DE19546206A1 - Verfahren zum Prüfen von Materialien zur Verwendung bei der chemischen oder außenstromlosen Beschichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft chemische oder außenstromlose Beschichtungsvorgänge und im speziellen ein Verfahren zum Feststellen der Eignung von Materialien für chemische bzw. außenstromlose Beschichtungsvorgänge.

Die chemische Kupferbeschichtung stellt einen wichtigen Schritt bei der Herstellung von bedruckten Leiterplatten dar. Nachteiligerweise können jedoch einige der Bestandteile des Bades oder andere Materialien, die in das Bad eingebracht werden, wie beispielsweise Lötmasken oder Photoresiste, Kontaminationen eintragen. Falls eine derartige Kontaminationswirkung vorliegt, kann diese nicht erfaßt werden, bis ein Beschichtungs- oder Plattierungszyklus vervollständigt ist, welches einige Stunden dauern und zur Zerstörung von vielen bedruckten Leiterplatten führen kann. Es ist daher erwünscht, ein Material zu prüfen, bevor dieses in ein chemisches bzw. stromloses, kommerzielles Bad eingebracht wird, um im vorhinein festlegen zu können, ob dieses für das Bad geeignet ist.

Es wurde vorgeschlagen, das Verfahren der linearen Sweep-Voltammetrie zu verwenden, um das Verhältnis von anodischen und kathodischen Reaktionsgeschwindigkeiten eines chemischen Kupferbeschichtungsbades zu messen und dabei festzustellen, ob das durch das Bad abgeschiedene Kupfer bestimmte mechanische Prüfungen bestehen wird (s. das US- Patent 4 908 242). Es wurde ebenfalls vorgeschlagen, die Prüfung bezüglich Kontaminationsstoffen in chemischen Beschichtungsbädern durch Aufprägen einer Wechselstromspannung auf eine Standardgleichspannung einer voltametrischen Vorrichtung durchzuführen und danach die Gleichspannung einen Bereich überstreichen zu lassen bzw. einen Sweep für diese durchzuführen, um charakteristische Wechselstromspektren für ein Bad bereit zustellen und um diese Spektren mit den Wechselstromspektren eines bekannten akzeptablen Bades zu vergleichen (s. US-Patent 4 631 116). Es wurde ferner vorgeschlagen, zyklische Voltametrie zu verwenden, um einen Pd-Sn-Kolloidpeak zu erfassen und diesen Wert mit einer Bezugsgröße zu vergleichen, um festzustellen, ob die Aktivität des Kolloids für nachfolgende chemische Beschichtung geeignet ist (s. US-Patent 4 820 643).

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur chemischen bzw. außenstromlosen Beschichtung oder Plattierung eines Werkstücks einschließlich des Feststellens der Möglichkeiten eines Materials zum Kontaminieren eines chemischen oder außenstromlosen Beschichtungsbades. Das Material wird in einem Prüfbad gelöst, welches in einer voltametrischen Zelle, die wenigstens drei Elektroden aufweist, angeordnet ist und eine Gleichspannung wird zwei der Elektroden mit einer Anstiegsgeschwindigkeit zugeführt, um so einen anodischen Strom an der Oberfläche der dritten Elektrode zu bewirken. Der sich ergebende Anodenstrom wird als Funktion der angelegten Spannung gemessen, um ein Stromprofil zu erzeugen, das mit einem Profil verglichen wird, welches unter Verwendung eines zweiten Prüfbades mit bekannter Reinheit erhalten wurde.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen und unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen detaillierter beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Abschnitt einer bedruckten Leiterplatte, die unter Verwendung der Erfindung chemisch plattiert werden kann,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer voltametrischen Zelle, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendbar ist, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Stroms als Funktion der angelegten Spannung für verschiedene Prüfbäder gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Es wird darauf hingewiesen, daß zum Zwecke der Beschreibung diese Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgerechte Darstellungen aufweisen.

Fig. 1 zeigt einen Abschnitt einer typischen bedruckten Leiterplatte 10, die chemisch bzw. außenstromlos zu plattieren ist. Es wird darauf hingewiesen, daß eine Lötmaskenschicht 11 im wesentlichen fast vollständig eine Hauptoberfläche der Platine 10, mit der Ausnahme von leitfähigen Flächen, beispielsweise 13, die in einem nachfolgenden Verfahren zu löten sind, bedeckt. Diese Lötflächen werden zunächst durch ein chemisches Standardverfahren zur Kupferbeschichtung aufgebaut. Jedoch kann das Lötmaskenmaterial 11 Kontaminationsstoffe umfassen, die während des Beschichtungsverfahrens austreten können und das Beschichtungsbad bzw. das Plattierungsbad nachteilig beeinflussen oder vergiften. Folglich ist es erwünscht, vor dem Beschichtungsverfahren festzustellen, ob das Lötmaskenmaterial für ein derartiges Verfahren ohne Kontamination des Produktionsbeschichtungsbades geeignet ist.

Um das Lötmaskenmaterial zu prüfen, wurde eine Lösung mit herausgelaugten Stoffen präpariert. Dies umfaßte das Lösen des Maskenmaterials. In einer modifizierten chemischen Kupferbeschichtungslösung wurde das Lötmaskenmaterial bei einem speziellen Beispiel in einem Bad mit einer Quelle von Kupferionen, welche Kupfersulfat umfaßte, einem komplexbildenden Agens, welches Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA; Ethylen Diamine Tetraactic Acid) umfaßte, und mit Natriumhydroxid. Dieses Bad umfaßt im wesentlichen ein chemisches Standardkupferbeschichtungsbad ohne das reduzierende Agens (Formaldehyd), so daß keine Beschichtung eintritt. Das Lötmaskenmaterial wurde in dieses Bad für eine Dauer von ungefähr 18 Stunden eingebracht, während welchen das Bad auf eine Temperatur von 16°C erhitzt wurde, um die Bedingungen eines chemischen Beschichtungsvorgangs zu simulieren. Das Ergebnis war eine Prüflösung, die eine bestimmte Menge von Kontaminationsstoffen umfaßte, die aus dem Lötmaskenmaterial herausgetreten waren.

Die Prüflösung wurde dann in eine voltametrische Zelle eingebracht, welche schematisch in Fig. 2 dargestellt ist. Die Zelle 20 umfaßte einen Behälter 21 zum Aufnehmen der Prüflösung 22. Wenigstens drei Elektroden 23, 24 und 25 wurden in den Behälter 21 eingeführt. Zwei der Elektroden 23 und 25 bestanden aus bzw. umfaßten Platin mit kupferbeschichteten Oberflächen, während die dritte Elektrode 24 eine Ag/AgCl-Prüfelektrode bildete. Eine einstellbare Gleichstromquelle 26 wurde an den invertierenden Eingang (+) eines Operationsverstärkers 27, dessen Ausgangssignal an eine Elektrode 23 gekoppelt wurde, gekoppelt. Der nichtinvertierende Eingang (-) des Operationsverstärkers 27 wurde an die Bezugselektrode 24 gekoppelt. Die verbleibende Elektrode 25 wurde an ein Massepotential angeschlossen.

Die einstellbare bzw. änderbare Gleichspannung wurde an eine Elektrode 23 mit einer Spannung abgeschlossen, die in einem Bereich lag, von welchem bekannt war, daß dieser einen Anodenstrom im Bad 22 aufgrund von chemischer Beschichtung an der Oberfläche der Elektrode 25 bewirkt. Bei diesem Beispiel wurde die Spannung von -0,9 bis zu 0,2 V mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 5 mV/s geändert. Generell wäre ein Ändern der Spannung bei einer Geschwindigkeit von 2 bis 10 mV/s nützlich. Der sich ergebende Anodenstrom als Funktion des Potentials zwischen der Elektrode 25 und der Bezugselektrode 24 wurde gemessen und als Kurve C in Fig. 3 aufgezeichnet. Diese Kurve stellt ein Worst-Case-Szenario bzw. den schlechtesten Fall für das zu prüfende, spezielle Lötmaskenmaterial dar.

Das gleiche Verfahren wurde mit einer chemischen Kupferbeschichtungslösung durchgeführt, die Komponenten (Kupfersulfat, Formaldehyd, EDTA und Natriumhydroxid) mit einer bekannten hohen Reinheit enthielt, die als Kontrolle diente. Der Anodenstrom als Funktion des Potentials wurde als Kurve A in Fig. 3 aufgezeichnet. Es ist festzuhalten, daß die Kurve A einen ausgeprägten Peak bei ungefähr 3,25 mA aufweist, während die Kurve C der Lösung mit ausgetretenen Stoffen sehr flach verläuft. Somit ist es möglich, den anodischen Spitzenwert eines Prüfbades, das ein unbekanntes Material enthält, mit demjenigen des Kontrollbades (Kurve A) zu vergleichen, um festzustellen, ob das Material in dem zu prüfenden Bad für ein chemisches Produktionsbeschichtungsbad geeignet ist.

Basierend auf Daten, die durch den Vergleich von Beschichtungsgeschwindigkeiten mit den voltametrischen Kurven erhalten wurden, wurde festgestellt, daß ein Material zur Verwendung in der chemischen Beschichtungslösung ungeeignet ist, falls der Peak der Anodenkurve niedriger als ungefähr 50% der Kontrollösung (Kurve A) ist. Somit wäre das Lötmaskenmaterial, welches die Lösung mit ausgetretenen Stoffen bildete, welches zur Kurve C führte, nicht verwendbar. Was zu tun verblieb, war jedoch, die Konzentration der Lösung mit den herausgetretenen Stoffen einzustellen, um den Belastungsfaktor des chemischen Produktionsbeschichtungsbades zu berücksichtigen, d. h. festzustellen, wieviel Oberfläche des Materials dem Beschichtungsbad ausgesetzt wird.

Bei diesem Beispiel wurde die Lösung mit den herausgetretenen Stoffen mit einer Lötmaske, die eine Gesamtfläche von 0,56 m² (6 Quadratfuß) bedeckte, in einer Lösung von 0,9 l präpariert, welches einen Belastungsfaktor von 0,62 m²/l (6,67 Quadratfuß/Liter) ergab. Eine neue, zu prüfende Lösung mit einem Belastungsfaktor von lediglich 0,0062 m²/l (0,067 Quadratfuß/Liter) wurde durch Lösen von 10 ml der ursprünglichen Lösung mit den herausgetretenen Stoffen mit 990 ml Kontrollösung präpariert. Als die neue Lösung dem vorstehend beschriebenen voltametrischen Vorgang unterzogen wurde, wurde der als Kurve B als Funktion der Spannung dargestellte Anodenstrom erzeugt. Selbst bei diesem Last- oder Belastungsfaktor betrug der Peak der Anodenkurve weniger als 50% der Kontrollösung, und folglich war das Material ungeeignet.

Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf das Prüfen eines Lötmaskenmaterials beschrieben wurde, kann diese zur Prüfung anderer Laminate sowie anderer Bestandteile des chemischen Bades selbst verwendet werden. Beispielsweise kann, falls erwünscht, um eine neue Charge von Formaldehyd vor der Zugabe zum Produktionsbad prüfen, ein Testbad unter Verwendung anderer Bestandteile einer bekannten Reinheit, gemischt mit dem zu prüfenden Formaldehyd, präpariert werden. Das Testbad kann dann dem anodischen voltametrischen Verfahren mit linearer Spannungsänderung (Anodic Linear Sweep Voltammetric Process) unterzogen und die sich ergebende Kurve mit der eines Bades bekannter Reinheit (Kurve A) verglichen werden. Es wird ebenfalls darauf hingewiesen, daß, obwohl eine 50%-Schwelle im hier beschriebenen, speziellen Beispiel verwendet wurde, sich dieser Wert für spezielle chemische bzw. außenstromlose Beschichtungs- oder Plattiervorgänge ändern kann. Dieser Schwellenwert kann durch empirisches Vorgehen auf einfache Weise festgelegt werden.

Es wird eine Technik zum Erfassen der Eignung zur Verwendung eines Materials für einen chemischen bzw. außenstromlosen Beschichtungsvorgang beschrieben. Eine Lösung, die das Material umfaßt, wird einer voltametrischen Messung (Anodic Linear Sweep Voltammetry) unterzogen. Der sich ergebende anodische Peak (B) wird mit demjenigen einer Kontrollösung (A) verglichen, um die Möglichkeiten des Materials, ein Produktionsbad zu vergiften, zu ermitteln.

Claims (8)

1. Verfahren zur Beschichtung eines Werkstücks (10), insbesondere zur chemischen oder außenstromlosen Plattierung, umfassend das Bestimmen der Fähigkeit eines Materials, ein chemisches Beschichtungsbad zu kontaminieren, gekennzeichnet durch die Schritte:
Lösen des Materials in einem Prüfbad mit Bestandteilen von bekannter Reinheit,
Anordnen des Prüfbades in einer voltammetrischen Zelle (20) mit wenigstens drei Elektroden (23, 24, 25), Anlegen einer Gleichspannung an zwei der Elektroden (23, 24) bei einer Anstiegsgeschwindigkeit, um so einen Anodenstrom an der Oberfläche der dritten Elektrode (25) zu bewirken,
Messen des sich ergebenden Anodenstroms als Funktion der angelegten Spannung, um ein Stromprofil (B) zu erzeugen, und
Vergleichen des Profils mit einem zweiten Profil (A), welches von einem zweiten Prüfbad mit Bestandteilen von bekannter Reinheit erhalten wurde.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das erste und das zweite Profil jeweils einen Spitzen- oder Peak-Wert haben und die Spitzen- oder Peak-Werte verglichen werden, um festzustellen, ob das Material das chemische Beschichtungsbad kontaminieren wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das chemische Beschichtungsbad und das Prüfbad eine Kupferquelle umfassen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Material ein Lötmaskenmaterial ist und das Prüfbad durch Austretenlassen von Verunreinigungen aus diesem Material gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem zusätzliche Prüfbäder gebildet werden durch das Verdünnen des Prüfbades, wobei das zweite Prüfbad Bestandteile von bekannter Reinheit umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Gleichspannung von -0,9 bis 0,2 V verändert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem die Spannung mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 2 bis 10 mV/s geändert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Werkstück eine bedruckte Leiterplatte ist.