Manuskript für Artikel in der November-Ausgabe der “Metalloberfläche” “mo” / Sonderdruck ab Mitte November erhältlich

Dr. Bernhard Weßling
Holger Merkle
Ormecon Chemie
Ferdinand-Harten-Str. 7
D-22949 Ammersbek
Tel.: 040-604 106-0
Fax: 040-604 106-51

Organisches Metall ersetzt
Heißluftverzinnung

Mit "chemisch-Zinn" als Endschicht zu allerhöchster Qualität

Aus unterschiedlichsten Gründen ist der Ersatz der Heißluftverzinnung (hot air levelling, HAL) als Endschicht für Leiterplatten auch derzeit wieder ein aktuelles Thema. Insbesondere die künftig stärker auf die Hersteller zukommenden Fragen der Miniaturisierung, aber auch Kosten, Energie- und Materialverbrauch und Arbeitsplatzhygiene (Lärm, Hitze) machen die HAL zu einem "Auslaufmodell".

Nickel/Gold oder Palladium sind sicherlich - technisch betrachtet - funktionierende Alternativen, erlauben zum Teil sogar das Erreichen schärferer Spezifikationen, aber auch zu ungleich höheren Kosten. Einfache organische Beschichtungen (Benzimidazole u.ä.) reduzieren die Kosten, auch auch sehr deutlich die Lötfähigkeit.

Ideal wäre ein Verfahren, das die Leistungsfähigkeit der HAL-Oberfläche erreicht bzw. übertrifft, ohne jedoch die Kosten zu erhöhen, bzw. sogar evtl. unter Senkung der Kosten. Dies scheint ein allzu hohes Ziel zu sein.

Eine ganz neuartige Stoffklasse, die Organischen Metalle, erlaubt es, alle diese Ziele zu erreichen:

 

Was ist ein Organisches Metall?

Es ist ein künstlich hergestellter, organischer Stoff (quasi ein “Kunststoff”) mit metallischen Eigenschaften. Das Organische Metall ORMECON® ist auch für den Fachmann zunächst merkwürdig:

 

"ORMECON® CSN": Verfahrensablauf

Die Leiterplatte wird im Regelfall im Stadium des gehärteten Lötstoplacks mit dem ORMECON® CSN-Verfahren behandelt (Verfahrensablauf siehe Abb. 1). Dieses beginnt mit einer auf die nachfolgenden Schritte abgestimmten Beize und Spülung, wonach sich die eigentliche Behandlung mit dem Organischen Metall anschließt.

Abb. 1

Dieses liegt in einer wäßrigen Dispersion vor. Die Leiterplatte wird lediglich für eine Minute in der Dispersion belassen. Hierbei scheidet sich eine nahezu unsichtbare Schicht von nur 0,08 µm (80 Nanometer) Dicke ab. Nach einer weiteren Spülung wird für 20 Minuten in einem auf die ORMECON-Oberfläche abgestimmten Verzinnungsbad verzinnt. Es scheidet sich eine Zinnschicht von 0,5 bis 1 µm Dicke absolut planar ab.

Nach 2 weiteren Spülgängen wird getrocknet - und die Leiterplatte ist lötfähig und erfüllt alle Spezifikationen nach IPC A630 C Pkt.3

 

Wie wirkt das Organische Metall auf Kupfer und in der Endoberfläche?

80 Nanometer sind eine extrem dünne Beschichtung, die Zweifel daran aufkommen lassen könnte, ob eine Wirkung überhaupt zu erwarten bzw. eindeutig feststellbar ist.

Zunächst bewirkt ORMECON® eine Veredelung der Kupfer-Oberfläche, d.h., daß die Oberfläche mit der Beschichtung aus Organischem Metall ein höheres Korrosions- bzw. Oxidationspotential aufweist als in reiner Form. In Abb. 2 ist die Potentialverschiebung dokumentiert.

Abb. 2

Weitere Untersuchungen haben gezeigt, daß zusätzlich aufgrund der katalytischen Wirkung des Organischen Metalls auf Kupfer eine passivierende Oxidschicht bestehend aus reinem Cu(I)-Oxid auf-gebaut wird. Veredelung und Passivierung zusammen verhindern, daß das Kupfer oxidiert werden kann.

Folgender einfacher Versuch zeigt, daß sogar die hauchdünne Schicht von nur 80 nm die gewünschte Wirkung hat: eine verkupferte Platte (z.B. FR4 Basismaterial) wird in einer Beize angeätzt und in Wasser gespült, wonach wir sie an Luft trocknen lassen. Diese Platte wird innerhalb von wenigen Minuten anlaufen und sichtbar oxidieren (Abb. 3, links).

Wenn man die geätzte und gespülte Platte jedoch noch kurz in die wäßrige ORMECON® -Dispersion eintaucht, anschließend ebenfalls wieder spült und an Luft offen trocknen läßt, wird diese Platte nicht anlaufen und nicht oxidieren (Abb. 3, rechts)

Auch ein Spezialverfahren (siehe Abb. 1, rechte Seite), das wir für problematische Kupfer-Oberflächen (verschmutzt, gealtert, HAL / gestrippt) entwickelt haben, zeigt die einzigartige Wirkung. Auch hier ein Labor-Demonstrationsversuch:

Wir nehmen eine Kupferplatte, beizen, spülen und trocknen wie üblich; anschließend legen wir die Platte in den Temperofen, in dem eigentlich der Lötstoplack gehärtet würde, für 60 Minuten bei 155 ºC. Die Platte wird in allen bunten Farben anlaufen, die man als Kupfer-Oxidation kennt (Abb. 4.1, Mitte rechts). (Die bunten Farben entstehen durch Interferenz an unterschiedlichen Schichten.)

Die gleichen Farben entstehen, wenn man nach dem Beizen bisher bekannte sog. "organische Passivierungen" aufbringt, z.B. aus der Klasse der Benzimidazole. Solche Beschichtungen verändern das Oxidationsverhalten des Kupfers kaum (Abb. 4.1, Mitte links).

Tauchen wir nach dem Beizen aber die Platte in die wäßrige ORMECON®-Dispersion, spülen und tempern, geschieht eine Überraschung: das Kupfer verfärbt sich gleichmäßig silbern bis golden (Abb. 4.2, rechts). Hier entsteht im Unterschied zu einer irregulären Oxidation zu verschiedenen Cu-Oxiden eine Passivierung ausschließlich zu Cu(I)-Oxid, das zudem in einer sehr gleichmäßigen hauchdünnen Schicht aufwächst. Diese oxidationsstabile Schicht-Struktur entwickelt keine "bunten" Intereferenz-Erscheinungen, sondern eine gleichmäßige goldähnliche metallisch glänzende Oberfläche, da die Cu(I)-Oxidschicht extrem dünn und v. a. gleichmäßig aufgebaut ist.

Das Verfahren (sowohl in der Standard- als auch in der Spezial-Version) wird mit der Verzinnung abgeschlossen.

Viele Spezialisten der Leiterplattentechnologie haben mit Endoberflächen aus "chemisch Zinn" schlechte Erfahrungen gemacht. Die Ursachen sind bekannt: einerseits oxidiert auch Zinn im Verlaufe der Zeit, andererseits diffundiert Zinn in Kupfer und umgekehrt. Mehr noch: Verzinnungslösungen enthalten mit fortschreitender Fläche an verzinnten Platten immer mehr Kupfer. Je mehr Kupfer verzinnt wurde, umso höher ist die Cu-Konzentration im Verzinnungsbad geworden - und umso höher ist der Anteil des Cu, der mit dem Zinn abgeschieden wird. Ab einer gewissen Cu-Konzentration ist die abgeschiedene Cu-Sn-Legierung von vornherein nicht mehr ausreichend lötfähig.

Schon aber der Verzinnungsvorgang selbst läuft auf der ORMECON® -Oberfläche anders ab. Das Organische Metall entfaltet nun wiederum seine katalytische Aktivität und sorgt dafür, daß - egal wieviel Cu im Verzinnungsbad vorliegt - immer nur reines Zinn abgeschieden wird (Abb. 5).

Abb. 5

Mit dieser Voraussetzung (die Zinnoberfläche hat immer die gleiche Zusammensetzung, unabhängig vom Alter des Verzinnungsbades) ist eine erste wichtige Grundlage geschaffen, eine reine Zinnober-fläche als Endoberfläche zu verwenden. Hinzu kommt, daß das Organische Metall - v.a. auch durch den Aufbau der passivierenden Oxidschicht - eine Diffusion von Zinn in Kupfer oder umgekehrt stark bremst.

Darüber hinaus bewirkt die (unter dem Zinn befindliche) ORMECON® -Schicht auch eine Veredelung der Zinnoberfläche - diese wird nun nicht mehr so einfach oxidiert, mit dem Ergebnis, daß bereits sanfte Fluxer zur Lötvorbereitung ausreichen.

Insofern sind die Ursachen, die zur Ablehnung von Reinzinn-Oberflächen als Endoberfläche geführt haben, nunmehr ausgeräumt, dank einer neuen Stoffklasse: dem Organischen Metall ORMECON® .

Liste der Abbildungen:

Abb. 1: Verfahrensschema

Abb. 2: Potentialkurven von Kupfer

Abb. 3: Verhinderung der Kupfer-Oxidation durch ORMECON® -Schicht

Abb. 4: ORMECON® -passiviertes Kupfer, “vergoldet” beim tempern.

Abb. 5: lineare Zinn-Abscheidung auf Kupfer nach ORMECON® -Vorbehandlung



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