DE19724059A1

DE19724059A1 - Vorrichtung zum Galvanisieren von elektronischen Leiterplatten oder dergleichen

Info

Publication number: DE19724059A1
Application number: DE1997124059
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Ing Kosikowski; Rainer Dipl Ing Haas
Original assignee: HOELLMUELLER MASCHBAU H
Current assignee: HOELLMUELLER MASCHBAU H
Priority date: 1997-06-07
Filing date: 1997-06-07
Publication date: 1998-12-10
Anticipated expiration: 2017-06-08
Also published as: DE19724059B4

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Galvanisieren von elektronischen Leiterplatten oder dergleichen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Bei Vorrichtungen dieser Art, wie sie etwa in der DE 36 24 481 C beschrieben sind, werden die elektronischen Leiterplatten kontinuierlich durch einen Elektrolyten hindurchbewegt und in diesem im elektrischen Feld der Galvanisierungs-Stromquelle mit einer Metallbeschichtung, im allgemeinen einer Kupferbeschichtung, versehen. Ihre elektrisch leitenden Bereiche liegen dabei auf dem Katho denpotential der Galvanisierungs-Stromquelle und müssen hierzu über besondere Kontaktmittel während ihrer Bewegung kontaktiert werden. Diese Kontaktmittel, die sich innerhalb des Metallionen-haltigen Elektrolyten befinden, können nicht vollständig durch einen entsprechenden isolierenden Überzug gegen den Elektrolyten abgeschirmt werden. An ihren freiliegenden, elektrisch leitenden Bereichen überziehen sie sich daher selbst mit einer Schicht aus demjenigen Metall, welches sich eigentlich ausschließlich an den Leiterplatten abscheiden sollte. Es ist daher erforderlich, diese Kontaktmittel wieder von abgeschiedenem Metall zu befreien. Beim Gegenstand der DE 36 24 481 C geschieht dies in einer ebenfalls auf elektrolytischem Wege arbeitenden Entkupferungseinrichtung. Diese umfaßt eine in der Nähe der hier als Kontaktklammern ausgestal teten Kontaktmittel angeordnete Entkupferungselektrode, die auf stärker negativem Potential als die Kontaktklammern selbst gehalten wird. Unter dem Einfluß des in der Entkup ferungseinrichtung herrschenden Feldes geht der unerwünsch te Metallniederschlag von den Kontaktklammern wieder in Lösung und scheidet sich statt dessen auf der Entkupfe rungselektrode ab. Dies hat allerdings zur Folge, daß es nunmehr die Entkupferungselektrode ist, die einer Wartung bedarf. Die sich hier abscheidenden Metallmengen sind nicht unerheblich. Unter ungünstigen Umständen muß daher die Vorrichtung zum Austausch oder zur Reinigung der Entkupferungselektroden mehrfach pro Tag abgeschaltet werden, was zu sehr langen Stillstandszeiten und entspre chend hohen Kosten führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Entkupferungseinrichtung weitestgehend wartungsfrei ohne Stillstand der Vorrichtung arbeiten kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene anionenaktive, semipermeable Membran wird der Metallionen-haltige Elektro lyt von der Entkupferungselektrode ferngehalten, ohne daß allerdings die Entkupferungselektrolyse hierdurch inakti viert würde. Vielmehr gehen die Metallabscheidungen an den Kontaktmitteln bei der vorliegenden Erfindung in derselben Weise in Lösung, wie dies beim Stande der Technik geschieht. Die Bewegung der Anionen durch die semipermeable Membran hindurch ist unbehindert; unterbunden ist ausschließlich, daß die in Lösung befindlichen Metallionen durch die semipermeable Membran hindurchwandern, bis zur Entkup ferungselektrode gelangen und sich dort niederschlagen Können. Da der die Entkupferungselektrode unmittelbar umgebende Elektrolyt eine Metallionen-freie Säure ist, scheidet sich bei der vorliegenden Erfindung an der Entkupferungselektrode kein Metall ab sondern es entwickelt sich Wasserstoff, der als Gas leicht zu entsorgen ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den verschiedenen Unteransprüchen eingegeben. Ihre Vorzüge brauchen nicht eigens erläutert zu werden. Es genügt hier der Hinweis, daß bei der Ausgestaltung nach Anspruch 5 die Sammlung des sich während der Entkupferungselektro lyse bildenden Wasserstoffes und dessen Entsorgung beson ders einfach erfolgen kann.

Bei der Ausführungsform nach Anspruch 6 wird die verdünnte Säure im Bereich der Entkupferungselektrode ständig erneuert, so daß hier keine Verarmungserscheinungen oder Änderungen der Betriebsparameter auftreten.

Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 7 gestattet trotz des Verbrauches, den die verdünnte Säure während der Entkupferung erfährt, einen sehr langen, ungestörten Betrieb der Vorrichtung. Wenn dieser Vorratsbehälter entsprechend Anspruch 8 mit einem Auslaß für den sich entwickelnden Wasserstoff versehen ist, wird dieser Wasserstoff über die Zirkulationsleitungen mit der ver dünnten Säure bis zu dem Vorratsbehälter transportiert, wo eine Entgasung der flüssigen Säure und eine Entsorgung über den Auslaß stattfindet.

Das Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 9 stellt einen gewissen Überdruck innerhalb der Umhüllung der Entkupferungseinrichtung sicher, so daß bei eventuell auftretenden Lecks allenfalls verdünnte Säure aus der Umhüllung austreten, jedoch kein Metallionen-haltiger Elektrolyt zu den Entkupferungselektroden gelangen kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch eine Vorrichtung zum Galvanisieren von elektronischen Leiterplatten;

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt von Fig. 1 im Bereich eines bei dieser Vorrichtung verwendeten Kontakt- und Transportwalzenpaares sowie von diesen zugeordneten Entkupferungseinrichtungen;

Fig. 3 schematisch in Bewegungsrichtung der Leiterplatten gesehen ein Ende eines Transport- und Kontaktwal zenpaares sowie der zugeordneten Entkupferungs einrichtungen mit den zum Betrieb erforderlichen elektrischen und Elektrolyt-Verbindungsleitungen.

In Fig. 1 ist ein senkrechter Schnitt durch eine Vor richtung dargestellt, in welcher elektronische Leiter platten, die mit Bohrungen versehen sind, auf galvani schem Wege mit einem metallischen Überzug versehen werden können. Diese Vorrichtung umfaßt ein Maschinengehäuse 1 mit einem Einlaßschlitz 2 und einem Auslaßschlitz 3. Die elektronischen Leiterplatten werden in horizontaler Ausrichtung im Sinne des Pfeiles 4 der Vorrichtung zuge führt und treffen nach dem Durchtritt des Einlaßschlitzes 2 zunächst auf 4 Quetschwalzenpaare 5, in denen an den Leiterplatten noch anhaftende, von früheren Bearbeitungs vorgängen stammende Behandlungsflüssigkeit weitestgehend entfernt wird.

Von den Quetschwalzenpaaren 5 werden die Leiterplatten auf ein erstes Kontakt- und Transportwalzenpaar 6 über geben. Diese dienen, wie ihr Name zum Ausdruck bringt, einerseits dazu, die transportierten Leiterplatten auf das negative Potential der Galvanisierungs-Stromquelle zu bringen, also als Kontaktmittel, und andererseits zum Vorschieben der Leiterplatten in Förderrichtung, also als Transportmittel. Diese gelangen dabei zwischen eine obere Anode 7 und eine untere Anode 8, die ihrerseits mit dem positiven Pol der Galvanisierungs-Stromquelle in nicht dargestellter Weise verbunden sind. Nach dem Passieren der Anoden 7 und 8 werden die Leiterplatten wiederum von einem Kontakt- und Transportwalzenpaar 6 erfaßt, welches die Leiterplatten weiter vorschiebt, so daß diese erneut zwischen eine obere Anode 7 und eine untere Anode 8 gelangen. Die Leiterplatten, welche die Strecke zwischen den letztgenannten Anoden 7 und 8 durchlaufen haben, werden von einem letzten Kontakt- und Transportwalzenpaar 6 erfaßt und erneut an 4 Quetschwalzenpaare 5 übergeben, welche von den Leiterplatten den Elektrolyten, in dem sie sich zuvor befunden haben (siehe hierzu die weiter unten folgende Beschreibung), weitestgehend entfernen. Die Leiterplatten werden schließlich durch das Transportsystem, von dem die Kontakt- und Transportwalzen 6 Teil sind, über den Auslaßschlitz 3 aus der Vorrichtung ausgegeben und einer nachfolgenden Behandlungsstation zugeführt.

Im unteren Bereich des Maschinengehäuses 1 befindet sich ein Sumpf 9, in dem sich der für die Elektrolyse eingesetzte Elektrolyt sammelt. Eine Pumpe 10 entnimmt laufend Elektrolyt dem Sumpf 9 und führt diesen über ein Filter 11, ein Ventil 12, Leitungen 16a, 16b und Verteilerkanälen 17, 18 nach oben in einen Behälter 13, welcher die Bewegungsebene der Leiterplatten im Bereich der Kontakt- und Transportwalzen sowie der Anoden 7 und 8 umgibt. Auch der Behälter 13 weist einen Einlaßschlitz 14 und einen Auslaßschlitz 15 auf, die jedoch durch die benachbarten, als Stauwalzen dienenden Quetschwalzenpaare 5 und an diesen gleitend anliegenden Schotts weitgehend abgedichtet sind. Im dynamischen Gleichgewicht zwischen Zuförderung von Elektrolyten in das Innere des Behälters 13 und Auslaufen aus dem Behälter 13 wird der Behälter 13 weitestgehend mit Elektrolyt angefüllt, so daß sich also die Leiterplatten zwischen dem in Fig. 1 ganz rechten Kontakt- und Transportwalzenpaar 6 und dem in Fig. 1 ganz linken Kontakt- und Transportwalzenpaar 6 innerhalb eines sich ständig austauschenden Elektrolyten bewegen. Diese Vorgänge sind dem Fachmann unter dem Begriff der "stehenden Welle" bekannt.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel trägt jede Kontakt- und Transportwalze 6 auf ihrer Mantel fläche einen metallisierten Ring 30, welcher der Kontakt gebung zu den den Spalt zwischen den beiden Kontakt- und Transportwalzen 6 durchsetzenden Leiterplatten dient. Diese metallisierten Ringe 30 sind über nicht dargestellte elektrische Leitungen mit dem Minuspol der ebenfalls nicht Galvanisierungs-Stromquelle und über die in Fig. 3 strichpunktiert gezeichneten Leitungen mit dem Pluspol 31 einer Hilfsstromquelle verbunden, auf deren Funktion weiter unten eingegangen wird.

Da sich die Transport- und Kontaktwalzen 6 und damit auch deren metallisierte Ringe 30 unterhalb des Niveaus N_l des kupfer-ionenhaltiven Elektrolyten innerhalb des Behälters 13 befinden, scheidet sich auf ihnen (uner wünschterweise) ebenso wie auf den Leiterplatten (wo dies gewollt ist) Kupfer ab. Um dieses von den metalli sierten Ringen 30 der Kontakt- und Transportwalzen 6 wieder zu entfernen, ist jeder Kontakt- und Transportwalze 6 eine Entkupferungseinrichtung zugeordnet, die in der Zeichnung insgesamt mit dem Bezugszeichen 20 versehen ist und nunmehr anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert wird.

Jede Entkupferungseinrichtung 20 umfaßt ein Gehäuse 21, welches aus demselben Material wie der Behälter 13 und das Maschinengehäuse 1 hergestellt sein kann. Innerhalb des Gehäuses 21 befindet sich jeweils eine Entkupferungskathode 22, ein stabähnliches Gebilde aus Titan, welche über in der Fig. 3 strichpunktiert dar gestellte Leitungen mit dem Pluspol 32 der bereits er wähnten Hilfsstromquelle verbunden ist.

Die Gehäuse 21 der Entkupferungseinrichtungen 20 sind im Querschnitt U-förmig gestaltete, trogartige Behälter, wobei die den Kontakt- und Transportwalzen 6 zugewandte, zunächst offene Seite durch eine semipermeable, anionen aktive Membran 23 verschlossen ist.

Die Entkupferungseinrichtungen 20 erstrecken sich in axialer Richtung mindestens über diejenige Strecke hinweg, welche die metallisierten Bereiche 30 auf der Mantelfläche der Kontakt- und Transportwalzen 6 einnehmen. Wie ins besondere der Fig. 3 zu entnehmen ist, sind die Gehäuse 21 der Entkupferungseinrichtungen 20 und beim dargestellten Ausführungsbeispiel auch die Entkupferungselektroden 22 gegenüber der Horizontalen aus Gründen, die weiter unten erläutert werden, geneigt. Im obersten Bereich der Gehäuse 21 sind jeweils Auslaßstutzen 24, im untersten, gegenüberliegenden Bereich der Gehäuse 21 jeweils Einlaß stutzen 25 vorgesehen.

Etwas oberhalb der oberen Entkupferungseinrichtung 20 ist ein Vorratsbehälter 26 vorgesehen, der eine verdünnte Säure, vorzugsweise die Säure desjenigen Salzes enthält, das in verdünnter Lösung als Metallionen-haltiger Galva nisierungselektrolyt eingesetzt wird. Zum Beispiel kann es sich bei diesem Elektrolyten im Vorratsbehälter 26 um 10 bis 15%ige Schwefelsäure handeln. Das Flüssigkeitsni veau N₂ des Elektrolyten im Vorratsbehälter 26 liegt aus Gründen, die ebenfalls weiter unten deutlich werden, im Abstand H über den Flüssigkeitsniveau N₁ im Behälter 13.

Eine Pumpe 27 entnimmt dem Vorratsbehälter 26 die verdünnte Säure und führt diese über in der Zeichnung als durchge zogene Striche dargestellte Leitungen den Einlaßstutzen 25 der Gehäuse 21 der Entkupferungseinrichtungen 20 zu. Die Auslaßstutzen 24 der Gehäuse 21 der Entkupferungs einrichtungen 20 andererseits sind untereinander und mit einem Einlaß 28 des Vorratsbehälters verbunden, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel in den Vorrats behälter 26 oberhalb des Niveaus N₂ der dort stehenden verdünnten Säure mündet. Schließlich weist der Vorrats behälter 26 einen Auslaßstutzen 29 auf, über welchen der über dem Flüssigkeitsniveau N₂ stehende Raum im Vorratsbehälter 26 entlüftet werden kann.

Die oben beschriebene Vorrichtung arbeitet, was die eigentliche Galvanisierung der Leiterplatten angeht, in bekannter Weise. Hierauf braucht also nicht näher eingegangen zu werden. Die Entkupferung der metalli sierten, Kontaktzwecken dienenden Bereiche 30 auf den Mantelflächen der Kontakt- und Transportwalzen 6 ge schieht auf folgende Weise:

Die Pumpe 27 entnimmt dem Vorratsbehälter 26 kontinuierlich verdünnte Säure und drückt diese über die jeweiligen Einlaßstutzen 25 durch die Gehäuse 21 der Entkupferungs einrichtungen 20 hindurch, durch die jeweiligen Auslaß stutzen 24 und über die Verbindungsleitungen zurück zum Einlaßstutzen 28 des Vorratsbehälters 26, so daß ein ständiger Kreislauf entsteht. Aufgrund der Höhendifferenz H zwischen dem Flüssigkeitsniveau N₁ des (Galvanisierungs-) Elektrolyten im Behälter 13 und dem Flüssigkeitsniveau N₂ der verdünnten Säure im Vorratsbehälter 26 stellt sich in diesem Kreislauf ein gewisser Überdruck ein.

Unter der Einwirkung der zwischen den Entkupferungskathoden 22 und den metallisierten Bereichen 30 der Kontakt- und Transportwalzen 6 herrschenden Potentialdifferenz geht das auf den metallisierten Bereichen 30 abgeschiedene Kupfer in an und für sich bekannter Weise in Lösung, wodurch diese metallisierten Bereiche 30 vom Kupfer befreit werden. Anders als beim Stande der Technik ist es jedoch den in Lösung befindlichen Kupferionen wegen der anionenaktiven Membran 23 nicht möglich, sich bis zur Entkupferungskathode 22 hinzubewegen und dort sich wieder metallisch niederzuschlagen. Allein die Anionen, im vorliegenden Falle die SO₄⁻⁻₋ Ionen, sind in der Lage, diese Membran 23 zu durchqueren. Unter diesen Umständen scheidet sich an den Entkupferungskathoden 22, die sich in einem kupferionenfreien Elektrolyten befinden, während der Entkupferungselektrolyse ausschließlich Wasserstoff ab. Aufgrund der Schrägstellung der Gehäuse 21 der Entkupferungseinrichtungen 20 sammelt sich der sich so bildende Wasserstoff im obersten Bereich der Gehäuse 21, also in der Nähe der Auslaßstutzen 24, und wird von der unter dem Einfluß der Pumpe 27 zirkulierenden verdünnten Säure mit in den Vorratsbehälter 26 genommen. Dort findet eine "Entgasung" statt: der gasförmige Wasser stoff sammelt sich oberhalb des Flüssigkeitsniveaus N₂ und kann über den Auslaßstutzen 29 entsorgt werden.

Versuche bei einem konkreten Ausführungsbeispiel einer derartigen Vorrichtung haben ergeben, daß zur Sauberhaltung der metallisierten Bereiche an den Kontakt- und Transport walzen 6 ein Entkupferungs-Strom notwendig ist, der etwa 6 bis 7% des zur eigentlichen Galvanisierung eingesetzten Hauptstromes ist.

Claims

1. Vorrichtung zum Galvanisieren von elektronischen Leiter platten oder dergleichen mit

a) einem Maschinengehäuse, in dessen unterem Bereich sich ein Sumpf für einen Metallionen-haltigen Elektro lyten befindet;
b) Transportmitteln, welche die elektronischen Leiter platten in im wesentlichen horizontaler Ausrichtung entlang eines Bewegungsweges durch die Vorrichtung hin durchführen;
c) mindestens einer Galvanisierungs-Stromquelle;
d) Kontaktmitteln, welche elektrisch mit dem negativen Pol der Galvanisierungs-Stromquelle verbunden sind und mit elektrisch leitenden Bereichen derart an den elektronischen Leiterplatten angreifen, daß deren metallische Beschichtungen ebenfalls auf negativem Potential liegen;
e) mindestens einer in der Nähe des Bewegungsweges angeordneten Anode, die mit dem positiven Pol der Galvanisierungs-Stromquelle verbunden ist;
f) einem mindestens einen Teil des Bewegungsweges und die Anode(n) umgebenden Behälter, welcher einen Einlaß- und einen Auslaßschlitz für die elektronischen Leiterplatten aufweist;
g) mindestens einer Pumpe, welche aus dem Sumpf Elektrolyt entnimmt und dem Behälter zuführt, derart, daß dessen Innenraum im dynamischen Gleichgewicht zwischen Zu- und Abfluß mit Metallionen-haltigem Elektrolyt ange füllt ist;
h) mindestens einer in der Nähe der Kontaktmittel angeord neten Entkupferungseinrichtung, welche eine Entkupfe rungselektrode umfaßt;
i) mindestens einer Hilfsstromquelle, deren Pluspol mit den elektrisch leitenden Bereichen der Kontakt mittel und deren Minuspol mit der Entkupferungselek trode verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
k) die Entkupferungselektrode (22) in der Entkupferungs einrichtung (20) so durch eine Umhüllung (21, 23), die im Betrieb mit einer verdünnten Säure als Elektro lyt angefüllt ist, umschlossen ist, daß sie aus schließlich über eine anionenaktive, semipermeable Membran (23), welche Teil der Umhüllung (21, 23) ist, mit dem Raum kommuniziert, der im Betrieb mit Metallionen-haltigem Elektrolyt angefüllt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallionen-haltige Elektrolyt eine Lösung eines Salzes der in der Umhüllung (21, 23) der Entkupfe rungseinrichtung (20) vorhandenen Säure ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallionen-haltige Elektrolyt eine Lösung von Kupfersulfat und die verdünnte Säure in der Umhüllung (21, 23) der Entkupferungseinrichtung (20) Schwefelsäure ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (21, 23) der Entkupferungseinrichtung (20) ein Gehäuse (21) umfaßt, welches an der zu den Kontaktmitteln (6) zeigenden Seite offen ist, wobei die offene Seite des Gehäuses (21) durch eine anionenaktive, semipermeable Membran (23) dicht verschlossen ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Seite der Umhüllung (21, 23) der Entkupferungseinrichtung (20) zumindest bereichsweise nicht horizontal verläuft, und daß die Umhüllung (21, 23) an der höchsten Stelle einen Auslaß (24) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe (27) vorgesehen ist, welche die verdünnte Säure im Kreislauf durch die Umhüllung (21, 23) der Entkupferungseinrichtung (20) drückt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kreislauf der verdünnten Säure ein Vorrats behälter (26) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (26) einen Auslaß (29) für den sich entwickelnden Wasserstoff aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das Flüssigkeitsniveau (N₂) in dem Vorratsbehälter (26) höher als das Flüssigkeitsniveau (N₁) in dem den Metallionen-haltiven Elektrolyten ent haltenden Behälter (13) ist.