DE69125233T2 - Verfahren zur Herstellung von gedruckten Schaltungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von gedruckten Schaltungen

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von gedruckten Schaltungen und insbesondere auf die Schaffung von gedruckten Schaltungen mit ausgewählten, leicht lötbaren Flächen (z.B. an Pads, Durchbrüchen und Stegen) zur Erleichterung des nachfolgenden Anschließens von elektronischen Komponenten an denselben durch Löten.
  • Bei Herstellung von elektronischen Einrichtungen und Geräten mit Verwendung von gedruckten Schaltungen werden Verbindungen von elektrischen Komponenten mit der gedruckten Schaltung beispielsweise durch Löten der Leitungen der Komponenten an die Durchbrüche und umgebenden Pads hergestellt, die auf der gedruckten Schaltung vorgesehen sind, und/oder durch Löten von elektrischen Komponenten direkt an Oberflächenbereiche ("Stege" bzw. "lands"), die auf der gedruckten Schaltung vorgesehen sind (bei sogenannten flächenmontierten Anordnungen bzw. surface-mounted devices oder SMD's), normalerweise durch Schwall-Löten.
  • Um diesen Lötvorgang zu erleichtern, muß der Hersteller die gedruckte Schaltung so ausbilden, daß die Durchbrüche, Pads und Stege für das Lötanschlußverfahren aufnahmebereit sind, d.h. Oberflächen besitzen, die durch das Lotmittel benetzbar sind und eine einstückige leitende Verbindung über das Lötmittel mit den Leitungen oder Oberflächen der elektronischen Komponenten gestatten.
  • Das Hauptmittel zur Erzielung dieser guten Lötbarkeit der fraglichen Flächen besteht für den Hersteller der gedruckten Schaltung darin, diese Oberflächen mit einer Lötmittelbeschichtung zu versehen, wobei zu bedenken ist, daß gleichzeitig andere Oberflächen der gedruckten Schaltung (z.B. leitende Bahnen) vom Hersteller allgemein maskiert werden, so daß bei dem nachfolgenden Schwall-Löten von Komponenten an die gedruckte Schaltung diese Oberflächen nicht-anhaftendes Lötmittel aufnehmen. Das Vorsehen von Lötmittel auf diesen Durchbruchs-, Pad- oder Stegflächen ist verhältnismäßig unkompliziert, da bei einem normalen Herstellungsverfahren für gedruckte Schaltungen eine Zinn-Blei-Schicht bzw. Weichlotschicht auf alle freiliegenden Kupfer-Schaltungsflächen einschließlich Bahnen, Pads, Durchbrüchen und Stegen selektiv elektroplattiert wird, um bei den nachfolgenden Schritten als Ätzresist zu dienen, bei denen Kupfer von den ausgewählten Nicht-Schaltungsflächen der gedruckten Schaltung abgeätzt wird. Sodann kann eine Lötmaske selektiv auf die anderen Flächen mit Ausnahme der Löcher oder Durchbrüche, Pads und Stege aufgebracht werden, und das elektroplattierte Weichlot kann sodann wieder verflüssigt und geschmolzen werden, um die erforderliche Lötlegierung auf diesen Anschlußflächen zu bilden.
  • Aus verschiedenen Gründen ist das beschriebene Verfahren nicht ideal. Insbesondere bewirken das Wiederverflüssigen des Weichlots zur Bildung von Lötmittel an den gewünschten freiliegenden Durchbrüchen, Pads und Stegen sowie die nachfolgenden Schwall-Lötvorgänge auch ein Schmelzen des Weichlots unter der Lötmaske in den Bahn- oder Leitungsbereichen. Die Lötmaske schwimmt tatsächlich auf der geschmolzenen Weichlotschicht, und die Dochtwirkung des Weichlots nach oben unter der Maske kann zur Bildung von unerwünschten Lötmittelbrücken zwischen den Bahnen und zu annähernd leitenden Bereichen auf der Schaltung führen.
  • Ein Mittel zum Vermeiden dieser Probleme ist das sogenannte "solder mask over bare copper" (SMOBC)-Verfahren ("Lötmittelmaske über freiliegendem Kupfer"-Verfahren), bei welchem kein Weichlot auf die Kupferleitungen kommt, die von der Lötmaske abgedeckt sind. Dieses Verfahren vermeidet die Probleme der Dochtwirkung und der Lötmittelbrückenbildung, ist aber infolge von zusätzlichen Verfahrensschritten im allgemeinen kostspielig. So muß bei dem vorher beschriebenen normalen Herstellungsverfahren das selektiv plattierte Weichlot, das als ein Ätzresist verwendet wird, nachfolgend von den darunterliegenden Kupferflächen abgestreift werden, sodann eine Lötmittelmaske über den von den Pads, Durchbrüchen und Stegen verschiedenen Bereichen (einschließlich der nun freiliegenden Kupferleitungen bzw. -bahnen) aufgebracht werden, und sodann Lötmittel auf die unmaskierten Kupfer-Pads, -Durchbrüche und -Stege aufgebracht werden. Es sind bestimmte SMOBC-Verfahren bekannt, die das Erfordernis des Weichlotabstreifens vermeiden, jedoch erfordern diese ebenfalls zusätzliche Verfahrensschritte.
  • Bei Verfahren dieser Art, d.h. bei denen es notwendig ist, daß der Hersteller Lötmittel auf Pads, Durchbrüche und Stege auf einer gedruckten Schaltung anders als durch Wiederverflüssigung einer bereits darauf befindlichen Weichlotschicht im Hinblick auf die besonderen Erfordernisse eines Herstellungsverfahrens für gedruckte Schaltungen aufbringt, gibt es eine Reihe von Möglichkeiten für das Aufbringen des Lösungsmittels einschließlich der Anwendung von nicht-elektrolytischen Weichlot-Tauchbädern, in die die gedruckte Schaltung eingetaucht wird (nach der Lötmittelmaskierung von Bereichen, die nicht plattiert werden sollen), um eine Weichlotbeschichtung zu erzeugen, die dann wieder verflüssigt werden kann. Das weitaus vorherrschende Verfahren besteht jedoch im Lötmittelausgleich durch heiße Luft, wobei die maskierte gedruckte Schaltung in geschmolzenes Lötmittel eingetaucht und beim Herausnehmen sodann Heißluftmesser verwendet werden, um das Lötmittel von allen nicht-haftenden Oberflächen wegzublasen. Das Lötmittelausgleichen mit heißer Luft ergibt zufriedenstellende lötbare Pads, Durchbrüche und Stege für die nachfolgende Verbindung von elektronischen Komponenten mit denselben mittels Schwall-Löten, aber es existieren auch eine Anzahl von Nachteilen, von denen nicht das geringste die schwere thermische Belastung ist, welche die gedruckte Schaltung infolge der Behandlung mit geschmolzenem Lötmittel bei erfährt, was oftmals zum Abziehen von Metall in Durchbrüche führt und andere ähnliche Probleme entstehen läßt.
  • US-A-4940181 beschreibt eine gedruckte Schaltungsplatte mit freiliegenden leitenden Flächen zum Löten aus Kupfer, beschichtet mit Nickel- und Goldschichten, wobei die Goldschicht eine Dicke von 1,02 µm (0,04 mils) besitzt.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Das Hauptziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, durch welches ausgewählte Bereiche einer gedruckten Schaltung für das Anlöten von elektronischen Komponenten an denselben empfänglich gemacht werden.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, durch welches ausgewählte Bereiche einer gedruckten Schaltung für das nachfolgende Anlöten von elektronischen Komponenten an denselben empfänglich gemacht werden, wobei das Verfahren die Notwendigkeit ausschaltet, daß der Hersteller der gedruckten Schaltung Lötmittel auf den ausgewählten Bereichen vorsieht.
  • Noch ein weiteres spezielleres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer gedruckten Schaltung sowie eines Verfahrens zur Herstellung einer gedruckten Schaltung, bei welchen Durchbrüchen, Pads und Stege, an welche elektronische Komponenten bei einem nachfolgenden Vorgang angelötet werden sollen, beispielsweise durch Schwall-Löten, selektiv mit einer Nicht-Lötmittel-Oberfläche versehen werden, die trotzdem diese Bereiche bei einem nachfolgenden Vorgang leicht verlötbar macht.
  • Die Erfindung schafft eine gedruckte Schaltung mit freiliegenden leitenden Flächen, mit denen elektronische Komponenten durch Löten elektrisch verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die freiliegenden leitenden Flächen aufweisen: Kupfer, eine Beschichtung über dem Kupfer, die im wesentlichen aus Nickel mit einer Dicke von 1 bis 25 µm besteht und eine erste, aus Nickel und Bor bestehende Beschichtung und eine zweite Beschichtung über der ersten Beschichtung aufweist, welche aus Nickel und Phosphor besteht, sowie eine Beschichtung über dem Nickel, die im wesentlichen aus einem Schutzmaterial besteht.
  • Ferner schafft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer gedruckten Schaltung mit besonderen Kupferoberflächen in Form von darin vorgesehenen Durchbrüchen, Pads, Stegen und Kombinationen derselben für den späteren Anschluß derselben an elektronische Komponenten durch Anlöten, wobei das Verfahren umfaßt: auf den besonderen Kupferoberflächen Anbringen einer Beschichtung, die im wesentlichen aus Nickel mit einer Dicke von 1 bis 25 µm besteht und eine erste, aus Nickel und Bor bestehende Beschichtung sowie eine zweite Beschichtung über der ersten Beschichtung aufweist, die aus Nickel und Phosphor besteht, gefolgt von dem Aufbringen einer im wesentlichen aus einem Schutzmaterial bestehenden überbeschichtung auf die Nickelbeschichtung.
  • Die Beschichtung von Schutzmaterial schützt die Nickelbeschichtung vor Oxydation vor dem nachfolgenden Lötmittel-Anschlußvorgang, ist durch Lötmittel bei dem nachfolgenden Lotmittel-Anschlußvorgang benetzbar und löst sich im wesentlichen im Lösungsmittel in dem nachfolgenden Lösungsmittel- Anschlußvorgang ohne nachteilige Wirkung auf die Lösungsmittelverbindung zwischen der elektronischen Komponente und der Durchbruchs-, Pad- oder Stegfläche. Dieses Schützmaterial ist vorzugsweise Gold.
  • Die erhaltenen Durchbruchs-, Pad- und Stegflächen, die auf diese Weise geschaffen werden, d.h. die aus Kupfer, überplattiert mit Nickel, und sodann überplattiert mit Schutzmaterial, bestehen, dienen als ausgezeichnete aktive lötbare Flächen für spätere Lötverbindung mit elektronischen Komponenten.
  • Eine Anzahl von unterschiedlichen Verfahren kann angewendet werden, um zu gewährleisten, daß die Durchbrüche, Pads und Stege, mit denen später Lötmittelverbindungen hergestellt werden, aus Kupfer, überschichtet mit einer im wesentlichen aus Nickel bestehenden Schicht, bestehen, wobei das Nickel sodann mit einer im wesentlichen aus dem Schutzmaterial bestehenden Schicht überschichtet wird. So kann beispielsweise die gedruckte Schaltung derart hergestellt werden, daß eine im wesentlichen aus Nickel bestehende Schicht über den ganzen Kupferschaltungsflächen einschließlich der Leitungsbahnen, Durchbrüche, Pads und Stege, entweder elektrolytisch oder nicht-elektrolytisch vorgesehen wird. Sodann kann eine Lötmaske über diesen Bereichen einschließlich der Nickel-beschichteten Kupferleitungen angewendet werden, die nicht bei den nachfolgenden Lötverbindungen beteiligt werden sollen, und die nicht-maskierten Bereiche (d.h. die Nickel-beschichteten Kupfer-Durchbrüche, -Pads und -Stege) werden sodann selektiv mit einer Überbeschichtung versehen, die im wesentlichen aus Schutzmaterial besteht (wobei vorher, wenn gewünscht, ein weiterer Aufbau von Nickel vorgenommen werden kann). Es wird in dieser Beziehung bemerkt, daß, da Nickel bei normalerweise angewendeten folgenden Löt-Anschlußvorgängen nicht wieder verflüssigbar ist, das Vorsehen einer Lötmaske über Nickel-beschichteten Kupferleitungen oder -bahnen nicht zur Brückenbildung oder anderen oben beschriebenen Problemen führt, wenn die Lötmaske über beispielsweise Weichlot-beschichteten Kupferleitungen angebracht wird.
  • Alternativ wird bei einem SMOBC-artigen Verfahren eine Lötmittelmaske auf diese Bereiche einschließlich der freiliegenden Kupferleitungen aufgebracht, die nicht an den folgenden Lotmittelanschlüssen beteiligt werden sollen, und die nichtmaskierten Bereiche (d.h. Kupfer-Durchbrüche, -Pads und -Stege) werden sodann mit einer ersten, aus Nickel bestehenden Schicht und einer zweiten Schicht über dem Nickel selektiv beschichtet, die im wesentlichen aus dem Schutzmaterial, z.B. Gold, besteht.
  • Dieses letztere SMOBC-artige Verfahren wird etwas bevorzugt, und in dieser Hinsicht wird auf den nicht-maskierten Durchbruch-, Pad- und Steg-Flächen aus Kupfer die erforderliche Beschichtung aus Nickel und darüber die Beschichtung aus beispielsweise Gold nicht-elektrolytisch aufgebracht. Obwohl irgendein nicht-elektrolytisches Nickelablagerungsbad und -verfahren in dieser Beziehung angewendet werden kann, werden offensichtlich Bäder und Verfahren bevorzugt, die selbst zu einem selektiven Plattieren nur über die Kupferoberflächen führen, d.h. jeglichen Nickel-Niederschlag auf der Lötmittelmaske minimal machen und idealer Weise vollständig vermeiden. Aus diesem Grund werden Bäder und Verfahren, die eine Edelmetall-Katalyse erfordern, d.h. das vorläufige Anbringen von aktivierenden katalytischen Substanzen, wie Palladium (aus Palladium/Zinn-Solen oder -Lösungen) auf den zu plattierenden Kupferoberflächen, nicht favorisiert, da es schwierig ist, das Niederschlagen von Katalysator und daher das Nickelplattieren auf der Lötmittelmaske zu vermeiden. Mehr bevorzugt wird die Anwendung von stromlosen Nickelbädern, welche Kupfer selektiv plattieren, und nicht-organische Lötmittel-Maskierungsflächen ohne das Erfordernis irgendeiner Katalyse (z.B. Boran- oder Borhydrid-reduzierte stromlose Nickelbäder), oder stromlose Nickelbäder, die so ausgebildet werden können, daß sie Kupfer selektiv plattieren, und nicht-organische Lötmittel-Maskierungsflächen mittels besonderer Aktivierungsverfahren (z.B. Hypophosphit-reduzierte stromlose Nickelbäder mit Verwendung von teilchenförmigem Zink-Metall als Katalysator, wie in der gleichzeitig übertragenen US-Patentanmeldung Ser.No. 520 635, eingereicht am 8.Mai 1990, beschrieben, auf die hier Bezug genommen wird).
  • Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung hat die nach außen weisende Überbeschichtung aus Schutzmaterial, insbesondere Gold, auf den ausgewählten Durchbrüchen, Pads und Stegen, an denen die Lötverbindungen später herzustellen sind eine Dicke normalerweise in der Größenordnung von etwa 0,1 bis etwa 1,0 µm, und vorzugsweise von etwa 0,2 bis 0,8 µm.
  • Die Dicke der im wesentlichen aus Nickel bestehenden Beschichtung liegt vorzugsweise zwischen etwa 1,0 und etwa 5 µm. Wenn die Nickelbeschichtung stromlos auf das Kupfer aufgebracht werden soll, wird bevorzugt, daß die Gesamtdicke ausgehend von einer ersten dünnen (Vordeck)-Beschichtung von Nickel-Bor (z.B. von etwa 0,1 bis etwa 1,0 µm Dicke), gefolgt von einer zweiten Beschichtung bis zur vollen gewünschten Dicke aus Nickel-Phosphor aufgebaut wird. Diese Anwendungsart ist zweckmäßig, da keine katalytische Aktivierung als solche erforderlich ist, d.h. das Nickel-Bor aus einem Boran- oder Borhydrid- reduzierten Bad plattiert sich von selbst auf Kupfer und dient sodann als die aktive Oberfläche zum Niederschlagen von Nickel-Phosphor aus einem Hypophosphit-reduzierten Bad, und sie ist ferner zweckmäßig, da sie den Verbrauch der Boran- oder Borhydrid-reduzierten Bäder minimal macht, die teuerer sind als Hypophosphit-reduzierte Niederschlagsbäder.
  • Dieses mehrfache Nickelbeschichtungsverfahren kann auch vorteilhaft angewendet werden, wenn die Nickelbeschichtung auf alle freiliegenden Kupferschaltungsteile als Teil des Herstellungsverfahrens für die gedruckte Schaltung selektiv aufgebracht wurde (normalerweise durch Elektroplattieren) z.B. als ein Ätzresist, wie oben beschrieben. Wenn das das Muster erzeugende Resist abgenommen wird, das vorher darunterliegende Kupfer abgeätzt wird und die Lötmaske selektiv aufgebracht wird, haben die nicht-maskierten Pad- und Stegbereiche, die aus elektrolytischem Nickel über Kupfer bestehen, trotzdem Seitenwände, an denen die Ränder des Kupfers nicht mit Nickel beschichtet sind. Es ist oftmals zweckmäßig für den Verbraucher, daß diese Kupferränder für die nachfolgende Herstellung von Lötmittelverbindungen vollständig zugänglich sind. Es wird daher erfindunsgemäß unter diesen Umständen bevorzugt, in diesen Bereichen zusätzlich Nickel selektiv stromlos niederzuschlagen, um die Kupferränder vollständig abzudecken (bei diesem Niederschlag werden natürlich auch die Durchbrüche mit einer zusätzlichen Nickelbeschichtung versehen). Tatsächlich auto-katalysiert das bereits auf diesen Flächen vorhandene Nickel den Niederschlag selbst aus hypophosphit-reduzierten Nickelbädern ohne das Erfordernis einer Katalyse oder spezieller Verfahren. Der durch die vorhandene Nickelschicht getriggerte Nickelniederschlag erweist sich derart, daß er ausreichend wächst oder sich ausbreitet, um die Kupferränder in den fraglichen Bereichen zu beschichten.
  • Offensichtlich besteht der Hauptvorteil der Erfindung darin, daß sie die Notwendigkeit dafür beseitigt, daß Lötmittel auf den Oberflächen der gedruckten Schaltung vorhanden ist, an die ein Anschluß von elektronischen Komponenten hergestellt wird, und daß statt dessen das Schutzmaterial über der Nikkelbeschichtung verwendet wird, um eine geeignete Lötfläche für diese Anschlüsse zu erzeugen. Da die gedruckte Schaltung nicht der Belastung des Lötmittelausgleichs durch heiße Luft unterworfen wird, wird die physikalische ünd elektrische Unversehrtheit der gedruckten Schaltung nicht beeinträchtigt und es werden viel weniger fehlerhafte oder ausfallende Schaltungen erhalten.
    • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Wie oben erwähnt, ist die vorliegende Erfindung im Hinblick auf das Herstellungsverfahren der gedruckten Schaltung an sich nicht kritisch, solange das Verfahren zu einer Schaltung führt, bei der ausgewählte Durchbrüche, Pads und Stege, an denen ein Anschluß von elektronischen Komponenten nachfolgend durchgeführt wird, so ausgebildet werden können, daß sie aus Kupfer, einer Überbeschichtung aus Nickel und einer weiteren Überbeschichtung aus Schutzmaterial, wie Gold, aufgebaut wird.
  • Bei einem typischen solchen verallgemeinerten Verfahren vom Subtraktionstyp wird eine doppelseitige gedruckte Schaltung mit metallisierten Durchbrüchen aus einem geeigneten hitzehärtbaren oder thermoplastischen dielektrischen Substratmaterial, wie Epoxy oder Polyimid, im allgemeinen glasfaserverstärkt, hergestellt, die normalerweise eine dünne Plattierung aus Kupferfolie auf beiden Seiten aufweist. Durchbrüche werden in das Plättchen gebohrt und sodann wird das Plättchen in ein stromloses Kupferniederschlagsbad getaucht (nach geeigneter Aktivierung/Katalyse des Plättchens und der Durchbruchsflächen), um die Durchbruchsflächen zu metallisieren und eine kontinuierliche stromlose Kupferausbildung an den Plättchenoberflächen zu erzeugen (am Dielektrikum als solchem oder, je nachdem, auf der bereits auf dem Dielektrikum vorhandenen Kupferfolien-Plattierung). Weitere Kupferdicke kann auf dieser Stufe elektrolytisch ausgebildet werden, oder man kann die folgenden mustergebenden Schritte abwarten. Bei der Mustergebung wird ein Negativ der gewünschten Schaltung auf den Plättchenoberflächen unter Verwendung eines organischen Resists angebracht (z.B. durch Aufbringen einer Schicht von Fotoresist, Bildbelichtung und Entwicklung), so daß die nachfolgenden Metall-Plattierungsschritte selektiv auf den nicht durch das Resist abgedeckten Flächen erfolgen.
  • Beim Verfahren nach dem SMOBC-Typ umfaßt eine typische Abfolge das Aufbringen von ätzbeständigem Material, wie Blei, Zinn-Blei oder dergl., auf die aufgebauten Kupferoberflächen, die nicht durch das mustergebende Resist abgedeckt sind. Sodann wird das mustergebende Resist entfernt, und das vorher unter dem mustergebenden Resist vorhandene Kupfer wird abgeätzt bis auf die dielektrische Substratoberfläche. Sodann wird das ätzbeständige Material abgestreift, um darunter die unbedeckte Kupferschaltung freizulegen, und sodann wird das Plättchen Lötmittel-maskiert, wobei ein geeignetes organisches Material verwendet wird, mit Ausnahme derjenigen Durchbruchs-, Pad- oder Stegbereiche, an denen Anschlüsse von elektronischen Komponenten vom Verbraucher bei einem nachfolgenden Lötvorgang (z.B.Schwall-Löten) vorgenommen werden.
  • Es gibt zahlreiche Abänderungen bei diesem Herstellungsverfahren nach dem SMOBC-Typ, die durchgeführt werden können, einschließlich der Verwendung von zusätzlichen Verfahrensschritten, Herstellung von Mehrschicht-Schaltungen und dergleichen, wie es in der Technik bekannt ist.
  • Die Lötmittel-maskierte gedruckte Schaltung mit freiliegenden unbedeckten Kupfer-Durchbrüchen, -Pads und -Stegen gemäß einem der erwähnten Herstellungsverfahren wird sodann nichtelektrolytisch behandelt, um auf den freiliegenden unbedeckten Kupferflächen das erforderliche Schutzmaterial über den Nickelbeschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung vorzusehen.
  • Wie oben bemerkt, umfaßt das bevorzugte Mittel für die Erzeugung einer Nickelbeschichtung auf den betreffenden freiliegenden Kupferoberflächen, die durch irgendeines der erwähnten Herstellungsverfahren erzeugt wurden, eine erste Verwendung eines stromlosen Nickel-Bor-Plattierungsbades, d.h. eines stromlosen Nickel-Plattierungsbades, in welchem ein Borhydrid oder Borän als Reduktionsmittel verwendet wird, da solche Bäder das Plattieren auf gereinigten Kupferoberflächen auslösen, ohne daß eine katalytische Aktivierung der Kupferoberfläche erforderlich ist. Stromlose Nickel-Bor-Bäder sind in der Technik bekannt und stehen entweder als alkalische oder saure Bäder zur Verfügung. Bäder dieser Art sind wäßrige Lösungen, die ein Nickelsalz (z.B.Chlorid, Sulfat oder dergleichen), Komplexbildner, pH-Einstellmittel, Stabilisatoren und Reduziermittel, normalerweise Natriumborhydrid, n-Dimethylaminboran oder n-diethylaminboran, enthalten. Für saure Bäder liegt der pH-Wert im allgemeinen zwischen etwa 4 und etwa 6,0 und es konnen Betriebstemperaturen von etwa 24 bis etwa 71ºC (75 bis 160ºF) angewendet werden, wobei man Niederschläge erhält, die von 0,1 bis etwa 6 Gew.-% Bor enthalten. Bei alkalischen Bädern werden pH-Werte oberhalb 12 sowie Betriebstemperaturen von etwa 24 bis etwa 71ºC (75 bis 160ºF) normalerweise angewendet, um Niederschläge zu erzeugen, die von etwa 0,1 bis 6 Gew.-% Bor enthalten.
  • Nickel-Phosphor-Bäder sind in der Technik bekannt und stehen in saurer und alkalischer Formulierung zur Verfügung. Sie enthalten Nickelsalze, Komplexbildner, pH-Einstellmittel, Stabilisatoren und Hypophosphit-Reduziermittel, normalerweise Natriumhypophosphit. Saure Bäder haben im allgemeinen einen pH-Wert von etwa 4 bis 7 und arbeiten bei Temperaturen von etwa 49 bis 105ºC (120 bis 220ºF). Sie erzeugen Niederschläge, die etwa 1 bis etwa 13 Gew.-% Phosphor enthalten, während alkalische Bäder im allgemeinen bei einem pH-Wert von 7 bis 12 und einer Temperatur von etwa 24 bis 66ºC (75 bis 150ºF) arbeiten. In Abhängigkeit von der Dicke der anfänglich aufgebrachten Nickel-Bor-Beschichtung hat die stromlos aufgebrachte Nickel-Phosphor-Beschichtung überall eine Dicke von etwa 1 bis etwa 25 µm.
  • Nach dem Nickel-Beschichtungsvorgang wird das Nickel mit einer Überbeschichtung aus dem Schutzmaterial versehen. Für den besonderen Fall der bevorzugten Goldbeschichtung wird die Lötmittel-maskierte gedruckte Schaltung in ein nicht-elektrolytisches Goldniederschlagsbad getaucht, um die erforderliche, vorzugsweise sehr hohe Reinheit besitzende Goldbeschichtung auf das Nickel aufzubringen. Die meisten nicht-elektrolytischen Goldbäder sind Tauchbäder, in denen Gold durch Ersatz-/Austauschreaktion mit dem darunterliegenden Metallsubstrat niedergeschlagen wird, und sind Säurebäder (z.B. mit einem pH-Wert bei oder nahe 4,0) und werden normalerweise bei Temperaturen von 93 bis 102ºC (200 bis 215ºF) betrieben. Stromlose Goldbäder sind ebenfalls bekannt, durch die Gold mittels Reduzierung von Goldsalzen unter dem Einfluß eines im Bad vorhandenen starken Reduziermittels niedergeschlagen wird. Diese Bäder sind normalerweise stark alkalisch und arbeiten auch bei verhältnismäßig hoher Temperatur, z.B. etwa 88 bis 93ºC (190 bis 200ºF).
  • Das auf das Nickel auf diese Weise aufgebrachte Gold ist vorzugsweise in der Größenordnung von etwa 0,1 bis etwa 1,0 µm dick, vorzugsweise von etwa 0,2 bis etwa 0,8 µm dick. Die Goldbeschichtung kann natürlich aus mehr als einer Goldschicht bestehen, z.B. einem Tauchgold, überplattiert mit stromlos aufgebrachtem Gold.
  • Alternativ kann bei einem Nicht-SMOBC-Verfahren das erforderliche Schutzmaterial über Nickelbeschichtungen für Kupfer- Durchbrüche, -Pads und -Stege durch Verbindung von elektrolytischen Nickel-Plattierungsbädern erzielt werden. So kann beispielsweise die gedruckte Schaltung aufgebaut werden, wie oben beschrieben, um eine mit Plattierungsresist gemusterte Kupferschaltung zu erzielen. Sodann kann Nickel auf alle freiliegenden Kupferflächen elektrisch niedergeschlagen werden, das als Ätzresist für das Kupfer dient. Das Plattierungsresist wird sodann entfernt, und das vorher unter dem Plattierungsresist befindliche Kupfer wird bis auf die dielektrische Substratfläche abgeätzt. Sodann wird eine Lötmittelmaske auf diese Bereiche aufgebracht, die Nickel-beschichtete Bahnen oder Leiter enthält, welche nicht an der folgenden Lötmittelverbindung mit elektronischen Komponenten beteiligt sind. Wie oben erläutert, ermöglicht die Nicht-Wiederverflüssigbarkeit des elektroplattierten Nickels, eine Lötmittelmaske über den Nickel-beschichteten Kupferleitungen ohne Berücksichtigung von Brückenbildung und dergl. zu erzeugen, die bei den nachfolgenden Lötvorgängen auftreten kann, wenn Zinn-Blei oder anderes wiederverflüssigbares Metall auf den Lötmittel-maskierten Bahnen und Leitern vorhanden ist.
  • In dieser Stufe des Verfahrens können die nicht-maskierten, Nickel-beschichteten Durchbrüche, Pads und Stege direkt bearbeitet werden, um die Beschichtung aus Schutzmaterial, wie Gold, auf dem Nickel zu erzeugen. Alternativ kann zusätzliches Nickel vor der Schutzmaterial-Beschichtung stromlos aufgebracht werden, entweder zusätzliche Dicke an sich zu gewinnen oder um sicherzustellen, daß die freiliegenden Kupferränder beschichtet werden, wie oben beschrieben.
  • Die Erfindung wird anhand des folgenden Beispiels weiter beschrieben und dargestellt.
    • BEISPIEL
  • Eine doppelseitige Lötmittel-maskierte gedruckte Schaltung mit einer Anzahl von freiliegenden unbedeckten Kupfer-Durchbrüchen und -Pads wurde in eine Reinigungslösung (SOAK 028, MacDermid, Inc., Waterbury, Connecticut, VStA) bei 60ºC (140ºF) eine Minute eingetaucht, sodann mit kaltem Wasser gespült, in eine Säure-Polierlösung (Metex BCB, Macdermid,Inc.) bei 29ºC (85ºF) eine Minute eingetaucht, mit kaltem Wasser ge- spült, und in einen alkalischen Neutralisator (100g/l Kalium- karbonat) eingetaucht.
  • Die gedruckte Schaltung wurde sodann in ein stromloses Nikkel-Bor-Bad, das Dimethylaminboran als Reduziermittel enthielt (Elnic 7057, MacDermid, Inc.) bei 32ºC (90ºF) eine Minute eingetaucht, um auf dem freiliegenden Kupfer eine Nickel-Bor-Vordeckschicht mit einer Dicke von etwa 0,1 µm (4 microinches) zu erzeugen. Nach dem Spülen wurde die gedruckte Schaltung in ein stromloses Nickel-Phosphor-Bad, welches Hypophosphit-Anionen als Reduziermittel enthielt (Elnic 110) bei 85ºC (185ºF) 20 Minuten eingetaucht, um eine Nickel-Phosphorbeschichtung mit einer Dicke von 7,6 µm (0,3 mils) auf der Nickel-Bor-Vordeckschicht zu erzeugen. Nach dem Spülen wurde die gedruckte Schaltung in ein Goldplattierungs-Tauchbad (ACR 705, American Chemical & Refining Co., Waterbury, Connecticut, VStA) bei 60ºC (140ºF) fünf Minuten lang eingetaucht, um auf dem Nickel eine Goldbeschichtung mit einer Dicke von etwa 0,2 bis 0,25 µm (7 bis 10 microinches) zu erzeugen.
  • Die so vorbereiteten Bereiche der gedruckten Schaltung zeigen eine ausgezeichnete Lötbarkeit beim Anschließen von elektronischen Chips an dieselben durch Schwall-Löten.
  • Die Erfindung wurde zwar mit Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Beispiele beschrieben, wobei diese zur Darstellung der Erfindung und ihrer besten Ausführungsart dienen, die jedoch nicht den Umfang der Erfindung einschränken sollen, der nur durch die Ansprüche definiert wird.

Claims (15)

1. Gedruckte Schaltung mit freiliegenden leitenden Flächen, mit denen elektronische Komponenten durch Löten elektrisch verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die freiliegenden leitenden Flächen aufweisen: Kupfer, eine Beschichtung über dem Kupfer, die im wesentlichen aus Nickel mit einer Dicke von 1 bis 25 µm besteht und eine erste, aus Nickel und Bor bestehende Beschichtung und eine zweite Beschichtung über der ersten Beschichtung aufweist, welche aus Nickel und Phosphor besteht, sowie eine Beschichtung über dem Nickel, die im wesentlichen aus einem Schutzmaterial besteht.
2. Gedruckte Schaltung nach Anspruch 1, bei welcher die Beschichtung des Schutzmaterials im wesentlichen aus Gold besteht.
3. Gedruckte Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Beschichtung des Schutzmaterials eine Dicke von 0,1 bis 1,0 µm besitzt.
4. Gedruckte Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die erste Beschichtung eine Dicke von 0,1 bis 1,0 µm und die zweite Beschichtung eine Dicke von 0,1 bis 25 µm besitzt.
5. Gedruckte Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die freiliegenden leitenden Schichten Durchbrüche, Pads, Stege oder Kombinationen derselben in der gedruckten Schaltung sind.
6. Gedruckte Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Oberflächen der gedruckten Schaltung, die sich von den freiliegenden leitenden Oberflächen unterscheiden, durch eine Lötmaske abgedeckt sind.
7. Verfahren zum Herstellen einer gedruckten Schaltung mit besonderen Kupferoberflächen in Form von darin vorgesehen Durchbrüchen, Pads, Stegen und Kombinationen derselben für den späteren Anschluß derselben an elektronische Komponenten durch Anlöten, wobei das Verfahren umfaßt: auf den besonderen Kupferoberflächen Anbringen einer Beschichtung, die im wesentlichen aus Nickel mit einer Dicke von 1 bis 25 µm besteht und eine erste, aus Nickel und Bor bestehende Beschichtung sowie eine zweite Beschichtung über der ersten Beschichtung aufweist, die aus Nickel und Phosphor besteht, gefolgt von dem Aufbringen einer im wesentlichen aus einem Schutzmaterial bestehenden Überbeschichtung auf die Nickelbeschichtung.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die Überbeschichtung von Schutzmaterial im wesentlichen aus Gold besteht.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei welchem eine Lötmaske über Oberflächenbereichen der gedruckten Schaltung vorgesehen wird, welche sich von den besonderen Kupferoberflächen unterscheiden, bevor auf die besonderen Kupferoberflächen die Nickelbeschichtung und die Überbeschichtung von Schutzmaterial aufgebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei welchem eine Lötmaske über Oberflächenbereichen der gedruckten Schaltung vorgesehen wird, die sich von denjenigen der besonderen Kupferoberflächen unterscheiden, nachdem auf die besonderen Kupferoberflächen die Nickelbeschichtung aufgebracht ist und bevor auf die besonderen Kupferoberflächen die Überbeschichtung von Schutzmaterial aufgebracht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei welchem ein im wesentlichen aus Nickel bestehender Teil der Beschichtung auf die besonderen Kupferoberflächen aufgebracht wird, eine Lötmaske über Oberflächenbereichen der gedruckten Schaltung vorgesehen wird, die sich von den nickelbeschichteten besonderen Kupferoberflächen unterscheiden, und sodann auf die nickelbeschichteten besonderen Kupferoberflächen eine im wesentlichen aus Nickel bestehende zusätzliche Beschichtung aufgebracht wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei welchem die überbeschichtung eine Dicke von 0,1 bis 1,0 µm besitzt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei welchem die im wesentlichen aus Nickel bestehende Beschichtung und die Überbeschichtung aus Schutzmaterial auf die besonderen Kupferoberflächen auf nichtelektrolytischem Wege aufgebracht wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei welchem die im wesentlichen aus Nickel bestehende Beschichtung auf die besonderen Kupferoberflächen elektrolytisch aufgebracht wird.
15. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem der Teil der im wesentlichen aus Nickel bestehenden Beschichtung elektrolytisch aufgebracht wird und, nachdem die Lötmaske aufgebracht ist, die zusätzliche Beschichtung von Nickel stromlos aus einem mit Hypophosphit reduzierten stromlosen Nickelplattierungsbad aufgebracht wird.
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