Beschreibung

Die Erfindung betrifft Bondsubstrate mit Oberflächen aus Kupfer oder einer Kupferbasislegierung sowie ein Verfahren zum Schützen von zum Drahtbonden vorgesehenen Oberflächen aus Kupfer oder einer Kupferbasislegierung. Ein Bondsubstrat mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ist aus der WO 2014/027566 A1 bekannt. Ein Bondsubstrat hat ein Kontaktfeld aus Kupfer oder einer Kupferbasislegierung, das zum Bonden eines Drahtes aus Kupfer oder einer Kupferbasislegierung vorgesehen ist. Beim Bonden wird Draht mit dem Kupfer oder der Kupferbasislegierung des Kontaktfeldes verschweißt. Dazu sind verschiedene Verfahren gebräuchlich, beispielsweise Thermokompressions-Bonden, das Thermosonic-Ball-Wedge-Bonden und das Ultraschall-Wedge-Wedge-Bonden.

Oberflächen aus Kupfer oder Kupferbasislegierungen sind korrosionsanfällig. Oxidschichten auf Kupferoberflächen können das Bonden von Drähten an die Oberflächen erschweren oder sogar verhindern. Um Bondsubstrate bzw. deren zum Bonden vorgesehene Kontaktfelder zu schützen, können Kupferoberflächen mit Aluminium, Aluminiumsiliziumlegierungen, Silber oder anderen korrosionsbeständigen Metallen überzogen werden. Bekannte Plattierungsverfahren verursachen jedoch einen erheblichen Aufwand.

Aus der WO 2016/124 382 A1 ist es bekannt Aluminium-Kupferverbundhalbzeuge durch einen Acrylatpolymer enthaltenden Lack vor Korrosion zu schützen. Ein solches Acrlatpolymer muss jedoch vor dem Bonden entfernt werden und verursacht deshalb einen erheblichen Aufwand.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen wie zum Drahtbonden vorgesehene Oberflächen aus Kupfer oder Kupferbasislegierungen mit geringerem Aufwand vor Korrosion geschützt werden können, ohne dass vor dem Bonden ein separater Arbeitsschritt zum Entfernen einer Schutzschicht erforderlich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine organische Korrosionsinhibitorschicht gelöst, die auf die Kupferoberfläche oder die Oberfläche einer Kupferbasislegierung aufgetragen wird und als Wirkstoff einen stickstoffhaltigen aliphatischen Kohlenwasserstoff enthält. Aliphatische Kohlenwasserstoffe werden kurz auch als Aliphaten bezeichnet. Heteroatomhaltige Aliphaten, insbesondere Stickstoff- und/oder schwefelhaltige Aliphaten, können durch van-der-Waals Kräfte gut auf kupfernen Oberflächen haften und haben eine oxidationshemmende Wirkung, insbesondere wenn stickstoffhaltige Aliphate verwendet werden, die eine reduktive Wirkung haben. Auf diese Weise lassen sich Kontaktfelder von Bondsubstraten wirksam und kostengünstig vor Korrosion schützen. Die Korrosionsinhibitorschicht wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren als flüssige Schicht aufgetragen, nämlich als wässrige Lösung. Die flüssige Schicht kann dann eine feste Korrosionsinhibitorschicht bilden, beispielsweise durch Eintrocknen, oder flüssig bleiben, also eine flüssige Korrosionsinhibitorschicht bilden. Nach oder bei dem Eintrocknen der aufgetragenen Lösung können darin enthaltene Bestandteile vernetzen, also eine Polymerschicht bilden.

Bei dem oder den heteroatomhaltigen Aliphaten in einer erfindungsgemäßen Korrosionsinhibitorschicht kann es sich beispielsweise um Ureaderivate oder Guanidinderivate, z.B. Triphenylguanidin, handeln. Bevorzugt enthält die Korrosionsinhibitorschicht ohne einen eventuellen Wasseranteil wenigstens 20 Gew.-% stickstoffhaltige Aliphate, besonders bevorzugt wenigstens 40 Gew-%. Angaben in Gew.-% beziehen sich im Folgenden auf die Korrosionsinhibitorschicht ohne einen eventuellen Wasseranteil, also deren Trockenmasse.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Korrosionsinhibitorschicht als weiteren Wirkstoff einen einen stickstoffhaltigen heterozyklischen Aromaten, beispielsweise ein Tetrazol- und/oder Triazolderivat. Alternativ oder zusätzlich können als stickstoffhaltige heterozyklische Aromate beispielsweise Anilinderivate sowie Isocyanatobenzol verwendet werden. Heterozyklische Aromaten haben wegen ihres aromatischen Rings, der sowohl Heteroatome, beispielsweise Stickstoff oder Schwefel, als auch Kohlenstoffatome enthält ein freies Elektronenpaar, das eine besonders gute Haftung an einer metallischen Oberfläche ermöglicht. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der oder einer der stickstoffhaltigen Wirkstoffe der Korrosionsinhibitorschicht zusätzlich auch Schwefel enthält. Als ein solcher Wirkstoff kann beispielsweise Isothiocyanatobenzol verwendet werden. Wirksame Bestandteile der Korrosionsinhibitorschicht können beispielsweise Ureaderivate und/oder Anilinderivaten sein, bevorzugt in Kombination mit Tetrazolderivaten. Alternativ oder zusätzlich kann die Korrosionsinhibitorschicht als wirksame Bestandteile Triphenylguanidin und/oder Phenylharnstoff und/oder Isothiocyanatobenzol und/oder Tetrazolderivat enthalten. Die Korrosionsinhibitorschicht kann als wässrige Lösung aufgetragen werden, in der die wirksamen Bestandteile können beispielsweise einen Anteil von 2 bis 10 Gew.-% haben. Gut geeignete Tetrazolderivate sind insbesondere 1 -phenyl-1 H- tetrazol-5-thiol und/oder Natrium-1-phenyl-1 H-tetrazol-5-thiolat, bevorzugt in einer Lösung mit einem pH-Wert von 9 bis 12.

Ohne den Wasseranteil besteht die Korrosionsinhibitorschicht bevorzugt zu wenigstens 10 Gew.-%, besonders bevorzugt zu wenigstens 30 Gew.-% aus einem oder mehreren Ureaderivaten und einem oder mehreren Anilinderivaten und einem oder mehreren Tetrazolderivaten und/oder Triphenylguanidin und/oder Phenylharnstoff und/oder Isothiocyanatobenzol und/oder Tetrazolderivat. Besonders bevorzugt besteht die Korrosionsinhibitorschicht ohne den Wasseranteil überwiegend aus einem oder mehreren Ureaderivaten und einem oder mehreren Anilinderivaten und/oder Triphenylguanidin und/oder Phenylharnstoff und/oder Isothiocyanatobenzol und einem oder mehreren Tetrazolderivaten.

Die nachstehenden Gewichtsanteile beziehen sich jeweils auf die Korrosionsinhibitorschicht ohne den Wasseranteil. Beim Auftragen kann die Korrosionsinhibitorschicht einen erheblichen Wasseranteil haben, beispielsweise von 50 Gew.-% bis 95 Gew.-%.

Beispielsweise kann die Korrosionsinhibitorschicht 5 Gew.-% oder mehr, vorzugsweise 20 Gew.-% oder mehr, insbesondere 30 Gew.-% oder mehr Ureaderivat enthalten.

Alternativ oder zusätzlich kann die Korrosionsinhibitorschicht 5 Gew.-% oder mehr, vorzugsweise 20 Gew.-% oder mehr, insbesondere 30 Gew.-% oder mehr Anilinderivat enthalten.

Alternativ oder zusätzlich kann die Korrosionsinhibitorschicht 3 Gew.-% oder mehr, vorzugsweise 20 Gew.-% oder mehr, insbesondere 30 Gew.-% oder mehr Triphenylguanidin enthalten. Alternativ oder zusätzlich kann die Korrosionsinhibitorschicht 5 Gew.-% oder mehr, vorzugsweise 20 Gew.-% oder mehr, insbesondere 30 Gew.-% oder mehr Phenylharnstoff enthalten. Alternativ oder zusätzlich kann die Korrosionsinhibitorschicht 10 Gew.-% oder mehr, vorzugsweise 20 Gew.-% oder mehr, insbesondere 30 Gew.-% oder mehr Isothiocyanatobenzol enthalten.

Alternativ oder zusätzlich kann die Korrosionsinhibitorschicht 5 Gew.-% oder mehr, vorzugsweise 10 Gew.-% oder mehr Tetrazolderivat enthalten. Bevorzugt enthält die Korrosionsinhibitorschicht nicht mehr als 30 Gew.-% Tetrazolderivat.

Die Korrosionsinhibitorschicht kann als Flüssigkeit kostengünstig aufgetragen werden und eine dünne Schicht bilden, so dass sie vor dem Bonden nicht entfernt werden muss. Bevorzugt hat die Korrosionsinhibitorschicht eine Dicke von nicht mehr als 400 nm. Bereits eine Korrosionsinhibitorschicht mit einer maximalen Dicke von 100 nm oder weniger ist für einen wirksamen Korrosionsschutz ausreichend, beispielsweise eine Korrosionsinhibitorschicht mit einer Dicke von nicht mehr als 50 nm. Im Allgemeinen ist eine Dicke von 10 nm ausreichend, nur selten sind Dicken von 30 nm oder mehr für einen wirksamen Korrosionsschutz erforderlich.

Alternativ oder zusätzlich kann die Korrosionsinhibitorschicht als wirksamen Bestandteil 1-H-Benzotriazol und/oder Benzimidazol und/oder Phosphate. Zusätzlich kann die Korrosionsinhibitorschicht organische und/oder anorganische Säure, beispielsweise Phosphat und/oder Schwefelsäure, enthalten. Die Korrosionsinhibitorschicht kann ohne einen eventuellen Wasseranteil beispielsweise 1 Gew.-% Phosphat oder mehr enthalten, etwa 5 Gew.-% Phosphat oder mehr. Auf diese Weise lässt sich eine sauere Korrosionsinhibitorschicht realisieren, die bevorzugt einen pH-Wert von 4,0 oder weniger, insbesondere 3,5 oder weniger, beispielsweise 3,0 oder weniger hat. Die Korrosionsinhibitorschicht kann aber auch schwach sauer, neutral oder schwach basisch sein, beispielsweise indem sie als wirksame Bestandteile Benzimidazole und/oder Ethylenglycolisopropylether und/oder Anilin und/oder Isothiocyanatobenzol und/oder 1-H-Benzotriazol und/oder Bisphenol-A-ethoxylat enthält. In diesem Fall kann beispielsweise ein pH-Wert von 4 bis 8 vorteilhaft sein. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Korrosionsinhibitorschicht wenigstens 10 Gew-% 1-H-Benzotriazol und/oder Benzimidazol enthält, vorzugsweise wenigstens 20 Gew.-% -H-Benzotriazol und/oder Benzimidazol enthält, wobei sich diese Angaben auf die Korrosionsinhibitorschicht ohne Wasseranteil beziehen. Wenn die Korrosionsinhibitorschicht Wasser enthält, kann der Gehalt an 1-H-Benzotriazol und/oder Benzimidazol bezogen auf das Gesamtgewicht somit geringer sein.

Das Bondsubstrat kann als ein Körper ausgebildet sein, der bestimmungsgemäß in einen Rahmen eingesetzt wird bzw. um den herum ein Rahmen durch Spritzgießen hergestellt wird, beispielweise kann das Bondsubstrat ein Stanzteil oder ein Inlay sein. Ein Teil der Oberfläche dieses Körpers bildet ein Kontaktierungsfeld, ist also zum Bonden von Draht vorgesehen. Derartige Bondsubstrate haben oft strukturierte Stanzgitter, die dann in dazu passenden Fächern eines Rahmens sitzen, so dass das Kontaktierungsfeld freiliegt. Eine erfindungsgemäße Korrosionsinhibitorschicht kann aber zum Schutz einer Kupferoder Kupferbasislegierungsoberfläche, die zum Bonden von Draht vorgesehen ist und somit ein Kontaktierungsfeld bildet, eines beliebig geformten Bondsubstrats genutzt werden. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen der Erfindung erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Elektronikmoduls mit einem Rahmen, in dessen Fächern Bondsubstrate mit Kontaktierungsfeldern angeordnet sind.

In Figur 1 ist ein Ausschnitt eines Elektronikmoduls 1 dargestellt, das einen Rahmen 2 mit Fächern 3 aufweist. In einigen der Fächer 3 sind Bondsubstrate 4 angeordnet, die einen H-förmigen Querschnitt haben können. Die Bondsubstrate 4 haben Kontaktierungsfelder 4a, denen Bonddrähte 5 befestigt sind, die zu einer Leiterplatte 6 führen.

Die Kontaktierungsfelder 4a der Bondsubstrate 4 sind aus Kupfer oder einer Kupferbasislegierung, beispielsweise CuNi _ß SiMg, und deshalb korrosionsanfällig. Die Bondsubstrate 4 oder zumindest deren Kontaktierungsfelder 4a werden deshalb nach ihrer Herstellung mit einer organischen Korrosionsinhibitorschicht bedeckt. Die Korrosionsinhibitorschicht wird als eine wässrige Lösung aufgebracht, beispielsweise durch Eintauchen oder Aufsprühen. Nach dem Aufbringen kann die Korrosionsinhibitorschicht Wasser verlieren und zu einer festen Schicht werden oder eine flüssige Schicht bleiben. Für die Korrosionsinhibitorschicht kann beispielsweise eine saure, wässrige Lösung aus 1-H-Benzotriazol und/oder Benzimidazol sein. Der pH-Wert einer solchen Lösung liegt bevorzugt unter 4,0, beispielsweise unter 3,5 oder sogar unter 3,0. Die Lösung enthält bevorzugt eine oder mehrere anorganische Säuren, beispielsweise Phosphorsäure und/oder Schwefelsäure. Zusätzlich enthält eine solche Korrosionsinhibitorschicht bevorzugt Phosphate, beispielsweise 1 Gew.-% oder mehr. Zur Herstellung einer solchen Korrosionsinhibitorschicht werden beispielsweise 10 ml 1 -H-Benzotriazol und/oder 10 ml Benzimidazol mit 1 Liter Wasser vermischt und dann aufgebracht. Dieser Mischung können beispielsweise 10 ml anorganische Säuren etwa Phosphorsäure oder Schwefelsäure zugefügt werden, wobei der Säure zusätzlich Phosphate gelöst sein können, beispielsweise 1 bis 10 mg Ammoniummolybdophosphat.

Eine solche Korrosionsinhibitorschicht zeigt keinerlei negative Auswirkungen auf die Bondbarkeit eines 300 pm Cu-Drahts auf eine CuNi ₃ SiMg- Bondsubstratoberfläche sowie auf eine daraus gestanzte Leadframeoberfläche.

Für die Korrosionsinhibitorschicht kann beispielsweise auch ein Korrosionsinhibitor, bestehend aus 1-phenyl-1 H-tetrazol-5-thiol und/oder Natrium- 1-phenyl-1 H-tetrazol-5-thiolat in Kombination mit Ureaderivaten und/oder Anilinderivaten und/oder Triphenylguanidin verwendet werden, wobei eine solche Korrosionsinhibitorschicht bevorzugt zusätzlich Phenylharnstoff und Isothiocyanatobenzol enthält. Dazu werden beispielsweise 20 ml eines solchen Korrosionsinhibitors mit 1 Liter Wasser vermischt und diese wässrige Lösung dann auf ein Bondsubstrat 4 aufgebracht. Die Lösung kann auf dem Bondsubstrat eintrocknen und durch Vernetzen eine feste Schicht bilden.

Ein Korrosionsinhibitor kann beispielsweise durch Mischen von 10 mg 1-Phenyl- 1 H-tetrazol-5-thiol, 10 mg Natrium-1-phenyl-1 H-tetrazol-5-thiolat, 10 mg eines oder mehrerer Ureaderivate, 10 mg eines oder mehrerer Anilinderivate, 10 mg Triphenylguanidin, 10 mg Phenylharnstoff und 10 mg Isothiocyanatobenzol hergestellt verwendet werden, wobei dieser Mischung 1 Liter Wasser zugefügt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, als Korrosionsinhibitor Benzimidazole und Ethylenglycolisopropylether zu verwenden. Als Alternative können auch Anilin und/oder Isothiocyanatobenzol und/oder 1 -H-Benzotriazol jeweils in Kombination mit Bisphenol-A-ethoxylat verwendet werden, wobei eine Säure zugemischt werden kann, beispielsweise eine organische Säure wie Essigsäure. 100 ml bis 200 ml dieses Korrosionsinhibitors können mit 1 Liter Wasser vermischt werden und dann als wässrige Lösung auf ein Bondsubstrat aufgebracht werden.

Bezugszeichenliste Elektronikmodul

Rahmen

Fach

Bondsubstrat

Kontaktierungsfeld

Draht

Leiterplatte