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Die
vorliegende Erfindung betrifft elektrische Verbindungstechniken
und -strukturen und insbesondere eine geschichtete Oberflächenbehandlung,
um gemeinsam mehrere elektrische Verbindungstechniken zu tragen,
u.a. Drahtverbindung (wirebonding), Lötverbindung und abnutzungsbeständige mechanische
Verbindung.
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Eine
herkömmliche
gedruckte Schaltungseinheit, wie z.B. ein Flexkabel-Bauelement oder
eine gedruckte Leiterplatte weist Kontaktflächen für die Befestigung von oberflächenmontierten
Bauelementen und die Verbindung mit anderen Schaltungselementen
auf. Die Oberflächen
werden maskiert und die freiliegenden Kontaktflächen mit geeigneten Beschichtungen
für den
Befestigungsvorgang vorbereitet. Wo mehrere Befestigungstechniken
angewendet werden, da müssen
die vorbereitenden Beschichtungen der Kontaktflächen für das spezielle angewendete
Verbindungsverfahren geeignet sein.
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Verschiedene
Arten der Befestigung machen Kontaktflächenbeschichtungen mit unterschiedlichen physikalischen
Eigenschaften erforderlich. Bei der in diesem Dokument beschriebenen
Anwendung handelt es sich, als Beispiel für eine Einheit, bei welcher mehrere
Befestigungstechniken angewendet werden, um ein Flexkabel, welches
zusätzlich
dazu, dass es eine Verbindung zu dem Rest der Haupteinheit herstellt,
drahtverbundene Chips und einzelne Komponenten trägt. Das veranschaulichte
und beschriebene Flexkabel ist ein typisches Flexkabel, welches von
dem Positionierarmrotor eines Plattenlaufwerks getragen wird, eine
Verbindung zu den Anschlussdrähten
des Wandlerkopfes und zu der Elektronik der Haupteinheit herstellt
und ein Armelektronik(AE)-Modul und einzelne Komponenten trägt. Diese
Art von Flexkabel-Packung besitzt Montage- und Anschlusskontaktflächen, welche
vier verschiedene Arten von Verbindungserfordernissen unterstützen:
- 1. Chip-auf-Flex(COF)-Befestigungskontaktflächen für die Aluminiumdraht-Keilverbindung
(aluminum wire wedge bonding) des AE-Chips über direkte Chipverbindung
(DCA).
- 2. Kontaktflächen
für die
Befestigung passiver einzelner Oberflächenmontage(SMT)-Komponenten
durch Löten.
- 3. Kontaktflächen
für Steckverbindungskontakte eines
SMT-Kontaktfläche-auf-Kontaktfläche-Steckverbinders,
welche für
die Verbindung einer Kartenelektronik zum Flexkabel erforderlich sind.
- 4. Kopfanschluss-Kontaktflächen
für die
Befestigung eines goldplattierten Kupferdrahts durch Drahtverbindung,
welcher für
Verbindungen eines magnetoresistiven (MR) Wandlerkopfs zum Flexkabel
verwendet wird.
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In
diesem Beispiel einer Flexkabel-Struktur erfordert eine zuverlässige Chip-an-Flex-
und Kopfanschluss-an-Flex-Drahtverbindung
des AE-Moduls die Verwendung weicher ultrareiner edel oder halbedel
plattierter Oberflächenabschlüsse, wie
z.B. Gold, Silber oder Palladium über Grundierungen auf Nickelbasis.
Kontaktfläche-auf-Kontaktfläche-Kontaktbereiche
erfordern harte, abnutzungsbeständige Oberflächen, welche
gewöhnlich
durch das Plattieren von Abschlüssen
bereitgestellt werden, wie z.B. hauchvergoldetes Nickel-Palladium
oder Kobalt/Nickel-gehärtetes Gold über Unterplattierungen
auf Nickelbasis. Ferner müssen
alle Oberflächenabschlüsse auch
SMT-kompatibel sein und sowohl eine ausreichende Lötbarkeit
als auch zu bevorzugende metallurgische Grenzflächenreaktionen bieten, um die Bildung
dauerhaft stabiler Lötverbindungen
sicherzustellen.
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In
vielen Einheiten, welche unterschiedliche Verbindungsarten aufweisen,
können
die Probleme bei der Auswahl der Oberflächenabschlussmaterialien umgangen
werden, indem man vorgegebene Trägerbereiche
selektiv mit verschiedenen Metallurgien plattiert, welche bestimmte
Verbindungsfunktionen unterstützen.
Unglücklicherweise
machen selektive Plattierungsaufträge eine Maskierung der Schaltung und
damit verbundene Maskenauftrags-, Ablöse- und Reinigungsverfahren
erforderlich. Deswegen kann, wenn mehrere Bereiche verschiedener
Plattierungen benötigt
werden, um verschiedene Verbindungsfunktionen zu unterstützen, die
Anwendung der Plattierung selektiver Bereiche zu einer ausufernd
komplexen, zeitintensiven und teuren Schaltungsherstellung führen. Da
elektronische Einheiten zu preisempfindlichen Grundprodukten werden,
müssen
die Konstruktionen geringe Herstellungskosten mit sich bringen, um
eine konkurrenzfähige
Preisgestaltung zu ermöglichen.
Ferner kann die Anwendung aufeinander folgender Maskierungs-, Plattierungs-
und Ablösesequenzen
zu Maskierungsresten führen,
welche die Verbindungen, die nach der anfänglichen Maskierungs- und Plattierungssequenz
eingebaut werden, komplizieren oder beeinträchtigen können. Ein kosteneffektiver
universeller Verbindungsabschluss hat eindeutig sowohl einen strategischen
als auch einen wirtschaftlichen Wert.
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Es
sind zahlreiche Materialgruppen für die abschließende Oberflächenaufbereitung
der Kontaktfläche
vorgeschlagen und verwendet worden, diese betrafen aber entweder
Löt- und
Drahtverbindungsanwendungen oder Steckverbindungsanwendungen, nicht
beides. In der Praxis ist es ein Erfordernis gewesen, dass in der
Löt- und
Drahtverbindungsumgebung eine dünne
Zwischenschicht eines härteren
Materials verwendet werden muss, während für die mechanischen Steckverbindungsanwendungen eine
dicke Zwischenschicht vorliegen muss.
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Durch
die Struktur und die Technik der vorliegenden Erfindung wird ein
gemeinsamer universeller Oberflächenabschluss
für Abschlusskontaktflächen der
elektrischen Leiter gedruckter Schaltkreise bereitgestellt, welcher
eine Drahtverbindung, SMT und Stift-in-Loch(PIH)-Löttechniken
und abnutzungsbeständige
mechanische Verbindungen unterstützt. Dies
wird erreicht, indem die Kupferkontaktflächen zuerst mit einer Nickelbeschichtung
plattiert werden, um die Diffusion von Kupfer an die Befestigungsoberfläche auszuschließen; dann
mit einer harten, abnutzungsbeständigen
Zwischenbeschichtung eines reinen Edel- oder Halbedelmetalls wie
Palladium und schließlich
mit einer oberen Schicht aus Weichgold. In vielen kombinierten Drahtverbindungs-,
Lötverbindungs-
und abnutzungsbeständigen
Verbindungsumgebungen kann die gemeinsame Oberflächenbehandlung unter Verwendung
einer Hartgoldschicht erreicht werden, welche durch Dotieren von Gold
mit Kobalt, Nickel, Eisen oder irgendeiner Kombination irgendwelcher
oder aller dieser drei Metalldotierungsmittel gebildet wird, statt
einer Schicht eines reinen harten Edelmetalls wie Palladium. Die
Grenzen dieser alternativen Struktur liegen darin, dass dort, wo eine
Drahtverbindung mit Aluminiumdrahtanschlüssen benötigt wird, an den Befestigungsgrenzflächen Gold-Aluminium-Intermetallverbindungen
entstehen und die Integrität
der Verbindungen beeinträchtigen können.
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Dementsprechend
stellt die vorliegende Erfindung eine gedruckte Schaltungseinheit
bereit, welche ein elektrisch isolierendes Substrat umfasst, auf welchem
elektrische Leiter getragen werden, die mehrere Gruppen von Abschlusskontaktstellen
zum Befestigen und elektrischen Verbinden von elektronischen Elementen
umfassen, um eine solche gedruckte Schaltungseinheit mit solchen
elektronischen Elementen zu verbinden, wobei die Abschlusskontaktstellen
unter Anwendung einer einzelnen Plattierungsfolge gefertigt werden,
um gemeinsam plattierte Schichten bereitzustellen, welche das Folgende umfasst:
ein Maskierungsmittel, welches die Leiter überlagert und elektrisch isoliert
und die Abschlusskontaktstellen freilässt; eine erste plattierte
Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Metall auf den freiliegenden
Abschlusskontaktstellen, welche die Funktion hat, eine Diffusion
des Materials der Abschlusskontaktstellen durch sie hindurch zu
verhindern; eine zweite plattierte Schicht, welche die erste plattierte Schicht überlagert,
aus einem harten, abnutzungsbeständigen
Edel- oder Halbedelmetall, welche für die Funktionssicherheit der
Anschlussstelle sorgt und metallurgisch stabile Lötverbindungs-
und Drahtverbindungs-Schnittstellen in Gegenwart von intermetallischen
Verbindungen schafft; eine dritte plattierte Schicht, welche die
zweite plattierte Schicht überlagert,
aus Weichgold, welche leicht durch Lötmittel zu benetzen ist, Drahtverbindungen
trägt und
eine reine Edelmetalloberfläche
aufweist, welche eine mechanische Schädigung der Verbindungsfläche verhindert; und
elektronische Elemente, welche unter Verwendung einer abnutzungsbeständigen mechanischen Kontaktfläche-auf-Kontaktfläche-Verbindung
und mindestens einer anderen Anschlusstechnik, ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Drahtverbindung, direkter Chipverbindung
(DCA), Drahtkeilverbindung und Oberflächenmontagetechnologie (SMT) oder
Stift-in-Loch(PIH)-Löten,
an die mehreren Gruppen von Abschlusskontaktstellen angeschlossen sind.
Vorzugsweise besteht die zweite plattierte Schicht aus Palladium
mit einer Dicke von 0,66 bis 1,12 Mikrometer (26 bis 44 Mikroinch).
Vorzugsweise umfasst die zweite plattierte Schicht Hartgold mit
einer Dicke von 0,51 bis 0,76 Mikrometer (20 bis 40 Mikroinch) und
einem Härtewert
von 130 bis 250 auf der Knoop-Skala.
Vorzugsweise umfasst die zweite plattierte Schicht Gold, welches
mit einem Element aus der Gruppe aus Kobalt, Nickel, Eisen und jeder
Kombination solcher Elemente dotiert ist. Vorzugsweise umfasst die
dritte plattierte Schicht Weichgold mit einer Dicke von 0,13 bis
0,76 Mikrometer (5 bis 30 Mikroinch). Vorzugsweise überschreitet
die zusammengesetzte Dicke der zweiten plattierten Schicht und der
dritten plattierten Schicht nicht 1,40 Mikrometer (55 Mikroinch).
Vorzugsweise ist die erste plattierte Schicht aus Nickel mit einer
minimalen Dicke von 2,03 Mikrometer (80 Mikroinch) gebildet.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine gedruckte Schaltungseinheit bereitgestellt,
welche ein elektrisch isolierendes Substrat umfasst, auf welchem
elektrische Leiter getragen werden, die Abschlusskontaktstellen zum
Montieren von elektronischen Bauelementen und zum Verbinden der
gedruckten Schaltungseinheit mit anderen elektronischen Elementen
umfassen, wobei solche Kontaktflächen
eine gemeinsame Oberflächenbehandlungsstruktur
schaffen, auf welcher eine Vielzahl von Befestigungsverfahren, darunter
Löten,
Drahtverbindung und mechanische Kontaktfläche-auf-Kontaktfläche-Steckverbindungs-Befestigung,
angewendet werden kann, welche ein Maskierungsmittel umfassen, das
die Leiter überlagert
und die Kontaktflächen
freilässt;
eine anfängliche
plattierte Nickelbeschichtung, welche die Kontaktflächen bedeckt
und eine Dicke aufweist, die eine Diffusion des Materials der Kontaktfläche, welche
unter einer solchen Nickelbeschichtung liegt, durch sie hindurch
verhindert; wobei die anfängliche
plattierte Beschichtung eine. darauf plattierte Zwischenbeschichtung
eines Edel- oder Halbedelmetalls mit einer Dicke und Härte aufweist,
um Lötverbindungen, Drahtverbindungen
und mechanische Kontaktfläche-auf-Kontaktfläche-Verbindungen
zu unterstützen;
und eine abschließende
plattierte Beschichtung aus Weichgold, welche über die plattierte Zwischenbeschichtung
plattiert ist. Vorzugsweise weist die anfängliche plattierte Nickelbeschichtung
eine Dicke von mindestens 80 Mikroinch auf, und insbesondere besteht
die plattierte Zwischenbeschichtung aus Palladium mit einer Dicke
von 26 bis 44 Mikroinch. Geeigneterweise weist die abschließende plattierte
Beschichtung aus Weichgold eine Dicke von 5 bis 30 Mikroinch auf.
Die plattierte Zwischenbeschichtung umfasst vorzugsweise eine 20
bis 40 Mikroinch dicke Schicht aus Gold, welches mit einem Element
aus der Gruppe aus Kobalt, Nickel, Eisen und jeder Kombination der
Elemente Kobalt, Nickel und Eisen dotiert ist, um eine Härte der
plattierten Zwischenbeschichtung auf der Knoop-Skala von 130 bis
250 zu bewirken, und insbesondere weist die abschließende plattierte
Beschichtung aus Weichgold eine Dicke von 5 bis 30 Mikroinch auf,
und die zusammengesetzte Gesamtdicke der plattierten Zwischenbeschichtung
und der abschließenden
plattierten Beschichtung überschreitet
nicht 55 Mikroinch.
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Bei
Anwendung der universellen dreischichtigen Oberflächenbehandlung
wird die Anwendung aufeinander folgender Maskierungs-, Plattierungs- und
Ablöseverfahren
vermieden. Nur eine Maskierung der Abschlusskontaktflächen ist
erforderlich, und diese wird durch die Isolierungsbeschichtung über den
Leitern der gedruckten Schaltung bereitgestellt. Auf einer Leiterplatte
wird die Maskierung durch die Isolierungsbeschichtung bereitgestellt,
welche über
den Kupferleitungen aufgebracht wird, und in einem Flexkabel, wie
es hier veranschaulicht wird, wird die Maskierung durch die aufgeklebte
Deckschicht bereitgestellt, welche auf die Oberfläche des Flexkabels
aufgebracht ist, um die Leiter zu umschließen und elektrisch zu isolieren,
während
die elektrischen Abschlusskontaktflächen freigelassen werden.
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Somit
ist die dreischichtige Oberflächenbehandlung
kosteneffektiv, indem sie nicht nur eine gemeinsame Anschlusskontaktflächen-Oberflächenbehandlung
für Drahtverbindungen,
SMT-Lötverbindungen
und abnutzungsbeständige
mechanische Verbindungen bereitstellt, sondern auch die vorhandene Beschichtung,
welche die Leiter der gedruckten Schaltung versiegelt, umschließt und elektrisch
isoliert, benutzt, um die Maskierungsfunktion für die einzige oberflächenaufbereitende
Plattierungssequenz bereitzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen
beispielhaft beschrieben.
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1 veranschaulicht
ein typisches Flexkabel zur Verwendung mit einem Positionierarm
eines Festplattenlaufwerks, welches die Verwendung von Drahtverbindungen,
Lötverbindungen
und abnutzungsbeständigen
elektrischen Kontaktfläche-auf-Kontaktfläche-Verbindungen
erforderlich macht.
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2 ist
eine vergrößerte Ansicht
des Endabschnitts des Flexkabels, welches auf dem Positionierarm
getragen wird und Anschlusskontaktflächen für Drahtanschlüsse aufweist,
die sich von den Wandlern aus erstrecken.
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3 ist
eine vergrößerte Ansicht
des Endabschnitts des Flexkabels aus 1, welches
an das stationäre
Hauptschaltungssystem des Plattenlaufwerks angeschlossen ist.
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4 stellt
schematisch die Maskierung über
Abschlusskontaktflächen
des Flexkabels aus 1 dar, welche durch das Deckschichtmaterial
bewirkt wird.
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5 ist
eine vergrößerte Ansicht
einer Abschlusskontaktfläche
aus 4, welche die dreischichtige Oberflächenbehandlung
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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Die
variierenden Anschlusstechniken zur Herstellung elektrischer Verbindungen
mit Kupferschaltungs- Abschlusskontaktflächen weisen
unterschiedliche Erfordernisse auf. Die Verwendung einer Diffusionsbarriere,
typischerweise plattiertes Nickel, bedeckt von einer Goldplattierung
gemäßigter Dicke oder
einer dünnen
Hauchvergoldung, ist sowohl beim Löten als auch beim Herstellen
einer Drahtverbindung wirkungsvoll. Die Weichgoldschicht sorgt für eine reine
Oberfläche,
welche sowohl korrosionsbeständig
als auch frei von Dünnschichten
aus Verunreinigungsstoffen ist. Durch diese Oberflächeneigenschaften
werden beständige
und zuverlässige
metallurgische Bindungen in Drahtverbindungen sichergestellt, sowie
eine vollständige
Benetzung der SMT-Kontaktflächen
mit geschmolzenem Lötmittel für die beständige Bildung
von Lötverbindungen
der Komponenten. Die Zuverlässigkeit
der Lötverbindungen
wird ebenfalls sichergestellt, wenn die Goldplattierungsschicht
ausreichend dünn
aufgetragen wird, damit sie sich während der SMT-Befestigungssequenzen
vollständig
in die Masse des geschmolzenen Lötmittels
auflöst.
Eine reine, frei von Dünnschichten
aus Verunreinigungsstoffen, korrosionsbeständige Oberflächenschicht
wie Gold ist auch erforderlich, um die elektrische Zuverlässigkeit
der mechanischen Kontakte wie Kontaktfläche-auf-Kontaktfläche- oder Stift-in-Buchse-Verbindungen
sicherzustellen. Die Oberflächenbehandlung
mit Diffusionsschicht und Weichgoldschicht ist jedoch für mechanische
Kontaktverbindungen nicht geeignet, da dort auch eine Abnutzungsbeständigkeit
der Plattierung erforderlich ist. Zuverlässigkeitsprobleme mit mechanischen
Kontakten werden umgangen, indem man eine Zwischen-Plattierungsschicht
aufbringt, welche eine ausreichende Abnutzungsbeständigkeit
aufweist und chemisch ausreichend edel ist, um eine zuverlässige Bildung
mechanisch verbundener elektrischer Kontaktfläche-auf-Kontaktfläche- oder Steck-Kontakte
zu unterstützen.
Durch die Verwendung eines abnutzungsbeständigen edlen oder halbedlen
Plattierungsmaterials, welches zwischen der Barriereplattierung
und der abschließenden Weichgold-Oberflächenschicht
aufgebracht wird, werden Korrosionsprobleme beseitigt, die von einer mechanischen
Kontaktabnutzung bis in die nichtedle Barriereplattierung hindurch
stammen. Bei Verwendung einer Zwischen-Plattierungsschicht in dem
gesamten Plattierungssystem muss jedoch auch eine Unterstruktur
unter der Weichgold-Oberflächenschicht
bereitgestellt werden, die immer noch für eine gute anfängliche
Lötbarkeit
und Drahtverbindbarkeit sorgt, und die auch für eine annehmbare Zuverlässigkeit
der Lötverbindungen
und Drahtverbindungen über
die Zeit sorgt. Insbesondere robuste und zuverlässige metallurgische Verbindungen
wie Drahtverbindungs- und Lötverbindungs-Grenzflächen müssen thermisch
herbeigeführten
Spannungen widerstehen, welche aus erhöhten und zyklischen Temperaturaussetzungen
entstehen, die durch den typischen Betrieb einer Einheit und das
Ein- und Ausschalten hervorgerufen werden. Von besonderem Interesse
sind innere Spannungen, welche innerhalb der metallurgisch gebundenen
Verbindungen entstehen können,
und deren Verhältnis
zu dem Plattierungsmaterialsystem, welches für die Schaltungs-Kontaktflächen auf
dem elektronischen Träger ausgewählt wurde.
Im Allgemeinen treten mit der Zeit und mit dem Aussetzen einer erhöhten Temperatur chemische
Reaktionen zwischen Metallen und Legierungen auf, welche die Metallisierungen
der Verbindungs- und
Schaltungs-Kontaktflächen
umfassen. Diese chemischen Reaktionen treten vorwiegend an Grenzflächen von
Draht- oder Lötverbindungen
auf und beinhalten gewöhnlich
strukturelle, Volumen- oder Phasenveränderungen, die aus chemischen Diffusionsvorgängen resultieren,
darunter die Keimbildung und das Wachstum intermetallischer Verbindungsphasen.
Wenn innere Spannungen, welche aus Phasenveränderungen wie diesen resultieren, an
den Verbindungsgrenzflächen
konzentriert bleiben, dann kann ein Bruch oder eine Trennung der metallurgisch
gebundenen Kontakte entstehen und zu Bindungsschäden führen. Um die Zuverlässigkeit der
Drahtverbindungen sicherzustellen, muss die abnutzungsbeständige Zwischenplattierungsschicht eine
Spannungsumverteilung weg von den Grenzflächen der Drahtverbindung ermöglichen,
die aus der Bildung von intermetallischen Verbindungen zwischen
Drahtverbindungsmetallen und Oberflächenplattierungsmetallen resultieren.
Aufgrund dieser Bedingungen trägt
die Verwendung hochreinen abnutzungsbeständigen Materials als Zwischenplattierungsschicht
dazu bei, die Spannungen an den Verbindungsgrenzflächen zu
verringern. Um zuverlässige
Lötverbindungs-Grenzflächen zu
erreichen, dürfen
alle Reaktionsprodukte, die sich bilden, auch keinen merklichen
Rückgang
der Festigkeit der Lötverbindungen
hervorrufen. Deswegen muss die Behandlungskombination des Schaltungsträgers aus Barriereschicht,
Zwischenschicht und Oberflächenschicht
hinsichtlich der Auswahl der Verbindungsmaterialien bestimmte Materialeigenschaften
und vorteilhafte Langzeiteigenschaften der chemischen Wechselwirkungen
aufweisen, um eine anfängliche hohe
Fertigungsausbeute, eine robuste Verbindungsbildung und eine Langzeit-Zuverlässigkeit
sicherzustellen.
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Dieses
Dokument beinhaltet Bezugnahmen auf Weichgold, Hartgold und Palladium. „Weichgold" wird verwendet für Gold mit
den Eigenschaften von Feingold, welches typischerweise als 99,9
%iges Feingold definiert ist, mit Beschränkungen für die Art und Menge der metallischen
Fremdbestandteile, die in den übrigen
0,1 % des Materials vorliegen. Hartgold enthält typischerweise Dotiermittel-Fremdbestandteile
in Form von Kobalt und Nickel, welche eingebracht und mit dem Gold
legiert werden, mit einem Anteil an Fremdbestandteilen im Bereich
von Hunderten Teilen je Million, augenscheinlich nicht 1000 Teile
je Million überschreitend.
Diese Einführung
von Dotiermitteln verleiht der Legierung eine HK25-Härte von
130 bis 250 (Knoop-Härteskala).
Obwohl dieses Hartgold kein hartes Material ist, wenn man es mit den
meisten gewöhnlichen
Metallen und Legierungen vergleicht, bedeutet es doch eine wesentliche
Erhöhung
der Härte,
verglichen mit Weich- oder Feingold, und ermöglicht erfolgreiche abnutzungsbeständige Kontaktflächeauf-Kontaktfläche-Verbindungen. Palladium
im handelsüblichen
Zustand enthält
minimale Fremdbestandteile und keine absichtlich zugegebenen Härtungsmittel,
weist aber die Härte
und Abnutzungsbeständigkeit
von Hartgold auf, wie sie oben beschrieben sind. In der Verwendung,
um die vorliegende Erfindung auszuüben, ist das Palladium 99,9
% rein, feinkörnig,
gleichachsig und weist eine HK25-Härte von 200 bis 250 auf (Knoop-Härteskala).
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Obwohl
die Technik und Struktur der vorliegenden Erfindung auf jede Struktur
anwendbar ist, mit welcher Komponenten und Anschlussdrähte durch
Oberflächenmontageverfahren
verbunden sind, zeigt und beschreibt die folgende Beschreibung den
universellen Oberflächenabschluss
in der Umgebung eines Flexkabels. 1 zeigt
ein Flexkabel 10 der Art, wie es gewöhnlich in Festplatten-Datenspeichereinheiten
benutzt wird, um die Magnet-Wandlerköpfe und das elektronische Hauptschaltungssystem des
Laufwerks zu verbinden. Das Kabel ist aus einem flexiblen isolierenden
Material 11 wie Polyamid gebildet, auf welchem entweder
durch Abscheidungstechniken oder durch Wegätzen von Teilen einer kontinuierlichen
Schicht eines leitfähigen
Materials Leiter ausgebildet sind. Eine Deckschicht 12 eines
elektrisch isolierenden flexiblen Materials dient sowohl dazu, die
Leiter zu isolieren, als auch dazu, die Abschlusskontaktflächen, durch
welche der Anschluss zu solchen flexiblen Leitern hergestellt wird,
zu maskieren. Ein Endabschnitt 15 des Flexkabels ist an dem
beweglichen Abschnitt des Positionierarms eines Plattenlaufwerks
befestigt, welcher die Wandlerköpfe
für die
Bewegung von einer Stelle einer Spur zu einer anderen auf der Oberfläche der
Platte trägt. Der
Endabschnitt des Flexkabels weist eine Reihe von Kontaktflächen 17 auf,
an welche die Anschlussdrähte
von den Wandlerköpfen
angeschlossen werden; die Montage-Kontaktflächen 19 zum Anschluss eines
Armelektronikmoduls 20 und eine Reihe von Kontaktflächen 21,
an welche einzelne Komponenten 22 angeschlossen werden.
Der gegenüberliegende Endabschnitt 23 des
Flexkabels 10 weist maskierte Kontaktflächen auf, an welchen über eine
Steckverbindung 27 mechanisch ein Kontaktfläche-auf-Kontaktfläche-Kontakt
hergestellt wird, um das Flexkabel 10 mit dem Hauptschaltungssystem
des Plattenlaufwerks zu verbinden, welches sich auf einer Leiterplatte
außerhalb
des versiegelten Gehäuses
befindet, welches die sich drehenden Platten und die Wandlermechanismen
umgibt. Die Zwischenlänge
des Flexkabels 10 beinhaltet die Leiter, welche sich zwischen dem
Endabschnitt 15, montiert auf dem beweglichen Element des
Positionierarms, und dem Endabschnitt 23, welcher an einem
stationären
Basiselement befestigt ist, erstrecken, und erlaubt die relative
Bewegung zwischen den befestigten Enden. Die Einzelheiten der Endabschnitte 15 und 23 des
Flexkabels sind in vergrößerter Form
in 2 bzw. 3 dargestellt.
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Die
Kontaktflächen 17 entlang
des Flexkabel-Endes nehmen die goldplattierten Kupfer-Anschlussdrähte von
den Wandlern auf, welche unter Verwendung von Ultraschallenergie über eine
Drahtverbindung damit verbunden sind. Die Anschlüsse vom AE-Chip 20 sind über eine
Keilverbindung mit den Flexkabel-Kontaktflächen 19 verbunden.
Die einzelnen Komponenten 22 sind unter Anwendung von SMT
an die Flexkabel-Kontaktflächen 21 gelötet. Am gegenüberliegenden
Ende 23 des Flexkabels 10 werden für den Formschluss
mit der Steckverbindung 27, welche fest gegen die Kontaktflächen geklammert
ist, um an jeder Grenzfläche
eine positive mechanische Kontaktfläche-auf-Kontaktfläche-Verbindung und elektrische
Kontinuität
sicherzustellen, abnutzungsbeständige
Kontaktflächen 25 benötigt. Um
eine Sequenz selektiver Maskierungs-, Plattierungs- und Ablöseoperationen
zu vermeiden, ist eine einzelschichtige Beschichtung der maskierten
Kontaktflächen
erforderlich, geeignet für
alle benötigten Arten
von Komponenten und Anschlussverbindungen. Der geschichtete Oberflächenabschluss
muss für
Drahtverbindungen, lötbare
und abnutzungsbeständige
Verbindungen sorgen.
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Eine
Lösung
für die
Entwicklung eines kosteneffektiven universellen Oberflächenabschlusses ist
das Aufbringen einer speziellen Folge elektrolytisch plattierter
Metallurgien, um eine neue geschichtete dreifach plattierte Struktur
zu erzeugen. Der geschichtete dreifach plattierte Abschluss schafft
eine Kompatibilität
für eine
zuverlässige
Verbindungsbildung in DCA-, SMT- und mechanischen Steckverbindungsanwendungen.
Die resultierende Plattierungsstruktur ist auch kosteneffektiv aufzubringen,
da Veränderungen
der Kabelgestaltung und der Herstellungssequenz das Erfordernis
beseitigen, einzelne Plattierungsmasken- Verfahrensschritte oder selektive Plattierungsoperationen
anzuwenden.
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4 veranschaulicht
schematisch einen Abschnitt des Flexkabels 30, wobei eine
Basis 32 eines flexiblen, elektrisch isolierenden Materials
Leiter trägt,
welche an den Kontaktflächen 33 enden,
welche durch eine Deckschicht 34 eines flexiblen, elektrisch
isolierenden Materials ähnlich
oder identisch mit dem des Basismaterials maskiert sind. Die Deckschicht 34 trägt eine
Klebstoffschicht 36, welche die Deckschicht an der Basis 32 und
den darauf getragenen Leitern befestigt. Das gekennzeichnete Detail aus 4,
welches in 5 vergrößert dargestellt ist, lässt die
plattierten Schichten erkennen, welche auf die Kupfer-Kontaktfläche 33 gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebracht worden sind. In einer Form besteht der universelle
dreifach plattierte geschichtete Abschluss aus einer Nickel-Unterplattierungsschicht 37, überplattiert
mit einer Zwischenschicht 39 eines harten, reinen Edelmetalls 'wie Palladium, überplattiert
mit einer abschließenden
Oberflächenbehandlung
als eine Schicht 41 aus hochreinem Weichgold. Die plattierte
Schicht 37 aus Nickel sorgt für eine Diffusionsbarriere über der
Kupferkontaktfläche.
Die plattierte Palladiumschicht 39 stellt eine reine Halbedelmetallschicht
dar, welche die Drahtverbindung unterstützt und für eine harte, abnutzungsbeständige, korrosionsbeständige Oberfläche für mechanische
Kontaktfläche-auf-Kontaktfläche-Verbindungen
sorgt. Die dünne
Weichgoldschicht 41 erhöht
die Lötbarkeit
und versiegelt die ansonsten freiliegende Palladiumoberfläche, um
das Palladium davor zu bewahren, Kohlenwasserstoffe aus der umgebenden
Atmosphäre
anzuziehen, welche sich zu einer Dünnschicht aus Verunreinigungsstoffen
auf der Oberfläche
ausbilden könnten.
Jede der plattierten Schichten 37, 39 und 41 werden
elektrolytisch oder stromlos plattiert, um eine dichte, wenig poröse, stark
haftende Dünnschicht
hoher Qualität
zu bilden, welche einheitlich und glatt ist und eine im Wesentlichen
einheitliche Korngröße aufweist. Statt
teure mehrfache selektive Plattierungsverfahren anzuwenden, wird
während
des Aufbringens der Nickel-, Hartgold- und Weichgoldplattierungen
die ursprüngliche
Flexkabel-Deckschicht als Plattierungsmaske verwendet. Durch die
Anwendung dieser Verfahrensstrategie fungiert die flexible Deckschicht
als integrierte Maske für
den geschichteten universellen Plattierungsabschluss. Diese Verfahrensverbesserung
sorgt für
eine deutliche Kostenverringerung, da alle selbstständigen Maskenauftrags- und Ablöseschritte,
welche bei selektiven Plattierungsverfahren erforderlich sind, weggelassen
werden.
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Durch
die Verwendung der flexiblen Deckschicht als die einzige Plattierungsmaske
werden während
der anfänglichen
elektrolytischen Plattierung nur die Bereiche des Schaltungssystems
auf Kupferbasis, welche durch die Öffnungen in der Deckschicht
der Flexschaltung hindurch frei liegen, mit Nickel plattiert. Diese
Nickel-Unterplattierung wird in Dicken, welche von 80 bis zu einigen
Hundert Mikroinch reichen, als eine Barriere aufgebracht, um eine
Diffusion des Basiskupfers an die Oberfläche des Goldüberplattierungs-Abschlusses zu verhindern.
Nachdem das Nickel plattiert ist, wird über der Nickelplattierung eine
Palladium-Zwischenschicht aufgebracht, gefolgt von der abschließenden elektrolytischen
Plattierung aus hochreinem Weichgold.
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Die
Plattierungssequenz, die verwendeten Plattierungs-Schichtdicken und
die Plattierungszusammensetzungen sind alle entscheidend für eine hohe
Fertigungsausbeute und für
DCA-Drahtverbindungen,
Lötverbindungen
und mechanische Kontaktfläche-auf-Kontaktfläche-Verbindungen
hoher Zuverlässigkeit.
Für die
Herstellung von Drahtverbindungen mit hoher Ausbeute muss eine hochreine
Weichgoldschicht als die obere Oberflächenabschlussschicht aufgebracht
werden, während
die Zwischenschicht aus reinem Palladium unter der oberen Fläche aus
Weichgold die Zuverlässigkeit
der Kontaktfläche-auf-Kontaktfläche-Steckverbindungen
und die Zuverlässigkeit
der Drahtverbindungen sicherstellt. Für Steckverbindungsanwendungen
stellt die Verwendung relativ reinen Palladiums eine geeignete Abnutzungsbeständigkeit
und einen angemessen chemisch edlen Charakter sicher, um für den Fall, dass
eine Abnutzung gekoppelter Kontakte durch den Weichgold-Oberflächenabschluss
hindurch auftritt, einen stabilen elektrischen Kontakt zu bieten. Für die Aluminiumdrahtverbindung
stellt die Verwendung einer Unterplattierung aus reinem Palladium
die Gegenwart einer nachgiebigen Unterplattierungsschicht sicher,
welche entstehende lokale Grenzflächenspannungen aufnehmen kann,
die von der Bildung und dem Wachstum intermetallischer Aluminium-Gold-Verbindungen
zwischen der Gold-Oberflächenplattierung
und der Aluminium-Keilverbindung verursacht werden. Ohne die Nachgiebigkeitseigenschaften,
welche die Palladiumplattierung mit sich bringt, lokalisieren sich
Spannungen, welche aus intermetallischen Aluminium-Gold-Umlagerungen
entstehen, an der Grenzfläche
der Unterplattierung und führen
zu einer Trennung der Drahtverbindung. Andere Materialien, welche
eine für
Abnutzungsbeständigkeit
geeignete Härte
aufweisen, sind im Allgemeinen durch Legierung oder Zugabe von Dotiermitteln gehärtet. Diese
Legierungen/Zugaben von Dotiermitteln führen zu einer unerwünschten
strukturellen Steifigkeit auf atomarem Niveau, welche den Aufbau von
Spannungen an den Grenzflächen
der Drahtverbindung verursacht, welche intermetallische Umlagerungen
durchlaufen, und können
zu einer Grenzflächentrennung
bei der Aluminiumdrahtverbindung führen. Die Steuerung der Dicke
der drei Plattierungsschichten und der zusammengesetzten Gesamtdicke
der Palladium- und Weichgoldschichten ist ebenfalls entscheidend
für die
Zuverlässigkeit
der entstehenden DCA-Drahtverbindungs-, Löt- und Kontaktfläche-auf-Kontaktfläche-Steckverbindungs-Kontakte.
Die Palladium-Zwischenschicht ist zu einer nominalen Dicke von 35
Mikroinch plattiert. In typischen Herstellungsverfahren kann sich
eine Abweichung der Plattierungsdicken aus einer Vielfalt von Verfahrensvariablen
ergeben. Der Bereich der Plattierungsdicken, welcher sich aus den
Verfahrensvariationen ergibt, muss eine Produktion mit hoher Ausbeute
und die Zuverlässigkeit
unterstützen. Wenn
man eine Standardabweichung von 3 Mikroinch und obere und untere
Grenzen von drei Standardabweichungen verwendet, dann beträgt der tatsächliche
Bereich der Plattierungsdicke, welcher in der Praxis verwirklicht
wird, 26 bis 44 Mikroinch. Durch Plattieren des Palladiums innerhalb
des Dickebereichs von 26 bis 44 Mikroinch und des Weichgolds innerhalb
eines Dickebereichs von 5 bis 30 Mikroinch, während man die zusammengesetzte
Dicke dieser zwei Schichten auf nicht mehr als 70 Mikroinch beschränkt, wird
die Zuverlässigkeit
aller drei Kontaktarten erreicht.
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In
vielen Umgebungen ist es nicht erforderlich, dass die Zwischenbeschichtung
(Schicht 39 der 5) des dreifach plattierten
geschichteten Abschlusses aus einem harten reinen Edelmetall besteht.
Eine harte, abnutzungsbeständige
Schicht kann auch aus Hartgold gebildet werden, wobei das Gold durch
Dotieren mit Kobalt, Nickel, Eisen oder einer Kombination dieser
Dotiermittel gehärtet
worden ist. Dieser geschichtete Abschluss dient auch als gemeinsame
Oberflächenbehandlung
für Drahtverbindungen,
Lötverbindungen
und abnutzungsbeständige
elektrische Verbindungen. Um sowohl eine hohe Fertigungsausbeute
als auch eine Langzeitzuverlässigkeit
der Verbindung sicherzustellen, sind auch die sorgfältige Wahl
der verwendeten Plattierungsschichtdicken und die Chemie des Drahtes,
welcher für
den Drahtverbindungsvorgang verwendet wird, entscheidend. Um eine
stabile und zuverlässige
mechanische Verbindung von elektrischen Kontaktfläche-auf-Kontaktfläche- oder
Steckkontakten sicherzustellen, sollte die abnutzungsbeständige dotierte Gold-Zwischenschicht
mit einer Dicke im Bereich von 20 bis 40 Mikroinch aufgebracht werden.
Für zuverlässige Lötverbindungen
wird eine dritte Schicht aus hochreinem Weichgold mit einer Dicke
von 5 bis 30 Mikroinch als oberer Oberflächenabschluss über der Zwischenschicht
aus gehärtetem
dotierten Gold verwendet. Die zusammengesetzte Dicke der beiden Goldschichten
sollte 55 Mikroinch nicht übersteigen, da
die Verwendung dickerer zusammengesetzter Goldplattierungen zu einer
unvollständigen
Auflösung
des Goldes in die typisch verarbeiteten SMT-Lötverbindungen führt und
an den Lötverbindungs-Grenzflächen die
Bildung rückständiger Gold-Zinn-Intermetallverbindungen
verursacht. Das Vorliegen intermetallischer Gold-Zinn-Reaktionsprodukte
an den Grenzflächen
zwischen Lötverbindung und
Trägerkontaktfläche verringert
die mechanische Festigkeit und das Temperaturwechsel-Ermüdungsverhalten
des Lötmittels
der gelöteten
Verbindungen. Bei Drahtverbindung bietet die Verwendung von Aluminiumdraht
keine ausreichende Langzeitzuverlässigkeit der Drahtverbindungs-Grenzfläche, da das dotierte
Hartgold nicht für
eine Umverteilung der Spannungen, welche sich aus Reaktionen der
Bildung von Aluminium-Gold-Intermetallverbindungen ergeben, die
zwischen den Aluminiumdrahtverbindungen und der Weichgold-Oberflächenschicht
auftreten, weg von den Drahtverbindungs-Grenzflächen sorgt. Diese Bedenken
hinsichtlich der Zuverlässigkeit
der Drahtverbindung werden auf eine von zwei Weisen vermieden. Erstens
durch Verwendung der Palladiumbeschichtung der ersten Ausführungsform als
die harte, abnutzungsbeständige
Zwischenschicht, wenn Aluminiumdrahtanschlüsse befestigt werden, und zweitens
durch Verwendung eines Anschlussdrahtes, welcher die Bildung intermetallischer Aluminium-Gold-Verbindungen
an den Drahtverbindungs-Grenzflächen
ausschließt.
Der alternative dreifach plattierte geschichtete Abschluss sorgt durch
Verwendung einer Kombination aus Drahtverbindungen, Lötverbindungen
und Kontaktfläche-auf-Kontaktfläche-Verbindungen für eine geeignete
Verbindung, wenn die Anschlussdrähte
der Drahtverbindung aus Gold oder goldplattiertem Kupfer bestehen.
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Obwohl
die Erfindung in Einzelheiten mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen
dargestellt und beschrieben worden ist, versteht es sich für den Fachmann,
dass dabei verschiedene andere Veränderungen der Form und der
Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich
der Erfindung zu verlassen, wie er durch die angefügten Ansprüche definiert
ist.