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-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.

Elektrochemische Nickelabscheidungen werden sowohl für dekorative als auch für funktionelle Beschich- tungen genutzt. Ein Nachteil fast aller Nickelelektrolyte ist deren schlechte Streufähigkeit, die an komplex geformten Substraten zu einer Schichtdickenverteilung führt. Neben dem Einfluss, den verschiedene orga- nische und anorganische Substanzen auf die Streufähigkeit eines Nickelelektrolyten ausübten, wurden u.a. makroskopische und mikroskopische Charakterisierungen sowie Stromausbeutebestimmungen durchge- führt. Die Wirkungsweise einiger ausgewählter Additive wurde mit der Elektrochemischen Quarzmikro- waage untersucht.

Oberflächenbearbeitungsbetriebe wie Galvaniken gehen mit teuren Chemikalien um, deren möglichst geschlossene, enge Kreisläufe aus dreierlei Hinsicht geboten sind: zum einen um die Stoffe als Ressourcen zu erhalten, zum anderen um sie der Umweltbelastung fern zu halten und schließlich auch aus betriebswirtschaftlichen Gründen. Die Kreislaufwirtschaft kommt daher den Oberflächenbehandlern besonders gelegen, erfordert aber auch ein ständiges Nach- denken, Beobachten von Märkten und Benchmarking mit anderen Unternehmen, um an der Effizienzschraube immer erfolgreicher zu drehen. Besondere Aufmerksamkeit verdienen die Referenzdokumente zur „Besten Verfügbaren Technik", die sich an dem Branchenstand der Technik orientieren. Das soll an einigen Beispielen beleuchtet werden, wie dem Säurerecycling, der Aufarbeitung galvanischer Bäder, Isolierung der Wertstoffe aus fotografischen Materialien, einschließlich der Iodidrückgewinnung sowie der externen Aufarbeitung.// 

Surface treatment plants as e.?g. galvanic installations are handling expensive chemicals, for which closed and narrow as possible cycles are necessary in three aspects: on one hand to maintain the resources, on the other hand to avoid environmental pollution and finally, looking at the economic feasibility. Closed loop recycling management is in surface treatment companies a special issue, but requires permanent new ideas, market observations as well as benchmarking in comparison to other organizations, being more and more successful in the efficiency strategy. Specific attention to the reference documents of the “Best Available Techniques” is needed, which are reflecting the state of the art in the surface treatment sector. This should be illuminated by some examples: the recycling of acids, the recovery of galvanic bathes, isolation of valuable sources from photographic scrap, including the isolation of iodide, and the external recovery.

Bei der Herstellung von elektrischen Steckverbindern wird oft, vor der Edelmetallbeschichtung eine Nickelzwischenschicht aufgebracht. Aus Arbeitssicherheits- und Umweltschutzgründen wurde in der Firma Harting für „High-Speed"-Anwendungen ein neuer borsäurefreier Nickelelektrolyt entwickelt. In diesem Beitrag werden einige Schichteigenschaften von marktüblichen Elektrolyten und dem neu entwickelten Elektrolyten anhand von Labor- und Pilotanlagenversuchen vorgestellt. // 

In the production of electrical connectors is often applied before the noble metal coating a nickel intermediate layer. For safety and environmental protection reasons has been developed in the company Harting a new boric acid free nickel electrolyte for “high-speed” applications. In this paper are presented some layer properties of commercially available electrolytes and the newly developed electrolytes on the basis of laboratory and pilot plant tests.

Anleitung

In galvanischen Bädern ist es notwendig, den pH-Wert in einem bestimmten Bereich zu halten. Das Einbringen eines Puffers hat den Vorteil, dass der pH-Wert des Elektrolyten stabilisiert wird. Nach dem heutigen Stand der Technik werden die marktüblichen Nickelbäder mit Borsäure als Puffersubstanz betrieben. Da die Borsäure in einer Kandidatenliste der REACh-Verordnung als ein autorisierungspflichtiger Stoff aufgenommen wurde, beginnt die Suche nach einem neuen Puffersystem für die galvanischen Bäder. In [1] wurde in einem sauren Zinkbad die Borsäure durch Essigsäure ersetzt. EP-Patent 2 706 132 A1 [2] beschreibt ein Verfahren zur Abscheidung der Zink-Nickel-Legierung aus einem sauren, borsäurefreien Elektrolyten mit einem pH-Wert im Bereich 5,0 bis 6,0 und Stromdichte 0,5 bis 3,5 A/dm2. Als Puffersubstanzen enthält das Bad statt Borsäure einige organische Säuren. Zur Abscheidung von Nickelschichten aus den sauren Bädern sind mehrere Patente bekannt (z.B. US P 19 53 707.6 [3], JP 2001107284 A 20010417 [4]), bei denen ebenfalls die organischen Säuren als Puffer eingesetzt werden.

Die Topografie der galvanischen Schicht bzw. ihre Rauheit ist der Topografie und Rauheit der Rohteiloberfläche direkt proportional. Jede Unebenheit – Rauheitspeak oder Fremdteilchen – auf der Grundwerkstoffoberfläche erscheint, insbesondere bei Elektrolyten mit nicht sehr guter Mikrostreuung, verstärkt auf der Schichtoberfläche. Bei hinreichender Schichtdicke entstehen auf der Oberfläche immer Warzen. Je höher die Schichtdicke ist, umso stärker wirken sich auch kleinste Höhenunterschiede auf der Grundwerkstoffoberfläche aus. Bei der Hartverchromung ist diese Schichtdicke bei üblichen Grundwerkstoffrauheiten als Grenze für die Maßverchromung bekannt. Sie lässt sich durch bessere Glättung des Grundwerkstoffes und/oder den Einsatz eines Elektrolyten mit höherer Mikrostreufähigkeit erhöhen.

Verfahrenssimulation und -optimierung mithilfe numerischer Methoden kann teure und zeitaufwendige Experimente zur Herstellung qualitativ hochwertiger Produkte reduzieren. Elektroabscheidung ist ein bedeutendes Beschichtungsverfahren, bei dem die Qualität und Gleichmäßigkeit der Abscheidung von großer Bedeutung ist. In diesem Papier wurde ein finites Elementmodell zur Bewertung der Werte der Primärund Sekundärstromdichte auf der Kathodenfläche bei der Nickelelektroabscheidung eines drehenden Teils vorgeschlagen. Zusätzlich wurde die Leistungsfähigkeit dieser Simulation untersucht, um die abgeschiedene Dicke der Nickelsulfatlösung zu beschreiben. Es wurden Experimente zum galvanisieren von Nickel durchgeführt und die gemessenen Dicken an verschiedenen Punkten mit den Prognosen verglichen. Es wurde eine gute Übereinstimmung der simulierten mit den experimentellen Ergebnissen festgestellt. Die Ergebnisse zeigten auch, dass die Primärstromdichte die allgemeine Form der Dickenverteilung beschreiben kann, der relative Wert der Stromdichte unter Verwendung der Sekundärstromdichte jedoch eine bessere Beschreibung der Dickenverteilung liefert.

Process simulation and optimization with the help of numerical methods can reduce expensive and time consuming experiments for manufacturing good quality products. Electroplating is a prominent coating process that the quality and uniformity of the deposition are of great importance in this process. In this paper a finite element model has been proposed for evaluation of primary and secondary current density values on the cathode surface in nickel electroplating operation of a revolving part. In addition, the capability of presented electroplating simulation has been investigated in order to describe the electroplated thickness of the nickel sulfate solution. Nickel electroplating experiments have been carried out and the measured thickness in different points have been compared with the predictions. A good agreement between the simulated and experimental results was found. Also the results showed that primary current density can describe the general form of thickness distribution but the relative value of current density using secondary current density can present better description of thickness distribution.

Der Phosphorgehalt chemisch abgeschiedener Nickelschichten ist eine technologisch wichtige Größe, deren messtechnische Erfassung jedoch problematisch ist. Die in der Galvanotechnik weit verbreitete Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) zur Schichtdickenmessung und Schichtanalyse konnte bisher nur indirekt über eine Auswertung des Signals des Grundwerkstoffs Phosphor messen. Man war damit auf Systeme mit einem Substrat aus nur einem schweren Element beschränkt. Dazu war eine Mindestschichtdicke nötig. Mit den jetzt verfügbaren hochauflösenden Silizium-Driftdetektoren (SDD) lässt sich das P-KFluoreszenzsignal direkt messen, so dass Nickel/Phosphor-Schichten auf beliebigen Grundwerkstoffen analysiert werden können.

Der Trend zu schwarzen, elektrolytisch erzeugten Schichten ist ungebrochen. Diese finden in den verschiedensten Industriezweigen (z. B. im Bereich Automobil, Bekleidung und Schmuck) ihren Einsatz und werden in der Galvanotechnik schon seit Jahrzehnten angewendet. Dazu werden entweder Nichtedelmetalle, wie etwa Zinn/Nickel, Zinn/Kobalt, Schwarz-Chrom, sowie Edelmetalle wie Gold, Palladium, Rhodium oder Ruthenium, eingesetzt. Mit den aus Palladium-, Rhodium- oder Rutheniumelektrolyten erzeugten schwarzen Schichten werden die Grenzwerte der Öko-Tex-Norm beziehungsweise der europäischen Nickelverordnung erfüllt.

Rauheiten und Warzenbildung sind typische Erscheinungen für galvanische Schichten. Ursache hierfür sind Rauheiten im Grundmaterial sowie unterschiedliche lokale Stromdichten und unterschiedliche lokale Konzentrationen an abscheidbaren Ionen. Vor allem mit zunehmender Stromdichte und steigenden Schichtdicken wirken sich solche lokalen Unterschiede verstärkend aus. Neben den unerwünschten Rauheiten werden beispielsweise für Druck- oder Dressierwalzen bewusst Rauheiten durch galvanische Schichten erzeugt. Hierfür ist es notwendig, eine möglichst gleichmäßige und vor allem auch reproduzierbare Rauheit, beispielsweise in Kugelform als Vertiefung oder Erhöhung, herzustellen. Erreicht wird dies durch Modifizierung der verwendeten Elektrolyten sowie durch Anwendung von Pulsstrom für die Abscheidung.

Teil 2: Praktischer Einsatz am Beispiel der Nickellegierungsabscheidung von Ni-Co und Ni-Fe