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1 Einleitung

Im vorliegenden Beitrag wird das Schichtsystem Nickel/Nickel-Phospor/Gold-Kobalt auf seine Eig-nung zur Beschichtung von Steckverbinder- kontakten für die Nachrichtentechnik überprüft. Die Untersuchungen wurden in einem gemeinsa- men Projekt der Siemens AG (Bereich Information and Communication Networks, München), ITT Industries Cannon GmbH, Weinstadt, und Umi- core Galvanotechnik GmbH, Schwäbisch Gmünd, durchgeführt.

Im Folgenden wird das untersuchte Schichtsystem dahingehend bewertet, ob es hinsichtlich techni- scher Eignung (elektrisches Verhalten, Beständig- keit gegen Korrosion und Verschleiß) und Kosten- aufwand (der sowohl die reinen Edelmetallkosten als auch die Prozesskosten beinhaltet) eine Alter- native zu den bislang etablierten Standardverfahren Nickel/Gold-Kobalt und Nickel/Palladium-Nickel/ Gold-Kobalt darstellt. Welchem der beiden genann- ten Standardverfahren bislang der Vorzug gegeben wird, hängt maßgeblich von den Preisen für Gold und Palladium ab; vor allem der Palladiumpreis unterlag in den letzten Jahren starken Schwankun- gen – in den Jahren 2001 und 2002 beispielsweise stieg der Preis von ca. 14 €/g auf über 40 €/g an. Die Mehrheit der Steckerhersteller, die zuvor noch mit Palladium-Nickel (mit Flashgold in einer Dicke von 0,1 bis 0,2 ?m) beschichtet hatten, stieg spätestens zu diesem Zeitpunkt auf Gold um. Der Goldpreis kann als relativ stabil bezeichnet werden. Die Schwankungen innerhalb der letzten fünf Jahre lagen zwischen 8,50 €/g und 12,50 €/g (Abb. 1). Inzwischen ist der Palladiumpreis wieder auf unter 6 €/g gefallen (Abb. 2), was Palladium-Nickel wieder interessanter erscheinen lässt.

4.3            Zinc-cobalt electroplating

Zinc-cobalt (<1% Co) is used mainly for fasteners and often in aggressive environments because of its superior corrosion resistance when exposed to acid and especially sulphur dioxide. Processes can be both alkaline and acid, and Co is added with the additive [15].

Neither zinc-nickel nor zinc-cobalt is used exten- sively in Northern Europe because of the concern about contact dermatitis and environmental problems with nickel and cobalt.

4.3            Zink-Kobalt-Abscheidung

Zink-Kobalt (<1 % Co) wird hauptsächlich auf Verbindungselemente abgeschieden und wegen seiner ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit gegen Säure und besonders gegen Schwefeldioxid häufig auf Teile, die einer aggressiven Umgebung ausgesetzt sind. Das Abscheideverfahren arbeitet sowohl alkalisch als auch sauer und Kobalt wird mit den Zusätzen zugegeben [15]. Weder Zink-Nickel noch Zink-Kobalt wird in Nordeuropa besonders häufig eingesetzt, da Nickel und Kobalt als Auslöser von Hautallergien und umwelt- problematisch gelten.

In eine optimale Anode zu investieren, ist eine komplexe Aufgabe. Viele Fragen sind zu beantworten: Welche Anforderungen gibt es an die Gleichmäßigkeit des Beschichtungsergebnisses? Welche Anodenreaktionen sind aufgrund der Sauerstoffüberspannung zu erwarten? Sind lösliche oder unlösliche Anoden besser geeignet? Wie hoch sind Investitionsaufwand und Kosten für die Wartung, wie lange die Lebensdauer? // 

Investing in an optimal anode is a complex task. Numerous questions are to be answered: What are the requirements on the uniformity of the resulting coating? What anodic reactions are to be expected due to oxygen overvoltage? Are soluble or insoluble anodes better suited? What are the investment expenses and the costs for maintenance? How long is the life expectancy?

Einleitung

Eine Nickel-Molybdän-Legierung mit Legie- rungsanteilen von bis zu 30 % Molybdän kommt nach veröffentlichten Untersuchungen als Kataly- sator für elektrochemische Prozesse in Betracht. Darüber hinaus sind weitere günstige Eigen- schaften derartiger Legierungen zu erwarten, wie beispielsweise eine erhöhte Korrosions- oder Verschleißbeständigkeit gegenüber reinen Nickel- schichten.

Der Hauptvorteil der galvanischen Nickel-Molyb- dän-Schichten gegenüber häufig verwendeten Vollmaterial-Katalysatoren oder auch gespritzten Schichten sind die deutlich geringeren Kosten für deren Herstellung, da mit geringem Materialein- satz eine optimale Verteilung gewährleistet ist. Zudem ist bei der kathodischen Belastung nahezu kein Materialverlust zu erwarten, weshalb bereits geringe Schichtdicken ausreichend sein sollten

Das Wort Whisker sagt vielen Beschäftigten in der Galvanotechnik etwas, aber nur wenige setzen sich mit dieser Problematik auseinander. Warum das Themengebiet aber eine große Bedeutung in galvanisch abgeschiedenen Schichten, vor allem bei Elektronik-Elementen bzw. -Komponenten hat, wird in diesem Beitrag dargestellt.

Einführung

Auf Metalloberflächen lassen sich durch chemi- sche und elektrochemische Reaktionen zwischen den Oberflächenatomen des Metallsubstrates und potentiellen Reaktanten der Umgebungsmedien Konversionsschichten auf Basis der entsprechen- den Metallverbindungen bilden. Diese Reaktionen können, im Gegensatz zu unerwünschten, funk- tionsbeeinträchtigenden Korrosionserscheinungen des Substratmaterials, zur Ausbildung passivie- render, haftfester Konversionsschichten führen, so dass man in vielfältiger Weise zu hoch interessan- ten Oberflächenmodifizierungen und -funktionali- sierungen gelangt.

Durch die Wahl geeigneter Reaktanten und Ver- fahrensparameter (z.B. Brünieren, Phosphatieren, Nitridieren, Anodisieren) ist ein breites Spektrum technisch relevanter Oberflächensysteme zugäng- lich. Einen Sonderfall der anodischen Oberflächen- behandlung stellt die anodische Oxidation unter Funkenentladung dar.

Als Anodenmaterialien eignen sich dabei die so genannten Ventilmetalle (valve metals), deren Bezeichnung auf deren unterschiedliche, dioden- ähnliche kathodische Durchlässigkeit bzw. ano- dische Sperrwirkung für Ladungsträger bei der entsprechenden Polung eines äußeren elektrischen Feldes in wässrigen Elektrolytsystemen zurück- zuführen ist. Besonders ausgeprägte Ventilmetall- eigenschaften zeigen Aluminium, Tantal, Titan, Zirkonium, Niobium, Hafnium sowie Legierungen dieser Metalle.

Durch anodische Polung in geeigneten Elektrolyt- systemen wird die vorhandene, wenige Nanometer starke natürliche Oxidschicht dieser Metalle unter Ausbildung einer passivierenden, porenfreien Sperrschicht während einer Formierphase ver- stärkt. Das Wachstum dieser Sperrschicht ist durch das Erreichen der so genannten Funken- oder

Durchschlagsspannung, ein für das jeweilige Metall/Elektrolyt-System charakteristischer Wert, begrenzt. Bei diesen Anodenpotentialen treten erste dielektrische Durchschläge (dielectric breakdown) auf.

Die dabei ablaufenden elektrochemisch-plasma- chemischen Reaktionen sind makroskopisch durch sichtbare Funkenentladungen an der Phasengrenze Anode/Elektrolyt (Abb. 1), durch akustische Effekte sowie deutliche Potentialschwankungen gekennzeichnet.

Im Resultat der anodischen Oxidation unter Fun- kenentladung entsteht, im Vergleich zu konven- tionellen Anodisierverfahren, ein hinsichtlich der Oberflächenmorphologie (Abb. 2), Phasenstruktur und chemischer Zusammensetzung völlig neuar- tiger Typ glaskeramikartiger anodischer Konver- sionsschichten.

Viele elektrometallurgische Verfahren und experimentelle Untersuchungen in chemischen Laboratorien bestätigen, dass die Elektrolyse der wässrigen Lösungen der einfachen Metallsalze zu lockeren, an der Kathode schlechter anhaftenden Metallniederschlägen führt. Diese Metallschichten sind manchmal schwammig und bestehen aus Kristallen mit sehr verschiedenen Größen und Formen in mannigfaltigen Verhältnissen.

Es wurde schon Mitte des 19. Jahrhunderts beobachtet, dass eine schöne, glatte Silberabscheidung entsteht, wenn den Silbernitratelektrolyten Kalium- cyanid (KCN) zugesetzt wird. Im Laufe eines solchen Versuches gelangten auch zufällig einige Tropfen Schwefelkohlenstoff (CS2) in den Elektrolyten. Das Ergebnis dieser Elektrolyse war ein prachtvoller, spiegelglänzender Silberüberzug. Schwefelkohlenstoff ist daher einer der ersten Zusätze in der Galvanotechnik [1, 2].

-Fortsetzung aus Galvanotechnik 1/2004-

5.Pulsierender Gleichstrom

Mit pulsierendem Gleichstrom lässt sich nur in wenigen Fällen eine geringfügige Steigerung der Abscheidungsgeschwindigkeit erzielen, jedoch können bestimmte Schichteigenschaften gezielt beeinflusst werden. Da diese Stromform seit vielen Jahren erfolgreich bei der Bandabscheidung zum Einsatz kommt, soll nachfolgend näher darauf eingegangen werden. Nach Ibl [7] wird der Einfluss von pulsierendem Strom auf die Vorgänge an der Kathodenoberfläche wie folgt beschrieben (Abb. 32): Die Diffusionsschicht teilt sich unter Pulsstrombedingungen in zwei konkrete Diffusionszonen auf. Die der Kathode zugewandte Diffusionsschicht besitzt eine extrem geringe Schichtdicke von weniger als 1 µm, wodurch sehr hohe Grenzstromdichten ermöglicht werden. Die zweite Diffusionszone verhält sich analog einem Gleichstromsystem, welches durch hydrodynamische Vorgänge bestimmt wird. Der Konzentrationsgradient in der Diffusionsschicht 1 ändert sich entsprechend der Pulsfrequenz.

Die Eigenschaften und die Qualität von Edelstahl Rostfrei werden wesentlich bestimmt von der Güte der Produktoberfläche. Eine besonders qualitätsbestimmende und umweltrelevante Stufe in der Produktionskette von nichtrostenden Stählen ist das Beizen. Die größte industrielle Bedeutung besitzt das Beizen in wässrigen Säurelösungen. Während des Beizvorganges gehen Metallionen aus dem Zunder beziehungsweise Grundmetall in Lösung und bilden mit der Beizsäure Metallsalze. Der Metallsalzgehalt im Beizbad steigt und der Säuregehalt nimmt ab. Beim Erreichen einer bestimmten Konzentration an gelösten Metallen muss das Beizbad regeneriert oder verworfen werde. Dies zieht eine umfangreiche Abwasser- beziehungsweise Konzentratbehandlung nach sich. Es existiert eine Vielzahl von Verfahren zur Aufbereitung von Beizbädern, die entweder auf eine Teil- oder Totalregeneration abzielen.

-Fortsetzung aus Galvanotechnik 11/2003-

3 Halbleiterträgerelemente

Neben einer Vielzahl von unterschiedlichsten Steckverbinderelementen gibt es eine weitere Produktgruppe der Mikroelektronik, die auf Bandanlagen überwiegend selektiv mit definierten Metall-Kombinationen beschichtet wird. Zur Gruppe dieser so genannten Halbleiterträgerelemente (Leadframes) gehören vor allem integrierte Schaltkreise und optoelektronische Bauelemente (LED’s).

Wie der Name schon besagt, dienen diese Trägerelemente zur Aufnahme von Bauelementen der Mikroelektronik. Darüber hinaus wird der metallische Rahmen zur Anbindung der mikroskopisch kleinen Anschlüsse auf den Mikrochips an die entsprechenden Löt- bzw. Steckbeinchen der Leadframes verwendet.

Nach erfolgter Beschichtung mit speziellen Gold- oder Silberniederschlägen wird ein Halbleiterchip auf die Insel des Leadframes angeklebt und mittels haarfeinen Gold- oder Aluminiumdrähten mit einer Vielzahl von Anschlussbeinchen des Leadframes elektrisch leitend verbunden.