Atmosphärendruckplasma reduziert Oxid- und Sulfidbeläge auf Kupfer- und Silberoberflächen
Analytische Untersuchungen belegen die deutliche Verringerung der Oberflächenschichten und die Wiederherstellung funktionaler Metalloberflächen. Damit eröffnet der Ansatz Perspektiven für ressourcenschonende und inlinefähige Prozesse in elektronischen Fertigungs- und Verbindungstechnologien.
Kupfer und Silber werden aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit in zahlreichen elektronischen Anwendungen eingesetzt. Unter Umgebungsbedingungen können sich auf ihren Oberflächen jedoch oxidische oder sulfidische Schichten bilden, die die elektrische Leitfähigkeit und die Lötbarkeit beeinträchtigen. Deren Entfernung ist mit konventionellen Verfahren häufig technisch aufwendig. Nasschemische Prozesse erfordern den Einsatz starker Chemikalien, thermische Reduktionsverfahren arbeiten unter erhöhten Temperaturen und energieintensiven Bedingungen, und Niederdruckplasmen setzen eine Vakuuminfrastruktur voraus. Vor diesem Hintergrund haben Forschende von INNOVENT untersucht, inwieweit sich solche Oberflächenschichten mithilfe eines unter Atmosphärendruck betriebenen Plasmas gezielt reduzieren lassen.
Atmosphärendruckplasma stellt funktionale Metalloberflächen wieder her
Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand ein Atmosphärendruck-Plasmajet vom Typ TIGRES CAT600, der mit Formiergas aus 95 % Stickstoff und 5 % Wasserstoff betrieben wurde. Untersucht wurde dessen Eignung zur Reduktion von oxidierten Kupferschichten sowie Silbersulfidbelägen auf Silberschichten. Hierzu wurden definierte Metallschichten auf Glas, Silizium-Wafern und plasmachemisch oxidierten (PCO®) Aluminiumsubstraten hergestellt und anschließend gezielt oxidiert beziehungsweise sulfidiert. Die Kupferoxidschichten wurden durch thermische Behandlung in Luft erzeugt, die Silbersulfidschichten durch kontrollierte Exposition gegenüber in situ gebildetem Schwefelwasserstoff.
Die Ergebnisse zeigen, dass sich sowohl Kupferoxid- als auch Silbersulfidschichten mithilfe des Atmosphärendruckplasmas wirksam reduzieren lassen. Ellipsometrische Messungen an den Kupferproben belegen exemplarisch, dass sich die Dicke der oxidischen Deckschicht von rund 95 nm auf etwa 6 nm verringerte. Gleichzeitig näherte sich der elektrische Flächenwiderstand wieder dem Ausgangsniveau der metallischen Kupferschicht an. Auf der mit Plasma abgerasterten Fläche wurde die dunkle Oxidschicht entfernt, sodass eine metallisch glänzende Kupferoberfläche freigelegt wurde.
Ein vergleichbares Verhalten zeigte sich auch bei den Silberproben. Die erzeugten Silbersulfidschichten mit Dicken von bis zu rund 70 nm ließen sich durch die Plasmabehandlung deutlich abbauen, sodass anschließend nur noch eine Restschichtdicke von etwa 7 nm verblieb. XPS-Analysen bestätigten darüber hinaus die chemische Veränderung der Oberfläche. Nach der Behandlung nahm der Schwefelanteil deutlich ab, während der Silberanteil zunahm und sich der Zusammensetzung der metallischen Ausgangsoberfläche annäherte. Die Wiederherstellung einer funktionalen Silberoberfläche konnte damit sowohl optisch als auch analytisch nachgewiesen werden.
Anwendungsmöglichkeiten und industrielle Relevanz
Von besonderem Interesse ist das Verfahren für industrielle Anwendungen, in denen saubere und funktionale Metalloberflächen eine Voraussetzung für zuverlässige Löt-, Bond- und Kontaktierungsprozesse sind. Dazu zählen insbesondere die Leiterplattenfertigung (z.B. Metallkernleiterplatten), Leistungselektronik, Leadframe-Herstellung und weitere Halbleiterprozesse. Potenzielle Anwender sind Hersteller und Zulieferer elektronischer Baugruppen, Schaltungsträger, Kontaktbauteile und Verbindungssysteme. Da das Verfahren unter Atmosphärendruck arbeitet und ohne Vakuuminfrastruktur sowie ohne chemische Ätzmedien auskommt, bietet es Potenzial für ressourcenschonendere und inlinefähige Produktionsprozesse. Perspektivisch könnte der Ansatz zudem auf weitere metallische Systeme wie Zinn übertragen werden, bei denen Oxidbildung die Zuverlässigkeit von Verbindungen ebenfalls beeinträchtigt.
