Von der Elektrolytentwicklung zum Produktionsprozess – Ein Erfahrungsbericht
Die Entwicklung und Einführung eines Verfahrens zur galvanischen Abscheidung von Indium konnte durch eine strukturierte Projektplanung und eine enge Abstimmung zwischen Entwicklung, Produktion und Qualitätssicherung erfolgreich umgesetzt werden. Ausgangspunkt für das Projekt war die Anforderung, eine Oberfläche für Einpresskontakte bereitzustellen, die im Vergleich zur üblichen Verzinnung unter hoher lokaler mechanischer Beanspruchung eine deutlich reduzierte Neigung zur Whiskerbildung zeigt und zugleich industriell reproduzierbar abzuscheiden ist. Eine besondere Herausforderung ist die Qualifizierung der abgeschiedenen Schichten, insbesondere der erhebliche Aufwand für die Bewertung des Whiskerverhaltens aufgrund der langen Prüfzeiten. Beschleunigte interne Prüfungen können normgerechte Qualifikationsprüfungen nicht ersetzen, sie erlauben jedoch eine technische Vorauswahl geeigneter Schichtsysteme und Prozessparameter bereits nach deutlich kürzeren Prüfzeiten. Die Arbeiten haben auch gezeigt, dass sich die Weiterverarbeitung von mit Indium beschichteten Bauteilen deutlich von den in der Einpresstechnik etablierten Reinzinnschichten unterscheidet. Das vergleichsweise hohe Abriebverhalten, die Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Beschädigungen sowie die ausgeprägte Neigung zum Kaltverschweißen erfordern angepasste Handhabungs-, Verpackungs- und Verarbeitungsprozesse. Das Verfahren wird inzwischen in einer Bandbeschichtungsanlage eingesetzt.
Keywords: Oberflächentechnik, Einpresstechnik, bleifreie Oberflächen, Whisker, Indium, Bandbeschichtung
1 Einführung
Einpresskontakte stellen besondere Anforderungen an die eingesetzten Oberflächenbeschichtungen. In der Einpresszone wird ein Kontaktstift ohne Löten in eine metallisierte Leiterplattenbohrung gepresst. Dabei entstehen lokal hohe Normal- und Schubspannungen, welche die Beschichtung plastisch verformen.
Die während des Einpressvorgangs entstehende hohe mechanische Belastung auf die Beschichtung erzeugt in der Beschichtung Druckspannungen. Bei der für Einpresszonen üblichen Zinnbeschichtung gelten hohe innere Druckspannungen als eine wesentliche Ursache für die Bildung von Zinnwhiskern. Whisker sind haarfeine metallische Kristalle (Abb. 1), die aus einer Oberfläche herauswachsen und bei ausreichender Länge benachbarte Leiterbahnen oder Kontakte überbrücken und dadurch Kurzschlüsse oder intermittierende Funktionsstörungen verursachen können. Bei solchen Bauteilen müssen daher Maßnahmen zur Vermeidung der Bildung von Whiskern ergriffen werden, um die Funktion gewährleisten zu können.
Abb. 1: Whisker auf einem Bauteil
Zur Reduzierung dieses Risikos werden verschiedene Beschichtungssysteme eingesetzt. Dazu zählen beispielsweise Silber-Zinn-Legierungsschichten sowie bismuthaltige Zinnschichten. Auch Indium weist unter mechanischer Belastung eine deutlich geringere Neigung zur Whiskerbildung auf und stellt daher eine interessante Alternative für Anwendungen in der Einpresstechnik dar [1].
Der Einsatz von Indium ist dabei nicht nur unter dem Gesichtspunkt einer reduzierten Neigung zur Bildung von Whiskern zu bewerten. Wegen seiner geringen Härte, der hohen Duktilität und der niedrigen Schmelztemperatur verändert Indium auch das Reib- und Verformungsverhalten der Kontaktzone. Diese Eigenschaften können vorteilhaft sein, erfordern aber eine angepasste Prozessführung und Weiterverarbeitung.
2 Entwicklung des Anforderungsprofils
Neben dem verfügbaren Zeitrahmen und dem Projektbudget ist die präzise Definition der technischen Anforderungen ein wesentlicher Erfolgsfaktor bei der Entwicklung von neuen Beschichtungsverfahren. Zu Beginn des Projekts wurde daher ein detailliertes Anforderungsprofil erstellt (Abb. 2). Diese Gewichtung der Eigenschaften diente als technische Entscheidungsgrundlage für die Entwicklung und verhinderte, dass einzelne Laborergebnisse isoliert bewertet wurden.
Abb. 2: Anforderungsprofil zur Schichtentwicklung
Die technischen Anforderungen wurden in drei Bereiche gegliedert: die Eigenschaften der abgeschiedenen Indiumschicht, die verfahrenstechnischen Anforderungen an den Elektrolyten sowie die Beschaffung und Verfügbarkeit der benötigten Rohstoffe und Prozesschemikalien. Ziel war es, die technischen Anforderungen als auch die langfristige industrielle Umsetzbarkeit des Verfahrens zu berücksichtigen. Zu den Schichtanforderungen gehörten insbesondere eine geringe Neigung zur Bildung von Whiskern, ausreichende Haftfestigkeit, definierte Schichtdicke, eine reproduzierbare Schichtverteilung und ein beherrschbares Verhalten beim Einpressen. Für den Elektrolyten waren Stabilität, Wartbarkeit, Toleranz gegenüber Verunreinigungen und eine sichere Prozessführung in der Bandanlage entscheidend.
Durch die gemeinsame Bewertung der Anforderungen durch Entwicklung, Produktion, Qualitätssicherung und Einkauf konnten die einzelnen Kriterien priorisiert und die Schwerpunkte für die weitere Verfahrensentwicklung festgelegt werden.
3 Prüfstrategie und beschleunigter Whiskertest
Die Bewertung des Verhaltens von Metallschichten zur Bildung von Whiskern stellt bei der Entwicklung neuer Beschichtungssysteme eine besondere Herausforderung dar. Die Durchführung normgerechter Whiskerprüfungen ist sehr zeitaufwendig und kann Entwicklungsprojekte erheblich verzögern [2]. Normative Prüfungen, beispielsweise nach IEC 60068-2-82 oder vergleichbaren kundenspezifischen Vorgaben, bilden die Grundlage für die abschließende Qualifikation. Für die iterative Verfahrensentwicklung sind sie allein jedoch zu langsam.
Um bereits während der Entwicklungsphase belastbare Aussagen zur Neigung zur Whiskerbildung treffen zu können, wurde daher ein beschleunigtes Prüfverfahren entwickelt. Ziel war es, die wesentlichen Anforderungen der normativen Prüfungen abzubilden und gleichzeitig die Prüfzeit deutlich zu verkürzen. Der entwickelte Press-Fit-Fitness-Test (PFFT) (Abb. 3) konzentriert sich auf die Bewertung der Whiskerbildung unter mechanischer Belastung und adressiert damit die zentrale Beanspruchung von Oberflächen für Einpresskontakte. Der PFFT wurde deshalb als internes Screeningverfahren eingesetzt. Er ist als Gegenprüfung und Entwicklungswerkzeug zu verstehen, nicht als Ersatz für eine vollständige norm- oder kundenseitige Freigabeprüfung.
Abb. 3: PFFT-Whisker-Tester
Die Unterdrückung der Whiskerbildung stellt die wesentliche Funktion der Indiumbeschichtung dar [3]. Wird dieses Ziel nicht erreicht, erfüllt die Beschichtung die Anforderungen der Anwendung nicht. Beim PFFT wird daher mittels einer definierten Kraft lokal ein hoher mechanischer Druck auf die Oberfläche aufgebracht. Im Randbereich der belasteten Zone bilden sich innerhalb weniger Tage Whisker, die anschließend mithilfe der Rasterelektronenmikroskopie (REM) hinsichtlich ihrer Anzahl und Länge untersucht werden können (Abb. 4). Dadurch lassen sich unterschiedliche Beschichtungssysteme bereits in einem frühen Entwicklungsstadium vergleichen und bewerten. Für die Auswertung ist eine einheitliche Definition der betrachteten Whisker erforderlich, zum Beispiel über Mindestlänge, Aspektverhältnis und Messfeld. Nur so lassen sich die Ergebnisse verschiedener Versuchsreihen belastbar vergleichen.
Abb. 4: Whisker nach PFFT-Prüfung
4 Auswahl und Entwicklung des Elektrolyten
Im nächsten Schritt wurden die am Markt verfügbaren Indiumelektrolyte untersucht. Hierzu wurden die technischen Eigenschaften, die verfahrenstechnischen Anforderungen sowie die zu erwartenden Betriebskosten anhand der Herstellerangaben bewertet und in einer gewichteten Scorecard gegenübergestellt [4, 5]. Bewertet wurden unter anderem Arbeitsbereich, Stromdichtefenster, Abscheiderate, Schichtverteilung, Elektrolytstabilität, Analytik, Verfügbarkeit der Chemikalien, Aufwand für Elektrolytpflege und die Eignung für eine selektive Bandbeschichtung.
Die Untersuchung zeigte, dass keiner der kommerziell verfügbaren Elektrolyte die definierten Anforderungen in ausreichendem Maß erfüllen konnte oder deutliche Vorteile gegenüber den Alternativen aufwies. Aus diesem Grund wurde entschieden, einen eigenen Indiumelektrolyten zu entwickeln und gezielt auf die Anforderungen der vorgesehenen Anwendung auszulegen. Diese Entscheidung erhöhte zwar den Entwicklungsaufwand, ermöglichte aber eine gezielte Anpassung an die spätere Produktionsumgebung und an die besonderen Anforderungen der Einpresszone.
4.1 Erprobung des Verfahrens
Der entwickelte Elektrolyt GOpressIn®erfüllte die definierten technischen und wirtschaftlichen Anforderungen und wurde anschließend in einer Prototypenanlage (Abb. 5) erprobt. Hierzu wurden Versuche mit bis zu 400 mm langen Abschnitten eines Stanzbandes (Abb. 6) durchgeführt, um sowohl die Eigenschaften des Elektrolyten als auch die Qualität der abgeschiedenen Indiumschichten zu bewerten. Die Prototypenanlage ermöglichte es, Prozessfenster, Vorbehandlung, Spülführung und Reflowbedingungen unter kontrollierten Randbedingungen zu untersuchen, bevor das Verfahren in die Serienanlage übertragen wurde.
Abb. 5: Prototypenanlage
Abb. 6: Prüfmuster
Neben internen Untersuchungen wurden in der Versuchsanlage auch Muster für Kunden hergestellt. Dadurch konnten zusätzliche qualitätsrelevante Eigenschaften bewertet werden, die nicht im eigenen Prüflabor untersucht werden konnten. Hierzu gehörten insbesondere Einpress- und Ausziehkräfte, das Kontaktverhalten sowie die Bewertung eingepresster Muster in Testleiterplatten.
Im Rahmen dieser Versuche zeigte sich, dass sich Indium in der Weiterverarbeitung deutlich von den etablierten Zinn- und Zinn-Blei-
Beschichtungen unterscheidet. Aufgrund seiner hohen Duktilität und der besonderen tribologischen Eigenschaften beeinflusst die Beschichtung unter anderem die Ein- und Auspresskräfte sowie das Verhalten der Kontaktzone während der Montage. Zur Bewertung dieser Eigenschaften wurden Testleiterplatten gefertigt und entsprechende Kontakte eingepresst (Abb. 7). Die Auslagerung der bestückten Testleiterplatten unter Umgebungsbedingungen und die wiederkehrende REM-Untersuchung der Einpresszonen erlaubten eine praxisnahe Beurteilung der Neigung zur Whiskerbildung nach mechanischer Beanspruchung [6, 7].
Abb. 7: Prüfung in EPZ
4.2 Integration in die Produktion
Nach erfolgreicher Qualifizierung der Prototypen bestand die nächste Herausforderung darin, das Verfahren in die Serienfertigung zu überführen. Die Kunden forderten beschichtete Bänder, die sich in Folgeverbundwerkzeugen weiterverarbeiten lassen und damit den realen Produktionsbedingungen entsprechen. Damit verlagerte sich der Schwerpunkt von der reinen Schichtentwicklung auf die robuste Beherrschung des Gesamtprozesses.
Grundsätzlich ermöglichen die modular aufgebauten Anlagen zur Bandbeschichtung eine flexible Integration von zusätzlichen Prozessmodulen. Die Eigenschaften von Indium erforderten jedoch eine angepasste Anlagenkonfiguration.
Aufgrund der geringen Härte der Schicht und ihrer Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Beschädigungen musste die Zahl der Bandumlenkungen und Kontaktstellen minimiert werden. Gleichzeitig sollte verhindert werden, dass die frische Indiumoberfläche durch nachfolgende Prozessschritte verunreinigt oder chemisch beeinflusst wird. Das Anlagenlayout wurde daher so ausgelegt, dass die Indiumabscheidung möglichst spät im Prozess erfolgt und die frisch abgeschiedene Oberfläche nur noch die notwendige Spül- und Trocknungsschritte durchläuft.
Aus diesem Grund wurde das Beschichtungsmodul (Abb. 8) am Ende der Prozesslinie installiert. Zur sicheren Entfernung von Elektrolytresten wurden anschließend mehrere Kaskadenspülen sowie eine Heißwasserspüle mit vollentsalztem Wasser integriert. Diese Spülstrecke reduziert das Risiko ionischer Rückstände und trägt zur Oberflächensauberkeit vor der Weiterverarbeitung bei.
Abb. 8: Beschichtungsmodul
Ein weiterer wesentlicher Bestandteil des Verfahrens ist der Reflowprozess. Hierbei wird die abgeschiedene Indiumschicht kurzzeitig oberhalb ihres Schmelzpunkts erwärmt. Während dieses Prozesses rekristallisiert die Schicht, Oberflächenunregelmäßigkeiten werden reduziert und an der Grenzfläche zur darunterliegenden Metallschicht bilden sich intermetallische Phasen. Das Ergebnis ist eine kompaktere und homogenere Schichtstruktur mit verbesserten funktionellen Eigenschaften (Abb. 9).
Abb. 9: Indium ohne (oben) und mit Reflow
Für das hier vorliegende Verfahren wurde der Reflowprozess als qualitätsbestimmender Schritt betrachtet. Aufgrund des niedrigen Schmelzpunktes von Indium muss die Temperaturführung eng geregelt werden. Eine zu hohe thermische Belastung oder ungeeignete Oberflächenenergien können die Entnetzung begünstigen; zu geringe Energieeinträge führen dagegen nicht zu der gewünschten Schichthomogenisierung.
4.3 Besondere Herausforderungen
Die Umsetzung des Verfahrens wurde maßgeblich durch die spezifischen Eigenschaften von Indium beeinflusst. Hierzu zählen insbesondere die hohe Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Belastungen, die niedrige Schmelztemperatur sowie die ausgeprägte Neigung zur Entnetzung während thermischer Prozesse. Diese Eigenschaften wiederum wirken sich unmittelbar auf Anlagenlayout, Bandführung, Trocknung, Reflowbehandlung und Verpackung aus.
Auch an den Elektrolyten wurden besondere Anforderungen gestellt. Für einen stabilen Serienbetrieb muss das System eine ausreichende Toleranz gegenüber Fremdmetallverunreinigungen und elektrochemischen Abbauprodukten aufweisen. Gleichzeitig ist eine gute Schichtdickenverteilung erforderlich, um die engen Spezifikationen der Einpresskontakte sicher einzuhalten. Eine gleichmäßige Schichtverteilung ist insbesondere bei selektiver Beschichtung relevant, da lokale Über- oder Unterschreitungen der Schichtdicken sowohl die Einpresskräfte als auch die funktionelle Reserve der Oberfläche beeinflussen können.
Darüber hinaus müssen die veränderten Eigenschaften der Beschichtung bei der Weiterverarbeitung berücksichtigt werden. Insbesondere Abrieberscheinungen, mögliche Materialübertragungen sowie veränderte Ein- und Auspresskräfte erforderten eine Anpassung von bestehenden Prozessabläufen. Für Folgeverbundwerkzeuge bedeutet dies, dass Kontaktflächen, Führungen und Werkzeugbereiche mit möglicher Berührung zur Indiumoberfläche kritisch bewertet und gegebenenfalls konstruktiv oder prozessseitig angepasst werden müssen.
5 Ergebnisse und Bewertung
Die Entwicklung und industrielle Implementierung des Verfahrens konnte erfolgreich abgeschlossen werden. Sowohl die internen Untersuchungen als auch die Qualifikationsprüfungen der Kunden bestätigten eine gegenüber Reinzinn deutlich verbesserte Beständigkeit gegen Whiskerbildung. Diese Aussage ist dabei als anwendungsbezogenes Ergebnis für die untersuchten Schichtaufbauten, Bauteilgeometrien und Prüfbedingungen zu verstehen.
Es zeigte sich auch, dass die geringeren Einpresskräfte der Indiumschicht die Realisierung schmalerer Einpresszonen ermöglichen können. Dadurch lassen sich die mechanischen Belastungen auf Kontakt und Leiterplatte reduzieren. Dieser Effekt ist für miniaturisierte Steckverbindersysteme relevant, weil kleinere Kontaktgeometrien geringere mechanische Reserven aufweisen und die Leiterplatte beim Einpressen weniger belastet werden soll.
Der entwickelte Elektrolyt erwies sich im Produktionsbetrieb als robust gegenüber Fremdmetallverunreinigungen und elektrochemischen Abbauprodukten. Gleichzeitig konnten stabile Schichteigenschaften über längere Betriebszeiträume erzielt werden. Für einen Lohnbeschichter ist diese Robustheit wesentlich, da wechselnde Artikel, unterschiedliche Grundwerkstoffe und variable Durchsatzmengen den Prozess stärker beanspruchen als eine reine Einzelteilfertigung.
Die gewonnenen Erkenntnisse zeigen, dass galvanisch abgeschiedenes Indium eine technisch interessante Alternative zu den etablierten Einpressoberflächen darstellt. Gleichzeitig wurde deutlich, dass die erfolgreiche industrielle Nutzung eine konsequente Anpassung von Beschichtungsprozess, Anlagentechnik und Weiterverarbeitung erfordert. Indium ist damit keine reine Austauschoberfläche für Zinn, sondern ein eigenständiges Beschichtungssystem mit spezifischen Prozessgrenzen und Qualifikationsanforderungen.
6 Fazit
Die Einführung einer galvanischen Indiumbeschichtung für Einpresskontakte zeigt, dass whiskerarme Oberflächen nicht allein über die Auswahl eines geeigneten Metalls realisiert werden. Entscheidend ist das Zusammenspiel aus Elektrolyt, Vorbehandlung, Abscheidebedingungen, Reflow, Anlagenlayout und Weiterverarbeitung.
Der entwickelte Prozess erfüllt die Anforderungen der untersuchten Anwendung und konnte erfolgreich in die Serienbeschichtung überführt werden. Es muss bei der Umsetzung von bestehenden Systemen immer auch eine anwendungsspezifische Qualifikation, eine klare Prüfstrategie und eine enge Abstimmung zwischen Beschichter, Bauteilhersteller und Anwender erfolgen.
Literatur
[1] Continental: 12th International Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems, Continental AG (2014); Whisker Formation at Press-Fit Technology; online: https://ieeexplore.ieee.org/document/7024492
[2] C. Xu et al: Driving force for the formation of Sn whiskers; IEEE, 2005
[3] IPC: IPC-A-610E – Abnahmekriterien für elektronische Baugruppen, 2010; Hinweis: Für die finale Fassung sollte geprüft werden, ob diese Quelle die konkrete Aussage zur Indiumschicht ausreichend stützt oder ob eine spezifischere Quelle zu Press-Fit/Whiskerverhalten geeigneter ist
[4] MacDermid Alpha: M-Contact IN-2000: Reel-to-Reel Indium Plating for Press-Fit Connector Pins, 2019; online: https://electronics.macdermidalpha.com/
[5] DuPont Electronic Materials: Indiplate® Indium for Press-Fit Finishes, 2021; online: https://www.dupont.com/
[6] Assessment of Press-Fit Zones with Diverse Platings on Retention Force, Insertion Force, and Contact Resistance; Duke Libraries, 2019; online: https://hdl.handle.net/10161/18691
[7] H. P. Tranitz, T. Schmidt, P. Jaeckle: Einpresstechnik in Cu/OSP-Oberflächen; PLUS, Mai 2015
