DE102008028167A1

DE102008028167A1 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets

Info

Publication number: DE102008028167A1
Application number: DE102008028167A
Authority: DE
Inventors: Eckart Dr. Theophile
Original assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Current assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Scheubeck GmbH and Co
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2008-06-12
Publication date: 2009-12-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung mittels eines Plasma-Jets, mit der es möglich ist, Substrate mit Durchgangslöchern einer Plasmabehandlung zu unterziehen. Dafür weist die Vorrichtung auf der der stirnseitigen Öffnung des Plasma-Jets gegenüberliegenden Seite eine zusätzliche Elektrode zur gezielten Steuerung des Plasmastrahls durch die Durchgangslöcher auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets, insbesondere zur Behandlung oder Aktivierung von kleinen und kleinsten Durchgangslöchern flächiger Substrate. Unter kleinen und kleinsten Durchgangslöchern werden in diesem Zusammenhang Bohrungen oder Kavitäten mit einem Durchmesser von vorzugsweise weniger als 2 mm verstanden.
Im Zuge der Miniaturisierung von flächigen Bauelementen und Werkstücken tritt vermehrt das Problem in den Vordergrund, die Wandinnenflächen von kleinen oder kleinsten Durchgangslöchern oder Kavitäten von Substraten zu behandeln, um in einem nachfolgenden Verfahrensschritt die Innenwandflächen der Durchgangslöcher beschichten zu können. Häufig eingesetzte chemische Stoffe für die Vorbehandlung der Innenwandungen von Durchgangslöchern dieser Substrate sind dabei Schwefel-, oder Chromsäure. Diese herkömmlich verwendeten Verfahren zur Vorbehandlung haben sich in der Praxis als nicht vorteilhaft erwiesen, da sie in der Regel mit schwierigen und teueren Entsorgungsprozessen der herangezogenen Chemikalien verbunden sind.
Vorteilhaft erscheint es daher, die chemischen Vorbehandlungsprozesse durch den Einsatz von atmosphärischer Plasmatechnik zu ersetzen. Plasma, auch bekannt als der „vierte Aggregatszustand”, entsteht, wenn man einem gasförmigen System kontinuierlich weiter Energie zuführt. Dadurch werden in dem System die neutralen Atome oder Moleküle des Gases ionisiert, um negativ geladene Elektronen, positiv oder negativ geladene Ionen und andere Spezies zu entwickeln. Der hohe Energiehaushalt von Plasmen erlaubt es, Prozesse zu fahren, die während der anderen Zustände von Materie schwierig oder gar unmöglich sind. Im Speziellen gewährt es „kaltes” Plasma, bei dem die Gastemperatur relativ gering ist und sich dabei bevorzugt im Zimmertemperaturbereich bewegt, die Oberflächen von thermisch empfindlichen Körpern zu konditionieren und gut zu aktivieren.
Eine unter Atmosphärendruck arbeitende, gattungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets ist aus der deutschen Prioritätsanmeldung DE 10 2006 012 100 B3 der Anmelderin bekannt. Sie weist ein Entladungsrohr aus dielektrischem Material auf, in dessen Innerem eine innere, stabförmige, massive Elektrode in Längsrichtung sich erstreckend angeordnet ist. Eine zweite Elektrode umfasst das Entladungsrohr. Dies kann direkt oder mit radialem Abstand geschehen. Zur Erzeugung des Plasmas wird die innere, stabförmige Elektrode auf Hochspannung gelegt, während die äußere Elektrode geerdet ist. Damit kommt es auf Grund der Verhältnisse des elektrischen Feldes zu einer dielektrisch behinderten Entladung und bevorzugt zu einer Zündung des Plasmas an der Spitze der inneren, stabförmigen Elektrode. Um einen Überschlag zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode, also eine direkte Ausbildung eines Lichtbogens zu verhindern, ist am Ende des Entladungsrohres eine Abschlusskappe aus dielektrischem Material vorgesehen. Bei dem dabei erzeugten Plasma handelt es sich um „kaltes Plasma” unter Atmosphärendruck, das eine geringe Gastemperatur bis maximal einige 100 Grad Celsius, aufweist.
Versucht man jedoch mit der bekannten Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets geometrisch miniaturisierte Bauelemente oder Werkstücke, wie Leiterplatten, zu behandeln, so hat sich gezeigt, dass die Oberflächenkonditionierung an den nur schwer zugänglichen Stellen, wie z. B. in kleinen oder kleinsten Durchgangslöchern der Leiterplatten, ungenügend ist. Bei Labortests wurde festgestellt, dass ein Großteil des Plasmastrahls und damit der Aktivierungsenergie nicht in das jeweils angesteuerte Durchgangsloch gelangt, sondern der Topologie des Substrats folgend an der Oberfläche entlang strömt. In Folge dessen ist die angestrebte Konditionierung von kleinen und kleinsten Durchgangslochinnenwandungen ungenügend. Zudem bedarf es auf Grund der kleinen und kleinsten Durchgangslochdurchmesser einer sehr präzisen Zuführung der Leiterplatten unter den Plasmastrahl.
Des Weiteren ist aus der Patentschrift DE 693 03 527 T2 ein Verfahren zur Behandlung kleiner Durchgangslöcher eines Substratmaterials bekannt, bei welchem durch Anordnen von zwei Elektroden auf den sich gegenüberliegenden Seiten eines Substratmaterials mit Durchgangslöchern und durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden ein Plasma erzeugt wird. Der Elektrodenspalt liegt dabei im Bereich von 0,01 bis 50 mm und die Plasmaentladungsbehandlung erfolgt in einem Druckintervall von 1,33 × 10³ Pa bis einschließlich 2,66 × 10⁵ Pa. Das Behandlungsverfahren muss zudem in einer Behandlungsatmosphäre aus Luft, einem nichtoxidierenden Gas, einem reaktiven Gas oder Dampf durchgeführt werden. Verwendung findet das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Plasmabehandlung, um nach einem Bohrvorgang die Durchgangslöcher des Substratmaterials, die bevorzugt in einem Bereich von 0,25 bis 0,1 mm liegen, von Spänen zu befreien, die Innenflächen der Durchgangslöcher des Substratmaterials zu glätten, oder durch das Bohren entstandene Grate zu entfernen.
Die aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung erzeugt das Plasma unter Verwendung einer Bogenentladung. Im Gegensatz zu einer dielektrisch behinderten Entladung bildet sich bei einer Bogenentladung ein direkter Lichtbogen zwischen zwei Elektroden aus und erzeugt im Unterschied zur dielektrisch behinderten Entladung ein thermisches Plasma. Abhängig von der angelegten Spannung, dem Abstand der beiden Elektroden und der Bearbeitungszeit kann die Intensität des Plasmas und damit der gewünschte Behandlungseffekt durch die genannten Parameter des Plasmagenerators beeinflusst werden. Zudem wird bei der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung das zu behandelnde Substrat samt Durchgangslöchern direkt zwischen den beiden zur Plasmaerzeugung notwendigen Elektroden angeordnet und befindet sich damit im unmittelbaren Zentrum der erzeugten Bogenentladung. Die dadurch hervorgerufenen hohen thermischen Belastungen der Innenwandungen der Durchgangslöcher zerstören deren Oberflächenstruktur. Im vorliegenden Fall ist dieser Behandlungseffekt gewollt und führt in seinem Ergebnis dazu, dass nach einem Bohrvorgang die Durchgangslöcher des Substratmaterials, die bevorzugt in einem Bereich von 0,25 bis 0,1 mm liegen, von Spänen befreit, die Innenflächen der Bohrlöcher des Substratmaterials geglättet, oder die durch den Bohrvorgang entstandenen Grate entfernt werden. Denkbar ungeeignet ist dieses Verfahren jedoch, um Durchgangslochwandungen von miniaturierten Bauteilen, wie Leiterplatten rein zu konditionieren, da durch die hohe thermische Beanspruchung die Oberflächenstruktur nicht ausschließlich aktiviert, sondern auf- oder mindestens angeschmolzen wird. Dies bringt weder das beabsichtige Behandlungsergebnis einer Aktivierung, noch ist ein An- oder Aufschmelzen der Durchgangslochinnenwandungen erwünscht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets der eingangs genannten Art anzugeben, die es erlaubt, die kleinen und kleinsten Durchgangslochinnenwandungen thermisch empfindlich reagierender Substrate zu behandeln. Weiterhin ist eine Aufgabe der Erfindung, insgesamt die thermischen Belastungen der zu behandelnden Substrate zu reduzieren, indem erreicht wird, dass nur ein „kaltes” Plasma erzeugt wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung von Bauteilen mittels eines Plasma-Jets weist dabei, beabstandet zu der stirnseitigen Öffnung des Entladungsrohres des Plasma-Jets, eine Aufnahme für die zu handelnden Substrate auf und wiederum beabstandet von der Aufnahme, an deren von der Stirnseite des Entladungsrohres abgewandten Seite, eine Hilfselektrode, die bewirkt, dass der erzeugte Plasmastrahl in kleine und kleinste Durchgangslöcher von zu behandelnden Substraten gelenkt wird.
Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Hilfselektrode zur Gewährleistung des kalten, nichtthermischen Charakters der Gasentladung elektrisch nicht fixiert bzw. definiert.
Nach einer vorteilhaften, nochmals modifizierten Weiterbildung der Erfindung kann die Hilfselektrode sich flächig erstreckend, gezackt oder als ein auf dem Kopf stehendes T – Stück ausgebildet sein.
Die Erfindung soll nachstehend an Hand von Zeichnungen beispielhaft noch näher erläutert werden.
Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eines Plasma-Jets
2 eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Hilfselektrode
3 eine nochmals weitere bevorzugte Ausführungsform der Hilfselektrode.
Nachstehend soll die in 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung eines Plasma-Jets näher erläutert werden. Sie zeigt einen Plasma-Jet mit einem Entladungsrohr 1 aus dielektrischem Material, in dessen Innerem eine zentrale, stabförmige Mittelelektrode 2 angeordnet ist, die gleichzeitig eine vertikale Mittelachse verkörpert. Eine zweite Elektrode 3, die die Gegenelektrode zur zentralen Mittelelektrode 2 bildet, ist dabei besonders vorteilhaft rotationssymmetrisch ausgebildet, so dass das dielektrische Entladungsrohr 1, die zentrale Mittelelektrode 2 und die Gegenelektrode 3 einen koaxialen Aufbau mit einer offenen Stirnseite bilden, an der der Plasmastrahl 4 erzeugt wird. Hierzu wird die zentrale Mittelelektrode 2 durch eine Spannungsquelle 10 auf Hochspannung gelegt, während die äußere Gegenelektrode 3 geerdet ist. Ausgeblasen wird der Plasmastrahl 5 durch ein Arbeitsgas 4, das in Pfeilrichtung strömt. Der Plasma-Jet arbeitet bei Umgebungsdruck und wird bevorzugt mit Argon, Stickstoff, Luft, Wasserstoff oder einer Mischung aus diesen Gasen betrieben. An dieser aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung wird erfindungsgemäß eine sich vorzugsweise flächig erstreckende Hilfselektrode 6, beabstandet von der stirnseitigen Öffnung des Entladungsrohres 1, angeordnet, derart, dass sich die Hilfselektrode 6 in Beeinflussungsreichweite des Plasmastrahls 5 befindet. Zur Gewährleistung des kalten, nichtthermischen Charakters der Gasentladung ist die Hilfselektrode 6 elektrisch nicht fixiert bzw. definiert, also „floatend”. Zusätzlich ist zwischen der stirnseitigen Öffnung des Entladungsrohres 1 und der Hilfselektrode 6 eine Aufnahme 7 für Substrate 8 angedacht. Die Aufnahme 7 ist verfahrbar unter dem Plasmastrahl 5 des Plasma-Jets vorgesehen und mit dem Gehäuse des Plasma-Jets gelenkig und mechanisch verbunden, was aus Gründen der Übersichtlichkeit in dieser schematischen Darstellung nicht abgebildet ist. Besonders eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung von thermisch empfindlichen Substraten 8, wie Leiterplatten, die kleine und kleinste Durchgangslöcher 9 aufweisen. Hierfür werden die Substrate 8 auf die verfahrbare Aufnahme 7 gelegt, mit den Durchlöchern unter dem Plasmastrahl 5 positioniert und einer Plasmabehandlung unterzogen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es durch deren konstruktiven Aufbau, den Plasmastrahl 5 in kleine und kleinste Durchgangslöcher von Substraten zu leiten, um dabei die Innenwandungen dieser Durchgangslöcher mit Hilfe von Plasma zu aktivieren.
Die 2 und 3 zeigen zwei weitere bevorzugte Ausführungsformen der Hilfselektrode 6. Dabei ist die Hilfselektrode 6 in 2 als ein auf dem Kopf stehendes T-Stück geformt, dessen zur Öffnung des Entladungsrohres 1 zeigendes Ende eine zulaufender Spitze 10 aufweist. Die Hilfselektrode in 6 ist gezackt ausgebildet, ebenfalls mit spitz zulaufenden Enden 10 in Richtung der Öffnung des Entladungsrohres 1. In beiden Ausführungsformen dienen die zum Plasmastrahl 5 gerichteten Spitzen 10 der Hilfselektroden einer besseren gezielten Steuerbarkeit des Plasmastrahls 5 durch die Durchgangslöcher 9 des Substrates B.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102006012100 B3 [0004]
- DE 69303527 T2 [0006]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets, insbesondere zur Behandlung oder Aktivierung von Durchgangslöchern flächiger Substrate, aufweisend mindestens ein mit Prozessgas durchströmtes Entladungsrohr (1), wobei die Wandung des Entladungsrohres (1) aus dielektrischem Material besteht, wobei eine erste Mittelelektrode (2), zentrisch im Inneren des Entladungsrohres (1) in dessen Längsrichtung sich ersteckend angeordnet ist, wobei eine zweite Gegenelektrode (3) in axialer Richtung die Wandung des Entladungsrohres (1) konzentrisch umschließend angeordnet ist, derart, dass erste Mittelelektrode (2), Entladungsrohr (1) und zweite Gegenelektrode (3) einen koaxialen und im Querschnitt konzentrischen Aufbau mit einer offenen Stirnseite bilden, an der der Plasma-Jet erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass beabstandet zu der stirnseitigen Öffnung des Entladungsrohres (1) eine Aufnahme (7) für die zu behandelnden Substrate (8) angeordnet ist, und dass, wiederum beabstandet von der Aufnahme (7), an deren von der Stirnseite des Entladungsrohres (1) abgewandten Seite, eine Hilfselektrode (6) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Potenzial der Hilfselektrode (6) elektrisch nicht definiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrode (6) sich flächig erstreckend, gezackt oder als ein auf dem Kopf stehendes T-Stück ausgebildet sein kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung insbesondere zur Behandlung von kleinen und kleinsten Durchgangsöffnungen flächiger Substrate verwendet wird.