ES2326795T3 - Metodo para potenciar la soldabilidad de una superficie. - Google Patents
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Abstract
Una composición útil para el metalizado de plata sobre un sustrato metálico, composición que comprende: (a) una fuente soluble de iones de plata; (b) un ácido; (c) un oxidante seleccionado entre compuestos nitroaromáticos; y (d) un imidazol con la siguiente fórmula **(Ver fórmula)** en la que R 1,R 2, R 3; y R 4, se seleccionan independientemente entre el grupo que consiste en grupos alquilo sustituidos o no sustituidos, grupos arilo sustituidos o no sustituidos, halógenos, grupos nitro e hidrógeno.
Description
Método para potenciar la soldabilidad de una
superficie.
La presente invención se refiere, generalmente,
a un método para tratar una superficie, tratamiento que potencia su
soldabilidad. El método es particularmente útil en la fabricación y
ensamblaje de placas de circuito impreso.
La soldadura se usa, generalmente, para realizar
conexiones mecánicas, electromecánicas o electrónicas a una
variedad de artículos. La distinción entre las funciones esperadas
de las juntas es importante porque cada aplicación tiene sus
propios requisitos específicos para la preparación de la superficie.
De las tres aplicaciones de soldadura, la más demandada es la
realización de conexiones electrónicas.
En la fabricación de equipo electrónico
utilizando circuitos impresos, las conexiones de los componentes
electrónicos a los circuitos impresos se realizan soldando de los
conductores de los componentes a los agujeros de paso, adaptadores
colindantes, depósitos conductores y otros puntos de conexión
(colectivamente, "Áreas de Conexión"). Típicamente, la
conexión se realiza mediante técnicas de soldadura por onda.
Para facilitar esta operación de soldadura, se
requiere al fabricante del circuito impreso disponga los agujeros
de paso, adaptadores, depósitos conductores y otros puntos de
conexión para que sean sensibles a los procesos de soldadura
posteriores. Así, estas superficies deben ser fácilmente
humedecibles por la soldadura y permitir una conexión conductora
integral con los conductores o superficies de los componentes
electrónicos. Debido a estas necesidades, los fabricantes de
circuitos impresos han ideado diversos métodos para conservar y
potenciar la soldabilidad de las superficies.
Uno de los medios para conseguir una buena
soldabilidad de las superficies en cuestión, es proporcionar a las
superficies un pre-recubrimiento de soldadura. En la
fabricación de circuitos impresos, sin embargo, este método tiene
varios inconvenientes. Ya que no es fácil proporcionar
selectivamente soldadura a estas áreas, todas las áreas conductoras
de la placa deben recubrirse de soldadura. Esto puede causar graves
problemas en la posterior aplicación de la máscara de
soldadura.
Otro medio para conseguir una buena soldabilidad
de estas superficies es metalizarlas con un recubrimiento final de
un metal precioso como oro, paladio o rodio. La Patente de Estados
Unidos Nº 5.235.139 (Bengston, et al.) propone un método
para conseguir este acabado metálico final previo. Bengston et
al. proponen metalizar las áreas de cobre para soldarlas con
níquel-boro no electrolítico, seguido de un
recubrimiento con un metal precioso tal como oro. Véase también la
patente de Estados Unidos Nº 4.940.181 de Juskey, Jr. et al.
para un proceso similar que muestra el metalizado de cobre no
electrolítico, seguido de cobre electrolítico, seguido de níquel,
seguido de oro, como una superficie soldable. Estos procesos
funcionan correctamente pero consumen tiempo y son costosos.
Se han realizado diversos intentos para aplicar
soldadura selectivamente sólo las áreas necesarias. Uno de dichos
métodos implica el uso de protectores orgánicos de ataque sobre las
áreas de conexión de soldadura metalizadas, seguido de la
separación selectiva de estaño-plomo de las trazas
de cobre antes de la aplicación de la máscara de soldadura. Véase
la Patente de Estados Unidos Nº 4.978.423 de Durnwith et al.
Véase también la Patente de Estados Unidos Nº 5.160.579 de Larson,
para otros procesos conocidos de soldadura selectiva.
Soldar directamente sobre superficies de cobre
es difícil e inconsistente. Estos problemas se deben principalmente
a la incapacidad de mantener las superficies de cobre limpias y
libres de oxidación durante toda la operación de soldadura. Se han
desarrollado diversos tratamientos orgánicos para conservar las
superficies de cobre en estado fácilmente soldable. Por ejemplo,
véase la Patente de Estados Unidos Nº 5.173.130 (Kinoshita) que
muestra el uso de ciertos 2-alquilbencimidazoles
como pre-flujos de cobre para conservar la
soldabilidad de las superficies de cobre. Tratamientos tales como
los que se muestran en Kinoshita han resultado exitosos pero aún
existe la necesidad de mejorar la fiabilidad del proceso. En el
documento EP 03002379 se describe una composición para metalizar
con plata una superficie de cobre que comprende nitrato de plata
como fuente soluble de iones de plata, un ácido orgánico y un
alquil imidazol.
La presente invención propone el uso de un
recubrimiento de plata por inmersión como un conservante de la
soldabilidad mejorado para diversas superficies, particularmente
superficies de cobre. Se describen también composiciones preferidas
para depositar el recubrimiento de plata por inmersión. En la
realización más preferida de la invención un segundo recubrimiento
por inmersión de un metal más noble que la plata se deposita sobre
el recubrimiento de plata por inmersión. El proceso propuesto es un
método versátil y de bajo coste para conservar eficazmente la
soldabilidad de las superficies, particularmente superficies de
cobre y las áreas de conexión en placas de circuito impreso.
Se ha descubierto que los depósitos de inmersión
de plata protegen la soldabilidad de manera excelente, y son
particularmente útiles en la fabricación de placas de circuito
impreso. Se encontró, inesperadamente, que la soldabilidad
alcanzable con un solo depósito de inmersión de plata en
aplicaciones de circuitos impresos excedía la que se alcanzaba con
procesos de metalizado níquel-oro previos, tales
como los que se describen en la Patente de Estados Unidos Nº
5.235.139 y que, inesperadamente, excedía la que se alcanzaba con
otros depósitos de inmersión. Como se puede observar en los
ejemplos que siguen, los procesos de la presente invención aumentan
el rendimiento de soldadura de superficies que son muy soldables en
condiciones adversas. En aplicaciones de circuito impreso las
superficies se pueden unir mediante cable.
El metalizado por inmersión es un proceso que
resulta de una reacción de sustitución en la que la superficie que
se metaliza se disuelve en una solución y, al mismo tiempo, el metal
que se metaliza se deposita desde la solución de metalizado sobre
la superficie. El metalizado por inmersión se inicia sin una
activación previa de las superficies. El metal a metalizar es,
generalmente, más noble que el metal de la superficie. Así, el
metalizado por inmersión es, normalmente, significativamente más
fácil de controlar y significativamente más rentable que el
metalizado no electrolítico, que requiere soluciones sofisticadas de
metalizado auto catalítico y procesos para la activación de las
superficies previos al metalizado.
Los inventores han encontrado que la composición
de inmersión de plata, definida en la reivindicación 1, es
particularmente adecuada para usarla en los procesos de metalizado
de plata sobre un sustrato metálico. La composición comprende:
(a) una fuente soluble de iones de plata;
(b) un ácido;
(c) un imidazol o derivado de imidazol; y
(d) un oxidante.
La fuente soluble de iones de plata puede
derivarse de una variedad de compuestos de plata. Los inventores
han encontrado que el nitrato de plata es el más preferido. La
concentración de plata en la solución de metalizado puede variar de
0,1 a 25 gramos por litro, pero está presente más preferiblemente a
una concentración de 0,5 a 2 gramos por litro.
Aunque en esta formulación puede usarse una
variedad de ácidos adecuados, los inventores han encontrado que el
ácido metanosulfónico es el preferido. La concentración de ácido en
la solución de metalizado puede variar de 1 a 150 gramos por litro
aunque preferiblemente está en el intervalo de 5 a 50 gramos por
litro.
Los inventores han descubierto que la inclusión
de imidazol o un derivado de imidazol de la siguiente fórmula tiene
un impacto significativamente positivo tras el metalizado producido
por inmersión en soluciones de metalizado, particularmente
inmersión en soluciones de metalizado de plata usadas en los
procesos de metalizado de plata.
En la que R_{1},_{ }R_{2}, R; y R_{4},
se seleccionan independientemente entre el grupo que consiste en
grupos alquilo sustituidos o no sustituidos, grupos arilo
sustituidos o no sustituidos, halógenos, grupos nitro e
hidrógeno.
La inclusión de un imidazol como se ha descrito
anteriormente da brillo al depósito metalizado y mejora la
integridad y las propiedades físicas del depósito metalizado
resultante. Además, el imidazol también alarga la vida útil de la
solución de metalizado por inmersión. Los inventores han encontrado
que la histidina es el imidazol particularmente preferido para los
propósitos de estos procesos.
La inclusión de imidazoles proporciona ventajas
significativas en soluciones de metalizado por inmersión en
general, pero es particularmente útil y ventajosa en el metalizado
por inmersión de plata. Los inventores han encontrado que los
depósitos de inmersión de plata resultantes de baños de metalizado
que contenían imidazoles son más brillantes, más lisos y más
cohesivos que los depósitos de inmersión de plata metalizados de
baños que no tienen imidazoles. Además, los baños de metalizado por
inmersión con imidazoles tienen vidas eficaces más largas
comparadas con los baños sin imidazoles. Estas mismas ventajas
pueden conseguirse por la inclusión de imidazoles en otros baños de
metalizado por inmersión, incluyendo cobre, paladio, oro, rutenio y
rodio.
Finalmente, respecto a las composiciones de
inmersión de plata de la presente invención, la solución de
metalizado también contiene un oxidante. Los inventores han
encontrado que los compuestos nitro aromáticos, más preferiblemente
compuestos dinitro, tales como ácido 3,5 dinitrohidroxibenzoico, se
prefieren en este sentido. La concentración de dicho oxidante en la
solución puede variar de 0,1 a 25 gramos por litro, pero
preferiblemente de 0,5 a 2 gramos por litro.
La solución de inmersión de plata se puede usar
en los procesos a temperaturas que varían desde temperatura
ambiente hasta 93ºC (200ºF), pero es preferible que se usen de 26,7
a 49ºC (de 80 a 120ºF). El tiempo de inmersión en la solución de
metalizado puede variar de 1 a 30 minutos pero es preferible de 3 a
6 minutos.
La solución de inmersión de plata de la presente
invención se usa, en consecuencia, para metalizar una capa fina de
plata sobre la superficie que se va a soldar. Se cree que el
recubrimiento de plata resultante debería ser de 1 a 100 micro
pulgadas (1 pulgada = 25,4 mm) de espesor, preferiblemente de de 20
a 60 micro pulgadas de espesor para potenciación y conservación
eficaces de la soldabilidad de la superficie. Aunque este proceso
es eficaz en la soldadura de muchas superficies, es particularmente
útil para soldar superficies de cobre, tales como Áreas de Conexión
en placas de circuito impreso.
En la realización más preferida de la presente
invención el depósito de inmersión de plata se metaliza después con
un segundo recubrimiento de inmersión de un metal más noble que la
plata, tal como oro, paladio, rutenio o rodio. Los inventores han
encontrado que la inmersión en oro es particularmente útil en este
sentido.
Se descubrió que, mientras un única capa de
recubrimiento de inmersión ofrecía protección y potenciación de la
soldabilidad, debido a la porosidad inherente de los depósitos de
inmersión, un doble recubrimiento de inmersión que consiste en un
primer metal que es más noble que el metal de base seguido de un
segundo metal que es más noble que el primer metal proporciona,
inesperadamente, mejores resultados. El primer metal puede ser
plata (como se describe en este u otros documentos) u otro metal que
sea más noble que la base. En el caso de que la base sea de cobre,
el primer metal puede ser plata, estaño, paladio, rutenio, rodio,
bismuto o similares. El segundo metal debe elegirse de manera que
sea más noble que el primer metal. Un ejemplo de un segundo metal
que sea viable con el primer metal señalado podría ser oro. La
importancia de la invención, sin embargo, es que el proceso
consiste en dos recubrimientos de inmersión constituidos por un
primer metal que es más noble que la base seguido de un segundo
metal que es más noble que el primer metal. La combinación más
preferida de los recubrimientos de inmersión en los que el material
de base es cobre o níquel es inmersión en plata, como se indica en
este documento, seguida de inmersión en
oro.
oro.
Aunque sin desear ceñirse a una teoría, se cree
que el primer recubrimiento de inmersión (plata) es inherentemente
poroso y, por lo tanto, puede dejar expuestas algunas trayectorias a
la superficie subyacente (cobre). Cuando se aplica el segundo
recubrimiento de inmersión sugerido, estos iones de un metal más
noble tienen acceso no sólo a la capa de metal intermedia, sino
también a la capa base a través de los poros. Ya que la diferencia
entre los potenciales rédox convencionales de la base y de la capa
superior es mayor que entre la base y las capas intermedias, la
reacción de inmersión transcurrirá a una velocidad mucho mayor
dentro de los poros (es decir, sobre cualquier metal base
expuesto). Por lo tanto, el metal más noble de la capa superior
sellará completamente la superficie de la base antes de que se
construya un depósito de inmersión del espesor adecuado en la capa
de metal intermedia. En consecuencia, se cree que esta sinergia
proporciona una soldabilidad óptima.
Aunque esta técnica puede utilizarse
ventajosamente sobre casi cualquier superficie, es más útil en la
fabricación de placas de circuitos impresos, particularmente
máscaras de soldadura sobre placas SMOBC de cobre al descubierto.
Así, en la fabricación de placas SMOBC, la máscara de soldadura se
aplica a las superficies de la placa y, posteriormente, se exponen
y desarrollan para descubrir las áreas de Conexión. Estas Áreas de
Conexión son después esencialmente las únicas Áreas de cobre
expuestas en la placa, con el resto cubierto esencialmente por la
máscara de soldadura. Estas Áreas de Conexión expuestas, en
consecuencia, se destinan a ser puntos de unión, en la mayoría de
casos por soldadura, cuando los componentes electrónicos se colocan
después en la placa al final del ciclo de fabricación. Por lo
tanto, la soldabilidad de estos puntos expuestos, generalmente de
cobre, debe potenciarse y conservarse.
Así, de acuerdo con la presente invención estas
áreas, se limpian después preferiblemente usando un limpiador ácido
y, posteriormente, se microatacan para preparar la superficie para
un metalizado por inversión aceptable. Después de esta preparación
preferida, la placa se sumerge en la solución de inmersión de plata,
de modo que se consiga un depósito de plata de espesor apropiado.
En la realización más preferida, la placa se sumerge después en una
segunda solución de inmersión de plata que metaliza un metal más
noble que la plata, de manera que se consigue un recubrimiento
superior de este tercer metal con un espesor de 1,27 a 635 \mucm
(0,5 a 25 micro pulgadas).
La invención se describe, adicionalmente, con
propósitos ilustrativos sólo en los siguientes ejemplos que no son
de ninguna manera limitantes de la propia invención.
Ejemplo
I
Se fabricaron diversos agujeros de paso
metalizados de placas de circuito impreso mediante el siguiente
ciclo:
1. Realizar taladros a través del laminado de
recubrimiento de cobre.
2. Procesar las placas a través de un ciclo de
metalizado de agujero de paso convencional para metalizar cobre no
electrolítico en los agujeros y sobre la superficie.
3. Aplicar una máscara de metalizado.
4. Metalizar el cobre electrolíticamente al
espesor deseado en los agujeros y en la circuitería expuesta.
5. Metalizar electrolíticamente estaño en los
agujeros y en la circuitería expuesta para servir como protector de
ataque.
6. Separar el material protector del
metalizado.
7. Atacar el cobre expuesto (es decir, el cobre
no metalizado con estaño).
8. Separar el estaño.
9. Aplicar, formar imagen y desarrollar una
máscara de soldadura tal que la máscara de soldadura cubra
sustancialmente toda la superficie de la placa excepto las Áreas de
Conexión.
10. Limpiar y microatacar las Áreas de
Conexión.
11. Metalizar por inmersión las Áreas de
Conexión con la siguiente solución de metalizado de plata hasta un
espesor de 63,5 \mucm (25 micro pulgadas):
- Nitrato de Plata - 1 g/litro
- Ácido Metano Sulfónico (70%) - 20 ml/litro
- ácido 3,5 dinitrohidroxi benzoico - 1 g/l
- 1-Histidina - 1 g/l
- Agua - hasta 1 litro
\vskip1.000000\baselineskip
- Temperatura - 37,8ºC (100ºF)
- Tiempo - 5 minutos
Nota: Entre cada etapa de procesado químico
anterior se realizó un aclarado con agua dulce.
La plata se metalizó de manera lisa y adherente
sobre las superficies de cobre. Las placas se sometieron
posteriormente a un envejecido acelerado por exposición de las
mismas en una cámara de atmósfera húmeda al 100% de humedad
relativa a 93ºC durante 8 horas. Las placas se secaron,
posteriormente, a 130ºC durante 5 minutos. Las placas se
sumergieron durante 10 segundos en un flujo de 2500M Interflux IF no
limpio/sin residuos, se dejaron escurrir durante 60 segundos, a
continuación se hicieron flotar en soldadura fundida a 246ºC (475ºF)
durante 10 segundos. El recubrimiento de soldadura sobre las
superficies metálicas de las placas se evaluó posteriormente en una
base porcentual y se encontró que era de aproximadamente 98,9%.
Ejemplo
II
Se fabricaron diversos agujeros de paso
metalizados de placas de circuito impreso mediante el mismo proceso
que en el Ejemplo 1, excepto que, después de la etapa 11, se siguió
la siguiente secuencia:
- \quad
- 12. Las placas se metalizaron por inmersión en oro usando una MacDermid Immersion Gold XD-6268 (disponible en MacDermid, Incorporated, 245 Freight Street, Waterbury, CT. 06702). La temperatura fue de 82,2ºC (180ºF) y el tiempo de 2 minutos.
- \quad
- Las placas se envejecieron posteriormente y se analizaron de la misma manera que en el Ejemplo 1. El recubrimiento resultante se encontró que era de aproximadamente 99,6% en una base porcentual.
Ejemplo
III
Se fabricaron diversos agujeros de paso
metalizados de placas de circuito impreso mediante el mismo proceso
que en el Ejemplo 1, excepto que después de la etapa 10, se siguió
la siguiente secuencia alternativa:
- 11. Se metalizaron las placas en níquel no electrolítico usando Níquel No Electrolítico MacDermid Planar a 77ºC (170ºF) durante 5 minutos.
- \quad
- 12. Las placas se metalizaron en MacDermid Immersion Gold XD-6268 a 82ºC (180ºF) durante 5 minutos.
Las placas se envejecieron y evaluaron
posteriormente de la misma forma que en el Ejemplo 1. Se encontró
que el recubrimiento resultante era de aproximadamente 58,50% en
una base porcentual.
Claims (12)
1. Una composición útil para el metalizado de
plata sobre un sustrato metálico, composición que comprende:
(a) una fuente soluble de iones de plata;
(b) un ácido;
(c) un oxidante seleccionado entre compuestos
nitroaromáticos; y
(d) un imidazol con la siguiente fórmula
en la que R_{1},_{ }R_{2},
R_{3}; y R_{4}, se seleccionan independientemente entre el grupo
que consiste en grupos alquilo sustituidos o no sustituidos, grupos
arilo sustituidos o no sustituidos, halógenos, grupos nitro e
hidrógeno.
2. Una composición de acuerdo con la
reivindicación 1, en la que el compuesto nitro aromático es un
compuesto dinitro aromático.
3. Una composición de acuerdo con la
reivindicación 1 o reivindicación 2, en la que el ácido es ácido
metano sulfónico.
4. Una composición de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 3, en la que la fuente soluble de iones
de plata es nitrato de plata.
5. Una composición de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 4, en la que la concentración de plata
en la composición varía de 0,1 a 25 g/l.
6. Una composición de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 5, en la que la concentración de plata
en la composición varía de 0,5 a 2 g/l.
7. Una composición de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 6, en la que la concentración de ácido
en la composición varía de 1 a 150 g/l.
8. Una composición de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 7, en la que la concentración de ácido
en la composición varía en el rango de 5 a 50 g/l.
9. Una composición de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 8, en la que el imidazol es
histidina.
10. Una composición de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en la que el compuesto
nitro aromático es ácido
3,5-dinitrohidroxibenzoico.
11. Una composición de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en la que la
concentración de oxidante en la composición varía de 0,1 a 25
g/l.
12. Una composición de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en la que la
concentración del oxidante en la composición varía de 0,5 a 2
g/l.
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