, sowie trotz des dann geringen Aufwandes an Pd noch immer
die weitgehend problenfreie Möglichkeit des mehrfachen An- und Ablötens zu erhalten,
4, eine bequeme Lagerfähigkeit an Luft vor der Verlötung zuzulassen, 5 und 6,eine
gute Haftung auf einer auf dem Substrat angebrachten Widerstandsschicht zu erreichen,
7, trotz längerer z.B. 30 Minuten dauernder Temperung an Luft z.B. bei ,50°C, keine
dicke schädliche Palladiumoxid-Schicht auf der Pd-Schicht zu erzeugen,
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unter Schonung des Fotolackes und der Pd-Schicht und Ti-Schichteine rasche Formung
der Leiterbahnen zu erreichen.
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Die Erfindung wird anhand der Figur näher erläutert.
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Diese Figur zeigt schematisch ein Beispiel für den erfindungsgemäßen
Aufbau der Metallschichten für Dünnschichtleiterbahnen in jenen Herstellungsstadium,
in welchem die Pd-Schicht Pd bereits angebracht ist und mit dem zur Formung der
Leiterbahnen dienenden Fotolack, hier von 1500 nm Dicke, bedeckt ist - also in einem
Herstellungsstadium, in welchem dieser Fotolack noch nicht wieder abgewaschen ist
und in welchem die Lötverbindung erst noch viel später hergestellt wird.
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Die Figur zeigt dementsprechend die Pd-Schicht Pd über dem isolierenden
Substrat S, das hier aus Al203 besteht.
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Eine Au-Schicht über der Pd-Schicht Pd fehlt ganz, indem die Pd-Schicht
Pd, also unbedeckt von einer Au-Schicht, unmittelbar vor dem Verlöten der Dünnfilmleiterbahn
und beim Verlöten derselben die oberte feste (nicht flüssige) Metallschicht ist.
Im gezeigten Beispiel sind auf dem Substrat S nacheinander angebracht: - eine CrNi-Schicht,
von 30 nm Dicke bei 100 Q pro (dimensionslosem) Quadrat (z.B. pro /um2), - eine
Ti-Schicht von 50 nm Dicke, - die Pd-Schicht, x,3 von 280 nm Dicke, und - zur Ätzung
bzw. Formung der Leiterbahnen eine schützende Fotolackschicht Lack von 1#5/u Dicke,
die für sich in bekannter Weise - bei den Metallen insbesondere durch Aufdampfen
oder durch Galvanisieren, beim Fotolack insbesondere durch Besprühen, Schleudern
und Belichten - angebracht werden können.
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Unter der Pd-Schicht sind hier im Beispiel zwar die Ti-Schicht Ti
sowie darunter die CrNi-Schicht CrNi als noch tiefere Schichten angebracht. Es sind
aber auch grundsätzlich andersartige tiefere Schichten möglich, welche die guten
Löteigenschaften der von Au unbedeckten Pd-Schicht Pd nicht beeinträchtigen.
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Die Pd-Schicht dient hier nicht,wie beim älteren Gegenstand, vor allem
zur Verhinderung, daß (hier nicht vorhandene) Au-Atome in noch tiefere Schichten,z.B.
Ti und CrNi, eindiffundieren und damit u.a. die Langzeiteigenschaften dieser noch
tieferen Schichten ungünstig beeinflussen;-obwohl geringe evtl. vorhandene Au-Spuren
auf der Pd-Oberfläche Pd auch bei der Erfindung daran gehindert werden, in die unter
der Pd-Schicht liegenden Schichten vorzudringen. Bei der Erfindung sind zwar auch
evtl. diese gezeigten oder noch andere tiefere Schichten häufig vorhanden. Die Pd-Schicht
Pd dient bei der Erfindung vor allem als jene Schicht, an der später die Lötmassen
haften werden. Hierbei kann also durchaus die Ti-Schicht Ti insbesondere als gute
Haftschicht zwischen der Pd-Schicht Pd und der CrNi-Schicht CrNi dienen, sowie zum
Schutz gegen Unterätzung der CrNi-Schicht beim Wegätzen der außerhalb der Leiterbahnen
liegenden Teile dieser CrNi-Schicht. Andererseits kann die CrNi-Schicht durchaus
unmittelbar auf dem Substrat angebracht sein und bei Bedarf insbesondere zur Bildung
von elektrischen Widerständen dienen, indem die unter dem Au-Pd-Ti der Leiterbahnen
verbleibenden CrNi-Reste, wegen der guten Isolatoreigenschaften des Substrats, elektrisch
weitgehend vernachlässigbar sind und indem die zwischen zwei Leiterbahnen verbleibenden,
nicht mit weggeätzten CrNi-Schichten bei Bedarf die Widerstände zwischen diesen
beiden Leiterbahnen bilden. Diese tieferen Schichten, falls überhaupt vorhanden,
können aber also auch aus anderen Elementen bzw. aus anderen chemischen Verbindungen
be-
stehen und eine andere Anzahl von Schichten aufweisen.
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Die Erfindung bietet eine gute Haftgrundl.age für das spätere Verlöten
der, insbesondere durch Ätzen, aus den Metallschichten gebildeten Leiterbahnen und
sie weist trotzdem bzw. vor allem eine überraschend lange Lagerfähigkeit der noch
nicht verlöteten,fertigen Metallschichten aL Luft auf1 obwohl die Au-Schicht fehlt.
Durch die Erfindung wird sogar im Vergleich zum älteren Gegenstand, erst recht im
Vergleich zum zitierten sonstigen Stand der Technik, eine hohe Einsparung an Au
erreicht, was bei hohen Stückzahlen, z.B. bei 100 000 Substraten pro Jahr, beachtliche
Mengen bzw. Werte erreicht. Dabei sind die Löteigenschaften der so gebildeten Leiterbahnen
beachtlich vor allem auch,weil bei Bedarf sogar mehrmalig wiederholtes An- und Ablöten
ohne Ablegieren der Pd-Schicht bei hoher Abreißfestigkeit der Lötverbindungen möglich
ist.
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Die Erfindung durchbricht daher das allgemein verbreitete Vorurteil
der Fachwelt, dazu mehr oder weniger dicke zusätzliche Au-Schichten verwenden zu
müssen. Die Erfindung löst nämlich ihre Aufgabe dadurch, daß die Au-Schicht einfach
weggelassen wird, und zwar ersatzlos weggelassen werden kann.
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Die Dicke der Pd-Schicht Pd bei der Erfindung sollte bevorzugt eine
Obergrenze nicht überschreiten und eine Untergrenze nicht unterschreiten.
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Die Obergrenze für die Dicke der Pd-Schicht Pd liegt normalerweise
bei 600 bis 700 nm Dicke. Wird diese Obergrenze überschritten, wird, im allgemeinen
völlig unnötig, zuviel Pd verbraucht, dessen Preis sehr hoch ist.
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Bei 600 nm Dicke kann mit relativ wenig Ausschuß sogar ein dreimaliges
und noch öfteres An- und Ablöten zugelassen werden.
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Die Untergrenze für die Dicke der Pd-Schicht Pd liegt normalerweise
bei 200 bis 250 nm. Bei dieser Dünne ist sogar mit immer noch relativ wenig Ausschuß
ein zweimaliges An- und Ablöten zulaßbar, bei kaum verringerter Abreißfestigkeit
der Lötverbindungen. Der Pd-Verbrauch ist zudem besonders gering. Die durch Lagerung
an Luft entstehende Palladiumowid-Schicht ist vergleichsweise so gering, daß die
Dicke der Pd-Schicht Pd durch diese schwache Oxidation nur unwesentlich verringert
wird;schädlich wäre nur eine starke Oxidation durch Tempern. Außerdem reicht in
vielen Fällen der ohmsche Leitwert der später geformten Leiterbahnen oft aus, selbst
wenn die Pd-Schicht so dünn gemacht wird - andernfalls könnte man dann bei Bedarf
auch eine größere Dicke der Pd-Schicht, z.B. 700 nm, wählen. Besonders vorteilhaft
sind Pd-Schichten von nur z.B. 250 nm Dicke, aber an sich auch noch von 600 bis
700 nm Dicke1 auch deshalb weil dann mit besonders wenig Ausschuß die Leiterbahnen
geätzt bzw. geformt werden können. Bei einer so dünnen Pd-Schicht Pd ist der Ätzprozeßschritt,
auch wegen des Fehlens der zusätzlichen Au-Schicht, relativ rasch beendet, demnach
dabei der Fotolack und auch die Ti--Schicht Ti von den Ätzmitteln noch nicht stark
angegriffen - eine der verschiedenen Hauptursachen für Ausschuß bei der Herstellung
von solchen Leiterbahnen beim Stand der Technik. Es bilden sich dann nämlich im
Fotolack Lack über der Pd-Schicht umso weniger Versprödungen bzw. Risse beim späteren
Ätzen der Pd-Schicht also beim späteren Herstellen der Leiterbahnen aus den Metallschichtens
je dünner die Pd-Schicht ist, also je kürzer die Einwirkdauer des das Pd lösenden
Ätzmittels auf den Fotolack ist.
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Risse im Fotolack verursachen beim Ätzen Löcher und Unterbrechungen
in insbesondere Pd und Ti, damit in den Leiterbahnen - also Ausschuß, wobei wegen
solcher Löcher und Unterbrechungen, insbesondere beim Tauchlöten Benetzungsschwierigkeiten
bez. der Sn-Legierungen bzw.
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ähnlicher Lötmassen entstehen.
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Der ältere Gegenstand und auch die vergleichbaren, im Stand der Technik
beschriebenen Gegenstände wurden dadurch hergestellt, daß nacheinander auf das Substrat
im Vakuum, ohne zwischendurch zu belüften, zuerst. die Schichten CrNi, dann Ti,
dann Pd aufgedampft wurden. Anschließend wurde die Schicht Au noch aufgedampft,
oder in Sonderfällen galvanisch angebracht~hierbei wurden die Leiterbahnen mittels
Lack, Licht und Atzmittel geformt.
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Schließlich wurde alles zB. bei 3500C eine halbe Stunde in einem Umluftofen
getempert. Danach wurden die Leiterbahnen, z.B. im Tauchbad, mit irgendeiner passenden
Lötmasse belötet.
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Bei der Erfindung wird das in der Fig. gezeigte Beispiel bevorzugt
dadurch hergestellt, daß zuerst auf das Substrat die CrNi-Schicht aufgedampft wird,
wonach diese Schicht dann im Umluftofen bei 3500C eine halbe Stunde getempert wird.
Dann werden im Vakuum die Schichten Ti und Pd aufgedampft, wonach die Leiterbahnen
sofort oder nach einer Lagerung mit Lack,Licht und Ätzmitteln geformt werSenDam
werden die Leiterbahnen, z.B. im Tauchbad, belötet. Auf diese Weise wird eine starke
Oxidation der Pd-Schicht durch Tempern sowie das Anbringen der Au-Schicht vermieden.
Für das Tempern empfiehlt es sich, den Umluftofen zur Aufnahme der Aufdampfkalotte
auszurüsten, damit die Kalotte nicht entladen werden muß.
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Denkbar ist auch eine Temperung in der Aufdampfanlage.
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Die optische Beurteilung im Mikroskop zeigt, daß die Pd-Schichten
der Leiterbahnen auch beim Tauchlöten gleich gut benetzt wurden wie Leiterbahnen
mit zusätzlichen Au-Schichten.
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Auch Reflow-Löten ist bei der Erfindung möglich.Muster wurden gleich
mehrmals an den gleichen Anschluß flecken
ein- und ausgelötet.
Nach dem zweiten Auslöten wurde an den Kanten der betreffenden Lötstellen eine unbedeutende
Ablegierung der Pd-Schichten festgestellt.
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In einem Abreißtest wurden Cu-Stifte aufgelötet und nach einer Lagerung
von 500 h bei sogar 150°C die Zugfestigkeit gemessen. Dabei ergaben sich ähnlich
gute Werte wie bei Pd-Schichten mit Au-Bedeckung, nämlich etwa 70 N/mn.
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8 Patentansprüche 1 Figur