DE9011675U1

DE9011675U1 - Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung und Galvanisierung von plattenförmigem Material

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Publication number: DE9011675U1
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Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-08-10
Filing date: 1990-08-10
Publication date: 1990-10-18
Anticipated expiration: 2000-08-11

Description

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Siemens Aktiengesellschaft

Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung und Galvanisierung von plattenförrnigem Material

Die Druchkontaktierung von Leiterplatten wird n-sc'= dein heute allgemein prsktizierten Stpnd der Technik In C-Ivänikbädern mittels sogenannter Gestelltechnik ü\ ichgeführt. Die Behandlung der zu galvanisierenden Ware erfolgt dabei zwecks Reinigung und Aktivierung dar Epox-.d:!:-rf3^che in der Euhi^ng sowie zur chena_ehen uno anschießenden r"=i_varusch_en Abscheidung von Kupfer in verschiedenen Standbädern unterschiedlicher Zusammensetzung.

Neben der Problematik der Ausbildung einer gleichmäßigen Kupferschichtdicke sowohl in der Bohrung, an der Bohrungskante, als auch auf Cer Leiterplattenfläche ist besonders das Verhältnis Bohrungsdurchmesser / Plattendicke ausschlaggebend für die erfolgreiche Durchkontaktierung und die in der Bohrung erziel-

2C bare Schichtdicke.

Die zunehmende Komplexität der Rechnerarchitekturen, in denen derartige Leiterplatten zum Einsatz kommen, führt verstärkt zu einer Erhöhung der Lagenzahl und Verkleinerung der Strukturen, resultierend in dickeren Leiterplatten bei gleichzeitig verringerten Bohrungsdurchmessern und erhöhter Anzahl von Bohrungen. Die gestiegenen Anforderungen führen zu erhöhten Kosten durch bei der Herstellung auftretende Fthler.

Durch diese veränderten Bedingungen treten folgende Probleme bei der Herstellung der Leiterplatten auf:

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Aus makroskopischer Sicht ist der Stofftransport durch Migration (Ionenwanderung) und Diffusion (Stoffaustausch durch Konzentrationsgefälle) gegenüber dem Stofftransport durch Konvektion z.B, mittels Lufteinblasung zu vernachlässigen. Die LufteinblaiJOQ kann ihren Beitrag zlv k nzentrationsausgleich jedoch nur an derjenigen Oberfläche entfalten, die der Konvek-1^onsströmung ausgesetzt ist, d.h. nicht in der Bohrung.

Die Reaktion bzw. Abscheidung an der Werkstückoberfläche fuhrt kurze Zeit nach Einsetzen der Abscheidung zu einer Konzentrationsverarmung in der Grenzschicht und damit zur Bildung einer Diffusionsschicht. In der Grenzschicht von Leiterplattenfläche und Bohrungswandung sind Diffusion und Migration daher von eminenter Bedeutung.

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Außerdem wird durch die Konzentration der elektrischen Feldlinien auf Spitzen und Kanten bzw. die Faraday'sehe Abschirmung von Hohlräumen beim galvanischen Verstärken der Kupferschicht das Kupfer verstärkt an den Bohrlochkanten abgeschieden.

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In den Bohrungen verbleiben nach dem Eintauchen in das jeweilige Medium, trotz des Einsatzes von Tensiden und der konventionellen langsamen Warenbewegung, Luftbläschen oder sich als Reaktionsprodukt bildende Gasbläschen, die eine Benetzung una damit die bezweckte Einwirkung des Mediums verhindern.

Das ins Bohrloch strömende Medium enthält deshalb bei laminaren Strömungsverhältnissen, wie sie bei langsamer Warenbewegung vorliegen, besonders in der für die Abscheidung wichtigen Grenzschicht an der Innenwandung der Bohrung, bereits eine geringere Konzentration der Wirkstoffe.

Ferner sind wegen der Kapillarwirkung bei kleinen Bohrungen höhere Durchströmkräfte zur Überwindung der Oberflächenspannung nötig.

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Bei kleinen Bohrunqsdurchmessern erhöht sich der Strömungswiderstand nach Hagen-Polseille proportional R . Eine durch konventionelle Warenbewegung erzwungene Durchströmunq ist deshalb bei kleinen Bohrungen nicht wirksam. Der höhere Reibungr.widerstand erfordert eine erhöhte Anströmgeschwindigkeit.

Neueren theoretischen Untersuchungen zufolge ist ein Fngpaß für

Stoffkonzentration in der Führung, sondern die Erhöhung des elektrischen Widerstands durch kleine Bohrungsdurchmesser. Diese Widerst.andserhöhung ist bedingt durch Geometrie und Ausgangsleitfähigkeit des Bades und damit zum Teil stoffaustauschunabhängig. Eine Wirkstoffverarmung in der Bohrung wirkt, sich aber durch die zusätzliche, durchmesserabhängige Widerstand erhöhung überproportional aus.

Zur Lösung der oben genannten Probleme sind schon verschiedenste Maßnahmen eingesetzt worden.

so wurde z.3. die Einblasung von Luft vorgenommen. Die Lufteinhlacunn orfninto i'ihor waanronhfo &Ggr;)&tgr; &igr; mu-1 iif f fi'ihrpnrip R ohr R itlit

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schräg nach unten angeordneten Bohrungen. Sie bewirken zwar eine gute Durchmischung des Bades, aber die durch sie bewirkte Strömungsgeschwindigkeit des Mediums an der Platte ist durch Auftriebs- und Widerstandskräfte begrenzt. Eine Lufteinblasung kann außerdem bei schäumenden Medien nicht eingesetzt werden.

Auch die Einleitung von Ultraschall führte nicht zum gewünschten Erfolg. Die unter Umständen zu kräftige Wirkung von Ultraschall kann durch Ablösung passivierender und damit schützende] Oxidschichten auf Elektroden oder im Medium befindlicher Installationen zur Zerstörung dieser Einrichtungen durch Medienangriff führen. Die relativ geringe Standzeit von Ultraschall-Schwingern führt außerdem durch häufig notwendigen Austausch zi hohen Kosten. Ferner sammeln sich mikroskopisch kleine Gasbläs-

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chen in den Schwingungsbäuchen der Ultraschallwellen zu gröGe-&Ggr;&egr;&eegr; Bläschen, und gelöstes Gas wird durch die Energieanreieherunq zusätzlich ausgeschieden. Dadurch setzt zwar die Kavitationswirkung, d.h. Bildung von Dampfblasen durch kurzzeitiges Überschreiten des Dampfdrucks und Ultraschalleinwirkung schon bei geringeren einneknnpelten Schallintensitäten ein, aber das si''i in Bläschen sammelnde Gas beeinträchtigt die Benetzung der onho Hoer\r\r4ore Ir. Unhriinnon

Aue &igr; die sogenannte langsame Warenbewegung brachte keine Verbesserung der Ergpbnisse. Die Bewegung der Werkstücke erfolgte über den abgesenkten Warenträger auflagerseltig über längs der Behälterreihe einer Galvanikanlage gelagerte und über eine Exenterwelle gemeinsam angetriebene Rohre. Diese Bewegung ist fei hohem Verhältnis v~n Plattendicke zu Bohrungsdurchmesser ungeeignet zur Erzeugung einer ausreichenden Durchströmung der Bohrung.

Die bekannte manuelle Methode mit Erschütterung Jurch Schlag und Hammer oder Klopfer ist zum Austreiben von Luftbläschen nur bedinnt npp.innpt; als manuelle Maßnahme teuer _; und besitzt nur einen geringen EinfluQ auf die kontinuierliche Verbesserung des Stoffaustausches in der Grenzschicht. Ein eventuell mit der Warenbewegung gekoppelter Klopfer kann die Luftblasen zwar teilweise zum Aufsteigen bringen; die Funktion bei modernen Multilayern mit bis zu 30.000 Bohrungen und Durchmessern von 0,3 mm, in denen sich Bläschen befinden können, ist aber zweifelhaft.

Bei der forcierten Anströmung mit Hilfe von auf die zu behandelnden Werkstücke gerichteten Düsen ergeben sich stark unterschiedliche Diffusionsschichtdicken durch örtliche Unterschiede

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der Anströmgeschwindigkeit, Oberflächenstrukturen oder Rauhigkeiten, und dadurch bedingt inhomogene Abscheidungsbedingungen.

Zur Sicherstellung der Entfernung der Bläschen aus allen Bohrungen müßte die ganze Fläche lückenlos bestrahlt werden} andernfalls besteht die Gefahr, daß losgelöste Bläschen erneut in eine andere Bohrung gedruckt werden. Neben diesem Nachteil er-

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levanten Bäder einen erheblichen Aufwand. IC

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die die oben aufgezeigten Probleme zu lösen gestattet, zum anderen aber nur einen geringen zusätzlichen Aufwand erfordert. Gelüst wird diese Aufgabe durch eine Vibr?i tionseinrichtung zuti Erzeugen einer schnellen Relativbewegung zwischen dem Badmedium und den darin befindlichen Werkstücken.

Durch die Vibration wird die durch Oberflächenspannung verursachte Haftung der in den Bohrungen und auf der Oberfläche anliegenden Gasbläschen innerhalb kurzer Zeit nach dem Einschalten 3uf⁽ⁱshoben und die Bisschen könri^Qr! 3^|jfstei^rien. Yerhin'J^rt wird ebenfalls die Einnistung von Gasbläschen, die sich prozeßbedingt, etwa aufgrund hoher Oberflächenspannung zwischen Medium und Werkstück, in den Bohrungen ansiedeln können, oder beim Eintauchen als Schaum in die Bohrungen eindringen.

Ferner werden durch die schnelle Relativbewegung zwischen Badmedium und Werkstück die Austauschvorgänge in der Grenzschicht, wie Konvektion, Migration und Diffusion unterstützt. 30

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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung einiqpr Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäflen Vorrichtung.

j Die in FIG 1 schematisch dargestellte Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung und Galvanisierung von plattenförmigen Werk:..tükken besteht im Wesentlichen aus einem Standbad mit dem Behälter

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das an einem Warenträger 4 hingt. Der Warenträger h ruht auf einem Auflager 5. im dargestellten Fall ist das Auflager 5 aber nicht direkt auf dem Auflagerhnlm 6 angeordnet. Vielmehr ist das &Agr;&ugr;&Pgr;&eegr;&eegr;&egr;&tgr; 5 auf einer Platte 7 befestigt, mit der im dargestellten Fall 7wei Vibrationseinrichtungen 8 in Verbindung stehen. Die Platt-⁰ 7 ruht ferner auf Entkopplungselementen 9, die ihrerseits auf dem Auflagerholm 6 befestigt sind. Durrh überkritische Auslegunn der aus Auflager 5, F'atte 7 und Entkopplungselementen 9 bestehenden Anordnung wird eine EntkopDlunq des Auflagers 7 und damit des Warenträgers & mit dem Werkstü^ 3 von den Auflagerhnimen 6 erreicht. Der Warenträger ^ mit dem plattenförmigen Werkstück 3 vollzieht dadurch zwar die durch einen aestrichelten PfRiI annpripntpfp Warpnhpwenunn mit. die von den Vibrationseinrichtungen 8 erzeugten schnellen Bewegungen werden aber von der Gesamtanlage weitaehend entkoppelt.

Mit einer solchen erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine gleichmäßige Vibration des Werkstückes sowohl ^J Richtung seiner Oberfläche als auch senkrecht dazu, d.h. in Richtung von in dem Werkstück befindlichen Bohrungen, mit der dadurch verbesserten Konvektion erreichbar. Die Vorrichtung benötigt pro Standbad etwa vier Schwinger oder mindestens zwei elektromagnetische Vibratoren. Die Ausstattung einer gesamten Galvanikanlage auf diese Weise bedeutet damit einen beträchtlichen Aufwand an Vibrationseinrichtungen und zugehörigen Trägerplatten sowie Entkopplunoselementen. Für kleinere Anlagen oder Einzelbäder kann diese Lösung aber vorteilhaft sein.

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FIG 2 zeigt - links von der Seite her und rechts von vorn gesehen - die Möglichkeit der Anordnung der Vibrationseinrichtung 8 unmittelbar auf dem Warenträger 4. Die Ausrüstung der zahlreichen Warenträger einer kompletten Oberflächenbehandlungs- und Galvanisiervorrichtung ist zwar etwas geringer als bei dem Ausführungsbeispiel von FIG 1 aber immer noch erheblich.

Eine aufwandmäßig gesehen vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in FIG 3 dargestellt, bei der die Viurationseinrichtung 8, hier in gegenläufig parallelgeschalteter Anordnung, auf dem sogenannten Hubwagen 10 angebracht ist. Dem geringeren Aufwand an Vibrationseinrichtungen 8 bei einer großen Galvanikanlage steht aber gegenüber, daß die Erzeugung der vergleichsweise schnellen Relativbewegung zwisehen dem Badmedium 2 und dem darin befindlichen Werkstück 3 nur während des Kontaktes des Hubwagens 10 mit dem Warenträger A erfolgen kann. Dies ist z.B. der Fall beim Eintauchen der Werkstücke in das Badmedium 2, bei eventuell vorzusehenden Zwischenhüben oder beim Herausnehmen aus dem Standbad 1 nach abgeschlossener Behandlung. Ein Vorteil dieser Auführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist allerdings der zusätzliche Effekt einer Verringerung der Verschleppung des Badmediums 2 durch dessen vibrationsunterstutzten Ablauf.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemaßen Vorrichtung zeigt FIG 4. Die Einkopplung der vergleichsweise schnellen Bewegung mit Hilfe einer Vibrationseinrichtung geschieht hier über die Auflagerholme 6 - hier in der schematischen Darstellung nur einer dargestellt - oder über eine die beiden links und rechts der Anlage vorgesehenen Auflagerholme t veibindende Traverse 11.

Der Vorteil einer solchen Anordnung ist, daß für eine ganze Oberflächenbehandlungs- und Galvanlsierungsvorrichtung nur an einer einzigen Stelle eine Vibrationseinrichtung vorgesehen werden muß. Im dargestellten Beispiel von FIG 4 dient dazu wieder eine gegenläufig parallegeschaltete Anordnung zweier

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Schwinger 8. Um eine unerwünschte Übertragung der schnellen Relativbewegung von den Vibrationseinrichtungen 8 auf die Antriebseinrichtung 12 für die langsame Warenbewegung zu verhindern, ist zwischen Auflagerholm 6 und Antriebseinrichtung 12 ein EntkopDlungselement 13 vorgesehen.

Mit einer erfindungsgsmäSen Vorrichtung, wie sie in FIG 4 dar gestellt ist, kann eine optimale Relativbewegung senkrecht i*jT Oberfläche der plattenförmigen Werkstücke 3 und somit in der

Richtung irl verbände: ?r Bohrungen gleichzeitig für yile

Standbäder I einer Reihe und damit äußerst kostengünstig realisiert werden. Gegenüber einei vertikalen Einkopplung (parallel % zur Oberfläcr der Werkstücke) sind die bei der Auslegung der % Vorrichtung zu beachtenden Versteifungsmaßnahmen wesentlich § einfacher, da die Hauptrichtung der schnellen Bewegung in Rich- P tung der Auflagerholme 6 erfolgt. t

Außer den in den FIG 1 bis 4 dargestellten Beispielen für die Ausgestaltung erfindungsgemäßer Vorrichtungen ist es auch mög- ; lieh, die vergleichsweise schnelle Relativbewegung zwischen dem 'i Badmedium und dem darin befindlichen Werkstück dadurch zu er- ; zeugen, daß die Vibrationseinrichtung als sogenannte Rüttelflasche ausgebildet und diese direkt in das Standbad eingeführt wird. Diese Art der Anregung des Badmediums zur schnellen Bewe gung erfordert zwar eine schwingungssteife Konstruktion der Be hälterwände, da eine Vibrationseinkopplung in das Badmedium selbst sonst zu Schwingungen der Behälterwände und damit einer Wirkungsloslgkeit für die plattenförmigen Werkstücke führen kann. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung der Behälterwände ist aber eine solche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor allem für kleine Behälter oder Medien höherer Dichte geeignet.

13 Schutzansprüche 4 FIR

Claims

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¹ Schutzansprüche

1. Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung und Galvanisierung von mit sehr kleinen Öffnungen versehenen plattenförmigen Werkstük-1 5 ken, insbesondere gebohrten Leiterplatten, mit mindestens einem r sogenannten Standbad und einem Gestell zum Halter;» Einfuhren,

Entnehmen und langsamen Bewegen der zu behandelnden Werkstücke I im Standbad, dadurch gekennzeichnet , &rgr; daß mit Hilfe einer Vibratioiiseinrichtung (S) de. langsamen Wa-

I 10 renbewegung eine vergleichsweise schnelle Relativbewegung ?"* ■ " sehen dam Badmecllum (?) und deti darin befindlichen Werkstück

II (3) überlagert wird.

_f 2. Vorrichtung nac. Anspruch 1, dadurch g e -

I 15 kennzeichnet, da-3 die "i^quer^ der vergleichsweise

schnellen Relativbewegung im Infraschall oder Schallbereich "' liegt.

p 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

I 20 gekennzeichnet, daß die Vibrationseinrichtung

&uacgr; (&thgr;) mindestens einen an sich bekannten mechanischen Schwinger f oder Rüttler enthält.

• 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

25 gekennzeichnet, daß die Vibrationseinrichtung (8) mindestens einen an sich bekannten elektromagnetischen Vibrator enthält.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis A. g e -

30 kennzeichnet durch die Anordnung von gegenläufig parallelgeschalteten Vibrationseinrichtungen (8).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a -

; durch gekennzeichnet, daß die Vibrations-35 einrichtung (8) jeweils an dem seitlichen Warenträgerauflager (5) angeordnet ist.

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7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationseinrichtung (8) jeweils auf dem Warenträger (4) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e &eegr; &eegr; &zgr; e i c h r i ; , da3 die Vibrationseinrichtung (8) jeweils auf dem Hubwagen (10) für die Warenträ-Cj^i (4) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d u -durch gekennzeichnet, daß die Vibrationseinrichtung (8) direkt oder indirekt (11) an den Auflagernden (6) für die Warenträger (4) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Auflagerholme über mechanische Entkopplungselemente (13) von ihrer Antriebsvorrichturiü (12) getrennt sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationseinrichtung (8) so angeordnet ist, daß sie eine Bewegung des zu behandelnden Werkstücke (3) senkrecht zu seiner Oberfläche erzeugt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationseinrichtung (8) so angeordnet ist, daß sie eine Bewegung des zu behandelnden Werkstücks (3) in Richtung seiner Oberfläche erzeugt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationse.inrichtung als direkt in uns Standbad eingeführte sogenannten Rüttelflasche ausgebildet ist.