DE60200154T2

DE60200154T2 - Metallischer Gegenstand mit mehrlagigem Belag

Info

Publication number: DE60200154T2
Application number: DE60200154T
Authority: DE
Inventors: Joseph Anthony Warren Abys; Chonglun Bridgewater Fan; Chen New Providence Xu; Yun Warren Zhang
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2002-04-10
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2022-04-11
Also published as: US20020185716A1; DE60200154D1; EP1257004B1; KR20020086286A; JP2003003292A; EP1257004A1

Description

Erfindungsgebiet
Diese Erfindung betrifft Metallartikel, die für Lötbarkeit und Korrosionsschutz beschichtet sind. Insbesondere betrifft sie einen Artikel mit einem Mehrschichtüberzug, der eine Schicht aus Zinn oder Zinnlegierung und eine Metallaußenschicht umfasst, um das Wachstum von Zinn-Whiskern zu hemmen. Der Oberflächenüberzug ist besonders nützlich für elektrische Anschlussstücke und Leitungsrahmen von integrierten Schaltkreisen.
Stand der Technik
Hochwertige Anschlussstücke gewinnen in vielen unterschiedlichen Produkten an Bedeutung, einschließlich Unterhaltungselektronik, Haushaltsgeräteanwendungen, Computern, Kraftfahrzeugen, Telekommunikation, Robotern und Militärausrüstung. Anschlussstücke liefern die Wege, über die elektrischer Strom von einem Bauelement zum nächsten fließt. Hochwertige Anschlussstücke sollten in hohem Maße leitfähig, korrosionsbeständig, verschleißbeständig, leicht durch Lot zu verbinden und preisgünstig sein.
Leider hat kein Einzelmaterial alle erwünschten Eigenschaften. Kupfer und viele seiner Legierungen sind in hohem Maße leitfähig, unterliegen in typischen Umgebungen jedoch der Korrosion, wodurch reaktive Oxide und Sulfide erzeugt werden. Die reaktiven Korrosionsprodukte verringern die Leitfähigkeit der Anschlussstücke und die Zuverlässigkeit der Zwischenverbindung. Die Korrosionsprodukte stören auch die Bildung und Zuverlässigkeit von Lötbindungen und können zu anderen elektronischen Komponenten migrieren, die sie nachteilig beeinflussen.
Dünne Zinnschichten sind auf Kupferoberflächen aufgetragen worden, um Korrosionsbeständigkeit und Lötbarkeit zu liefern. Zinn lässt sich leicht auftragen, ist ungiftig, liefert Korrosionsschutz und hat eine hervorragende Lötbarkeit. Leider unterliegen Zinnbeschichtungen spontanem Wachstum von Metallfilamenten, die als Zinn-"Whisker" bezeichnet werden. Diese Whisker haben sich als eine Ursache für Kurzschlussversagen in Niederspannungsgeräten erwiesen. Zudem können sich Whisker-Fragmente lösen und in Bauelementpackungen ansammeln, was zu Kurzschlüssen an Stellen führt, die von ihrer Quelle entfernt sind, und der elektromechanische Betrieb kann gestört werden. Daher wäre es vorteilhaft, Metallartikel mit Whisker-freien Zinnbeschichtungen zu versehen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Metallsubstrat mit einem Mehrschichtüberzug beschichtet, der eine Schicht aus Zinn oder Zinnlegierung und eine äußere Metallschicht umfasst. Eine optionale Metallunterschicht kann zwischen dem Substrat und dem Zinn angeordnet werden. In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das Metallsubstrat Kupferlegierung, die mit einer Nickelunterschicht, einer Schicht aus Zinn und einer äußeren Metallschicht aus Palladium beschichtet ist. Die resultierende Struktur ist besonders brauchbar als elektrisches Anschlussstück oder Leitungsrahmen.
Kurzdarstellung der Zeichnungen
Die Vorteile, die Natur und verschiedene zusätzliche Merkmale der Erfindung werden nach Betrachtung der beispielhaften Ausführungsformen deutlicher, die nun im Detail im Zusammenhang mit den angefügten Zeichnungen beschrieben werden:
1 ist ein schematischer Querschnitt eines erfindungsgemäß beschichteten Metallartikels;
2 ist ein Blockdiagramm, das die Schritte zeigt, die an der Herstellung des beschichteten Metallartikels von 1 beteiligt sind;
3 zeigt ein Substrat zur Herstellung eines elektrischen Anschlussstücks unter Verwendung des Verfahrens von 2;
4A und 4B sind Fotografien, die die Erfindung mit einem herkömmlich beschichteten Artikel vergleichen; und
5 zeigt ein Substrat zur Herstellung eines Leitungsrahmens eines integrierten Schaltkreises.
Es sei darauf hingewiesen, dass diese Zeichnungen der Illustration der erfindungsgemäßen Konzepte dienen und nicht maßstabgerecht sind.
Detaillierte Beschreibung
1 ist ein schematischer Querschnitt eines Metallsubstrats 10, das mit einem Mehrschichtüberzug 11 beschichtet ist, einschließlich einer optionalen Metallunterschicht 12, einer Zwischenschicht 13 aus Zinn oder einer Zinnlegierung, die Whisker-Bildung unterliegt, und einer äußeren Metallschicht 14 aus Metall zur Hemmung der Whisker-Bildung in aufsteigender Reihenfolge von dem Substrat. Das Metallsubstrat ist in der Regel ein leitfähiges Metall, wie Kupfer, Kupferlegierung, Eisen oder Eisenlegierung, die in typischen Umgebungen der Korrosion unterliegen. Die optionale Unterschicht ist vorteilhaft ein Metall mit niedriger Porosität wie Nickel, Nickellegierung, Kobalt oder Kobaltlegierung. Es ist vorzugsweise eine amorphe Legierung. Nickel-Phosphor-Legierung mit Phosphor ≥ etwa 10 Gew.-% ist befriedigend für Substrate, die Kupfer oder Eisen umfassen. Nickel-Phosphor-Wolfram oder Kobalt-Phosphor können auch verwendet werden. Die Zwischenschicht 13 ist Zinn oder eine Zinnlegierung, die Whisker-Wachstum unterliegt, wie Zinn-Kupfer, Zinn-Wismut, Zinn-Silber, Zinn-Nickel, Zinn-Zink oder Zinn-Kupfer-Silber. Die äußere Schicht (oder Schichten) 14 ist bzw. sind aus Metall oder Legierung, das bzw. die die Whisker-Bildung hemmt. Es kann Palladium, Rhodium, Ruthenium, Platin, Kupfer, Silber, Iridium, Wismut oder eine Legierung aus einem oder mehreren dieser Metalle sein. Die optionale Unterschicht 12 kann eine Dicke im Bereich von etwa 0 bis 10 μm haben. Die Zinnschicht 13 hat in der Regel eine Dicke von etwa 0,5 bis 10 μm, und die äußere Metallschicht 14 ist vorzugsweise etwa 5 bis 10 000 Å.
Die Erfindung wird durch Betrachtung der folgenden spezifischen Beispiele näher erläutert, die die erfindungsgemäße Fertigung beschichteter Metallartikel beschreibt.
Beispiel 1
Elektrisches Anschlussstück
2 ist ein Blockdiagramm der Schritte zur Herstellung eines elektrischen Anschlussstücks aus beschichtetem Metall. Der erste Schritt, der in Block A gezeigt ist, ist die Bereitstellung eines Metallsubstrats. Das Substrat kann zu einer gewünschten Konfiguration geformt werden, wie durch Stanzen oder Ätzen eines Metallrohlings.
3 illustriert ein Substrat für ein elektrisches Anschlussstück 30 mit einem Anschlussstückkörper 31 und dazugehörigem Stift 32. Das Anschlussstück 31 und der Stift 32 sind aus Metall mit hoher Leitfähigkeit gefer tigt, wie Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung Nr. 725 (88,2 Gew.-% Cu, 9,5 Ni, 2,3 Sn; ASTM Spezifikation Nr. B122).
Der nächste Schritt, der optional ist, ist das Beschichten des leitfähigen Substrats 11 mit einer Metallunterschicht 12, wie amorphem Nickel-Phosphor. Die Unterschicht 12 kann eine Dicke von 0 bis etwa 5 μm haben. Es kann Ni-P mit einem P-Gehalt höher als etwa 10 Gew.-% galvanisch abgeschieden werden, um eine amorphe Struktur zu gewährleisten. Eine geeignete amorphe Ni-P-Schicht kann galvanisch unter Verwendung der folgenden Badzusammensetzung abgeschieden werden:
Der dritte Schritt, Block C, besteht in der Auftragung einer Schicht 13 aus Zinn oder Zinnlegierung. Die Schicht 13 sollte eine Dicke größer als etwa 0,5 μm haben und ist vorzugsweise etwa 7 μm. Eine geeignete Zinnschicht kann unter Verwendung des folgenden Bads galvanisch abgeschieden werden:
Der nächste Schritt, der in Block D gezeigt ist, besteht in der Auftragung der äußeren Metallschicht 14 über der Schicht 13. Es hat sich herausgestellt, dass durch die richtige Wahl der äußeren Metallschicht das Wachstum von Zinn-Whiskern gehemmt wird. Die äußere Metallschicht 14 ist aus einem Edelmetall (Palladium, Iridium, Rhodium, Ruthenium, Platin oder deren Legierungen wie Palladium-Nickel oder Palladium-Kobalt) zusammengesetzt. Sie kann auch Kupfer, Silber, Wismut oder deren Legierungen sein. Die äußere Schichtdicke liegt im Bereich von etwa 5 bis 10 000 Å. Eine geeignete Palladiumschicht kann aus der Palladiumgalvanisierlösung abgeschieden werden, die in US-A-4 911 799 , erteilt am 27. März 1990 an J. A. Abys et al. beschrieben ist, hier zitiert zum Zweck der Bezugnahme. Eine geeignete Palladium-Nickel-Legierung mit einem Nickelgehalt von vorzugsweise 10 bis 30 Gew.-% kann aus der in US-A-4 911 798 , erteilt am 27. März 1990 an J. A. Abys et al. beschriebenen Galvanisierlösung abgeschieden werden, hier zitiert zum Zweck der Bezugnahme. Eine geeignete Palladium-Nickel-Legierung kann wie in US-A-5 976 344 , erteilt am 2. November 1999 an J. A. Abys et al. beschrieben abgeschieden werden, hier zitiert zum Zweck der Bezugnahme. Das Metallisieren von Rhodium, Ruthenium und Platin ist in Metal Finishing (Guidebook and Directory Issue), Band 97, Nr. 1 (Januar 1999) beschrieben.
Um diesen neuen Überzug zu testen, wurde Kupfer mit unterschiedlichen Überzügen einschließlich Zinnschichten metallisiert und bei einer Temperatur von 50°C gealtert. Die gealterten Oberflächen wurden dann unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) mit hohen Vergrößerungen (bis zu 100 000-fach) auf Whisker untersucht. Es wurden in dem neuen Überzug nach zweimonatiger Alterung keine Whisker gefunden. Bei dem herkömmlichen Zinnüberzug ohne Deckbeschichtung wurden Whisker gefunden. 4A ist ein SEM-Bild des erfindungsgemäßen Überzugs nach zweimonatiger Alterung bei 50°C. Es sind keine Whisker vorhanden. 4B ist ein SEM eines herkömmlichen Zinnüberzugs ohne Deckbeschichtung. Es sind Whisker vorhanden.
Beispiel 2
Leitungsrahmen für einen integrierten Schaltkreis
Ein Leitungsrahmen für einen integrierten Schaltkreis kann auch nach dem in 2 illustrierten Verfahren hergestellt werden. Die einzigen Unterschiede bestehen darin, dass das Substrat anders ist und die Dicke der äußeren Beschichtung größer sein kann (z. B. 0,5 bis 15 μm) .
5 illustriert ein Substrat 50, das zur Konfiguration zur Verwendung als Leitungsrahmen für einen integrierten Schaltkreis (IC) gestaltet worden ist. Das Substrat 50 schließt einen Ausleger 52, auf dem das IC montiert werden soll, und die Zuleitungen 53 ein, an die das IC gebunden werden soll. Sperrschienen 54 verbinden die Leitungen vor dem Verpacken miteinander. Nachdem der integrierte Schaltkreis eingebunden und ein Verpackungsmedium über einem Bereich aufgebracht worden ist, der in Phantomlinien 55 gezeigt ist, werden die Sperrschienen 54 weggeschnitten.
Das Substrat des Leitungsrahmens kann eine Kupferlegierung sein, wie Legierung Nr. 151 (99,9 Gew.-% Cu, 0,1% Zr) oder Legierung Nr. 194 (97,5 Gew.-% Cu, 2,35% Fe, 0,03% P, 0,12% Zn). Andere leitfähige Metalle und Legierungen, wie Legierung Nr. 42 (42 Gew.-% Ni, 58% Fe) können auch verwendet werden.
Ein integrierter Schaltkreis 56 wird montiert und an das Substrat gebunden, und das Substrat wird nach dem in 2 illustrierten Verfahren beschichtet.

Claims

Beschichteter Metallartikel, der ein Metallsubstrat (10) umfasst, wobei über dem Substrat ein Mehrschichtoberflächenüberzug (11) liegt, der eine Schicht (13) aus Zinn oder Zinnlegierung und eine äußere Metallschicht (14) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Metallschicht ein Metall ausgewählt aus Palladium, Iridium, Rhodium, Ruthenium, Platin, Kupfer, Silber, Wismut oder einer Legierung davon umfasst.
Artikel nach Anspruch 1, der des Weiteren eine Unterschicht (12) aus Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Nickellegierung, Kobalt und Kobaltlegierung umfasst.
Artikel nach Anspruch 1, der des Weiteren eine Unterschicht umfasst, wobei die Unterschicht (12) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Nickel-Phosphor, Nickel-Phosphor-Wolfram und Kobalt-Phosphor.
Artikel nach Anspruch 1, bei dem das Metallsubstrat (10) ein Metall ausgewählt aus Kupfer, Kupferlegierung, Eisen, Eisenlegierung, Nickel oder Nickellegierung umfasst.
Artikel nach Anspruch 1, bei dem die Schicht (13) aus Zinn oder Zinnlegierung eine Dicke im Bereich von 0,5 bis 10 μm hat und die äußere Metallschicht (14) eine Dicke im Bereich von 5 bis 10 000 Å hat.
Elektrisches Anschlussstück (30), das einen beschichteten Metallartikel nach Anspruch 1 umfasst.
Leitungsrahmen für einen integrierten Schaltkreis, der einen beschichteten Metallartikel nach Anspruch 1 umfasst.