Kupfer und Silber gehören zu den wichtigsten Metallen der Elektronikindustrie. Ihre hohe elektrische Leitfähigkeit macht sie zu zentralen Werkstoffen in Leiterplatten, Leistungselektronik, Halbleitern und Verbindungstechnologien. Doch beide Materialien haben einen Nachteil: Ihre Oberflächen verändern sich mit der Zeit. Kupfer oxidiert an der Luft, Silber reagiert mit Schwefelverbindungen und bildet dunkle Sulfidschichten.
Diese Veränderungen sind mehr als ein optisches Problem. Sie können die Leitfähigkeit beeinträchtigen und Schwierigkeiten beim Löten, Bonden oder Kontaktieren verursachen. Forschende des Thüringer Forschungsinstituts INNOVENT haben nun untersucht, ob sich solche Schichten mit einem Atmosphärendruck-Plasmaverfahren gezielt abbauen lassen – ohne Vakuumtechnik und ohne den Einsatz aggressiver Chemikalien.
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Oxidierte Metalloberflächen erschweren die Weiterverarbeitung
In vielen elektronischen Fertigungsprozessen sind saubere Metalloberflächen entscheidend. Bereits dünne Oxidschichten auf Kupfer können die Qualität elektrischer Kontakte beeinträchtigen. Bei Silber kommt hinzu, dass sich unter bestimmten Umgebungsbedingungen Silbersulfid bildet. Diese Schicht ist als typische dunkle Verfärbung angelaufener Silberoberflächen bekannt.
Zur Entfernung solcher Schichten kommen bislang meist nasschemische Verfahren, thermische Prozesse oder Plasmabehandlungen unter Vakuum zum Einsatz. Alle Ansätze verursachen zusätzlichen technischen Aufwand oder benötigen Chemikalien und Energie.
Vor diesem Hintergrund untersuchten die Forschenden, ob sich die Oberflächen direkt unter Atmosphärendruck regenerieren lassen.
Plasmajet arbeitet mit Formiergas
Für die Versuche kam ein Atmosphärendruck-Plasmajet vom Typ TIGRES CAT600 zum Einsatz. Anders als klassische Niederdruckplasmen benötigt das System keine Vakuumkammer. Das Plasma wird direkt unter Umgebungsbedingungen erzeugt.
Als Prozessgas verwendeten die Forschenden ein Formiergas aus 95 % Stickstoff und 5 % Wasserstoff. Der Wasserstoff spielt dabei eine zentrale Rolle. Im Plasma entstehen hochreaktive Teilchen, die Sauerstoff- und Schwefelverbindungen auf der Oberfläche chemisch verändern und abbauen können.
Für die Untersuchungen erzeugte das Team zunächst gezielt oxidierte Kupferschichten und sulfidierte Silberoberflächen. Anschließend wurden die Proben mit dem Plasma behandelt und mit verschiedenen Analyseverfahren untersucht.
Kupferoxid wird deutlich reduziert
Die Ergebnisse zeigen, dass das Verfahren auf Kupferoberflächen wirksam arbeitet. Ellipsometrische Messungen ergaben, dass die Dicke der Oxidschicht von etwa 95 Nanometern auf rund 6 Nanometer zurückging. Gleichzeitig verringerte sich der elektrische Flächenwiderstand deutlich und näherte sich wieder dem Ausgangszustand der metallischen Kupferschicht an.
Auch optisch war der Effekt sichtbar. Nach der Behandlung verschwand die dunkle Oxidschicht auf den bearbeiteten Bereichen und machte einer metallisch glänzenden Oberfläche Platz.
Die Messergebnisse deuten darauf hin, dass die Plasmabehandlung nicht nur Verunreinigungen entfernt, sondern die chemische Zusammensetzung der Oberflächenschicht tatsächlich verändert.
Auch angelaufenes Silber profitiert
Ähnliche Ergebnisse erzielten die Forschenden bei den Silberproben. Die zuvor erzeugten Silbersulfidschichten erreichten Dicken von bis zu 70 Nanometern. Nach der Behandlung blieben lediglich etwa 7 Nanometer zurück.
Zusätzliche Untersuchungen mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) bestätigten die Veränderungen auf atomarer Ebene. Der Schwefelanteil an der Oberfläche nahm deutlich ab, während der Anteil des Silbers zunahm und sich der ursprünglichen metallischen Oberfläche wieder annäherte.
Damit konnte die Wiederherstellung einer funktionalen Silberoberfläche sowohl optisch als auch analytisch nachgewiesen werden.
Interessant für Leiterplatten und Leistungselektronik
Für die Industrie könnte die Technologie vor allem dort interessant sein, wo saubere Metalloberflächen für zuverlässige Verbindungen erforderlich sind.
Dazu zählen unter anderem:
- Leiterplatten und Metallkernleiterplatten
- Leistungselektronik
- Leadframes
- Halbleitergehäuse und Packaging-Prozesse
- Kontakt- und Verbindungstechnik
Da das Verfahren unter Atmosphärendruck arbeitet, könnte es grundsätzlich in bestehende Fertigungslinien integriert werden. Im Gegensatz zu Niederdruckplasmen wären dafür keine Vakuumanlagen erforderlich. Auch der Einsatz chemischer Ätzmedien könnte reduziert werden.
Gerade in der Leistungselektronik steigen die Anforderungen an die Qualität elektrischer Kontakte. Schon geringe Veränderungen an der Oberfläche können sich auf die Zuverlässigkeit von Verbindungen auswirken.
Noch kein Ersatz für etablierte Prozesse
Trotz der vielversprechenden Ergebnisse bleiben einige Fragen offen. Die veröffentlichten Daten zeigen zwar, dass sich Oxid- und Sulfidschichten wirksam abbauen lassen. Angaben zur Prozessgeschwindigkeit, zu den erreichbaren Flächenleistungen oder zur Langzeitstabilität der behandelten Oberflächen liegen bislang jedoch nicht vor.
Auch ist noch offen, wie sich die regenerierten Oberflächen in realen Löt- oder Bondprozessen verhalten und wie schnell sich erneut Oxid- oder Sulfidschichten bilden. Für eine industrielle Einführung werden daher weitere Untersuchungen notwendig sein.
Potenzial auch für andere Metalle
Die Forschenden sehen darüber hinaus Anwendungsmöglichkeiten bei weiteren Werkstoffen. Denkbar ist beispielsweise der Einsatz bei Zinnoberflächen, die in der Elektronikfertigung ebenfalls häufig verwendet werden und zur Oxidbildung neigen.
Sollte sich das Verfahren auch dort bewähren, könnte es künftig dazu beitragen, Metalloberflächen unmittelbar vor kritischen Fertigungsschritten zu aktivieren und ihre Funktionseigenschaften wiederherzustellen.
