Endgültige Oberflächenveredelung der Leiterplatte: Chemisch Nickel-Führung

Der abschließende Oberflächenbearbeitungsprozess in Leiterplattenherstellung hat in den letzten Jahren große Veränderungen durchgemacht. Diese Veränderungen resultierten aus dem wachsenden Bedarf, die Grenzen des HASL-Verfahrens (Heißluftlötnivellieren) zu überwinden, und aus dem Aufkommen zahlreicher Ersatzmethoden für HASL.

Die abschließende Oberflächenbehandlung dient dem Schutz der Kupferfolie auf der Leiterbahn. Kupfer (Cu) eignet sich hervorragend zum Löten von Bauteilen, oxidiert jedoch leicht. Kupferoxid verhindert das Benetzen mit Lötzinn. Heutzutage wird Kupfer häufig mit Gold (Au) beschichtet, da Gold nicht oxidiert. Gold und Kupfer diffundieren jedoch sehr schnell ineinander. Freiliegendes Kupfer bildet daher bald Kupferoxid, das nicht mehr lötbar ist.

Eine Lösung besteht in der Verwendung einer Nickel-Sperrschicht. Diese Schicht verhindert die Migration von Gold und Kupfer ineinander und bietet zudem eine beständige und leitfähige Oberfläche für die Bauteilmontage.

Anforderungen an die stromlose Nickelbeschichtung von Leiterplatten

Eine stromlose Nickelbeschichtung soll mehrere Funktionen erfüllen.

Eine Oberfläche für die Goldabscheidung

Das Ziel einer Leiterplattenfertigung ist die Herstellung einer Verbindung zwischen Leiterplatte und Bauteil, die eine hohe mechanische Festigkeit und gute elektrische Eigenschaften aufweist. Befinden sich Oxide oder Verunreinigungen auf der Leiterplattenoberfläche, kann diese Lötverbindung mit den heutigen, schwachen Flussmittelsystemen nicht hergestellt werden.

Gold lagert sich natürlicherweise auf Nickel ab und oxidiert auch bei längerer Lagerung nicht. Auf oxidiertem Nickel lagert sich Gold jedoch nicht ab. Daher muss Nickel zwischen dem Nickelbad und dem Goldbad sauber bleiben. Aus diesem Grund ist die erste Voraussetzung für Nickel, dass es lange genug oxidationsfrei bleibt, damit sich Gold abscheiden kann.

Chemiker entwickelten stromlose Galvanisierungsbäder, die einen Phosphorgehalt von 6 % bis 10 % in der Nickelschicht ermöglichen. Dieser Phosphorgehalt in der stromlosen Nickelbeschichtung stellt ein sorgfältig abgestimmtes Gleichgewicht zwischen Badkontrolle, Oxidbeständigkeit sowie elektrischen und physikalischen Eigenschaften dar.

Härte

Die Oberfläche von stromlos abgeschiedenen Nickelschichten findet in vielen Anwendungen Verwendung, die eine hohe Festigkeit erfordern, beispielsweise in Getriebelagern für Kraftfahrzeuge. Die Anforderungen an Leiterplatten sind zwar nicht ganz so streng, dennoch ist eine gewisse Härte wichtig für Drahtbonden, Kontaktpunkte von Touchpads, Kantenverbinder und die Haltbarkeit im Gebrauch.

Für das Drahtbonden ist eine bestimmte Nickelhärte erforderlich. Verformt der Draht die Beschichtung, kann es zu Reibungsverlusten kommen, was das „Verschweißen“ des Drahtes mit dem Substrat begünstigt. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen, dass kein Eindringen in ebene Nickel/Gold- oder Nickel/Palladium(Pd)/Gold-Oberflächen erfolgt.

Elektrische Eigenschaften

Da Kupfer leicht zu verarbeiten ist, wird es für die Herstellung von Stromkreisen bevorzugt. Die Leitfähigkeit von Kupfer ist besser als die fast aller anderen Metalle. Auch Gold besitzt eine gute Leitfähigkeit und eignet sich hervorragend als äußerstes Metall, da sich Elektronen bevorzugt an der Oberfläche eines Leiters bewegen. Dies ist der sogenannte Skin-Effekt.

Kupfer: 1.7 µΩcm
Gold: 2.4 µΩcm
Nickel: 7.4 µΩcm
Chemisch abgeschiedene Nickelbeschichtung: 55–90 µΩcm

Tabelle 1. Spezifischer Widerstand der Leiterplattenmetalle

Obwohl die elektrischen Eigenschaften der meisten Leiterplatten durch die Nickelschicht nicht beeinträchtigt werden, kann Nickel die elektrische Leistungsfähigkeit von Hochfrequenzsignalen beeinflussen. Signalverluste in Mikrowellen-Leiterplatten können die Spezifikationen des Entwicklers überschreiten. Dieser Effekt ist proportional zur Nickelschichtdicke, da das Schaltungssignal die Nickelschicht durchdringen muss, bevor es den Lötpunkt erreicht. In vielen Anwendungen lässt sich das elektrische Signal wieder innerhalb der Spezifikationen halten, indem die Nickelschichtdicke auf unter 2.5 µm begrenzt wird.

Kontakt Widerstand

Der Kontaktwiderstand unterscheidet sich von der Lötbarkeit, da eine Nickel/Gold-Oberfläche während der gesamten Lebensdauer des Endprodukts nicht lötbar sein muss. Nickel/Gold muss auch nach langer Einwirkung von Umwelteinflüssen leitfähig bleiben. Antlers Arbeit aus dem Jahr 1970 lieferte numerische Anforderungen an den Kontaktwiderstand von Nickel/Gold-Oberflächen. Verschiedene Einsatzumgebungen wurden untersucht: 65 °C, eine übliche obere Betriebstemperatur für elektronische Systeme, die bei Raumtemperatur arbeiten, wie z. B. Computer; 125 °C, die für Standardsteckverbinder, häufig für militärische Anwendungen, geforderte Temperatur; und 200 °C, eine Temperatur, die für Flugzeugausrüstung zunehmend an Bedeutung gewinnt.

Bei niedrigen Temperaturen ist keine Nickelbarriere erforderlich. Mit steigender Temperatur erhöht sich jedoch auch die Menge an Nickel, die zur Verhinderung des Nickel/Gold-Transfers benötigt wird.

Tabelle 2. Kontaktwiderstand von Nickel/Gold (Ergebnisse nach 1000 Stunden)

In Antlers Studie wurde Nickel galvanisch abgeschieden. Wie Baudrand bestätigte, sind mit stromlos abgeschiedenem Nickel bessere Ergebnisse zu erwarten. Allerdings bezogen sich diese Ergebnisse auf eine Goldschichtdicke von 0.5 µm, während für planare Oberflächen üblicherweise 0.2 µm verwendet werden. Daraus lässt sich schließen, dass planare Oberflächen für Kontaktbauteile, die bei 125 °C betrieben werden, ausreichend sind, Bauteile, die höheren Temperaturen ausgesetzt sind, jedoch spezielle Prüfungen erfordern.

Antler schlug vor: „Je dicker die Nickelschicht, desto besser die Barrierewirkung. Das trifft zwar grundsätzlich zu, doch die Anforderungen der Leiterplattenfertigung zwingen die Ingenieure dazu, nur die benötigte Nickelmenge aufzutragen.“ Flaches Nickel/Gold wird heute in Mobiltelefonen und Pager mit Touchpad-Kontaktpunkten verwendet. Die Spezifikation für solche Bauteile sieht eine Nickelschichtdicke von mindestens 2 µm vor.

Steckverbinder

Chemisch abgeschiedenes Nickel/Immersionsgold wird bei der Leiterplattenherstellung für Schaltungen verwendet, die Federkontakte, Presskontakte, Niederdruck-Schleifkontakte und andere lötfreie Steckverbinder umfassen.

Kantenverbinder erfordern eine höhere mechanische Belastbarkeit. In diesen Fällen ist die stromlos abgeschiedene Nickelbeschichtung für den Einsatz auf Leiterplatten ausreichend, eine Goldbeschichtung allein jedoch nicht. Sehr dünnes Reingold (ca. 60–90 Knoop) nutzt sich bei wiederholter Reibung vom Nickel ab. Ist das Gold abgetragen, oxidiert das freiliegende Nickel schnell, und der Kontaktwiderstand steigt.

Chemisch abgeschiedenes Nickel bzw. Gold ist möglicherweise nicht die beste Wahl für Kantenverbinder, die während ihrer gesamten Lebensdauer häufig gesteckt werden. Für Mehrzweckverbinder wird Nickel/Palladium/Gold empfohlen.

Barriereschicht

Chemisch abgeschiedenes Nickel hat drei Barriereschichtfunktionen auf der Leiterplatte:

1. Es verhindert, dass Kupfer in Gold diffundiert.
2. Es verhindert, dass Gold in Nickel diffundiert.
3. Es dient als Nickelquelle für die Bildung von intermetallischen Ni3Sn4-Verbindungen.

Kupferdiffusion durch Nickel

Wenn Kupfer durch Nickel wandert, erreicht es die Oberfläche des Goldes und führt zu dessen Zersetzung. Kupfer oxidiert schnell und beeinträchtigt die Lötbarkeit während der Bestückung. Dies geschieht, wenn in einigen Bereichen der Platinenbeschichtung Nickel fehlt. Nickel ist notwendig, um die Migration während der Lagerung und des Transports unbestückter Platinen sowie während der Bestückung zu verhindern, wenn andere Bereiche der Platine bereits verlötet wurden. Aus diesem Grund darf die Sperrschicht weniger als eine Minute lang unter 250 °C bleiben.

Turn und Owen untersuchten die Wirkung verschiedener Sperrschichten auf Kupfer und Gold. Sie stellten fest, dass „…ein Vergleich der Kupferpenetrationswerte bei 400 °C und 550 °C zeigt, dass Chrom und Nickel mit einem Phosphorgehalt von 8–10 % die wirksamsten der untersuchten Sperrschichten sind.“

Tabelle 3. Kupferpenetration durch Nickel in Richtung Gold

Gemäß der Arrhenius-Gleichung verlangsamt sich die Diffusion bei niedrigeren Temperaturen exponentiell. Interessanterweise war in diesem Test stromlos abgeschiedenes Nickel 2- bis 10-mal wirksamer als galvanisch abgeschiedenes Nickel. Turn und Owen stellten fest: „…eine 2 µm (80 Mikrozoll) dicke Barriere aus dieser Legierung reduziert die Kupferdiffusion auf ein vernachlässigbares Maß.“

Aus diesem Extremtemperaturtest geht hervor, dass eine Nickelschichtdicke von mindestens 2 µm eine sichere Spezifikation darstellt.

Nickeldiffusion durch Gold

Die zweite Voraussetzung für stromloses Vernickeln ist, dass Nickel nicht durch die Korn- oder Porenstruktur des Immersionsgoldes wandern darf. Nickel oxidiert an der Luft. Nickeloxid ist nicht lötbar und lässt sich mit Flussmittel nur schwer entfernen.

Es gibt mehrere Veröffentlichungen über Nickel und Gold, die auf keramischen Chip-Trägern verwendet werden. Diese Materialien sind bei der Montage über lange Zeiträume extremen Temperaturen ausgesetzt. Ein gängiger Test für diese Oberflächen ist eine 15-minütige Behandlung bei 500 °C.

Um zu beurteilen, wie gut eine ebene, stromlos abgeschiedene Nickel-/Immersionsgold-Oberfläche die Nickeloxidation verhindert, wurden Lötbarkeitsstudien an thermisch gealterten Oberflächen durchgeführt. Die Tests erfolgten unter verschiedenen Bedingungen hinsichtlich Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Zeit. Die Studien zeigten, dass Nickel durch Immersionsgold gut geschützt ist und dass auch nach langer Alterung noch eine gute Lötbarkeit möglich ist.

Die Diffusion von Nickel durch Gold kann in manchen Montageverfahren, wie beispielsweise beim thermosonischen Drahtbonden mit Gold, ein limitierender Faktor sein. In dieser Anwendung sind Nickel/Gold-Oberflächen Nickel/Palladium/Gold-Oberflächen unterlegen. Iacovangelo untersuchte die Diffusionseigenschaften von Palladium als Barriere zwischen Nickel und Gold und fand heraus, dass eine 0.5 µm dicke Palladiumschicht die Migration selbst bei extremen Temperaturen stoppen kann. Diese Studie zeigte auch, dass nach 15 Minuten bei 500 °C mittels Auger-Spektroskopie keine Kupferdiffusion durch eine 2.5 µm dicke Nickel/Palladium-Schicht nachweisbar war.

Nickel-Zinn-Intermetallverbindungen

Beim Oberflächenmontage- oder Wellenlöten vermischen sich Atome von der Leiterplattenoberfläche mit Lötatomen, abhängig von den Diffusionseigenschaften der Metalle und ihrer Fähigkeit zur Bildung intermetallischer Verbindungen.

Tabelle 4. Diffusionsraten von Leiterplattenmaterialien während des Lötens

Im Nickel/Gold- und Zinn/Blei-System löst sich das Gold sehr schnell im Lot auf. Das Lot bildet durch die Bildung intermetallischer Ni₃Sn₄-Verbindungen eine starke Bindung zum darunterliegenden Nickel. Es muss ausreichend Nickel abgeschieden werden, um zu verhindern, dass das Lot das darunterliegende Kupfer erreicht. Messungen von Bader zeigten, dass nicht mehr als 0.5 µm Nickel erforderlich sind, um diese Barriereschicht auch nach mehr als sechs Temperaturzyklen aufrechtzuerhalten. Tatsächlich betrug die maximal beobachtete Dicke der intermetallischen Schicht weniger als 0.5 µm (20 Mikrozoll).

Porosität

Chemisch abgeschiedenes Nickel/Gold ist erst seit Kurzem ein gängiges Oberflächenfinish für Leiterplatten, daher eignen sich industrielle Prozesse möglicherweise nicht optimal für diese Oberfläche. Für die Porositätsprüfung von galvanisch abgeschiedenem Nickel/Gold für Kantenverbinder wird nun ein Salpetersäure-Dampftest verwendet (IPC-TM-650 2.3.24.2). Chemisch abgeschiedenes Nickel/Immersionsgold besteht diesen Test nicht. Zur Beurteilung der relativen Porosität ebener Oberflächen wurde ein europäischer Porositätsstandard mit Kaliumferricyanid entwickelt. Das Ergebnis wird als Anzahl der Poren pro Quadratmillimeter (Poren/mm²) angegeben. Eine gute ebene Oberfläche sollte bei 100-facher Vergrößerung weniger als 10 Poren pro Quadratmillimeter aufweisen.

Fazit

Die Leiterplattenindustrie ist aufgrund von Kosten, Zykluszeiten und Materialverträglichkeit daran interessiert, die Nickelmenge auf den Leiterplatten zu reduzieren. Die Mindestvorgabe für Nickel soll die Diffusion von Kupfer zur Goldoberfläche verhindern, eine gute Lötstellenfestigkeit gewährleisten und den Kontaktwiderstand niedrig halten. Die Höchstvorgabe für Nickel soll mehr Flexibilität in der Leiterplattenproduktion ermöglichen, da keine schwerwiegenden Fehlerursachen im Zusammenhang mit dicken Nickelschichten bekannt sind.

Für die meisten Leiterplattendesigns beträgt die minimale Nickelschichtdicke bei der stromlosen Abscheidung heute 2.0 µm (80 Mikrozoll). In der realen Produktion variiert die Nickelschichtdicke innerhalb einer Charge von Leiterplatten. Diese Schwankungen ergeben sich aus Änderungen der Badchemie und der Verweilzeit der automatischen Abstreifanlage. Um sicherzustellen, dass der Mindestwert von 2.0 µm eingehalten wird, sollte die Spezifikation des Endkunden eine nominale Nickelschichtdicke von 3.5 µm mit einem Minimum von 2.0 µm und einem Maximum von 8.0 µm vorsehen.

Dieser Nickelschichtdickenbereich hat sich bereits bei der Herstellung von Millionen von Leiterplatten bewährt. Er erfüllt die Anforderungen an Lötbarkeit, Lagerfähigkeit und Kontaktierung moderner Elektronikprodukte. Da die Montageanforderungen je nach Produkt variieren, muss die Oberflächenbeschaffenheit gegebenenfalls für jede Anwendung optimiert werden.