DE69705262T2

DE69705262T2 - Verfahren zur Beschichtung eines Gegenstandes mit einer konformen Nickelbeschichtung

Info

Publication number: DE69705262T2
Application number: DE69705262T
Authority: DE
Inventors: Joseph Anthony Abys; Chonglun Fan; Igor Veljko Kadija
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1996-06-06
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 2002-04-18
Anticipated expiration: 2017-05-28
Also published as: US5916696A; DE69705262D1; US6399220B1; US6090263A; JPH1060685A; EP0811706B1; KR100440363B1; EP0811706A1; MY133609A; JP3266545B2; SG55327A1; KR980006215A; HK1004817A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen rißbeständigen Nickelüberzug und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Nickelüberzugs auf einem Gegenstand.

Stand der Technik

Bauelemente wie integrierte Schaltungen werden über Leiterrahmen mechanisch und elektrisch mit größeren Baueinheiten verbunden. Die integrierte Schaltung oder das andere Bauelement wird mechanisch auf den Leiterrahmen montiert und dann mit den Anschlußbeinchen des Leiterrahmens elektrisch verbunden. Dann wird der Leiterrahmen elektrisch und mechanisch mit einer größeren Baueinheit verbunden. Nach der Montage des Bauelements auf dem Leiterrahmen wird es durch Verschließen mit einem Gehäuse geschützt. Zu diesem Verfahren gehören die Schritte Drahtbonden, Trimmen und Formen, Tempern und Verkapseln. Bei diesen Schritten unterliegt der Metall-Leiterrahmen mechanischer Belastung und Spannung. So beträgt beispielsweise bei Ausbildung (Formung) der Anschlußbeinchen des Leiterrahmens gemäß der JEDEC-Norm der Bildungswinkel (Formungswinkel) 82-90 Grad und der Bildungsradius (Formungsradius) etwa 10 Millizoll ( 250 um).
Leiterrahmen sind aus verschiedenen Werkstoffen angefertigt worden. Die Auswahl von Werkstoffen für Leiterrahmen erfolgt im Hiblick auf ihre mechanische Festigkeit, Leitfähigkeit, Zerspanbarkeit, Formbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Lötbarkeit und thermische Ausdehnung. Gold, Platin und Palladium besitzen zwar die gewünschten Eigenschaften, kommen aber wegen ihres Preises für die meisten Anwendungen nicht in Betracht. Auch Kupfer und Kupferlegierungen sind aufgrund ihrer vielen vorteilhaften Eigenschaften für diese Anwendung geeignet. Hierbei kommt eine Reihe von verschiedenen Kupferlegierungen zur Anwendung, darunter Legierung 151 (99,9 Gew.-% Kupfer/0,1 Gew.-% Zirconium), Legierung 194 (97,5 Gew.-% Kupfer/2,35 Gew.-% Eisen/0,03 Gew.-% Phosphor, 0,12 Gew.-% Zink) und Legierung 7025 (96,2 Gew.-% Kupfer/3,0 Gew.-% Nickel/0,65 Gew.-% Silicium/0,15 Gew.-% Magnesium). Aufgrund der Korrosion des Kupfers an der Luft und der Schwierigkeit der Bildung guter Lötverbindungen zu Kupfer müssen Leiterrahmen aus Kupfer jedoch beschichtet werden. Der Überzug auf dem Leiterrahmen liefert Korrosionsschutz und eine gute lötbare Oberfläche. Auch die Eisen- Nickel-Legierung mit der Bezeichnung Legierung 42 ist aufgrund ihrer Eigenschaften zur Verwendung als Leiterrahmen geeignet. Wegen der Korrosion dieses Metalls an der Luft ist jedoch auch die Verwendung von unbeschichteter Legierung 42 als Leiterrahmen-Werkstoff ausgeschlossen.
Die kupfer- und eisenhaltigen Werkstoffe werden in der Regel mit Nickel beschichtet, um die Oxidation des darunterliegenden Kupfers oder Eisens zu verhindern. Nickel wird jedoch an der Luft ebenfalls oxidiert, und derartige Oxide sind unerwünscht. Zur Verhinderung der Bildung dieser Oxide wird auf dem Nickel eine dünne Schicht aus einem Metall, das nicht oxidiert wird, abgeschieden. Beispiele für diese Stoffe, die in der Regel als "edle" Metalle bezeichnet werden, sind Silber, Palladium und Gold. Diese dünnen Überzüge sind etwa 0,075 um bis etwa 1,5 um dick.
Nach üblichen galvanischen Verfahren aufgebrachte Nickelüberzüge neigen zur Rißbildung, wenn der Leiterrahmen den mit dem oben erläuterten Trimmen und Formen beim Verschließen von Bauelementen mit einem Gehäuse einhergehenden Belastungen und Spannungen unterworfen wird. Wenn die Nickelschicht reißt, reißt auch die darüberliegende Edelmetallschicht. Wenn diese Metallüberzüge reißen, wird die darunterliegende Kupfer- oder Eisenlegierung oxidiert und korrodiert und wandert in Gegenwart von Feuchtigkeit zur Oberfläche. Diese Oberflächenablagerungen wirken sich ungünstig auf das in einem Gehäuse verschlossene Bauelement aus.
Gefordert ist daher ein Nickelüberzug für einen Leiterrahmen, der nicht reißt, wenn der Leiterrahmen den mit dem Verschließen von elektronischen Bauelementen in einem Gehäuse einhergehenden Belastungen und Spannungen unterworfen wird.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist in den Ansprüchen definiert. Offenbart wird ein anschmiegsamer Nickelüberzug, der beim Formen eines Leiterrahmens, auf dem der anschmiegsame Nickelüberzug aufgebracht ist, gemäß der JEDEC-Norm, d. h. mit einem Bildungswinkel der Anschlußbeinchen von mindestens etwa 82 Grad mit dem Leiterrahmen und einem Bildungsradius von etwa 10 Millizoll (was etwa 250 um entspricht), nicht reißt. Der Bildungswinkel 12 des Leiterrahmens 10 und der Bildungsradius 14 des Leiterrahmens 10 sind in Fig. 1 dargestellt. Nach dem Formen wird der Leiterrahmen an ein Bauelement angeschlossen, mit einem Gehäuse verschlossen und in eine größere Baueinheit eingebracht. Ferner wird ein Verfahren zur Bildung einer anschmiegsamen Nickelschicht auf der Oberfläche eines Metallsubstrats offenbart. Beispiele für Metallsubstrate sind Substrate aus Kupfer, Kupferlegierung und Eisenlegierung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter einer anschmiegsamen Nickelschicht eine Schicht aus Nickel zu verstehen, die sich an die Oberfläche des Metalls, auf dem das Nickel abgeschieden wird, derart anschmiegt, daß sie selbst beim Formen des beschichteten Leiterrahmens nach der oben beschriebenen Norm nicht reißt. Beim Formen eines Leiterrahmens nach der obigen Norm ergeben sich im Leiterrahmensubstrat Verformungen. Diese Verformungen äußern sich als Oberflächenunebenheiten mit einer Tiefe von 0,1 um oder mehr. Beispiele für Substrate, die für diese Oberflächenverformungen anfällig sind, sind Substrate aus Legierung 151, Legierung 194, Legierung 7025 und Legierung 42. Je dicker das Substrat ist, desto mehr neigt es zur Rißbildung beim Formen. Der erfindungsgemäße anschmiegsame Nickelüberzug reißt nicht, wenn die Tiefe der infolge des Formens des Leiterrahmens auftretenden Oberflächenverformungen weniger als 5 um beträgt. Der erfindungsgemäße anschmiegsame Nickelüberzug ist mindestens etwa 0,5 um dick. Der erfindungsgemäße anschmiegsame Nickelüberzug weist vorteilhafterweise eine Dicke von mindestens etwa 2 um auf.
Der erfindungsgemäße anschmiegsame Nickelüberzug weist eine Dehnung von mindestens etwa 25 Prozent (gemessen nach ASTM-Norm B489-85) auf, wenn ein Substrat mit dem anschmiegsamen Nickelüberzug nach der JEDEC-Norm geformt wird. Dies stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber der Dehnung von Nickelüberzügen des Standes der Technik dar. Die Dehnung (die manchmal auch als Duktilität bezeichnet wird) ist ein Maß für den Grad, bis zu dem sich ein Überzug verformt. Je größer die Dehnung oder Duktilität des Überzugs ist, desto höher ist seine Rißbeständigkeit beim Verformen des beschichteten Substrats.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhält man eine Nickelschicht, die sich in der gewünschten Art und Weise an das Substrat anschmiegt, indem man den Leiterrahmen in einem Galvanisierbad beschichtet, das etwa 75 g/l bis etwa 130 g/l eines Nickelkomplexes wie Ni(NH&sub2;SO&sub3;)&sub2; und etwa 3 g/l bis etwa 5 g/l eines Nickelsalzes wie NiCl&sub2;·6H&sub2;O enthält. Das Galvanisierbad enthält vorteilhafterweise etwa 30 g/l bis etwa 45 g/l eines Puffers wie H&sub3;BO&sub3; und etwa 5 ml/l bis etwa 20 ml/l eines perfluorierten quartären Amins als Netzmittel (bezogen auf eine wäßrige Lösung, die etwa 10 ppm des perfluorierten quartären Amins enthält) wie Perfluordodecyltrimethylammoniumfluorid. Die Zusammensetzung des Bads wird so eingestellt, daß der pH-Wert des Bads im Bereich von etwa 2 bis etwa 2,5 gehalten wird.
Die Metallverunreinigungen liegen im Bad vorteilhafterweise in einer Menge von etwa 30 ppm oder weniger vor. Metallverunreinigungen sind alle Metalle außer Nickel. Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die galvanische Abscheidung des Nickels auf dem Leiterrahmenmetallsubstrat mit einer Stromdichte von etwa 5 A/dm² bis etwa 50 A/dm² bei einer Badtemperatur von etwa 50ºC bis etwa 65ºC. Das Bad wird bei der Galvanisierung vorteilhafterweise mit einer Geschwindigkeit von etwa 25 cm/s bis etwa 60 cm/s gerührt.
Nach der Ausbildung des anschmiegsamen Nickelüberzugs auf dem Leiterrahmensubstrat wird das Nickel mit einer Schicht aus einem Metall, das an der Luft nicht oxidiert wird, beschichtet, um eine lötbare Oberfläche zu liefern, da Nickel an der Luft oxidiert wird und das oxidierte Nickel die Ausbildung einer guten, lötbaren Verbindung unmöglich macht. Beispiele für derartige Stoffe sind Gold, Silber, Palladium und Palladiumlegierungen. Diese Schichten sind in der Regel etwa 0,075 um bis etwa 1,5 um dick und werden auf den Nickelsubstraten nach dem Fachmann gut bekannten Verfahren ausgebildet. So wird beispielsweise ein Verfahren zur Ausbildung einer Palladiumschicht auf einem Substrat in der US-PS 4,911,799 von Abys et al. beschrieben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Leiterrahmens nach dem Formen gemäß der JEDEC-Norm.
Fig. 2A-2C sind mit 200facher, 400facher und 1000facher Vergrößerung aufgenommene photographische Aufnahmen eines Leiterrahmens aus Legierung 194, der mit einem Krümmungsradius von etwa 250 um zu einem Winkel von 90 Grad geformt wurde. Die Fig. 2A und 2B zeigen eine Draufsicht, und die Fig. 2C zeigt eine Seitenansicht.
Fig. 3A und 3B sind mit 400facher und 1000facher Vergrößerung in Seitenansicht aufgenommene photographische Aufnahmen eines mit einem anschmiegsamen Nickelüberzug versehenen Leiterrahmens aus Legierung 194, der mit einem Krümmungsradius von etwa 250 um zu einem Winkel von 90 Grad geformt wurde.
Fig. 4A und 4B sind mit 1000facher Vergrößerung aufgenommene photographische Aufnahmen eines nach einem Verfahren des Standes der Technik mit einem handelsüblichen Nickelüberzug versehenen Leiterrahmens aus Legierung 194, der mit einem Krümmungsradius von etwa 250 um zu einem Winkel von 90 Grad geformt wurde. Fig. 4A zeigt eine Seitenansicht, Fig. 4B eine Draufsicht.
Fig. 5 ist eine photographische Aufnahme des in den Fig. 3A und 3B dargestellten Leiterrahmens nach 8 Stunden Wasserdampfalterung und Verlötung mit einem nicht aktivierten Kolophonium-Flußmittel.
Fig. 6 ist eine photographische Aufnahme des in den Fig. 4A und 4B dargestellten Leiterrahmens nach 8 Stunden Wasserdampfalterung und Verlötung mit einem nicht aktivierten Kolophonium-Flußmittel.
Fig. 7 ist eine in Seitenansicht aufgenommene photographische Aufnahme eines Leiterrahmens aus Legierung 42 mit darauf galvanisch abgeschiedenen, aufeinanderfolgenden Schichten aus Kupfer, Nickel und Palladium. Bei der Nickelschicht handelt es sich um den anschmiegsamen Nickelüberzug der vorliegenden Erfindung. Der Leiterrahmen wurde mit einem Bildungsradius von 250 um zu einem Winkel von 90 Grad geformt.
Fig. 8 ist eine in Draufsicht aufgenommene photographische Aufnahme des Leiterrahmens gemäß Fig. 7 nach 24 Stunden Salzsprühnebel-Belastung.
Fig. 9 ist eine in Seitenansicht aufgenommene photograhische Aufnahme eines Leiterrahmens aus Legierung 42 mit darauf galvanisch abgeschiedenen, aufeinanderfolgenden Schichten aus Kupfer, Nickel und Palladium. Die Nickelschicht wurde nach einem Verfahren des Standes der Technik galvanisch abgeschieden. Der Leiterrahmen wurde mit einem Bildungsradius von 250 um zu einem Winkel von 90 Grad geformt.
Fig. 10 zeigt eine in Draufsicht aufgenommene photographische Aufnahme des Leiterrahmens gemäß Fig. 9 nach 8 Stunden Salzsprühnebel-Belastung.

NÄHERE BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen anschmiegsamen Nickelüberzug für Leiterrahmensubstrate. Bei den Leiterrahmensubstraten handelt es sich in der Regel um Werkstoffe wie Kupfer und dessen Legierungen (z. B. die oben beschriebenen Legierungen 151, 194 und 7025) und Eisen-Nickel-Legierungen wie Legierung 42. Beim Formen nach der JEDEC-Norm entwickeln sich in der Oberfläche dieser Substrate Verformungen mit einer Tiefe von mindestens 0,1 um. Der Nickelüberzug ist mindestens etwa 0,5 um dick. Vorteilhafterweise beträgt die Dicke mindestens etwa 2 um. Der anschmiegsame Nickelüberzug reißt beim Formen des Leiterrahmensubstrats nach Standardmethoden wie der JEDEC-Norm, welche das Verbiegen des Leiterrahmensubstrats um mindestens 82 Grad mit einem Bildungsradius von mindestens etwa 250 um fordert, nicht über die gesamte Dicke der Nickelschicht, wenn die Tiefe der infolge des Formens in der Oberfläche des Substrats auftretenden Verformungen weniger als 5 um beträgt. Gemäß dieser Norm ist das Substrat mindestens etwa 100 um dick.
Wie die Fig. 2A-2C zeigen, treten beim Formen des Leiterrahmens nach der JEDEC-Norm im Leiterrahmensubstrat Oberflächenunregelmäßigkeiten auf, die üblicherweise als "Orangenhaut" bezeichnet werden. Fig. 2A zeigt eine photographische Aufnahme eines Leiterrahmens aus Legierung 194, der mit einem Radius von etwa 250 um zu einem Winkel von 90 Grad geformt wurde. Aus der Aufnahme gehen bei 200facher Vergrößerung die sich aus dem Formprozeß ergebenden Oberflächenunregelmäßigkeiten hervor. Fig. 2B zeigt eine photographische Aufnahme desselben Leiterrahmens, aber mit 400facher Vergrößerung. In dieser Aufnahme sind die "Orangenhaut"-Unregelmäßigkeiten wiederum eindeutig zu erkennen. Fig. 1C zeigt eine photographische Aufnahme desselben Leiterrahmens, diesmal aber von der Seite. In dieser Aufnahme sind bei 1000facher Vergrößerung in der Oberfläche des Leiterrahmens Vertiefungen mit einer Tiefe von bis zu 3 gm zu erkennen, die sich aus dem Formprozeß ergeben.
Wie weiter oben bereits erwähnt, führen diese Unregelmäßigkeiten zu Rissen im Nickelüberzug, und das darunterliegende Kupfer wird oxidiert und korrodiert und wandert in Gegenwart von Feuchtigkeit durch die Risse zur Oberfläche des beschichteten Leiterrahmens. Bilden sich die Kupferkorrosionsprodukte auf der Oberfläche des Leiterrahmens, so wird die Lötbarkeit verschlechtert und eine ausreichende mechanische und elektrische Verbindung zwischen dem Leiterrahmen und anderen Bauelementen verhindert. Folglich ist eine Nickelschicht, die beim Formen des Leiterrahmens nicht reißt, höchst wünschenswert.
Die Ausbildung des anschmiegsamen Nickelüberzugs auf dem Substrat erfolgt durch ein Verfahren zur galvanischen Abscheidung, bei dem man den pH-Wert des Bads im Bereich von etwa 2 bis etwa 2,5 hält. Der Metall-Leiterrahmen wird in ein Galvanisierbad eingebracht, das einen Nickelkomplex und ein Nickelsalz enthält. Nach einer Ausführungsform enthält das Bad etwa 75 g/l bis etwa 130 g/l eines Nickelkomplexes wie Ni(NH&sub2;SO&sub3;)&sub2; und etwa 3 g/l bis etwa 5 g/l eines Nickelsalzes wie NiCl&sub2;·6H&sub2;O. Das Galvanisierbad enthält vorteilhafterweise etwa 30 g/l bis etwa 45 g/l eines Puffers wie H&sub3;BO&sub3; und etwa 5 ml/l bis etwa 20 ml/l eines perfluorierten quartären Amins trimethylals Netzmittel, wie z. B. Perfluordodecyltrimethylammoniumfluorid. Das Bad enthält etwa 5 ml/l bis etwa 50 ml/l des Netzmittels, bezogen auf eine wäßrige Lösung, die etwa 10 ppm des perfluorierten quartären Amins enthält.
Das Bad enthält vorteilhafterweise 30 ppm oder weniger an Metallverunreinigungen. Insbesondere enthält das Bad vorteilhafterweise weniger als 20 ppm Eisenverunreinigungen, weniger als 25 ppm Kupfer-, Zinn- und Zinkverunreinigungen und weniger als 30 ppm Bleiverunreinigungen.
Zur galvanischen Abscheidung einer
Nickelschicht auf dem Leiterrahmensubstrat legt man an das Bad, das bei einer Temperatur von etwa 50ºC bis etwa 65ºC gehalten wird, eine Stromdichte von etwa 5 A/dm² bis etwa 50 A/dm² an. Die Nickelschicht ist mindestens etwa 0,5 um dick. Die Dicke der Nickelschicht beträgt vorteilhafterweise mindestens etwa 2 um. Die zum Erhalt einer Nickelschicht der gewünschten Dicke erforderliche Stromdichte und Galvanisierungsdauer kann vom Fachmann leicht ermittelt werden.
Nach der Ausbildung der Nickelschicht auf dem Substrat kann die Nickelschicht mit weiteren Stoffschichten versehen werden, die dem beschichteten Leiterrahmen wünschenswerte Eigenschaften verleihen. So wird beispielsweise in der US-PS 5,360,991 von Abys et al. die Nickelschicht mit einer Palladium-Strike- oder Gold-Strike-Schicht gefolgt von einer Schicht aus Palladium-Nickel-Legierung gefolgt von einer Palladiumschicht versehen. Diese aufeinanderfolgenden Schichten richten sich größtenteils nach der Wahl der Ausgestaltung. Wie weiter oben bereits erwähnt, ist es jedoch vorteilhaft, die Nickelschicht zur Lieferung einer lötbaren Oberfläche mit einer Edelmetallschicht zu versehen. Da Nickel an der Luft oxidiert wird und oxidiertes Nickel keine wünschenswerte Oberfläche für die Herstellung von elektrischen Verbindungen darstellt, versieht man die Nickelschicht vorteilhafterweise mit einer Schicht aus einem Stoff, der eine gute Leitfähigkeit aufweist und an der Luft nicht oxidiert wird. Beispiele für Stoffe, die an der Luft nicht oxidiert werden, sind Palladium, Gold und Silber.
Die folgenden Beispiele dienen lediglich der Erläuterung.

Beispiel 1

Zur Herstellung eines Galvanisierbads wurden 120 g des Nickelkomplexes Ni(NH&sub2;SO&sub3;)&sub2;, 5 g eines Nickelsalzes (NiCl&sub2;·H&sub2;O) und 30 Gramm des Puffers H&sub3;BO&sub3; vereinigt und die Mischung mit Wasser auf ein Volumen von einem Liter verdünnt. Diese Mischung wurde mit 20 ml/l einer 10 ppm Perfluordodecyltrimethylammoniumfluorid enthaltenden wäßrigen Lösung versetzt. Bei der Galvanisierung wurde die Badtemperatur bei 60ºC gehalten, und der pH-Wert belief sich auf 2. Das Bad wurde mit einer Geschwindigkeit von 25 cm/s gerührt.

Beispiel 2

Das in Beispiel 1 beschriebene Bad wurde zur galvanischen Abscheidung von Nickel auf verschiedenen Leiterrahmenmetallsubstraten verwendet. In diesem Beispiel wurde auf einem Leiterrahmen aus Legierung 194 mit einer Dicke von 0,127 mm durch Anlegen einer Stromdichte von 10 A/dm² an das Bad über einen Zeitraum von 1,5 Minuten eine 2,5 um dicke Schicht aus anschmiegsamem Nickel gebildet. Die Nickelschicht wurde mit einer 0,025 um dicken Palladium-Strike-Schicht, dann mit einer 0,075 um dicken Schicht aus Palladium- Nickel-Legierung (80 Gewichtsprozent Palladium) und danach mit einer 0,075 um dicken Schicht Palladiumplattierung versehen. Die zur galvanischen Abscheidung der Palladium-Strike-, Palladium-Nickel- Legierungs- und Palladiumplattierungsschicht angewandten Bedingungen sind dem Fachmann gut bekannt und werden in der US-PS 5,360,991 von Abys et al., US- PS 4,178,475 von Abys et al., US-PS 4,911,798 von Abys et al. und US-PS 4,911,799 von Abys et al. beschrieben.

Beispiel 3

In diesem Beispiel wurde auf einem Leiterrahmen aus Legierung 194 mit einer Dicke von 0,2032 mm durch Anlegen einer Stromdichte von 10 A/dm² an das in Beispiel 1 beschriebene Bad über einen Zeitraum von 2 Minuten und 15 Sekunden eine 3,75 um dicke anschmiegsame Nickelschicht gebildet. Die Nickelschicht wurde mit einer 0,025 um dicken Palladium-Strike- Schicht, dann mit einer 0,075 um dicken Schicht aus Palladium-Nickel-Legierung (80 Gewichtsprozent Palladium) und danach mit einer 0,075 um dicken Schicht Palladiumplattierung versehen.
Der Leiterrahmen wurde dann nach der JEDEC-Norm geformt, d. h. die Anschlußbeinchen wurden zu einem Winkel von 90 Grad mit dem Substrat mit einem Radius von etwa 250 um gebogen. Die Fig. 3A und 3B zeigen photographische Aufnahmen des Leiterrahmens. Beide Aufnahmen wurden von der Seite aufgenommen, Fig. 3A mit 400facher Vergrößerung und Fig. 3B mit 1000facher Vergrößerung. Beide Aufnahmen zeigen, daß sich infolge des Formprozesses keine Risse über die gesamte Dicke des erfindungsgemäßen anschmiegsamen Nickelüberzugs bildeten.

Beispiel 4

Auf einem Leiterrahmen aus Legierung 42 mit einer Dicke von 0,1524 mm wurde eine Kupfer-Strike- Schicht galvanisch abgeschieden. Die Kupfer-Strike- Schicht war 0,125 um dick und wurde mit einer Stromdichte von 2,6 A/dm² aufgebracht. Aus derselben Lösung wurde auf der Kupfer-Strike-Schicht eine 4 um dicke Kupferschicht abgeschieden. Das Bad zur galvanischen Abscheidung von Kupfer enthielt 42 g/l Kupfercyanid, 66,6 g/l Kaliumcyanid, 30 g/l Kaliumcarbonat und 60 g/l Rochellesalz. Hierbei handelt es sich um ein im Handel erhältliches Bad zur galvanischen Abscheidung von Kupfer, das dem Fachmann gut bekannt ist. Das Kupferbad wurde bei der Galvanisierung bei einer Temperatur von 45ºC bis 55ºC und einem pH-Wert von 10,2 bis 10,5 gehalten. Zum Erhalt eines Überzugs der gewünschten Dicke wurde 20 Minuten eine Stromdichte von 1,3 A/dm² angelegt.
Auf dem mit Kupfer beschichteten Substrat wurde unter Verwendung eines im Handel erhältlichen Sulfamatbads zur galvanischen Abscheidung von Nickel von der Firma Witco Corporation eine 2,5 um dicke Nickelschicht galvanisch abgeschieden. Die Badzusammensetzung enthielt 75 g/l Nickelsulfamat, 5 g/l NiCl&sub2;·6H&sub2;O, 30 g/l H&sub3;BO&sub3; und genug Wasser zum Verdünnen der Mischung auf einen Liter. Hierzu wurden 0,3 Volumenprozent Barret SNAP A/M (Antilochfraßmittel) und 7,8 ml/l Barret SNHA (Härtungsmittel) gegeben. Das Galvanisierungsbad wurde bei einer Temperatur von 50ºC und einem pH-Wert von 4,0 gehalten. Zur Durchmischung des Bades wurde mit mäßiger Geschwindigkeit gerührt. Auf die Nickelschicht wurde dann ein 0,175 um dicker Palladiumüberzug aufgebracht.

Beispiel 5

Auf einen Leiterrahmen aus Legierung 42 mit einer Dicke von 0,1524 mm wurde nach dem Wood'schen Nickelverfahren eine 0,125 um dicke Nickel-Strike- Schicht aufgebracht. Beim Wood'schen Nickelverfahren bringt man das Substrat in ein Bad ein, das 240 g/l Nickelchlorid und 120 ml/l Salzsäure enthält. Das Bad war mit einer Nickelelektrode ausgestattet. Das Bad wies einen pH-Wert von 0,6 auf und befand sich bei Umgebungstemperatur. Zur galvanischen Abscheidung der Nickelschicht wurde eine Minute eine Stromdichte von etwa 2 A/dm² bis etwa 5 A/dm² angelegt. Über die Nickel- Strike-Schicht wurde dann unter Verwendung der in Beispiel 4 beschriebenen Substanzen und Bedingungen eine 4 um dicke Kupferschicht galvanisch abgeschieden. Auf das mit Kupfer beschichtete Substrat wurde dann unter Verwendung des in Beispiel 4 beschriebenen, im Handel erhältlichen Sulfamatbads zur galvanischen Abscheidung von Nickel eine 2,5 um dicke Nickelschicht galvanisch abgeschieden. Danach wurde die Nickelschicht mit einem 0,175 um dicken Palladiumüberzug versehen.

Beispiel 6

Auf einem Leiterrahmen aus Legierung 42 mit einer Dicke von 0,1524 mm wurde eine Kupfer-Strike- Schicht galvanisch abgeschieden. Die Kupfer-Strike- Schicht war 0,125 um dick und wurde mit einer Stromdichte von 2,6 A/dm² aufgebracht. Aus derselben Lösung wurde auf der Kupfer-Strike-Schicht unter Verwendung der in Beispiel 4 beschriebenen Substanzen und Bedingungen eine 4 um dicke Kupferschicht abgeschieden. Auf das mit Kupfer beschichtete Substrat wurde dann unter den in Beispiel 2 beschriebenen Bedingungen eine 2,5 um dicke Schicht aus anschmiegsamem Nickel galvanisch abgeschieden. Danach wurde die Nickelschicht mit einem 0,175 um dicken Palladiumüberzug versehen.

Beispiel 7

Auf einem Leiterrahmensubstrat aus Legierung 194 mit einer Dicke von 0,127 wurde unter Anwendung des Verfahrens des Standes der Technik und der Substanzen gemäß Beispiel 4 eine 3,75 um dicke Nickelschicht galvanisch abgeschieden. Die Nickelschicht wurde mit einer 0,15 um dicken Palladiumschicht versehen. Der Leiterrahmen wurde dann nach der JEDEC-Norm geformt. Das heißt, die Anschlußbeinchen wurden in bezug auf den Leiterrahmen zu einem Winkel von 90 Grad gebogen. Der Biegeradius betrug 250 um.
Wie die Fig. 4A und 4B zeigen, bildeten sich in dieser Nickelschicht infolge des Formprozesses Risse. Fig. 4A zeigt eine photographische Aufnahme des geformten Leiterrahmens von der Seite in 1000facher Vergrößerung. Fig. 4B zeigt eine photographische Aufnahme desselben Nickelüberzugs, aber in Draufsicht. In Fig. 4A ist das über der Nickelschicht aufgebrachte Palladium nicht als separate Schicht zu erkennen. Die Fig. 4A und 4B zeigen, daß sich die Risse, die sich infolge des Formprozesses in Nickel bilden, auch in dem über der Nickelschicht aufgebrachten Palladium bilden. Wie weiter oben bereits erwähnt, wirkt sich eine derartige Rißbildung ungünstig auf die Lötbarkeit der Leiterrahmenoberfläche aus.

Beispiel 8

Zur Demonstration der durch den erfindungsgemäßen anschmiegsamen Nickelüberzug erzielten Verbesserung wurden gemäß den Beispielen 2, 3 und 7 hergestellte Leiterrahmen Normprüfungen zur Bestimmung der Hinlänglichkeit eines Überzugs unterworfen. Die in den Beispielen 2 und 7 beschriebenen beschichteten Leiterrahmen wurden der Normprüfung MIL-STD-833 (sowohl TM 2003 als auch TM 2022) unterworfen. Bei TM 2003 handelt es sich um eine Lötbarkeitsprüfung, d. h. eine "Eintauch- und Betrachtungsprüfung", die dazu dient, zu bestimmen, ob das Lot in der geforderten Zeitspanne auf dem beschichteten Metallsubstrat haftet. Bei TM 2002 handelt es sich um eine Prüfung zur Bestimmung der Netzgeschwindigkeit des Lots. Der Leiterrahmen bestand die Prüfung TM 2003, da das Lot über 95 Prozent der Leiterrahmenoberfläche bedeckte. Der Leiterrahmen bestand die Prüfung TM 2022, da die Norm fordert, daß das Lot die Oberfläche in weniger als einer Sekunde benetzt. Im Gegensatz dazu fiel der nach dem in Beispiel 7 beschriebenen Verfahren mit Nickel beschichtete Leiterrahmen bei diesen beiden Prüfungen durch.
Die in den Beispielen 3 und 7 beschriebenen beschichteten Leiterrahmen wurden der Normprüfung J- STD-002 (sowohl Kategorie 2 als auch Kategorie 3) unterworfen. Bei Kategorie 2 handelt es sich um eine einstündige Wasserdampfalterung vor der "Eintauch- und Betrachtungsprüfung". Bei Kategorie 3 handelt es sich um eine achtstündige Wasserdampfalterung vor der "Eintauch- und Betrachtungsprüfung". Der Leiterrahmen gemäß Beispiel 3 bestand die Kategorie 2, da das Lot über 95% des Leiterrahmens bedeckte. Der Leiterrahmen gemäß Beispiel 3 bestand die Kategorie 3, da das Lot über 95% des Leiterrahmens in weniger als einer Sekunde bedeckte. Im Gegensatz dazu fiel ein nach dem in Beispiel 7 beschriebenen Verfahren mit Nickel beschichteter Leiterrahmen bei diesen beiden Prüfungen durch. Dies wird durch die Fig. 5 und 6 erläutert. Fig. 5 zeigt eine photographische Aufnahme des in Beispiel 3 beschriebenen Leiterrahmens nach 8 Stunden Wasserdampfalterung und anschließender Lotauftragung gemäß TM 2003. Wie Fig. 5 zeigt, ist das Substrat einheitlich von dem Überzug bedeckt. Fig. 6 zeigt eine photographische Aufnahme des in Beispiel 7 beschriebenen Leiterrahmens nach 8 Stunden Wasserdampfalterung und anschließender Lotauftragung gemäß TM 2003. Wie Fig. 6 zeigt, erschien in dem Überzug ein verhältnismäßig großes Loch unter Freilegung des darunterliegenden Substrats.

Beispiel 9

Die in den Beispielen 4-6 beschriebenen Leiterrahmen wurden einer Prüfung auf Korrosionsbeständigkeit unterzogen (ASTM B-117). Bei dieser Prüfung wird ein Leiterrahmen über einen Zeitraum von mindestens 24 Stunden bei einer Temperatur von 35ºC einer Salzlösung ausgesetzt. Die Leiterrahmen wurden so geformt, daß die Anschlußbeinchen bei einem Krümmungsradius von 250 um mit dem Leiterrahmen einen Winkel von 90 Grad bildeten. Danach wurden die Leiterrahmen Salzsprühnebel ausgesetzt. Die Ergebnisse dieser Prüfung sind in nachstehender Tabelle 1 zusammengefaßt. TABELLE 1
Aus diesen Ergebnissen geht hervor, daß nicht aus Kupfer oder Kupferlegierung bestehende Leiterrahmensubstrate (wie die Nickel-Eisen-Legierung 42) die Prüfung ASTM B-117 bestehen, wenn auf dem Substrat eine Kupferschicht und über dem Kupfer eine Schicht aus anschmiegsamem Nickel galvanisch aufgebracht wird. Aus Tabelle 1 geht hervor, daß Substrate aus Legierung 42 durch eine Kupfer-Strike- Schicht, eine Kupferschicht und eine nicht anschmiegsame Nickelschicht oder eine Nickel-Strike- Schicht, eine Kupferschicht und eine nicht anschmiegsame Nickelschicht nicht ausreichend geschützt wurden.
Die überlegene Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen anschmiegsamen Nickelüberzugs wird auch in den Fig. 7-10 illustriert. Fig. 7 ist eine photographische Aufnahme in Seitenansicht des analog Beispiel 6 hergestellten Leiterrahmens, der nach der JEDEC-Norm zu einem Winkel von 90 Grad mit einem Krümmungsradius von 250 um geformt wurde. Fig. 7 zeigt, daß der anschmiegsame Nickelüberzug selbst nach dem Formen auf der darunterliegenden Schicht trotz der darin vorhandenen Oberflächenverformungen einen einheitlichen Überzug liefert. Fig. 8 zeigt eine photographische Aufnahme desselben Leiterrahmens nach 24 Stunden Salzsprühnebel-Belastung. Fig. 8 zeigt, daß auf dem Leiterrahmen selbst nach 24 Stunden Belastung mit den korrosiven Wirkungen von Salzsprühnebel kein Rost auftrat. Dies liefert einen weiteren Beweis dafür, daß der erfindungsgemäße Überzug auf dem darunterliegenden Substrat einen einheitlichen Überzug lieferte, da sich beim Auftreten von Rissen durch den gesamten Überzug in das darunterliegende Kupfer nach 24 Stunden Belastung mit den korrosiven Wirkungen von Salzsprühnebel auf der Leiterrahmenoberfläche Rost gebildet hätte.
Fig. 9 zeigt eine photographische Aufnahme in Seitenansicht des analog Beispiel 4 hergestellten Leiterrahmens. Zur Ausbildung der in Beispiel 4 beschriebenen Nickelschicht auf dem Leiterrahmen diente ein standardmäßiges, im Handel erhältliches Verfahren zur galvanischen Abscheidung von Nickel. Der Leiterrahmen wurde nach der JEDEC-Norm zu einem Bildungswinkel von 90ºC und einem Bildungsradius von 250 um geformt. Aus Fig. 9 geht klar hervor, daß in der über der auf dem Leiterrahmen ausgebildeten Kupferschicht liegenden Nickelschicht Risse auftraten. Ein Vergleich zwischen den Fig. 7 und 9 zeigt eindeutig die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Nickelschicht. Fig. 10 zeigt eine photographische Aufnahme desselben Leiterrahmens wie in Fig. 9 nach 8 Stunden Salzsprühnebel-Belastung. In Fig. 10 ist eindeutig Rost zu erkennen. Dies stellt einen weiteren Beleg dafür dar, daß in der Nickelschicht des in Beispiel 4 beschriebenen Leiterrahmens Risse auftraten. Daher treten keine Risse durch den gesamten erfindungsgemäßen Nickelüberzug auf, nachdem der Leiterrahmen, auf den der Überzug aufgebracht ist, nach der JEDEC-Norm geformt worden ist. Dies steht im Gegensatz zu Nickelüberzügen des Standes der Technik, in denen Risse auftreten, wenn der Leiterrahmen, auf den diese Überzüge aufgebracht sind, nach JEDEC-Normen geformt wird.

Beispiel 10

Verschiedene Substrate wurden unter Verwendung der in Beispiel 1 beschriebenen Formulierung mit dem erfindungsgemäßen Nickelüberzug beschichtet. Diese Substrate wurden dann geformt, wobei der Verbiegungsgrad von 90 bis 180 Grad variiert wurde. Die Oberflächenuneinheitlichkeit dieser geformten Substrate wurde untersucht und als Tiefe der in der Substratoberfläche festzustellenden Vertiefungen charakterisiert. Die anschmiegsamen Nickelüberzüge wurden auf beim Formprozeß aufgetretene Risse hin untersucht. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 2 zusammengestellt. TABELLE 2
Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, ist der erfindungsgemäße anschmiegsame Nickelüberzug rißfest, wenn die durch den Formprozeß verursachten Vertiefungen im Leiterrahmensubstrat weniger als 5 um tief sind.

Claims

1. Verfahren zur galvanischen Abscheidung einer Schicht aus anschmiegsamem Nickel auf einem Metallsubstrat, bei dem man ein aus einem Werkstoff aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Kupferlegierungen und Nickellegierungen gefertigtes Metallsubstrat in ein Nickelbad, das etwa 75 g/l bis etwa 130 g/l eines Nickelsulfamid-Komplexes, etwa 3 g/l eines Nickelchlorid-Salzes, etwa 30 g/l bis etwa 45 g/l eines Boratpuffers und etwa 5 ml/l bis etwa 50 ml/l eines perfluorierten quartären Amins als Netzmittel enthält, einbringt und unter Beibehaltung eines Bad-pH-Werts von etwa 2 bis etwa 2,5 eine Stromdichte von etwa 5 A/dm² bis etwa 50 A/dm² so lange anlegt, daß auf dem Substrat eine mindestens 0,5 um dicke Nickelschicht galvanisch abgeschieden wird, in der sich beim Verbiegen des Leiterrahmens zu einem Winkel von mindestens etwa 82 Grad mit einem Bildungsradius von etwa 150 um bis etwa 300 um keine Risse über die gesamte Dicke der Nickelschicht bilden, wenn die Tiefe der infolge des Verbiegens im Metallsubstrat auftretenden Oberflächenverformungen nicht mehr als etwa 5 um beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man das Substratmaterial aus der Gruppe bestehend aus Legierung 151, Legierung 194, Legierung 7025 und Legierung 42 auswählt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man das Bad bei der Galvanisierung bei einer Temperatur im Bereich von etwa 50ºC bis etwa 65ºC hält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man auf dem Metallsubstrat vor der galvanischen Abscheidung der Nickelschicht eine Kupferschicht galvanisch abscheidet.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man das Nickelbad bei der Galvanisierung mit einer Geschwindigkeit von etwa 25 cm/s bis etwa 60 cm/s rührt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man als perfluoriertes quartäres Amin Perfluordodecyltrimethylammoniumfluorid einsetzt.

7. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem man zwischen dem Leiterrahmensubstrat und der Nickelschicht eine Kupferschicht mit einer Dicke von etwa 0,5 um einfügt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem man zwischen dem Leiterrahmensubstrat und der Kupferschicht eine Nickel-Strike-Schicht einfügt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem man ein Leiterrahmensubstrat einsetzt, das ferner mindestens eine Schicht aus einem Edelmetallmaterial aus der Gruppe bestehend aus Gold, Palladium, Platin, Silber und deren Legierungen aufweist.