PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19832249A1 03.02.2000
Titel Verfahren zum chemischen Vernickeln einer galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht und Leiterplatte
Anmelder Häfele, Roland, 69253 Heiligkreuzsteinach, DE
Erfinder Häfele, Roland, 69253 Heiligkreuzsteinach, DE
Vertreter Ullrich & Naumann, 69115 Heidelberg
DE-Anmeldedatum 17.07.1998
DE-Aktenzeichen 19832249
Offenlegungstag 03.02.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.02.2000
IPC-Hauptklasse C23C 18/18
IPC-Nebenklasse C23C 18/30   C23C 18/32   C23C 18/42   
Zusammenfassung Ein Verfahren zum chemischen Vernickeln einer galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht, insbesondere bei der Herstellung einer Leiterplatte, ist im Hinblick auf eine qualitativ hochwertige und dauerhafte Haftung der chemisch aufgebrachten Nickelschicht dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein Bereitstellen der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht erfolgt. Anschließend wird die galvanisch abgeschiedene Nickelschicht entoxidiert, worauf ein Aktivieren der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht erfolgt. Schließlich wird die galvanisch abgeschiedene Nickelschicht chemisch vernickelt. Damit ist eine Leiterplatte herstellbar, insbesondere aus mehreren Lagen aufgebaute Leiterplatte, mit einem Träger, einer auf dem Träger angeordneten Kupferleiterbahn und einer - zumindest bereichsweise - galvanisch auf der Kupferleiterbahn abgeschiedenen Nickelschicht, die dadurch gekennzeichnet ist, daß auf der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht zumindest bereichsweise eine chemisch aufgebrachte Nickelschicht ausgebildet ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum chemischen Vernickeln einer galvanisch ababgeschiedenen Nickelschicht, insbesondere bei der Herstellung einer Leiterplatte.

Desweiteren betrifft die Erfindung eine Leiterplatte, insbesondere aus mehreren Lagen aufgebaute Leiterplatte, mit einem Träger, einer auf dem Träger angeordneten Kupferleiterbahn und einer - zumindest bereichsweise - galvanisch auf der Kupferleiterbahn abgeschiedenen Nickelschicht.

Aus Gründen der Anschaulichkeit wird die vorliegende Erfindung im folgenden anhand der Herstellung einer Leiterplatte beispielhaft beschrieben.

Die Elektronik hält in immer stärkerem Maße Einzug in alle Lebensbereiche. Datenautobahn, Multimedia, Automobil-Roadmap und viele andere Begriffe bestimmen unsere Tagespresse und werden in naher Zukunft Realität sein. Fest steht, daß leichte und leistungsfähige elektronische Geräte in großen Mengen benötigt werden.

Diese Geräte werden immer komplexere Bauelemente enthalten, die mit unterschiedlichen Bestückungstechnologien auf Leiterplatten mit hohem Anschlußraster, geringen Leiterbahnabständen und kleinen Bohrungen plaziert werden. Da diese Bauelemente teuer sind, erlangt die Bestückungszuverlässigkeit eine noch größere Bedeutung als heute. Zudem ist die Reparatur von defekten Lötstellen im nachhinein meist nicht mehr möglich, da die Lötstellen durch das Bauteil selbst abgedeckt sind.

Um die Produktionsausbeuten zu erhöhen, ist es daher dringend notwendig, Leiterplatten mit dem geeigneten Oberflächenschutz zu versehen. Die Grenzen der Hot Air Leveling-Technologie für diesen Zweck sind erreicht.

Während in der Vergangenheit die Durchsteckmontage den wesentlichen Teil der Bestückung bestimmte, kommen in der Zukunft die Oberflächenmontage, die Direktmontage und Klebetechniken vermehrt zum Einsatz.

Dem Leiterplattenfinish fällt durch diesen Wandel eine besondere Rolle zu. Die Oberflächen müssen neben guten Löteigenschaften auch die sichere Bestückung mit dem Aluminium- und Golddraht-Bondverfahren ermöglichen. Daneben sollte es für Drucktastaturanwendungen geeignet sein.

Bei der Applikation des Finishs müssen Wölbung und Verwindung auf ein Minimum reduziert werden, um eine hohe Bestücksicherheit zu gewährleisten.

Fine-Line-Technik, Mikrobohrungen und Sacklochtechnik müssen bei der Beschichtung der Leiterplatte sicher bewältigt werden können.

Seit einigen Jahren gewinnt das Edelmetallfinish mehr Marktanteile, da es die oben genannten Eigenschaften erfüllen kann. Insbesondere Chemisch Nickel/Sudgold hat weltweit für Fine-Pitch-Löt- und Drucktastaturanwendungen und für die Bondtechnik mit Aluminiumdraht Marktakzeptanz gefunden. In Europa und Japan werden zwischen 15 und 20% der durchkontaktierten Leiterplatten derart geschützt. Auch in Südostasien sind hohe Zuwachsraten zu verzeichnen. Sowohl Lohnhersteller als auch Inhousefertiger setzen das Verfahren ein. Mobiltelefon, Automobilelektronik und tragbare Computer sind nur einige Anwendungsbeispiele, zu denen diese Oberfläche bereits Zugang gefunden hat.

Bei der herkömmlichen Technologie des Aufbringens der Chemisch Nickel/Sudgold- Schicht bildet eine Kupferoberfläche die Unterlage für die Chemisch Nickel/Sudgold- Schicht. Der Schichtaufbau erfolgt gleichmäßig über die gesamte Kupferoberfläche, das heißt Leiterzüge und deren Kanten, Bohrungen und Sacklöcher sind mit einer konstanten Schichtdicke vernickelt und vergoldet. Die Haft- und Löteigenschaften einer derartigen vernickelten und vergoldeten Oberfläche sind sehr gut.

Zur Verdeutlichung der Bedeutung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden ein typisches herkömmliches Herstellungsverfahren einer Leiterplatte beschrieben:

Als Basis für die Herstellung einer Leiterplatte dient üblicherweise eine kupferkaschierte Epoxidharzplatte. Falls mehrdimensionale Strukturen erzeugt werden sollen, werden durch die Platte entsprechende Löcher gebohrt. Diese Löcher werden nun zunächst mit Kupfer durchkontaktiert, um auch in den Bereichen der Löcher eine leitfähige Kupferschicht bereitzustellen.

Mittels eines fototechnischen Schritts wird nunmehr das Kupfer-Leiterbild auf die Platte aufgebracht. Dabei werden erhabene Leiterbereiche mit einer Dicke von üblicherweise 20 µm auf der kupferkaschierten Platte erzeugt. In den nicht als Leiterbahnen dienenden Bereichen verbleibt zunächst noch Fotoresist vom vorhergehenden fototechnischen Schritt.

Als Ätzwiderstand bzw. Ätzresist wird nunmehr Zinn auf das Leiterbild aufgebracht, welches sich lediglich in den Leiterbahnbereichen und nicht auf dem Fotoresist niederschlägt.

Nunmehr kann der auf der Platte verbliebene Fotoresist mittels eines alkalischen Konzentrats entfernt werden. Anschließend wird die Kupferkaschierung beispielsweise mittels einer Kupferchlorid- oder Kupfersulfatlösung abgeätzt. Das auf den Leiterbahnen befindliche Zinn verhindert dabei, daß auch die Leiterbahnen von der Kupferchlorid- oder Kupfersulfatlösung angegriffen werden. Das Zinn bildet somit den Ätzwiderstand für das Kupfer-Leiterbild.

Nach dem Freilegen der Leiterbahnen mittels des letztgenannten Ätzschritts wird das lediglich als Ätzresist dienende Zinn von dem Kupfer-Leiterbild abgestrippt. Hierzu kann eine Fluoridlösung verwendet werden, beispielsweise "Entmetallisierung D 129®" der Riedel Galvanotechnik Bielefeld GmbH & Co KG.

Anschließend kann wieder mit einem fototechnischen Schritt Lötstoplack auf die Leiterplatte - freigelegte Epoxidharzbereiche und Kupferleiterbahnen - aufgebracht werden, wobei die Bereiche, in denen eine Kontaktierung bzw. eine Verlötung stattfinden soll, freigelassen werden. Der Lötstoplack dient als Schutz der Leiterplatte.

Zur Vereinfachung einer Verlötung kann auf die freigelassenen Lötpunkte Zinn aufgebracht werden und zwar einerseits galvanisch oder andererseits mittels des Hot- Air-Verfahrens. Zur Herstellung von Kontakt- oder Lötpunkten mit höherer Qualität wird auch ein chemisches Vernickeln mit einem anschließenden chemischen Vergolden alternativ durchgeführt (Chemisch Nickel/Sudgold).

Bei dem bekannten Herstellungsverfahren ist problematisch, daß zur Abdeckung des Kupfer-Leiterbilds während des die Kupferkaschierung entfernenden Ätzschritts zunächst Zinn auf das Leiterbild aufgebracht werden muß und dieses Zinn anschließend in aufwendiger Weise wieder abgestrippt bzw. entfernt werden muß. Dieses Abstrippen des Zinns ist nicht nur sehr zeitaufwendig, sondern erfordert auch den Einsatz einer aggressiven Chemikalie zum entmetallisieren. Hierdurch entsteht ein hoher Entsorgungsaufwand mit einer unvermeidbaren, hohen Umweltbelastung.

Des weiteren werden die Kanten des Kupfer-Leiterbilds während des Abstrippens des Zinns durch die Chemikalie angegriffen. Dies führt häufig zu einer Reduktion der Breite und der Präzision der Leiterbahnen. Des weiteren ist aufgrund des Angriffs des Kupfer-Leiterbilds durch das Zinnstrippen eine Mindestbreite der Kupfer-Leiterbahnen erforderlich. Dies hemmt eine weitere Miniaturisierung bei der Leiterplattenherstellung.

Als Ätzresist beim Ätzen der Kupferkaschierung kann anstelle von Zinn auch galvanisch abgeschiedenes Nickel auf dem Kupfer-Leiterbild dienen, da auch Nickel stark ätzbeständig gegenüber bspw. einer Kupferchloridlösung ist. Eine galvanisch abgeschiedene Nickelschicht hat den Vorteil, daß ein Flittern und Brechen der Kupfer- Leiterbahnen vermieden werden kann, da es möglich ist, die galvanisch abgeschiedene Nickelschicht aufgrund deren Temperaturbeständigkeit auf dem Kupfer-Leiterbild zu belassen. Das Belassen der Nickelschicht auf dem Kupfer-Leiterbild hat den einen Vorteil, daß ein hoher Korrosionsschutz für das Kupfer-Leiterbild realisiert ist, und den anderen Vorteil, daß die Entfernung eines Ätzresists - Zinn beim herkömmlichen Verfahren - mit all seinen negativen Folgen hinsichtlich Arbeitszeit und Umweltbelastung durch den Einsatz aggressiver Chemikalien und deren Entsorgung vermieden ist.

Beim Einsatz von galvanisch abgeschiedenem Nickel auf dem Kupfer-Leiterbild ist jedoch problematisch, daß es bisher nicht möglich war, eine chemische Vergoldung mit hoher Qualität auf der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht vorzusehen. Das Aufbringen einer derartigen Goldschicht hat wie bereits oben ausführlich erwähnt größte wirtschaftliche Bedeutung.

Das Problem des Vergoldens gewünschter Kontaktierungsbereiche des galvanisch vernickelten Kupfer-Leiterbilds umfaßt zunächst das chemische Vernickeln der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht, da als Grundlage für die chemisch aufgebrachte Goldschicht eine chemisch aufgebrachte Nickelschicht besonders günstig ist.

Das chemische Vernickeln einer galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht ist bislang noch nicht mit befriedigender Haftqualität gelungen und galt bislang schlichtweg als nicht durchführbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum chemischen Vernickeln einer galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht anzugeben, wonach eine qualitativ hochwertige und dauerhafte Haftung auf einfache Weise erreicht ist.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist ein Verfahren zum chemischen Vernickeln einer galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet:

Zunächst erfolgt ein Bereitstellen der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht. Dies kann auf einem beliebigen geeigneten Gegenstand erfolgen. Insbesondere könnte das Bereitstellen auf dem Kupfer-Leiterbild einer Leiterplatte erfolgen. Anschließend wird die galvanisch abgeschiedene Nickelschicht entoxidiert. Nach dem Entoxidieren erfolgt ein Aktivieren der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht. Damit wird eine erhöhte Haftung einer aufzubringenden Schicht erreicht. Schließlich erfolgt ein chemisches Vernickeln der aktivierten Nickelschicht.

In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, daß entgegen der bisher vorherrschenden Einschätzung durch Fachkreise ein chemisch es Vernickeln einer galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht möglich ist. Hierzu sind in weiter erfindungsgemäßer Weise die obigen Verfahrensschritte eines Entoxidierens und eines anschließenden Aktivierens der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht entwickelt worden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine qualitativ hochwertige und dauerhafte Haftung zwischen der chemisch aufgebrachten Nickelschicht und der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht mit einfachen Mitteln erreicht. Die erfindungsgemäße Lösung der obigen Aufgabe ermöglicht die Herstellung hochwertigster Leiterplatten für beispielsweise Fine-Pitch-Löt- und Drucktastaturanwendungen und für die Bondtechnik mit Aluminiumdraht. Die Hochwertigkeit ergibt sich einerseits aus der flächig auf dem Kupfer-Leiterbild aufgebrachten galvanischen Nickelschicht, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit zeigt und damit auch den Einsatz der Leiterplatten unter extremen Bedingungen, bspw. schweres Industrieklima und Seeklima, ermöglicht. Die komplette galvanische Vernickelung des Kupfer-Leiterbilds verhindert des weiteren eine Mischkristallbildung und eine Ausblühung von Lötstellen bzw. eine Whiskers-Bildung während der Kontaktierung der Leiterplatte wie bei herkömmlichen Leiterplatten, da das galvanisch aufgebrachte Nickel sehr temperaturbeständig ist und eine Diffusionssperre bildet. Andererseits läßt sich durch die Verwendung von galvanischem Nickel auf dem Kupfer-Leiterbild eine Struktur mit geringsten Leiterbahndicken und damit eine hohe Leiterbahndichte erreichen.

Erst durch das erfindungsgemäße chemische Vernickeln einer galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht ist der Einsatz einer galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht auf dem Kupfer-Leiterbild ermöglicht, da nur mit der chemischen Vernickelung auch ein qualitativ hochwertiges chemisches Aufbringen von Gold auf die Kontaktierungsbereiche ermöglicht ist.

Schließlich ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine zeitsparendere Herstellung einer Leiterplatte, da der Verfahrensschritt des Strippens eines Ätzresists nicht mehr erforderlich ist. Dadurch wird eine Abwasserbehandlungsanlage weit weniger belastet und werden große Mengen an Chemikalien zum Abätzen des Ätzresists gespart.

Im Hinblick auf ein besonders wirksames Aktivieren der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht könnte nach dem Entoxidieren ein Spülen der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht in Wasser erfolgen. Das Entoxidieren beseitigt die Passivierung auf der Nickelschichtoberfläche. In diesem Sinn könnte alternativ oder ergänzend zu dem Spülen nach dem Entoxidieren, vorzugsweise nach dem Spülen, ein Dekapieren der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht erfolgen. Mittels des Dekapierens wird die Nickelschichtoberfläche weiter bereinigt und wird Benetzungsmittel von der Oberfläche entfernt. Dabei könnte das Dekapieren in besonders einfacher Weise mit einer verdünnten, vorzugsweise 10%-igen Salzsäure erfolgen.

Nach dem Aktivieren der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht könnte im Hinblick auf eine geeignete Präparation der Nickelschicht ein Spülen der galvanisch abgeschiedenen, aktivierten Nickelschicht in Wasser erfolgen.

Das Entoxidieren der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht erfolgt in besonders einfacher Weise mittels "Desoxin B 120®". Das letztgenannte Produkt ist von der Riedel Galvano- und Filtertechnik GmbH erhältlich.

In besonders effektiver Weise könnte das Aktivieren der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht mittels eines Palladium-Aktivators durch Ablagern von Palladium auf der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht erfolgen. Der Palladium-Aktivator könnte dabei ein ionogener Aktivator sein. Die Aktivierung könnte in einem besonderen Bad stattfinden.

Das chemische Vernickeln der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht könnte in besonders einfacher Weise über einen Reduktionsprozeß verlaufen. Ein besonders sicheres chemisches Vernickeln könnte in einem Nickel-Bad erfolgen, in dem eine geeignete pH-Werteinstellung erfolgt ist. Damit ist das chemische Vernickeln ein einfach durchzuführender Verfahrensschritt.

Die erfindungsgemäße Leiterplatte ist derart ausgebildet, daß sie auf der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht zumindest bereichsweise eine chemisch aufgebrachte Nickelschicht aufweist, die vorzugsweise gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufgebracht ist.

Ein chemisches Vergolden könnte dann im Anschluß an eine Spülung der chemisch aufgebrachten Nickelschicht in Wasser erfolgen. Dabei erfolgt das Vergolden in einem geeigneten Gold-Bad über einen Reduktionsprozeß.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum chemischen Vernickeln einer galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht ist insbesondere bei der Herstellung einer Leiterplatte von großer Bedeutung. Dabei ermöglicht das Verfahren die universelle Verwendung einer galvanisch aufgebrachten Nickelschicht auf dem galvanisch auf die Kupferkaschierung einer Leiterplatte aufgebrachten Kupfer-Leiter. Zur Freisetzung der Leiterbahnen wird nach dem Aufbringen der galvanischen Nickelschicht zunächst der Fotoresist entfernt, der beim fototechnischen Aufbringen des galvanischen Kupfer-Leiterbilds in den Bereichen verblieben ist, die frei von einer Leiterstruktur sein müssen. Anschließend wird die Kupferkaschierung neben dem Leiterbild weggeätzt. Schließlich verbleibt lediglich noch die vorgegebene Leiterstruktur auf der bspw. aus Epoxidharz oder Teflon® hergestellten Leiterplatte, wobei die Leiterstruktur aus Kupfer und der galvanisch aufgebrachten Nickelschicht besteht.

Die Nickelschicht kann nun als Basis für eine Vergoldung mittels chemisch aufgebrachtem Nickel und chemisch aufgebrachtem Gold dienen. Dabei könnte zunächst Lötstoplack auf das Leiterbild und das freigelegte Leiterplattengrundmaterial - bspw. Epoxidharz oder Teflon® - fototechnisch aufgebracht werden, wobei die erforderlichen Kontaktbereiche oder Lötpunkte freigelassen werden. Diese Kontaktbereiche oder Lötpunkte können nunmehr zunächst chemisch vernickelt und anschließend chemisch vergoldet werden (Chemisch Nickel/Sudgold).


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum chemischen Vernickeln einer galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht, insbesondere bei der Herstellung einer Leiterplatte, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
    1. - Bereitstellen der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht;
    2. - Entoxidieren der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht;
    3. - Aktivieren der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht;
    4. - chemisches Vernickeln der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Entoxidieren ein Spülen der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht in Wasser erfolgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Entoxidieren, vorzugsweise nach dem Spülen, ein Dekapieren der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht erfolgt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dekapieren mit einer verdünnten, vorzugsweise 10%-igen Salzsäure erfolgt.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aktivieren ein Spülen der galvanisch abgeschiedenen, aktivierten Nickelschicht in Wasser erfolgt.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Entoxidieren der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht mittels Desoxin® B 120 erfolgt.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivieren der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht mittels eines Palladium- Aktivators durch Ablagern von Palladium auf der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht erfolgt.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Palladium-Aktivator ein ionogener Aktivator ist.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das chemische Vernickeln der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht über einen Reduktionsprozeß verläuft.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine geeignete pH- Werteinstellung in dem zur chemischen Vernickelung dienenden Nickel-Bad erfolgt.
  11. 11. Leiterplatte, insbesondere aus mehreren Lagen aufgebaute Leiterplatte, mit einem Träger, einer auf dem Träger angeordneten Kupferleiterbahn und einer - zumindest bereichsweise - galvanisch auf der Kupferleiterbahn abgeschiedenen Nickelschicht, dadurch gekennzeichnet, daß auf der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht zumindest bereichsweise eine, vorzugsweise gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, chemisch aufgebrachte Nickelschicht ausgebildet ist.
  12. 12. Leiterplatte nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf der chemisch aufgebrachten Nickelschicht eine chemisch aufgebrachte Goldschicht ausgebildet ist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com