Die Verwendung von auf Nickel aufgebrachten Goldschichten ist in vielen Branchen Standard, angefangen bei den Randsteckverbindern von DRAM-Speichermodulen über Kontakte für elektrische Testproben bis hin zu Metallisierungen von Leistungshalbleiterchips und Drahtbond-Pads. Während die Rolle von Gold in der endgültigen Lötverbindung gut bekannt ist, wollte ich mehr über den Goldabscheidungsprozess von einer Branchenexpertin erfahren und erhielt daher die Gelegenheit, dies mit Lenora Toscano, MS, Produktmanagerin für Endbearbeitung bei MacDermid, zu besprechen.
Andy Mackie: Welche Rolle spielt Gold beim Schutz von Oberflächen in SMT- und Halbleitermontageprozessen?
Lenora Toscano: Gold bildet kein Oxid; es schützt das Nickel vor Oxidation bzw. Passivierung. Eine saubere Nickeloberfläche weist für die meisten Lötzinnsorten eine sehr hohe Lötbarkeit auf, ihr Oxid lässt sich jedoch mit herkömmlichen Flussmitteln nur sehr schwer entfernen. Außerdem löst sich Gold während der Montage fast augenblicklich in den meisten Lötzinnen auf und sorgt so für eine hervorragende Benetzbarkeit.
Andy Mackie:Welche Normen gibt es hinsichtlich der Goldschichtdicke für verschiedene Anwendungen in der Elektronik- und Halbleitermontage?
Lenora Toscano: Die ENIG-Beschichtung (chemisches Nickel/Tauchgold) findet vor allem in der Chip-on-Board-Technologie (COB) Anwendung, wobei die typische Dicke der Tauchgoldschicht auf dem HDI-Substrat 3 bis 5 Mikroinch beträgt.
Bei Randsteckverbindern ist in der Regel die Verwendung von Hartgold erforderlich. Zur Einhaltung der Norm MIL-STD-275 werden Säuregoldbeschichtungen verwendet, wobei gemäß dieser Norm das Gold den Anforderungen von MIL-G-45204, Typ II, Klasse 1 entsprechen muss. Die Schichtdicke muss 50–100 Mikroinch betragen; die typische Schichtdicke liegt bei 30–50 Mikroinch auf einer 150-Mikroinch-Nickelschicht.
Bei lötbaren Oberflächen hingegen beträgt die typische Dicke 5 bis 15 Mikroinch auf einer 150-Mikroinch-Nickelschicht.
Für das Drahtbonden hat sich im Allgemeinen eine Goldbeschichtung von mindestens 30 Mikroinch auf einer 200-Mikroinch-Nickelschicht bewährt. Weichgold wird in der Regel bevorzugt. Weichgoldverfahren kommen auch bei Leiterplatten zum Einsatz, die für die Anbringung von Halbleiterchips (Dies) ausgelegt sind. Diese Eigenschaften entsprechen den Typen I und III der Norm MIL-G-45204.
Andy Mackie:Worin bestehen die Unterschiede zwischen Goldschichten, die im Tauchvergoldungsverfahren aufgebracht werden, und solchen, die im Galvanisierungsverfahren entstehen?
Lenora Toscano: Es gibt fünf wesentliche Unterschiede:
- Die Schichtdicke ist unterschiedlich. Beim Tauchvergolden handelt es sich um eine Verdrängungsreaktion, bei der das Gold das Nickel an der Oberfläche verdrängt; dieser Vorgang begrenzt sich von selbst, sobald die Nickeloberfläche mit der Goldschicht überzogen ist. Mit herkömmlichen Bädern lassen sich keine Schichtdicken von wesentlich mehr als 10 Mikroinch erzielen, während bei der Galvanisierung die Dicke von Stromstärke und Zeit abhängt. Je höher die Stromstärke oder je länger die Beschichtungszeit, desto dicker ist die Goldschicht.
- Die Schichten der Goldablagerungen weisen eine unterschiedliche Struktur auf. Galvanisch aufgebrachtes Gold ist dichter als die von Natur aus porösen Tauchbeschichtungen.
- Die Härte ist in der Regel unterschiedlich. Bei galvanisch aufgebrachtem Gold werden oft andere Metalle in die Beschichtung eingearbeitet, die die Schicht härter machen.
- Die Porosität ist unterschiedlich. Tauchbeschichtungen weisen eine höhere Porosität auf als galvanische Beschichtungen; dies liegt in der Natur des Beschichtungsverfahrens.
- Die Zusammensetzung der Abscheidungslösung (Reinheit) hängt von den im Bad enthaltenen Additiven ab. In Tauchgoldbädern ist Gold das einzige plattierte Metall, während in Galvanisierungssystemen geringe Mengen anderer Metalle enthalten sein können.
Andy Mackie: Wie dick muss die Goldschicht sein, um die darunterliegende Oberfläche vollständig zu schützen, und welche Kompromisse müssen Kunden eingehen, wenn sie versuchen, ihre Goldkosten zu senken?
Lenora Toscano: Gemäß der ENIG-Spezifikation IPC-4552 betragen 1,97 Mikro-Zoll den empfohlenen Mindestwert bei einer Streuung von ±4 Sigma um den Mittelwert, wobei 3 bis 5 Mikro-Zoll als typisch gelten.
Die Tauchvergoldung ist naturgemäß porös. Sie bietet zwar einen sehr guten Schutz für das darunterliegende Nickel, doch im Laufe der Zeit führt die Porosität der Beschichtung zur Passivierung der Nickeloberfläche, wodurch die Benetzungskräfte abnehmen. Natürlich dauert dieser Prozess Jahre, doch wenn die Goldschicht zu dünn ist (unterhalb der Mindestanforderung), tritt er früher ein und beeinträchtigt die Lötbarkeit.
Andy Mackie: Welchen Vorteil hat Gold gegenüber Silber oder anderen Metallen?
Lenora Toscano: Auch hier gilt : Gold weist nach der Lagerung eine gute Beständigkeit gegen Anlaufen und eine gute Lötbarkeit auf, da es weder Oxide noch Hydroxide bildet. Daher hat es keine Auswirkungen auf Temperatur und Lagerbedingungen, die die Haltbarkeit anderer Oberflächenbehandlungen beeinträchtigen könnten. Es erfüllt die Anforderungen für die bleifreie (Pb-freie) Bestückung und bietet gleichzeitig eine koplanare Oberfläche, die sowohl lötbar ist als auch für das Bonden mit Aluminium- und Golddrähten geeignet ist.
Gold weist eine gute elektrische Leitfähigkeit auf und bildet eine Kontaktfläche mit geringem elektrischen Widerstand. Galvanisch aufgebrachtes Gold eignet sich zudem hervorragend als Ätzschutz.
Galvanisch aufgebrachtes Silber findet in der Leiterplattenindustrie nur selten Verwendung. Unter bestimmten Bedingungen hinsichtlich elektrischen Potenzials und Luftfeuchtigkeit wandert Silber entlang der Oberfläche der Beschichtung und durch den Isolierkörper, wodurch sich niederohmige Kriechstrompfade bilden. Alkalische Cyanidbäder für die Silbergalvanisierung sind hochgiftig.
Immersionsversilbertes Silber ist anfällig für Probleme, wenn es nicht ordnungsgemäß gelagert und verpackt wird. Verpackungsmaterialien, die Schwefel enthalten oder den Kontakt mit Luft zulassen, führen zu einer Anlauffärbung der Oberfläche (Bildung von Sulfiden, Sulfaten und Chloriden). Eine starke Oberflächenverunreinigung kann die Lötbarkeit beeinträchtigen.
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Lenora – vielen Dank, dass du dir Zeit genommen hast und dein Fachwissen mit uns geteilt hast.
Zum Wohl! Andy
