Chemisch Silber

Was ist Immersionssilber?

Chemisch Silber ist eine Oberflächenveredelung, die zwischen organischen Beschichtungen und Chemisch Nickel bzw. Chemisch Gold angesiedelt ist. Das Verfahren ist einfach und schnell. Selbst wenn die Leiterplatten Hitze, Feuchtigkeit oder Verunreinigungen ausgesetzt sind, behält Silber seine gute Lötbarkeit. Die Silberschicht kann jedoch an Glanz verlieren. Chemisch vernickeltes Silber hat nicht die gleiche physikalische Festigkeit wie chemisch vernickeltes oder chemisch vergoldetes Silber. Das liegt daran, dass sich unter dem Silber keine Nickelschicht befindet.

Hauptkomponenten des Tauchsilberbades und ihre Aufgaben

Die Rezeptur des Tauchsilberbades entscheidet direkt über die Qualität der Silberschicht. Zu den Hauptbestandteilen gehören Silbersalz, Komplexbildner, Säureregulator und Zusatzstoffe. Diese Bestandteile wirken zusammen, um die Reaktionsgeschwindigkeit und die Form der Silberschicht zu steuern.

Silbernes Salz

Silbersalz liefert die Silberionen. Üblicherweise wird Silbernitrat (AgNO₃) verwendet. Die typische Konzentration beträgt 5-15 g/L. Ist die Konzentration zu niedrig, ist die Silberschicht zu dünn (weniger als 0,1 μm) und kann das Kupfer nicht gut schützen. Ist die Konzentration zu hoch, kann die Reaktion zu stark sein und das Silber kann als Dendriten wachsen. Dadurch wird die Oberfläche rau (Oberflächenrauhigkeit Ra > 0,5 μm).

Komplexbildner

Übliche Komplexbildner sind Ammoniak oder organische Amine. Sie bilden mit Silberionen einen stabilen Komplex, zum Beispiel [Ag(NH₃)₂]⁺. Dadurch wird der Gehalt an freien Silberionen gesenkt und die Reaktion verlangsamt. Das molare Verhältnis von Komplexbildner zu Silberionen sollte auf etwa 2:1 bis 3:1 eingestellt werden. Ist das Verhältnis zu hoch, wird die Abscheidungsrate zu langsam (weniger als 0,05 μm/min). Ist das Verhältnis zu niedrig, kann die Reaktion nicht gut gesteuert werden und die Silberschicht kann Nadellöcher aufweisen.

Säureregulator

Ameisensäure oder Essigsäure werden üblicherweise verwendet, um den pH-Wert des Bades auf etwa 3,5-5,5 einzustellen. Liegt der pH-Wert unter 3,5, sinkt die Stabilität des Komplexes und es entstehen mehr freie Silberionen, so dass die Reaktion heftig verläuft. Liegt der pH-Wert über 5,5, können Kupferionen einen Kupferhydroxid-Niederschlag bilden und die Silberschicht verunreinigen. Dadurch können schwarze Flecken entstehen.

Zusatzstoffe

Zu den Zusatzstoffen gehören Tenside (z. B. Natriumdodecylsulfat) und Korrosionsinhibitoren (z. B. Benzotriazol). Tenside senken die Oberflächenspannung der Lösung auf unter 30 mN/m und tragen dazu bei, dass das Silber gleichmäßig bedeckt wird, insbesondere in den Durchgangslöchern und an den Ecken. Korrosionsinhibitoren unterdrücken eine übermäßige Kupferauflösung. Der Kupferionengehalt sollte unter 2 g/L gehalten werden, um Hohlräume in der Silberschicht zu vermeiden.

Chemisch Silber Prozessschritte

Immersionssilber besteht aus drei Hauptschritten: Vortauchen, Eintauchen und abschließendes Abspülen mit entionisiertem Wasser.

Ein Pre-Dip hat drei Aufgaben. Erstens dient es als Opferlösung. Sie verhindert, dass Kupfer und andere Verunreinigungen aus dem Mikroätzbehälter in das Tauchbad gelangen. Zweitens bietet es eine saubere Kupferoberfläche für die Verdrängungsreaktion. Die Kupferoberfläche im Vortauchbad erhält die gleiche chemische Umgebung und den gleichen pH-Wert wie das Tauchbad. Drittens: Da das Vortauchbad mit Ausnahme des metallischen Silbers die gleiche Zusammensetzung wie das Tauchbad hat, bildet es automatisch den Tauchtank. Bei der Eintauchreaktion wird nur metallisches Silber verbraucht. Die organischen Bestandteile im Bad verändern sich nur, weil ein Teil der Lösung durch die Platten herausgetragen wird. Wenn das Vortauchbad und das Tauchbad die gleiche Zusammensetzung haben, entspricht die Menge, die durch das Vortauchbad aufgenommen wird, der Menge, die durch das Tauchbad abgeführt wird. Dadurch wird eine unnötige Anreicherung von organischen Stoffen im Tauchbad vermieden.

Die Immersionsreaktion erfolgt durch eine Verdrängungsreaktion zwischen Kupfer- und Silber-Ionen. Wenn die Kupferoberfläche durch eine AlphaSTAR-Mikroätzlösung mikrogeätzt wird, entsteht eine Kupferoberfläche, auf der sich bei einer kontrollierten Tauchgeschwindigkeit langsam eine gleichmäßige Silberschicht bildet. Eine langsame Eintauchgeschwindigkeit trägt zur Bildung dichter Kristallstrukturen bei und vermeidet Partikelwachstum, das durch schnelle Ausfällung und Agglomeration entsteht. Dies führt zu einer hochdichten Silberschicht.

Diese dichte Struktur bei einer moderaten Dicke von etwa 6-12 µin (Mikrozoll) sorgt nicht nur für eine gute Korrosionsbeständigkeit, sondern auch für eine sehr gute Leitfähigkeit. Das Tauchsilberbad ist stabil und hat eine lange Lebensdauer. Es ist nicht sehr empfindlich gegenüber Licht oder Halogenidspuren.

Leistungsvergleich: Chemisch Silber vs. Chemisch Gold (ENIG)

Chemisch Nickel mit Chemisch Gold ist eine gängige Oberflächenbehandlung für hochwertige Leiterplatten. Die Hauptunterschiede zwischen Chemisch Gold und Chemisch Silber liegen in der Leistung und den Kosten.

Korrosionsbeständigkeit

Bei einem Chemisch-Gold-Stapel wird häufig eine Nickelschicht von 5-10 μm plus eine Goldschicht von 0,05-0,1 μm verwendet. Die Nickelschicht isoliert Kupfer und bietet eine viel bessere Korrosionsbeständigkeit als Chemisch Silber. Nach einem 1000-stündigen feuchten Hitzetest zeigt die Tauchgoldschicht kaum Veränderungen, während die Tauchsilberschicht eine leichte Oxidation aufweisen kann. In sehr feuchten und verschmutzten Umgebungen, wie z. B. bei industriellen Steuerungen, zeigt Chemisch Gold klare Zuverlässigkeitsvorteile. In normalen Umgebungen, wie in der Unterhaltungselektronik, kann Chemisch Silber die Anforderungen erfüllen. Die Haltbarkeit von chemisch gebundenem Silber ist bei normaler Lagerung etwa 12 Monate lang stabil.

Leistung beim Löten

Chemisch Silber hat eine Lotbenetzung (Ausbreitung) von etwa 80-85%. Das ist etwas besser als Chemisch Gold mit 75-80%, weil Silber eine höhere Affinität zum Lot hat. Die Lötstellenfestigkeit von Chemisch Gold ist mit durchschnittlich 6-7 N jedoch höher als die von Chemisch Silber mit 5-6 N. Das liegt daran, dass sich die Nickelschicht besser mit Kupfer verbindet. Bei Lötstellen mit kleinem Abstand (weniger als 0,2 mm) kann die Gleichmäßigkeit von Chemisch Silber für den Lotpastendruck hilfreicher sein. Bei großen Lötstellen (mehr als 1 mm) zeigt Chemisch Gold eine bessere Langzeitzuverlässigkeit.

Kosten und Verfahren

Tauchsilber kostet etwa 50-60% des Tauchsilbers. Das liegt vor allem daran, dass Goldsalze viel mehr kosten als Silbersalze. Chemisch Silber erfordert auch weniger Prozessschritte, da kein Nickel aufgebracht werden muss. Die Produktionseffizienz ist höher und die Verarbeitungszeit für eine einzelne Charge kann um 30% kürzer sein. Immersionsgold hat jedoch ein breiteres Prozessfenster und verträgt Parameterschwankungen besser. Chemisch Nickel erfordert eine strengere Kontrolle der Lösungszusammensetzung. Zum Beispiel sollte die Abweichung der Silberionenkonzentration weniger als 1 g/L betragen.

Chemisches Silber Vorsichtsmaßnahmen für den Betrieb

Nachfolgend finden Sie Empfehlungen für den Betrieb und die Handhabung von Tauchsilber.

1. Empfehlungen zur Handhabung

1. Tragen Sie bei jedem Schritt nach der Tauchsilberbehandlung saubere, schwefelfreie Handschuhe, wenn Sie die Platten bearbeiten.

2. Wenn Sie die Platten nach dem Eintauchen in Silber prüfen, legen Sie sie auf schwefelfreies Papier.

3. Vermeiden Sie in jeder Phase, dass die Silberschicht Schwefel- oder Chlorverbindungen ausgesetzt wird.

4. Die Silberschicht ist dünn und kann leicht verkratzen. Behandeln Sie die Platten vorsichtig.

2. Empfehlungen zum Stanzen und Fräsen

1. Das Chemisch-Silber-Verfahren wird in der Regel als später Schritt in der Leiterplattenproduktion eingesetzt. Es wird nicht empfohlen, vor dem Routing oder der endgültigen Formgebung zu versilbern.

2. Legen Sie nach dem Tauchsilber und vor dem Verlegen schwefelfreies Papier zwischen die Lagen und zwischen Ober- und Unterplatte, um Kratzer zu vermeiden.

3. Reinigungsempfehlungen für versilberte Platten

1. Verwenden Sie keine Tenside oder säurehaltigen Reinigungsmittel für die Silberoberfläche.

2. Reiben Sie die Silberoberfläche nicht mit einem Radiergummi ab.

3. Reinigen Sie die Silberoberfläche nur mit reinem Wasser oder mit Hilfe elektrostatischer Reinigungsmethoden.

4. Empfehlungen zu Verpackung und Lagerung

1. Bringen Sie die Platten nach dem Verlassen der Produktionslinie schnell in eine nicht korrosive Umgebung mit kontrollierter Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Halten Sie die Lagertemperatur unter 30°C und die relative Luftfeuchtigkeit unter 50%.

2. Nach der Inspektion werden die Platten so schnell wie möglich vakuumverpackt. Die Vakuumverpackung sollte innerhalb von 8 Stunden und nicht länger als 24 Stunden abgeschlossen sein.

3. Verpackungsoptionen:
   A. Packen Sie 10-20 Bretter als eine Einheit. Verwenden Sie zwischen den einzelnen Brettern schwefel- und chlorfreies Papier. Decken Sie die Ober- und Unterseite mit 2-3 Blättern schwefelfreiem Papier ab. Vakuumversiegeln. So können die Bretter bis zu sechs Monate aufbewahrt werden.
   B. Verpacken Sie 10-20 Platinen als eine Einheit ohne Papiertrenner. Die oberen und unteren Platinen berühren mit der Lötseite die Verpackungsfolie. Diese Methode ist nur für etwa 2 Monate haltbar. Verwenden Sie diese Methode nur nach Absprache mit dem Kunden.

4. Geben Sie das Trockenmittel nicht in eine Verpackung aus Tauchsilber, da viele Trockenmittel Schwefel enthalten.

5. Verwenden Sie kein Klebeband, keine Klebeetiketten, keine Tintenmarkierungen oder Gummibänder auf Tauchsilberplatten oder auf schwefelfreiem Papier. Diese Gegenstände können Schwefel enthalten.

6. Wählen Sie Vakuumbeutel, die Verunreinigungen verhindern und gegen das Eindringen von Feuchtigkeit und Konzentrationen resistent sind.

7. Lagern Sie die Verpackung nach der Vakuumverpackung bei einer Temperatur unter 30°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit unter 50%.

8. Nach dem Öffnen der Vakuumverpackungen für die Montage sollten Sie versuchen, die Montage innerhalb eines Tages abzuschließen.

5. Empfehlungen zum Backen

1. Bei verzogenen oder verbogenen Leiterplatten sollten Sie diese vor der Versilberung einbrennen und glätten.

2. Wenn sich Eintauchbretter verziehen, müssen sie gebacken und geglättet werden. Tafeln fest in Aluminiumfolie einwickeln, um die Oxidation des Silbers während des Backens zu verringern.

3. Verwenden Sie zum Backen einen geeigneten Ofen. Wenn kein geeigneter Ofen vorhanden ist, reinigen Sie den Ofen gründlich, um eine Verunreinigung der Silberoberfläche zu vermeiden.

6. Empfehlungen für die Handhabung der Testplatine

1. Tragen Sie bei der Entnahme von Prüfplatten nach dem Tauchsilber saubere, schwefelfreie Handschuhe.

2. Setzen Sie Chemisch Silber als einen späten Schritt in der Leiterplattenproduktion ein.

3. Wickeln Sie jedes Eintauchbrett in zwei Blätter Aluminiumfolie der gleichen Größe ein und verpacken Sie es vakuumverpackt.

7. Prüfung schwefelfreier Materialien und Verpackungen

1. Schwefelfreies Papier, schwefelfreie Handschuhe und Verpackungsfolien müssen auf Oberflächenelemente geprüft werden. Verwenden Sie EDX bei 100× und beidseitiges Scannen.

8. Produktionshinweise für Tauchsilberplatten

1. Wenn Rückstände aus früheren Arbeitsschritten (grüne Lötmaske, Filmreste usw.) verbleiben, können sie Probleme mit freiliegendem Kupfer verursachen.

2. Falls Rückstände vorhanden sind, müssen diese vor der Versilberung entfernt oder verhindert werden. Eine Vorbehandlung vor dem Tauchsilber kann Rückstände auf den Pads nicht immer entfernen.

3. Führen Sie bei Erhalt eine Sichtprüfung der Tauchsilberplatten durch. Werden viele freiliegende Kupferpunkte oder eine Verfärbung der Silberoberfläche festgestellt, ist die Produktion für diese Losnummer zu stoppen und zu behandeln. Auf diese Weise wird verhindert, dass großer Ausschuss durch freiliegendes Kupfer entsteht.

9. Anforderungen an deionisiertes Wasser

1. Die Qualität des Spülwassers nach dem Tauchsilber wirkt sich direkt auf die Ionenreinheit der fertigen Platte aus. Fügen Sie daher ein Leitfähigkeitsmessgerät in die Spülphase nach der Silberimmersion ein.

2. Vor dem Nachfüllen von Tauchsilbertanks muss die Wasserqualität überprüft werden. Das Personal darf beim Nachfüllen von Wasser den Raum nicht verlassen.

3. Anforderungen an die Wasserqualität von Tauchsilberleitungen:

   • S.S. (suspendierte Feststoffe): unter 5 PPM

   • T.D.S (total dissolved solids): unter 10 PPM

   • Gesamthärte: unter 20 PPM

   • Keine nachweisbaren Metallionen

   • Keine nachweisbaren Chloridionen

   • Leitfähigkeit unter 10 μS

10. Chemische Zusätze

1. Füllen Sie die Chemikalien in jeden Eintauch-Silbertank mit speziellen Messbechern, um eine Kreuzkontamination zu vermeiden.

11. Empfehlungen zur Nacharbeit

1. Nacharbeiten im Chemisch-Silber-Verfahren sind nur einmal zulässig. Aufzeichnung und vollständige Prüfung der nachgearbeiteten Leiterplatten.

Dies ist das schwach alkalische Immersionssilberverfahren. Es wurde hauptsächlich entwickelt, um den galvanischen Effekt auf feinen Leiterplattenlinien zu lösen.

Wie sich die Vorbehandlung auf die Qualität der Silberschicht auswirkt

Die Qualität der Vorbehandlung des Leiterplattenkupfers ist die Grundlage für eine gleichmäßige Silberschicht. Schritte wie Entfettung, Mikroätzung und Säurewäsche sorgen dafür, dass das Kupfer sauber und aktiviert ist.

Entfettung

Verwenden Sie einen alkalischen Entfetter (pH 10-12), um Öl und Schmutz von Kupfer zu entfernen, z. B. Fingerabdrücke und Schneidflüssigkeit. Die typische Temperatur liegt bei 50-60°C und die Zeit beträgt 1-2 Minuten. Wenn die Entfettung nicht vollständig ist, kann sich die Silberschicht an einigen Stellen nicht absetzen, was zu freiliegenden Kupferstellen führt. Sie können dies mit dem Wasserfilmtest überprüfen. Nach der Entfettung sollte der Wasserfilm mindestens 30 Sekunden lang bestehen bleiben.

Mikro-Ätzung

Verwenden Sie Natriumpersulfat oder ein System aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid, um das Kupfer zu mikrozuätzen. Dadurch werden Oxide entfernt und eine mikroskopische Rauheit (Ra 0,1-0,3 μm) erzeugt. Kontrollieren Sie die Entfernung der Mikroätzung auf 0,5-1 μm. Wenn die Mikroätzung unzureichend ist und Oxide zurückbleiben, sinkt die Haftfestigkeit der Silberschicht (Schälfestigkeit < 0,5 N/cm). Wenn die Mikroätzung zu tief ist (mehr als 1,5 μm), wird das Kupfer zu rau und die Silberschicht kann Verunreinigungen einschließen und die Zuverlässigkeit des Lötens verringern.

Waschen mit Säure

Neutralisieren Sie nach dem Mikroätzen das restliche Ätzmittel mit 5-10% Schwefelsäure für 30-60 Sekunden. Vergewissern Sie sich, dass der pH-Wert der Kupferoberfläche unter 4 liegt. Wenn die Säurewäsche nicht ausreicht, können restliche Oxidationsmittel (wie Persulfat) das Tauchbad verunreinigen und die Silberschicht durch Silberoxidation schwarz werden lassen.