Einsatz und Wirtschaftlichkeit von Edelmetallbeschichtungen in der Elektronik

Von Bernd Endres, Ditzingen

In der Elektronik sind Edelmetallschichten nach wie vor unentbehrlich. Goldschichten zeichnen sich durch eine besonders gute Kontaktfähigkeit aus, was sowohl bei lösbaren Kontakten als auch beim Drahtbonden erforderlich ist. Silber kommt aufgrund der guten Leitfähigkeit bei höheren Steckkräften und elektrischen Spannungen zum Einsatz. Vor allem Palladium besitzt Eigenschaften, um als Ersatz für das deutlich teurere Gold in Betracht zu kommen. Der Einsatz erfolgt primär als Nickel/Palladium-Legierung, ist aber auch als reines Palladium in Kombination mit Gold möglich. Darüber hinaus empfiehlt sich die genaue Abstimmung der Schichtsysteme und der Schichtdicken auf die jeweiligen Anforderungen an die Kontaktschichten, um Kosten einzusparen.

Use and Cost-Effectiveness of Precious Metal Coatings in Electronics

Precious metal coatings play today, as they always have, a key role in electronics. Gold coatings exhibit specially good electrical contact behaviour which is essential for plug connectors as well as wire bonding. Silver, with its very high electrical conductivity is used where higher insertion forces and voltages are involved. Palladium is the metal of choice to replace more expensive gold in many applications, either as a nickel-palladium alloy also has the pure metal itself, often in combination with gold. Selecting the most appropriate multilayer coating system and the thicknesses of each layer is determined by the application in question together with cost restraints.

1 Einleitung

Edelmetallbeschichtungen finden aufgrund ihrer hervorragenden chemischen und physikalischen Eigenschaften auf dem Gebiet der Elektronik ein breites Anwendungsgebiet. Im Vordergrund stehen dabei die Goldschichten und in gewissen Umfang Palladium, während der Einsatz der Platinmetalle Rhodium und Ruthenium bislang auf wenige Anwendungsfälle beschränkt blieb. Silber findet hauptsächlich seinen Einsatz bei höheren Schaltlasten, da es stark zur Bildung von Deckschichten aus Silbersulfid und somit zu Kontakt- und Lötschwierig­keiten neigt.

Der hohe Innovationsgrad in der Elektronik mit ständig steigenden Anforderungen an die Funktionalität und Qualität sowie die gestiegenen Edelmetallkosten (Tab. 1) zwingen dazu, bestehende Spezifikationen zu überdenken, zu hinterfragen und über neue Möglichkeiten zur Herstellung von optimalen Beschichtungen nachzudenken.

2 Goldschichten

Die Goldniederschläge zeichnen sich vor allem durch eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit sowie durch ihre guten elektrischen Eigenschaften aus. Gerade diese beiden Eigenschaften stehen auf Verbindungselementen der Informationstechnik im Vordergrund, wo die Goldschicht zwei Hauptaufgaben zu übernehmen hat: zum einen den Korrosionsschutz des Trägermaterials und zum anderen die möglichst verlustfreie Übertragung von elektrischer Energie, wobei hier größter Wert auf einen niedrigen und zeitlich konstanten Übergangswiderstand gelegt wird. Dabei stehen je nach Verbindungstechnik unterschied­liche Anforderungen, wie Härte, Verschleißfestigkeit, Lötbarkeit und Kaltschweißeigenschaften, im Mittelpunkt.

Feingoldschichten sind bekanntlich sehr weich (ca. 60 HV) und neigen zum Kaltverschweißen, was sie für das Drahtbonden prädestiniert. Abriebbeständige Schichten, wie sie für Steck- und Schaltkontakte benötigt werden, bestehen hingegen aus galvanisch abgeschiedenen Legierungen (bevorzugt auf Basis von Gold/Kobalt). Sie gewährleisten ein hervorragendes Verschleißverhalten, sind jedoch als Lötoberfläche nur in Form von sehr dünnen Schichten geeignet beziehungsweise scheiden für das Drahtbonden gänzlich aus. Der Grund hierfür liegt darin, dass mit dem Legierungspartner zusammen Kohlenstoff in die Goldschicht mit eingebaut wird, der zwar primär für das gute Verschleißverhalten der Schichten verantwortlich ist, auf der anderen Seite aber die Benetzbarkeit der Goldschichten beim Löten stört und ein Kaltverschweißen beim Bonden verhindert. Hartgoldschichten von > 1 µm sollten deshalb bei Lötanwendungen vermieden werden. Nach wie vor wird in verschiedenen Spezifikationen – darunter auch in der MIL (MIL = United States Military Standard) – ein Mindestfeingehalt von 99,7 % Gold in diesen Legierungen gefordert. Dabei wird davon ausgegangen, dass bei einem Legierungspartneranteil von etwa 0,2 % Kobalt der Restanteil Gold ist. Tatsache aber ist, dass – wie bereits erwähnt – mit den 0,2 % Kobalt auch etwa 0,3 % Kohlenstoff, etwa 2,5 % Stickstoff und rund 1,4 % Sauerstoff mit eingebaut werden, sodass der tatsächliche Goldanteil in der Legierung bei lediglich > 95 % liegt. Dies findet unter anderem mittlerweile auch in der ASTM-Spezifikation B 488-01 seine Berücksichtigung.

Während die Hartgoldschichten generell galvanisch und nahezu ausschließlich aus schwach sauren Elektrolyten auf Basis von Kaliumgoldcyanid abgeschieden werden, finden bei der Abscheidung der Feingoldschichten vorwiegend die im Neutralbereich arbeitenden Elektrolyte – ebenfalls auf Basis von Kaliumgoldcyanid – Verwendung. Hinzu kommen hierfür die außenstromlos abgeschiedene Sud- und Reduktivgoldschichten.

Generell liegen die Schichtstärken der Hartgoldschichten für Anwendungen bei Steckverbindern im Bereich von mehr als 0,8 µm und bei Schleifkontakten bis zu mindestens 3 µm und mehr. Bei Feingoldschichten, die für das Golddrahtbonden eingesetzt werden, liegt die geforderte Mindestschichtstärke in den meisten Fällen ebenfalls bei > 0,8 µm. Feingoldschichten für mit Aluminiumdraht bondbare Oberflächen sollten im Bereich von 0,1 µm bis maximal 0,25 µm liegen, da bei höheren Schichtstärken mit Purpurpest und dem unerwünschten Kirkendahl-Effekt gerechnet werden muss.

3 Silberschichten

Silber hat die höchste elektrische und thermische Leitfähigkeit aller Metalle. Im abgeschiedenen Zustand würden diese Schichten dem Ideal für Oberflächen in der Elektronik am ehesten entsprechen. Da ­Silber jedoch in schwefelhaltiger Atmosphäre stark zur Bildung von Silbersulfid an der Oberfläche neigt, kann dies bei geringeren Kontaktkräften, wie sie im Bereich der Elektronik vorherrschen, zu einem unzulässig hohen Kontaktwiderstand führen. Ebenso sind dann Löt- und Bondprobleme zu erwarten. Bei höheren Kontaktkräften und Schaltlasten im Bereich zwischen 6 V und 220 V spielt dies kaum eine Rolle, da dann die Silbersulfiddeckschichten leicht durchgerieben, weggedrückt oder elektrisch durchschlagen werden.

Weiter kann es bei Berührung mit Kunststoffen und Isoliermaterialien bei Anwesenheit von Feuchtigkeit unter dem Einfluss eines elektrischen Potentials zum Silbersulfidkriechen kommen. Dadurch werden Kurzschlüsse verursacht, was gerade bei hochkomplexen und miniaturisierten ­Layouts ein erhebliches Risiko bedeutet.

Natürlich kann die Silberschicht mit einem entsprechenden Anlaufschutz – primär auf Thiolbasis – versehen werden. Dieser ist jedoch lediglich als temporärer Lagerschutz zu betrachten und auf Dauer im Feld nicht akzeptabel.

Die Silberschichtstärken liegen für den Kontaktbereich mit höheren Schaltlasten im Allgemeinen bei > 5 µm. In jüngster Zeit sind als Lötoberfläche bei Leiterplatten stromlos abgeschiedene Schichten im Bereich von 0,1 µm bis 0,3 µm in der Diskussion.

4 Schichten aus Palladium oder Palladium/Nickel

Der gestiegene Goldpreis führt bereits seit Jahren zu Forderungen nach Ersatzwerkstoffen. Zunächst wurden dabei Goldlegierungen mit einem Anteil von 60 % bis 75 % Gold favorisiert. Über den Legierungspartneranteil und über das geringere spezifische Gewicht lassen sich hierbei tatsächlich Einsparungen im Bereich von bis zu 40 % erzielen. Die Verwendung der Schichten scheitert jedoch an ihrem nachteiligen Temperaturverhalten. Bei Temperatur­belastungen von über 150 °C neigen diese Schichten zu starken Entmischungserscheinungen und damit zu einem nicht mehr vertretbaren Anstieg des Übergangswiderstandes (Abb. 1).

Eine interessante Alternative bietet sich hingegen mit Palladium beziehungsweise­ aktuell mit Schichten aus Palladium/Nickel.­ Hier können aufgrund des niedrigeren Edelmetallpreises sowie dem niedrigeren­ spezifischen Gewicht und dem Legierungspartneranteil von 80 % Nickel Edelmetalleinsparungen von etwa 50 % im ­Vergleich zu Hartgold erzielt werden.

Während bei reinen Palladiumschichten, die wie alle Platinmetalle zu einer leichten Versprödung der Abscheidung neigen, eine dünne Endvergoldung von etwa 0,1 µm zur Vermeidung des sogenannten Brown Powder-Effekts notwendig ist, dient diese Endschicht bei den vergleichsweise recht duktilen Palladium/Nickel-Schichten als zusätzliches Schmiermittel auf der Oberfläche. Dadurch erzielt dieses Schichtsystem durchaus Eigenschaften, die mit denen von Hartgoldschichten vergleichbar sind (Tab. 2).

In neuerer Zeit gewinnen stromlos abgeschiedene Schichtsysteme aus Nickel/Reduktiv-Palladium/Sudgold und Reduktivpalladium/Semireduktivgold als multifunktionale Oberflächen immer mehr an Bedeutung. Dies wird vor allem dann interessant, wenn galvanische Anbindungen nicht realisiert werden können, also bevorzugt bei komplexen Oberflächen. Gerade im Bereich des Golddrahtbondens bieten sie darüber hinaus noch erhebliche wirtschaftliche Vorteile (Tab. 3).

5 Schichten mit Rhodium und Ruthenium

Rhodium- und Rutheniumschichten – beides Vertreter der Gruppe der Platinmetalle – spielen in der Elektronikpraxis heute nur noch eine geringe Rolle. Der relativ ­hohen Härte stehen hohe innere Spannungen der Schichten gegenüber, die der Grund für eine starke Versprödung sind und die Verwendung für Steckverbinder- und Gleitkontakte ebenso ausschließen, wie die schlechte Löt- und Bondbarkeit bei den festen Verbindungstechniken.

In sehr geringem Umfang kommen die Schichten bei Abhebekontakten mit hohen Anforderungen an die Schalthäufigkeit – wie sie teilweise noch bei Relais bestehen – zum Einsatz. Bei nahezu gleichen Eigenschaften ist Ruthenium aus Kostengründen dem Rhodium vorzuziehen.

6 Edelmetalleinsparung

Die Betrachtung der Preisentwicklung bei Edelmetallen der letzten zehn Jahre zeigt einen Anstieg beispielsweise bei Gold von 11,55 €/g Anfang 2005 auf 35,44 €/g Anfang 2015. Daraus wird die Notwendigkeit für einen sparsameren Umgang mit diesem doch recht kostspieligen Metall verständlich. Allerdings sind auch die gestiegenen Anforderungen an die Oberflächen durch die Komplexität der Bauteile und deren Funktionssicherheit zu berücksichtigen.

6.1 Techniken zur Selektivbeschichtung

Die Selektivbeschichtung von Bauteilen mit Edelmetallen bietet die wohl mit dem geringsten funktionstechnischen Risiko behaftete Möglichkeit zur Einsparung von Metall. In diesem Fall wird das Edelmetall nur noch auf dem funktionstechnisch relevanten Bereich abgeschieden. So konnten zum Beispiel bei der Beschichtung von Steckverbindern am Band im Durchzugsverfahren vom selektiven Eintauchen über Maskentechniken bis hin zum sogenannten Brush-Plating (Abb. 2 bis 4) durch Weiterentwicklungen im Laufe der Zeit im Vergleich zur konventionellen Rundumvergoldung in der Trommel gravierende Einsparungen erzielt werden (Abb. 5).

Abb. 3: Selektivbeschichtung mittels Brush Plating

Auch bei der konventionellen Beschichtung von Bauteilen auf Gestellen, zum Beispiel bei Leiterplatten, lassen sich über geeignete Maßnahmen wie beispielsweise angepasste Hydrodynamik, Blendentechnik und Stromdichteanpassungen erhebliche Opti­mierungen erzielen, wobei hier anlagentechnisch noch Luft nach oben möglich und realisierbar erscheint. Hier wurden im Hause Gramm in Zusammenarbeit mit dem Ingenieurbüro IWO Schade im Rahmen eines Materialeffizienzprojekts doch recht interessante Perspektiven erarbeitet, die teilweise bereits mit Erfolg in die Produktion Eingang gefunden haben. Gegebenenfalls muss im Einzelfall geprüft werden, inwieweit die Edelmetalleinsparung den eventuell erhöhten Handlingaufwand rechtfertigt.

6.2 Schichtstärkenreduzierungen

Die Reduzierung der Goldschichtstärken beinhaltet – soweit überhaupt möglich – ein erhebliches Restrisiko und bedarf gegebenenfalls umfangreicher Freigabeprozesse. Sicher sind die in vielen älteren Spezifikationen festgelegten Werte teilweise überzogen. Andererseits bedeutet eine Reduzierung der Schichtdicken in jedem Fall eine erhöhte Porosität und damit eine Reduzierung der Korrosionsbeständigkeit. Ebenso wird in gewissem Rahmen die Verschleißfestigkeit beeinträchtigt. Gerade bei den Hartgoldschichten kann es jedoch bei überhöhten Schichtstärken (> 5 µm bis 7 µm) auch zu einem Umkehreffekt kommen, indem durch die erhöhten inneren Spannungen der Schichten statt einer Porenkorrosion eine Spannungsrisskorrosion und ein abrasiver anstatt ein reduzierter adhäsiver Verschleiß auftreten.

Bemerkenswert ist auch die in vielen Spezifikationen geforderte Porenfreiheit von Schichten mit Dicken von etwa 1 µm, die im Normalfall jedoch erst bei Schichtstärken von mehr als 3 µm gewährleistet werden kann. Hier wäre es wesentlich realistischer, eine für die geforderte Funktionalität maximale Porenzahl pro Fläche anzugeben.

6.3 Optimierte Schichtverteilung

Zunächst liegt ein erhebliches Einsparpotenzial darin, die Mindestschichtstärken auf die eigentliche Funktionszone zu beziehen. Häufig wird der Fehler gemacht, eine Mindestschichtstärke für den gesamten Bereich des Bauteils zu fordern. Dies kann darüber hinaus bei unterschiedlichen Verbindungstechniken (Löten plus Drahtbonden) auf ein und dem selben Bauteil zu erheb­lichen Qualitätseinbußen führen.

Sinnvoll ist, den Messpunkt auf die eigentliche funktionelle Oberflächenzone festzulegen. Wird beispielsweise bei chemisch abgeschiedenem Nickel/Gold auf einer Leiterplatte für Drahtbondanwendungen generell eine Schichtstärke von > 0,1 µm gefordert, so wird dies dazu führen, dass diese Schichtstärke auf einer unbedeutenden Massefläche gerade erreicht wird. Auf den Bondpads, für welche diese Schicht­angabe relevant ist, werden dagegen bereits Schichten von > 0,2 µm erhalten, was weder technisch noch wirtschaftlich sinnvoll ist.

Ein sehr hohes Einsparpotential mit nahezu vollkommenem Risikoausschluss liegt bei der galvanischen Beschichtung in der Optimierung der Schichtverteilung auf dem Bauteil. Zunächst muss hierbei sichergestellt werden, dass die Mindestschicht­stärke, die eigentlich ausschlaggebend für die Funktionssicherheit ist, nicht mit der mittleren Schichtstärke verwechselt­ wird. So kann beispielsweise auf einer Leiterplatte durch die layout-bedingte unterschiedliche Stromlinienverteilung eine Schichtverteilung von +/-50 % vom Mittelwert als durchaus normal betrachtet werden. Dies bedeutet, dass bei einer geforderten Mindestschichtstärke von > 1 µm von einer mittleren Schichtstärke von 2 µm bei einer Spitzenschichtstärke von 3 µm auszugehen ist. Eine Eingrenzung der Streuung und damit die Reduzierung des Edelmetallverbrauchs kann durch folgende Maßnahmen erzielt werden:

• optimiertes Layout der Bauteile
• vernünftige galvanische Anbindungen
• angepasste Hydrodynamik in den Elektrolyten
• angepasste Stromdichten
• Kathodenblenden
• Anodenblenden (Abb. 6)

Abb. 6: Schichtverteilung bei optimierter Anlagentechnik für Leiterplatten

7 Beschichtungen für Anforderungsprofile – aktueller Stand

Nach dem heutigen Stand der Technik werden für die jeweiligen Anforderungen in der Elektronik standardmäßig die nachfolgend aufgeführten Edelmetallbeschichtungen für die unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt beziehungsweise befinden sich noch in der Erprobung:

• Steckverbinder:
  > 2 µm beziehungsweise > 5 µm Nickel + > 0,8 µm Hartgold (Standard)
  > 2 µm beziehungsweise > 5 µm Nickel + > 0,8 µm Pd80/Ni20 + Flashgold (Alternative)
  > 5 µm chem. Nickel + > 0,1 µm Reduktivpalladium/0,02–0,08 µm Sudgold
• Schleifkontakte:
  > 5 µm Nickel + > 0,8 bis > 3 µm Hartgold (je nach Anforderungsprofil)
  > 5 µm Nickel + > 0,8 bis > 3 µm Pd/Ni/Flashgold (Alternative)
• Abhebekontakte:
  > 0,8 µm Hartgold oder Pd80Ni20/
  Flashgold
  > 1 µm Feingold mit Unternicklung + > 1 µm Rhodium oder Ruthenium
  > 4 µm chem. Nickel + > 0,05 µm Sudgold (Low-Cost-Bereich – aber äußerst umstritten!)
  > 5 µm chem. Nickel + > 0,1 µm Reduktivpalladium/0,02–0,08 µm Sudgold
• Lötoberflächen:
  > 4 µm chem. Nickel + 0,05 µm Sudgold (Standardoberfläche)
  > 0,1 µm Reduktivpalladium + > 0,05 µm Semireduktivgold
  Hinzu kommen hier in breiten Umfang stromlos abgeschiedenes Zinn, stromlos abgeschiedenes Silber, OSP und HASL, je nach Anforderungsprofil beim Löten
• Aluminiumdrahtbonden:
  > 4 µm Nickel + > 0,1 µm Sudgold (konkurrenzlose Standardoberfläche!)
• Golddrahtbonden:
  > 5 µm Nickel + > 0,8 µm Feingold (Standard)
  > 5 µm Nickel + > 0,1 µm reduktiv Palladium/0,02–0,08 µm Sudgold
  > 5 µm Nickel + > 0,1 µm reduktiv Palladium/> 0,1 µm reduktiv Gold
  Hinzu kommen insbesondere bei der Verknüpfung von verschiedenen Verbindungstechniken die Kombinationen ENIG plus Hartgold beziehungsweise ENIG plus Feingold

Des Weiteren werden für den Bereich der lösbaren Kontakte derzeit noch Edelmetall­ersatzwerkstoffe wie Nickel/Wolfram oder Schichten aus galvanisch abgeschiedenem Nickel/Phosphor beziehungsweise Silber/Palladiumschichten diskutiert. Entscheidend für deren Einsatz sind der zulässige Kontaktwiderstand und die zeitlich bedingte Kontaktwiderstandsänderung. In jedem Fall sind jedoch bei den zuletzt beschriebenen Alternativen noch umfangreiche Untersuchungen und entsprechende Frei­gabeszenarien notwendig.

8 Zusammenfassung

Ständig steigende technische Anforderungen, immer komplexere Baugruppen und wirtschaftliche Aspekte in der Elektronik erfordern neue Lösungen auch bei den Oberflächensystemen. Überlieferte­ Spezifikationen müssen auf ihre Relevanz überprüft und innovative Alternativen entwickelt beziehungsweise getestet werden. Hierfür müssen die jeweiligen Anforderungspro­file exakt definiert und die Leistungsgrenzen der infrage kommenden Schichtsysteme von vornherein realistisch beurteilt werden. Ebenso müssen teilweise die Verknüpfung unterschiedlicher Anforderungsprofile und die verschiedenen Anwendungsgebiete berücksichtigt werden.

Voraussetzung für optimale Ergebnisse­ ist jedoch die Bereitschaft – sowohl vom Beschichtungssektor wie auch vom Baugruppenhersteller und vom Endanwender – neue Wege zu gehen und gemeinsam produktspezifische Lösungen zu erarbeiten und zu testen. Auf teilweise überholten Spezifikationen zu bestehen oder zweifelhafte Kompromisse einzugehen, dürfte auf Dauer nicht zielführend sein.

Hinzu kommt, dass gerade beim Einsatz von Edelmetallbeschichtungen häufig die sicherlich hohen Kosten dieser Metalle in den Vordergrund gestellt werden, nicht aber die sehr oft dadurch vorhandenen Möglichkeiten der Realisierung von neuen Technologien, mögliche Reduzierungen der Gesamtfertigungskosten und schließlich den erhöhten Zuverlässigkeitsgrad der Bauteile berücksichtigt werden.

Literatur

[1] B. Endres: Edelmetallbeschichtungen für die Verbindungstechniken in der Elektronik; Plus 1-3, 2006

[2] Dr. H. Großmann, M. Huck, G. Schaudt, Dr. F. J. Wagner: Eigenschaften galvanischer Edelmetallschichten als Kontaktwerkstoffe für schaltende Kontakte; Metall, 39. Jahrgang, Heft 7, Juli 1985, S. 619–623

[3] M. Huck, Dr. U. Mayer: Korrosionsbeständigkeit und Werkstoffeigenschaften galvanischer Legierungsüberzüge für die Elektronikindustrie; Metalloberfläche, (1984) 10, S. 427–434

[4] Dr. H. Großmann, M. Huck, Dr. E. Köhler: Prüfung von Kontaktwerkstoffen für Steckverbinder; Metalloberfläche, Heft 41, Nov. 1987, S. 551–558

[5] B. Endres, F. Horvath: Einflüsse der Mikrorauheit auf die funktionellen Eigenschaften von Oberflächensystemen für die Elektrotechnik und Elektronik; WOMag, 2(2013) 1, S. 19 ff

[6] B. Endres: Alternativen zur Vergoldung von Leiterplatten; VDI- Berichte Nr. 387, 1980

[7] F. Talgner: Silber-Palladium als Ersatz von Hartgold für elektrische Kontakte; WOMag 3(2014) 11, S. 24 ff

[8] B. Endres: Selektive Beschichtung von Kontaktmaterial im Durchzugsverfahren, Metall­oberfläche; (1985) 11, S. 400–404

[9] M. Huck: Temperaturverhalten galvanischer Edelmetallüberzüge; Metall, (1981) 7,
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DOI: 10.7395/2015/Endres3