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Gebiet der Erfindung:
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum elektrolytischen Behandeln von in der Vorrichtung angeordneter
plattenförmiger Ware. Derartige Vorrichtungen und Verfahren
können sowohl bei der Herstellung von Leiterplatten und
Leiterfolien als auch von Wafern, Solarzellen, photoelektrischen
Zellen und Bildschirmplatten eingesetzt werden.
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Stand der Technik:
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Derzeit
arbeiten die Chiphersteller in der Halbleiterindustrie an der Einführung
von so genannten 65-Nanometerstrukturen (Computertechnik, (10), 2007).
In der Entwicklung sind noch kleinere Strukturen von 45 nm geplant.
Aber auch diese Abmessungen sind nur Zwischenschritte auf dem Weg
zu noch kleineren Strukturen. Ausgehend von der fortschreitenden
Miniaturisierung von Halbleiter-Bauteilen stellen sich auch für
die Hersteller von Leiterplatten mit Chip-Trägern neue
Herausforderungen, ihre Produkte an die neuen Gegebenheiten anzupassen.
Dies bedeutet, dass beispielsweise Forderungen nach Strukturabmessungen
von derzeit ca. 25 μm realisiert werden müssen,
um am Markt zu bestehen. Dabei zeichnet sich bereits jetzt ab, dass
sich die Abmessungen in naher Zukunft noch weiter verringern werden.
Derartig feine Strukturen sind mit den heute üblichen Verfahren
und Vorrichtungen zur Leiterplattenherstellung in der notwendigen
Qualität nicht mehr zu realisieren. Bei der Verkleinerung
der Strukturen werden ungleichmäßige Konturen
der Strukturen, sogar Brücken (Kurzschlüsse) oder
Unterbrechungen beobachtet. Ferner ist auch festgestellt worden,
dass die Gleichmäßigkeit der abgeschiedenen Metallschichten
unzureichend ist. Dies ist nicht akzeptabel, da die elektrischen
Eigenschaften der hergestellten Schaltungen hierdurch in nicht vorhersagbarer
Weise beeinträchtigt werden, so dass die Schaltungen verworfen
werden müssen.
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Die
genannten Anforderungen an die hochpräzise Herstellung
der Leiterplatten gehen mit der Forderung einher, diese Leiterplatten
möglichst kostengünstig und in sehr großer
Stückzahl reproduzierbar herstellen zu können.
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Insbesondere
für die Herstellung sehr feiner Strukturen in der vorgenannten
Größenordnung ist es von besonderer Bedeutung,
die hierfür benötigten Metallschichten in möglichst
gleichmäßiger Schichtdicke zu erzeugen. Andernfalls
bilden sich ungleichmäßige Strukturprofile(-breiten,
-flanken, -höhen) aus, die einer Miniaturisierung Grenzen
setzen.
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Für
die nasschemische Behandlung von Werkstücken, etwa für
die Metallisierung oder für das Ätzen, werden
die Werkstücke mit einer Behandlungsflüssigkeit
in Kontakt gebracht, beispielsweise durch Eintauchen in einen die
Behandlungsflüssigkeit enthaltenden Behälter,
oder durch Fördern eines Strahles der Behandlungsflüssigkeit
an die Oberfläche des Werkstückes. Die Werkstücke
können dabei diskontinuierlich (schubweise) oder auch mittels
einer Förderanlage kontinuierlich durch eine Behandlungsanlage
geführt und dabei behandelt werden. Während der
Behandlung können die Werkstücke in senkrechter
Lage oder in waagerechter Lage gehalten werden. Letzteres gilt insbesondere
für einen kontinuierlichen Transport der Platten. Leiterplatten werden
beispielsweise typischerweise entweder in Tauchbehältern
in senkrechter Lage oder in einer Durchlaufanlage, in der die Werkstücke
in horizontaler Lage gehalten und kontinuierlich befördert
werden, behandelt. In letzterem Falle kann die Behandlungsflüssigkeit
beispielsweise in einem stationären Bad aufgestaut werden,
und die Werkstücke werden durch dieses Bad hindurchgeführt.
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Für
die elektrolytische Metallabscheidung ist es typischerweise vorteilhaft,
die zur Metallabscheidung verwendete Behandlungsflüssigkeit
beispielsweise durch Einblasung von Luft in Bewegung zu versetzen,
damit ein ausreichender Flüssigkeitsaustausch an der zu
behandelnden Oberfläche der Werkstücke und insbesondere
in kleinen Löchern in den Werkstücken stattfindet.
Außerdem können beispielsweise auch Düsen
vorgesehen sein, mit denen Behandlungsflüssigkeit an die
Werkstückoberflächen gefördert wird und
deren Düsenöffnungen unterhalb des Flüssigkeitsniveaus
angeordnet sind.
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Beispielsweise
ist in
US-A 4 622 917 eine Vorrichtung
zum stromlosen Metallabscheiden offenbart, bei der eine Leiterplatte
in senkrechter Ausrichtung in einem Badbehälter gehalten
wird und dabei in eine Behandlungsflüssigkeit eintaucht.
An beiden Seiten der Leiterplatte sind Flüssigkeitsverteiler
angeordnet, die durch der Leiterplatte zugewandte, eine Vielzahl
von Öffnun gen enthaltende Begrenzungswände von
einem Behandlungsbereich abgetrennt sind, in dem sich die Leiterplatte
befindet. Die Leiterplatte wird während der Behandlung
senkrecht zu der durch die Öffnungen erzeugten Flüssigkeitsströmung
hin- und herbewegt. Die Flüssigkeitsverteiler werden alternierend
zur Anströmung mit der Flüssigkeit und zur Absaugung
eingesetzt, wobei ein Flüssigkeitsverteiler zur Anströmung
von Flüssigkeit an eine Seite der Leiterplatte dient, während
der andere Flüssigkeitsverteiler gleichzeitig Flüssigkeit
von der anderen Seite der Leiterplatte absaugt. Somit fließt
die Flüssigkeit alternierend in die eine oder in die andere
Richtung. Mit dieser Vorgehensweise soll sowohl eine gleichmäßige
Beschichtung der Oberflächen des Werkstückes als
auch der Lochwandungen in der Leiterplatte erreicht werden.
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Zur
verbesserten Behandlung der Oberflächen von Leiterplatten
wird auch in
DE 41
33 561 A1 eine Vorrichtung zum Galvanisieren beschrieben.
In dieser Vorrichtung sind mehrere Warenstücke an einem
Warenträger in senkrechter Lage befestigt. Die Waren werden
während der Behandlung entweder einer vertikalen, linearen
Auf- und Abbewegung in einem Galvanobad und gleichzeitig einer horizontalen, kreisförmigen
Bewegung oder einer vertikalen, kreisförmigen Bewegung
und gleichzeitig einer horizontalen, linearen Bewegung oder einer
vertikalen, kreisförmigen Bewegung und gleichzeitig einer
horizontalen, kreisförmigen Bewegung unterworfen. Dadurch sollen
insbesondere Luftbläschen oder sich als Reaktionsprodukt
bildende Gasbläschen beseitigt werden.
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Weiterhin
ist in
DE 43 22 378
A1 eine Einrichtung zur Oberflächenbehandlung
von Leiterplatten angegeben, in der die Platte in horizontaler Betriebslage
befördert und dabei behandelt wird. Die Platte führt
eine Kombinationsbewegung aus, welche sich resultierend aus zwei
selbständigen und voneinander unabhängigen Relativbewegungen
gegenüber einer Behandlungslösung zusammensetzt,
wobei die Platte eine erste gleitende kontinuierliche Bewegung in longitudinal
verlaufender Bahn in einer Transportrichtung in einer horizontalen
Ebene durchführt und simultan dazu eine zweite Bewegung,
welche aus einer in rascher Folge heftig pulsierenden Vibrationsschwingungen
besteht. Diese Vibrationsschwingungen können in der Plattenebene
liegen. Mit dieser Einrichtung soll die Diffusion von Flüssigkeit
verstärkt werden, die sich in Bohrungen und in deren Nachbarschaft
befindet, und somit den Stofftransport zur Grenzschicht erheblich
beschleunigen.
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Die
genannten Maßnahmen zur Bewegung der Flüssigkeit
weisen diverse Nachteile auf, von denen die wichtigsten darin bestehen,
dass die Flüssigkeitsbewegung nicht die gewünschte
Wirksamkeit hinsichtlich der erforderlichen Gleichmäßigkeit
der Behandlungswirkung aufweist und zwar sowohl über die
Zeit als auch zumindest teilweise über den Ort. Vor allem
ergeben sich aus den genannten Dokumenten keine Hinweise auf eine
gleichmäßige elektrolytische Behandlung.
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Aufgabe:
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Somit
besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, Mittel zu
finden, mit denen eine gleichmäßige Einwirkung
einer Behandlungsflüssigkeit bei der elektrolytischen Behandlung
auf Werkstücke erreicht wird. Insbesondere besteht eine
Aufgabe darin, die Gleichmäßigkeit der Einwirkung
auf die Werkstücke sowohl im Hinblick auf ihre zeitliche
Konstanz als auch im Hinblick auf eine über die gesamte Oberfläche
der Werkstücke gleichmäßige Behandlung
zu erreichen z. B. um eine gleichmäßige Schichtdickenverteilung
einer abgeschieden Metallschicht zu erreichen. Weiterhin besteht
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, Mittel zu finden,
mit denen die Einwirkung in kontrollierter Weise eingestellt werden
kann. Des Weiteren besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
darin, einen effektiven Stoffaustausch auf der Oberfläche
und in kleinen Löchern in der Ware zu erreichen und hierzu
Durchgangslöcher wirkungsvoll zu durchströmen
und Sacklöcher und andere Strukturen wirkungsvoll ständig
mit frischer Flüssigkeit zu versorgen. Somit soll eine
gleichmäßige Anströmung der Behandlungsoberfläche
der Ware und der Bohrlöcher, einschließlich der
Sacklöcher und anderer Strukturen gewährleistet
sein, d. h. dass jedes Flächenelement im zeitlichen Mittel
im Wesentlichen gleich stark angeströmt wird. Auch soll
die gleichmäßige Behandlung dünner und
dünnster Folien ermöglicht sein. Des Weiteren soll
die Behandlung auch eine hohe Behandlungsgeschwindigkeit ermöglichen.
Weiterhin besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin,
einen kostengünstigen Aufbau der für die Realisierung
der vorgenannten Aufgaben erforderlichen Mittel zu gewährleisten.
Weiterhin besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin,
die vorgenannten Erfordernisse sowohl für eine herkömmliche
Vertikalfahrweise als auch für einen Durchlaufbetrieb,
bei dem die Ware entweder in vertikaler oder horizontaler Ausrichtung
geführt wird, zu erreichen. Noch eine weitere Aufgabe der
vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum elektrolytischen Behandeln von Ware zu finden, mit denen die
vorgenannten Erfordernisse erreichbar sind.
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Erfindung:
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Diese
Aufgaben werden durch die Vorrichtung zum elektrolytischen Behandeln
nach Anspruch 1 und das Verfahren zum elektrolytischen Behandeln nach
Anspruch 16 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Soweit
nachfolgend in der Beschreibung und in den Patentansprüchen
der Begriff „gegenüberstehend angeordnet" verwendet
wird, so ist darunter eine räumliche Beziehung des gegenüberstehenden Gegenstandes
zu der Behandlungsoberfläche der Ware bzw. einer Behandlungsebene
zu verstehen, in der sich die Ware bzw. die Behandlungsebene befinden.
Die räumliche Beziehung besteht darin, dass von Flächenelementen
der Oberfläche der Ware bzw. der Behandlungsebene, in der
sich die Ware befindet, ausgehende Normalvektoren den gegenüberstehenden
Gegenstand treffen.
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Soweit
nachfolgend in der Beschreibung und in den Patentansprüchen
die Begriffe „plattenförmige Ware" und „plattenförmige
Werkstücke" synonym verwendet werden, so sind darunter
Gegenstände zu verstehen, die in unbehandelter oder nasschemisch behandelter
Form für verschiedene Anwendungsgebiete hergestellt werden,
beispielsweise in der Leiterplattentechnik (Leiterplatten, Leiterfolien),
der Wafertechnik, zur Herstellung von metallisierten oder für sonstige
Zwecke behandelten Glasplatten, Bildschirmplatten und Kollektoren,
in der Photovoltaik (photoelektrische Zellen) oder in der Sensortechnik (photosensitive
Zellen). Plattenförmige Ware und Werkstücke sind
als im Wesentlichen plattenförmig, d. h. mit im Wesentlichen
ebener Behandlungsoberfläche versehen, zu verstehen, wobei
unter dem Begriff „mit im Wesentlichen ebener Behandlungsoberfläche
versehen" zu verstehen ist, dass die Hauptflächen der Ware
bzw. der Werkstücke auch nicht exakt parallel zueinander
verlaufen können (beispielsweise ≤ ± 10°)
und dass auf deren Hauptflächen zusätzlich Strukturen
enthalten sein können.
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Soweit
nachfolgend in der Beschreibung und in den Patentansprüchen
der Begriff „Behandlungsoberfläche" verwendet
wird, so ist darunter die Fläche auf einer Oberseite der
Ware zu verstehen, d. h. die Oberfläche der Ware unter
Ausschluss etwaiger Bohrungswandungen. Die Behandlungsoberfläche
ist von einer Nutzfläche zu unterscheiden. Letztere umfasst
lediglich die für die funktionellen Eigenschaften der Ware
nutzbare Fläche, d. h. beispielsweise unter Ausschluss
von Rändern.
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Soweit
nachfolgend in der Beschreibung und in den Patentansprüchen
der Begriff „nasschemische Behandlung" verwendet wird,
so ist darunter eine Oberflächenbehandlung zu verstehen,
die unter Verwendung von chemischen Flüssigkeiten durchgeführt
wird, beispielsweise eine chemische oder elektrolytische Metallisierung,
ein chemisches oder elektrolytisches Ätzverfahren, eine
chemische oder elektrolytische Entfettung oder eine elektrolytische
Anodisierung. Der Begriff „elektrolytisch" bedeutet eine nasschemische
Oberflächenbehandlung unter Anwendung von elektrischem
Strom, bei dem beispielsweise elektrolytisch Metall abgeschieden,
Metall aufgelöst oder anderweitig elektrolytisch behandelt
wird, etwa elektrolytisch gereinigt oder anodisiert wird.
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Soweit
nachfolgend in der Beschreibung und in den Patentansprüchen
die Begriffe „oszillierende (Relativ)bewegung" und „oszillierend
bewegen" verwendet werden, so ist darunter eine zwischen zwei Punkten
bestehende Hin- und Herbewegung zu verstehen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße
Verfahren dienen zum elektrolytischen Behandeln von in der Vorrichtung
angeordneter plattenförmiger, mindestens eine im Wesentlichen ebene
Behandlungsoberfläche aufweisender Ware mit einem Behandlungsmittel.
Das Behandlungsmittel ist eine Behandlungsflüssigkeit.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst:
- i) Einrichtungen zum Halten der Ware in der Vorrichtung,
- ii) eine oder mehrere jeweils mindestens eine Düse
aufweisende und der Ware gegenüberstehend angeordnete Anströmeinrichtungen,
- iii) eine oder mehrere gegenüber dem Behandlungsmittel
inerte (dimensionsstabile) Gegenelektroden, die parallel zu mindestens
einer Behandlungsoberfläche angeordnet sind,
- iv) Mittel zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Ware
einerseits und den Anströmeinrichtungen und/oder den Gegenelektroden
andererseits in mindestens einer Richtung parallel zu einer Behandlungsoberfläche,
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Die
Einrichtung zum Halten der Ware ist so angeordnet, dass die Ware
während des Behandelns in das Behandlungsmittel eingetaucht
werden kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
- a. Vorsehen einer Vorrichtung, die umfasst:
i)
eine Einrichtung zum Halten der Ware,
ii) eine oder mehrere
jeweils mindestens eine Düse aufweisende und der Ware gegenüberstehend
angeordnete Anströmeinrichtungen,
iii) eine oder mehrere
gegenüber dem Behandlungsmittel inerte (dimensionsstabile)
Gegenelektroden, die parallel zu mindestens einer Behandlungsoberfläche
angeordnet sind;
iv) Mittel zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen
der Ware einerseits und den Anströmeinrichtungen und/oder
den Gegenelektroden andererseits in mindestens einer Richtung parallel zu
einer Behandlungsoberfläche;
- b. Eintauchen der Ware in das Behandlungsmittel; und
- c. Bewegen der Ware und/oder der Anströmeinrichtungen
und/oder der Gegenelektroden in mindestens einer Richtung parallel
zu einer Behandlungsoberfläche, d. h. Bewegen ausschließlich der
Ware oder ausschließlich der Anströmeinrichtungen
oder ausschließlich der Gegenelektroden oder Erzeugen einer
kombinierten Bewegung von mindestens zwei der genannten Gegenstände,
so dass eine Relativbewegung in mindestens einer Richtung parallel
zu einer Behandlungsoberfläche zwischen der Ware einerseits
und den Anströmeinrichtungen und/oder den Gegenelektroden
andererseits entsteht.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen
Verfahren wird eine besonders gleichmäßige elektrolytische
Behandlung der Behandlungsoberflächen von plattenförmigen
Werkstücken erreicht. Insbesondere können alle
Behandlungsbereiche eines plattenförmigen Werkstückes unter
praktisch denselben Bedingungen behandelt werden. Dies schließt
sowohl die äußeren Behandlungsoberflächen
der Werkstücke als auch der Löcher, insbesondere
der Sacklöcher und Durchgangslöcher ein. Dies
ermöglicht eine sehr konstante Schichtdicke bei der Behandlung,
so dass auch feinste Leiterstrukturen (Leiterbahnen, Pads) zuverlässig hergestellt
werden können. Weiterhin kann auch eine hohe Behandlungsgeschwindigkeit
gewährleistet werden. Dies gelingt durch Anwendung einer
gleichmäßig starken Anströmung aller
Oberflächenbereiche der Ware.
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Die
Anströmeinrichtungen in der erfindungemäßen
Vorrichtung dienen zur Förderung von Behandlungsmittel
zur Ware. Die Anströmvorrichtungen weisen daher Düsen
auf, aus denen das Behandlungsmittel unter Druck austreten kann.
Jede Anströmeinrichtung enthält mindestens eine
Düse oder besteht aus mindestens einer Düse. Die
Anströmeinrichtungen werden mit dem Behandlungsmittel versorgt.
Dies kann insbesondere über Zuführeinrichtungen
geschehen, etwa Rohre, Schläuche, Kästen o. dgl.
Die Anströmeinrichtungen werden mit dem Behandlungsmittel
versorgt, üblicherweise über Pumpen. Ferner können
die Anströmeinrichtungen in der Vorrichtung befestigt sein.
Hierzu können insbesondere geeignete Befestigungsmittel
eingesetzt werden, beispielsweise ein Gestell, an dem jeweils mindestens
eine Anströmeinrichtung befestigt sein kann.
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Die
Gegenelektroden sind als Anoden geschaltet, wenn Metall abgeschieden
oder kathodisch entfettet werden soll. Falls ein elektrolytisches Ätzverfahren
durchgeführt oder anodisiert werden soll, werden die Gegenelektroden
kathodisch polarisiert. Die Gegenelektroden sind gegenüber
dem Behandlungsmittel inert (resistent). Hierbei handelt es sich um
sog. dimensionsstabile Elektroden. Falls die Gegenelektroden Anoden
sind, handelt es sich um unlösliche Anoden. Derartige Anoden
können insbesondere aus einem gegenüber dem Behandlungsmittel
bei den angewendeten Behandlungsbedingungen widerstandsfähigen
Material hergestellt sein, beispielsweise aus Titan oder Tantal,
wobei dieses Material mit einem weiteren leitfähigen Material
beschichtet sein kann, um eine etwaige Passivierung des Materials
dann, wenn es anodisch polarisiert ist, zu vermeiden. Derartige
Beschichtungsmaterialien sind beispielsweise Elemente der VIII.
Nebengruppe des Periodensystems der Elemente, vor allem Platin, Iridium,
Ruthenium sowie deren Oxide und Mischoxide.
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Um
eine besonders gleichmäßige Behandlung der Werkstücke
zu erreichen, können die Gegenelektroden zwischen den Anströmeinrichtungen und
jeweils einer Behandlungsoberfläche angeordnet sein. Dadurch
wird verhindert, dass die Anströmeinrichtungen die zwischen
dem Werkstück und der Gegenelektrode verlaufenden die elektrischen
Feldlinien ablenken oder abschirmen, denn der Raum zwischen den
Gegenelektroden und einem Werkstück ist dadurch frei von
störenden Einbauten. Es wird also eine homogene Feldverteilung
erreicht. Allerdings können sich die Öffnungen
der Düsen selbst auch in einem Bereich zwischen einer Ebene,
die durch die Rückseite einer Gegenelektrode gebildet wird,
und der Behandlungsoberfläche befinden. Die Lösungszuführung
zu den Düsenöffnungen kann durch die Gegenelektroden
hindurch erfolgen. In diesem Falle stören die Anströmeinrichtungen
die ungehinderte Ausbildung von Feldlinien im Raum zwischen den
Gegenelektroden und der Ware nicht, da sie sich im Wesentlichen
außerhalb des Bereiches befinden.
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Zur
weiteren Vergleichmäßigung der Schichtdickenverteilung
bei der elektrolytischen Abscheidung von Metall auf strukturierten
Oberflächen der Ware wird der Abstand zwischen den Ge genelektroden
(hier: Anoden) und der Ware möglichst gering gewählt.
Beispielsweise kann dieser Abstand weniger als 100 mm, weiter bevorzugt
weniger als 50 mm und am meisten bevorzugt weniger als 25 mm betragen.
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Die
Gegenelektroden können insbesondere perforiert ausgebildet
sein, etwa in Form von Lochblechen oder noch günstiger
in Form von Streckmetall. Im Falle von Streckmetall werden vorzugsweise zwei
oder mehr Lagen übereinander gelegt. Beispielsweise grenzt
dann eine Lage mit längs ausgerichteten Maschen an eine
Lage mit quer ausgerichteten Maschen. Durch Verwendung von Streckmetall kann
eine vergrößerte spezifische Oberfläche
der Gegenelektroden erreicht werden, so dass die Stromdichte an
den Gegenelektroden abgesenkt wird. Polarisationseffekte können
sich somit nicht so leicht einstellen.
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Auch
eine Relativbewegung der Gegenelektroden parallel zur Ware bei gleichzeitig
gegenüber der Ware ortsfester Anströmeinrichtung
kann zu einer ausreichenden Vergleichmäßigung
der Behandlung führen. Die Bewegungsparameter können
die gleichen sein wie die der Ware.
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Weiterhin
können sich in den Gegenelektroden Öffnungen befinden,
die einen ungehinderten Durchtritt des Behandlungsmittelstrahls
ermöglichen. Beispielsweise können die Gegenelektroden
dort, wo sich Düsen in den Anströmeinrichtungen
befinden, Öffnungen aufweisen, um zu gewährleisten,
dass ein von einer Düse ausgehender Behandlungsmittelstrahl
die Gegenelektrode ungehindert passieren kann.
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In
diesem Falle können die Gegenelektroden und die Anströmeinrichtungen
vorzugsweise starr zueinander angeordnet sein, d. h. relativ zueinander
unveränderlich angeordnet, so dass auch deren Abstand zueinander
konstant ist. Somit können die Öffnungen in den
Anoden relativ klein gewählt werden, so dass die Störung
der Homogenität des elektrischen Feldes minimal ist. Falls
aber die Gegenelektroden und die Anströmeinrichtungen starr
zueinander fixiert sind, findet nur eine Relativbewegung zwischen
den Anströmeinrichtungen und den Gegenelektroden einerseits
und der Ware andererseits statt.
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Um
eine weitergehende Verbesserung der Behandlungskonstanz bei der
elektrolytischen Behandlung zu erreichen, können die Öffnungen
auf den Innenseiten (Hülsen) in den Gegenelektroden leitfähig
beschichtet sein. Dadurch wird gewährleistet, dass elektrische
Feldlinien auch an diesen Durchbrechungen in konstanter Dichte auf
der Behandlungsoberfläche der Ware auftreffen.
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Die
Mittel zum Erzeugen der Relativbewegung und die Anströmeinrichtungen
sind bevorzugt so ausgebildet, dass alle Bereiche auf mindestens
einer Behandlungsoberfläche während des Behandelns
mindestens einmal von einem von den Düsen ausgehenden Strahl
des Behandlungsmittels getroffen werden (im Sinne eines ersten Kontaktes
des Strahles auf der Behandlungsoberfläche). Alternativ oder
weiter bevorzugt sind die Mittel zum Erzeugen der Relativbewegung
und die Anströmeinrichtungen so ausgebildet, dass alle
Bereiche auf mindestens einer Behandlungsoberfläche im
zeitlichen Mittel jeweils mit der gleichen Menge des Behandlungsmittels
beaufschlagbar sind. Auch dadurch wird eine weitere Vergleichmäßigung
der Behandlungswirkung erreicht.
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Die
Relativbewegung zwischen der Ware und der Anströmeinrichtung
kann durch ausschließliche Bewegung der Ware (ortsfeste
Anströmeinrichtung), durch ausschließliche Bewegung
der Anströmeinrichtung (ortsfeste Ware) oder auch durch
gleichzeitige Bewegungen der Ware und der Anströmeinrichtung
erreicht werden. Alternativ kann die Relativbewegung auch durch
ausschließliche Bewegung der Gegenelektroden erreicht werden.
Insbesondere können die Ware oder die Anströmeinrichtungen oder
die Ware und die Anströmeinrichtungen in zwei zueinander
orthogonalen Richtungen (zweiachsig) parallel zu einer Behandlungsoberfläche
bewegt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind die Mittel zum Erzeugen der Relativbewegung so ausgebildet,
dass ausschließlich die Ware bewegt wird.
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Wird
die Ware bewegt, so wird diese Bewegung über ein Gestell,
an dem die Ware befestigt ist, auf die Ware übertragen.
Beispielsweise kann das Gestell über einen Antrieb und
eine exzentrische Aufhängung des Gestells bewegt werden.
Das Gestell kann auch zur Übertragung des Stromes auf die Ware
dienen. Dieses Gestell und damit die Ware sind derart zwischen den
Gegenelektroden und somit auch derart zwischen den Anströmeinrichtungen
angeordnet, dass eine mittige Plattenführung zwischen den
Gegenelektroden gewährleistet ist, so dass ein gleichmäßiger
Abstand zwischen Ware und Düsen über die komplette
Fläche gewährleistet ist.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist die Relativbewegung eine oszillierende Bewegung. Diese Ausführungsform
der Erfindung kann vor allem in den Ausgestaltungen angewendet werden,
in denen die Ware in Tauchbädern diskontinuierlich behandelt
wird. Vor allem kann die Ware oder können die Anströmeinrichtungen
oder können die Ware und die Anströmeinrichtungen
oder können auch die Gegenelektroden oszillierend bewegt
werden.
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In
diesem Falle kann insbesondere immer ein kompletter Bewegungszyklus
durchgeführt und beendet werden, um auch hinsichtlich des
Ablaufes der Führung eines Behandlungsmittelstrahles stets reproduzierbare
Verhältnisse zu schaffen.
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Die
Frequenz für die Relativbewegung beträgt üblicherweise
0,1–1 Hz, kann aber auch 0,01–10 Hz betragen.
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Weiterhin
können die Mittel zum Erzeugen der oszillierenden Relativbewegung
bevorzugt so ausgebildet sein, dass die Relativbewegung nicht ausschließlich
in einer sondern in zwei zueinander orthogonalen Richtungen stattfinden
kann. Insbesondere kann die Relativbewegung in einer Kreisbewegung
bestehen, so dass die Mittel zum Erzeugen der oszillierenden Relativbewegung
in diesem Falle so ausgebildet sind, dass die Relativbewegung in
einer Kreisbewegung bestehen kann. Vor allem kann die Ware oder
können die Anströmeinrichtungen oder können
die Ware und die Anströmeinrichtungen auf einer kreisförmigen
Bahn parallel zu einer Behandlungsoberfläche bewegt werden.
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Jede
Anströmeinrichtung weist mindestens eine Düse
auf. Unter einer Düse ist eine Öffnung zu verstehen,
aus der das Behandlungsmittel austritt, um die Ware anzuströmen.
In einem einfachen Fall handelt es sich dabei um eine Öffnung,
insbesondere Bohrung, in der Anströmeinrichtung. Die Düse
kann jedoch in jeder beliebigen Ausführungsform vorkommen,
beispielsweise in Form einer kompliziert konstruierten Komponente,
welche den Behandlungsmittelstrahl in einer gewünschten
Weise zu formen in der Lage ist.
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An
einer Seite der Ware gegenüberstehend können mehrere
Anströmeinrichtungen vorgesehen sein. Die Düsen
dieser Anströmeinrichtungen an einer Seite der Ware bilden
zusammen ein Düsenfeld. Unter einem Düsenfeld
ist eine Anordnung zu verstehen, bei der mindestens zwei Düsen
auf einer Anströmeinrichtung oder über mehrere
Anströmeinrichtungen verteilt sind. Ein Düsenfeld
kann mindestens so groß sein wie die zu behandelnde Fläche
auf der Ware, abzüglich des Bewegungsweges der Ware. Diese Ausführungsform
ist insbesondere für eine Betriebsweise interessant, bei
der die plattenförmigen Werkstücke zur Behandlung
in vertikaler Ausrichtung in ein Behandlungsbad eingetaucht werden
(Vertikaltechnik).
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Beispielsweise
können mehrere Düsen einer Anströmeinrichtung
oder mehrerer benachbarter Anströmeinrichtungen in einer
Düsenmatrix angeordnet sein, d. h. in einer im Wesentlichen
in Reihen und Spalten angeordneten Anordnung. Insbesondere können
auf einer Anströmeinrichtung, beispielsweise einem Düsenstock,
mehrere Düsenreihen angeordnet sein. Weiter bevorzugt können
benachbarte Düsen einer Anströmeinrichtung auf
Lücke angeordnet sein. Die Düsen können
aber auch in einer kreisförmigen oder andersartigen Anordnung
angeordnet sein. In einer stärker bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung besteht eine Düsenmatrix aus n × m Düsen,
wobei n und m ganze Zahlen in einem Bereich von größer
als 3 sind. Die Abstände zwischen mehreren Düsen
sind im Wesentlichen gleich groß, auch wenn benachbarte
Düsen auf unterschiedlichen Anströmeinrichtungen
angeordnet sind. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Düsen
kann weniger als 100 mm, weiter bevorzugt weniger als 50 mm und am
meisten bevorzugt weniger als 30 mm betragen Handelt es sich bei
einer Düse lediglich um ein Loch in der Anströmeinrichtung,
so kann der Lochdurchmesser kleiner als 5 mm, weiter bevorzugt kleiner
als 3 mm und am meisten bevorzugt kleiner als 2 mm sein. Der minimale
Durchmesser ist durch die Fertigungstechniken begrenzt.
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Die
Düsen im Randbereich des Düsenfeldes können
auch nach innen weisen. Sie können auch eine höhere
Lochdichte aufweisen als im inneren Bereich, um eine im Mittel gleichmäßigere
Anströmung zu erreichen.
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Die
Austrittsgeschwindigkeit des Behandlungsmittels an den Düsen,
gemessen an einer Düsenöffnung, beträgt
vorzugsweise mehr als 3 m/s, stärker bevorzugt mehr als
5 m/s und am meisten bevorzugt mehr als 8 m/s. Die aus den Düsen
austretende Strömung kann kontinuierlich oder gepulst sein.
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Es
sind auch geschlitzte Düsen und auch entsprechende geschlitzte
Löcher in den Gegenelektroden denkbar, wobei dann nur eine
eindimensionale Relativbewegung der Ware stattzufinden braucht. Dies
ist besonders geeignet für Ware, welche kontinuierlich
in eine Richtung transportiert wird, wie in einer Durchlaufanlage.
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Die
Anströmeinrichtung kann jede beliebige Form haben. In einer
einfachen Ausführungsform kann sie ein Rohr mit entlang
der Mantelfläche angebrachten Düsen sein. Oder
es kann sich dabei um plattenförmige oder auch quaderförmige
Körper handeln, die zur Führung des Behandlungsmittels
vorzugsweise als Hohlkörper ausgebildet sind. So können
die Anströmeinrichtungen beispielsweise quaderförmige
Einrichtungen sein, in deren einer Seitenfläche die Düsen
in Form von Öffnungen beispielsweise matrixartig angeordnet
sind (Strömungsregister). Die Anströmeinrichtungen
sind in der erfindungsgemäßen Vorrichtung insbesondere
so angeordnet, dass das Behandlungsmittel in Richtung der Ware abgegeben
wird.
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In
den Anströmeinrichtungen können darüber
hinaus Einbauten enthalten sein, die dazu dienen, die Führung
des Behandlungsmittels innerhalb einer Anströmeinrichtung
so zu beeinflussen, dass alle Düsen im Wesentlichen mit
dem gleichen Behandlungsmittel-Durchfluss beaufschlagt werden. Das
Behandlungsmittel kann entweder innerhalb der Anströmeinrichtungen
oder auch bereits vor dessen Eintritt in eine Anströmeinrichtung
in geeigneter Weise verteilt werden. Dabei ist es vorteilhaft, die
Strömungsgeschwindigkeit in den jeweiligen Zuleitungen zu
vergleichmäßigen. Auch dadurch wird eine Vergleichmäßigung
der Behandlungswirkung auf allen Oberflächenbereichen der
Ware erzielt, da dies zu einer vergleichmäßigten
Anströmung der Oberflächenbereiche auf einer Behandlungsoberfläche
führt. Eine derartige Vergleichmäßigung
der Zuführung von Behandlungsmittel zu allen Düsen
einer Anströmeinrichtung kann auch durch eine geeignete
Versorgung der Anströmeinrichtungen erreicht werden, etwa
indem mehrere Zuführungen zu einer Anströmeinrichtung
an verschiedenen Stellen der Einrichtung vorgesehen werden, um eine
gleichmäßige Versorgung aller Bereiche der Anströmeinrichtung
zu gewährleisten.
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Die
Strömungsgeschwindigkeit kann auch eingestellt werden,
um den Gesamtvolumenstrom des Behandlungsmittels zu steuern. Damit
können je nach Anforderung unterschiedliche Bedingungen
für die Anströmung eingestellt werden.
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Weiterhin
können die Anströmeinrichtungen insbesondere so
beschaffen sein, dass eine von einer Behandlungsoberfläche
weg gerichtete Strömung des Behandlungsmittels ermöglicht
ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das
von einer Anströmeinrichtung in einem Strahl auf die Behandlungsoberfläche
der plattenförmigen Ware gerichtete Behandlungsmittel an
der Behandlungsoberfläche reflektiert wird und der reflektierte Strahl
dann im Wesentlichen ungehindert in der entgegen gesetzten Richtung
weiterströmen kann, ohne von den Anströmeinrichtungen
behindert zu werden. Dies setzt naturgemäß voraus,
dass die Anströmeinrichtungen so dimensioniert und zueinander
angeordnet sind, dass zwischen den Anströmeinrichtungen
freie Querschnitte vorgesehen sind, durch die das reflektierte Behandlungsmittel
hindurch strömen kann. Hierzu können benachbarte
Anströmeinrichtungen in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zueinander beabstandet angeordnet sein. Dadurch kann
eine weitergehende Vergleichmäßigung der Behandlung
auf der Behandlungsoberfläche erreicht werden.
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Um
die Rückströmung weiter zu verstärken, können
insbesondere zentral auf der Rückseite der Anströmeinrichtungen
oder zwischen den Anströmeinrichtungen zusätzlich
Saugeinrichtungen, beispielsweise Saugstutzen oder Ansaugregister,
angeordnet sein. Diese Saugeinrichtungen können vorzugsweise
mit denselben Pumpen betrieben werden, die auch zur Versorgung der
Anströmeinrichtungen mit Behandlungsmittel dienen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
sind an jeder Seite der Ware gegenüberstehend angeordnete
und gleichzeitig betreibbare Anströmeinrichtungen vorgesehen.
Somit kann gewährleistet werden, dass die Strömung
im Bereich der Behandlungsoberfläche zeitlich im Wesentlichen
konstant ist, ohne diese wie bei
US-A 4 622 917 unterbrechen zu müssen.
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In
dieser Ausführungsform können die Anströmeinrichtungen
in einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
auch so angeordnet sein, dass die Anströmung auf der Vorderseite
und der Rückseite der Ware auf Lücke erfolgt.
Dies kann insbesondere durch auf Lücke angeordnete Düsen auf
den beiden Seiten der Ware erreicht werden. Dies dient vor allem
dazu, Durchgangslöcher effektiv zu behandeln. Besonders
dünne Platten und folienartige Ware kann so gut behandelt
werden, da durch die gleichmäßige Strömungsverteilung
die Gesamtkräfte auf Vorder- und Rückseite gleich
groß sind und somit die Folie nicht aus der Ebene herausbewegt
wird. Andererseits besitzen kleine eng begrenzte aber ständig
wechselnde Bereiche unterschiedlichen Druck auf Vorder- und Rückseite,
so dass eine effektive Lochdurchströmung und Behandlung
möglich ist.
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Die
Anströmeinrichtungen auf Vorder- und Rückseite
können mit jeweils eigenen Pumpen versorgt werden.
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Insbesondere
die Anzahl der Düsen in den Anströmeinrichtungen
bzw. die Anzahl der Düsen je Flächeneinheit in
einer Anströmeinrichtung, ferner die Anordnung der Düsen,
die mit jeder Düse auf der Ware angeströmte individuelle
Behandlungsoberfläche, die sich aus der Strahlgeometrie
ergibt, und die Relativbewegung zwischen der Ware und einer Anströmeinrichtung
stehen in einem derartigen Verhältnis zueinander, dass
innerhalb eines Bewegungszyklus' der Relativbewegung (beispielsweise
innerhalb einer kompletten Kreisbahn der bewegten Ware, oder überlagerten
Kreisbahnen) jeder Flächenbereich der Ware (bzw. eines
Nutzens bei Leiterplat ten) mindestens einmal angeströmt
wird. Auf diese Weise kann eine zeitlich gemittelte, ausreichend
gleichmäßige Anströmung der Ware erreicht
werden.
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Mit
den vorgenannten Maßnahmen ist es ohne weiteres möglich,
alle Bereiche auf mindestens einer Behandlungsoberfläche
im zeitlichen Mittel jeweils mit der gleichen Menge (±30%)
des Behandlungsmittels zu beaufschlagen, wobei darunter eine Konstanz
innerhalb eines Bereiches von ≤ ±30% (bezogen
auf einen ungewichteten Mittelwert), vorzugsweise von ≤ ±20%
und besonders bevorzugt von ≤ ±10% zu verstehen
ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise
so dimensioniert und ausgebildet, dass lediglich ein Warenstück
darin behandelt werden kann. Dies führt dazu, dass die
Behandlungswirkung an allen behandelten Werkstücken ebenfalls
im Wesentlichen konstant ist.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
kann die Einrichtung zum Halten der Ware gleichzeitig zur Übertragung
des Stromes auf die Ware ausgebildet sein.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
können Einrichtungen vorgesehen sein, mit denen die Ware
beim Einfahren in die oder beim Ausfahren aus der Vorrichtung mit
einem elektrischen Potential beaufschlagbar ist
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorzugsweise
so ausgebildet sein, dass sie sowohl mittels Gleichstrom als auch
mittels Pulsstrom mit allen denkbaren Ausformungen betreibbar ist.
Im Betrieb kann die typische mittlere Stromdichte für die
Abscheidung von Kupfer ≥ 5 A/dm2,
vorzugsweise maximal 15 A/dm2, für
den Vollflächenaufbau und ≥ 4 A/dm2,
vorzugsweise maximal 10 A/dm2, für
den Leiterbahnaufbau betragen. Im Falle von Pulsstrom kann die typische
Spitzenstromdichte bis zu 15 A/dm2, vorzugsweise
maximal 60 A/dm2, für den Vollflächenaufbau
und bis zu 10 A/dm2, vorzugsweise maximal
60 A/dm2, für den Leiterbahnaufbau
betragen.
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Zur
weiteren Vergleichmäßigung der Behandlungswirkung
können im Randbereich der Ware insbesondere Blenden angebracht
sein. Diese können umlaufend angeordnete Leisten sein.
Sie können parallel oder senkrecht zu einer durch die plattenförmige
Ware definierten Ebene angeordnet sein. Diese Blenden dienen zur
Optimierung der Feldlinienverteilung und/oder der Anströmung.
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An
der erfindungsgemäßen Vorrichtung können
Benetzungsdüsen vorgesehen sein, die beim Einfahren der
Platten betrieben werden, um kleine Löcher sicher zu benetzen.
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In
einer ersten Variante der Vertikaltechnik kann ein Düsenfeld
mit Düsen durch eine oder mehrere Anströmeinrichtungen
gebildet werden, wobei die Düsen runde oder elliptische
Anströmflächen erzeugen und die Abstände
zwischen den Düsen in eine Richtung des Düsenfeldes
im Wesentlichen gleich groß (30%: Varianz) und in einer
anderen Richtung des Düsenfeldes auch im Wesentlichen gleich
groß (30%: Varianz) sind. In diesem Falle kann ein Düsenfeld
aus einer Matrixanordnung von mindestens 4 × 4 Düsen,
vorzugsweise mindestens 7 × 7 Düsen, bestehen.
Die Relativbewegung, vorzugsweise die ausschließliche Bewegung
der Ware parallel zur Behandlungsoberfläche, ist vorzugsweise zweidimensional,
d. h. findet in zwei Richtungen statt. Um eine Strömung
in zur Strahlrichtung der Düsen entgegen gesetzter Richtung
zuzulassen, kann zwischen benachbarten Anströmeinrichtungen
jeweils ein freier Querschnitt vorgesehen sein, durch den eine Strömung
weg von der Ware, d. h. in Gegenrichtung zur Düsenströmung,
ermöglicht wird.
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In
einer zweiten Variante der Vertikaltechnik kann ein Düsenfeld
mit Düsen ebenfalls durch eine oder mehrere Anströmeinrichtungen
gebildet werden, wobei die Düsen in diesem Falle jedoch
linienförmige Anströmflächen (beispielsweise
ist die Länge mehrfach größer als deren
Breite) erzeugen und die Abstände zwischen den Düsen
quer zur Anströmrichtung im Wesentlichen gleich groß sind
(30%: Varianz). In diesem Falle kann ein Düsenfeld aus
mindestens drei, bevorzugt mindestens sieben Düsen bestehen.
Die Relativbewegung und vorzugsweise die Bewegung der Ware findet
vorzugsweise ausschließlich in einer Richtung (eindimensional)
statt. Wie im Falle der ersten Variante kann zwischen benachbarten
Anströmeinrichtungen jeweils ein freier Querschnitt vorgesehen
sein, durch den eine Strömung weg von der Ware, d. h. in
Gegenrichtung zur Düsenströmung, ermöglicht
wird, um eine Strömung in zur Strahlrichtung der Düsen
entgegen gesetzter Richtung zuzulassen.
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De
Abstand der Düsenöffnung zur Plattenoberfläche
beträgt vorzugsweise maximal 100 mm, weiter bevorzugt maximal
60 mm und am meisten bevorzugt maximal 40 mm.
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Grundsätzlich
kann die vorliegende Erfindung auch für die Behandlung
von plattenförmigen Werkstücken in einer Durchlaufanlage
angewendet werden, in der die Werkstücke entweder in vertikaler oder
horizontaler Ausrichtung in horizontaler Richtung kontinuierlich
befördert werden (Horizontaltechnik). Für diese
Technik werden dieselben Merkmale für die Durchführung
der Erfindung gewählt wie für die Vertikaltechnik,
wobei aber die Relativbewegung durch eine ausschließlich
eindimensionale Warenbewegung realisiert ist. Dabei handelt es sich
um den kontinuierlichen Plattentransport.
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Zur
weiteren Veranschaulichung wird die Erfindung an Hand der folgenden
Figuren näher erläutert. Es zeigen im Einzelnen:
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1:
eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße
Vorrichtung zum elektrolytischen Metallisieren;
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2:
eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung;
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3:
eine Seitenansicht einer Anströmeinrichtung.
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Gleiche
Bezugsziffern in den Figuren bezeichnen dieselben Elemente.
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In 1 ist
eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung
mit vier Anströmeinrichtungen 10 (10.1, 10.2, 10.3, 10.4)
gezeigt, die an einem Gestell 20 gehalten sind. Das Gestell 20 dient außerdem
zur Zuführung von Behandlungsmittel zu den Anströmeinrichtungen 10 (siehe
Pfeil, der den Einritt des Behandlungsmittels in das Gestell 20 darstellt).
An den Anströmeinrichtungen 10 sind Düsen 15 (15.1, 15.2, 15.3, 15.4)
vorgesehen. Von den Düsen 15 gehen Behandlungsmittelstrahlen
aus, die durch die jeweiligen Pfeile symbolisiert werden.
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Das
Behandlungsmittel wird auf eine Leiterplatte L gefördert
und trifft dort auf die Behandlungsoberfläche auf. Die
Leiterplatte L ist in einer ersten Halterung 40 und einer
zweiten Halterung 42 mit einem Auflager 44 gehalten,
wobei die zweite Halterung 42 angetrieben wird, so dass
die Halterungen 40, 42 eine kreisförmige
Bewegung parallel zur Behandlungsoberfläche der Leiterplatte
L ausführen. Das Auflager 44 steht mit einem (hier
nicht gezeigten) Exzentermotor in Verbindung. Dies ist schematisch
an Hand des Pfeiles R dargestellt. Dadurch führt die Leiterplatte
L eine Bewegung relativ zu den Anströmeinrichtungen 20 aus.
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Zwischen
den Anströmeinrichtungen 10 und der Leiterplatte
L befindet sich eine Gegenelektrode 30, die im vorliegenden
Fall als Anode polarisiert ist. Diese Anode 30 weist mehrere Öffnungen 35 (35.1, 35.2, 35.3, 35.4)
auf, die mit den Düsen 15 der Anströmeinrichtungen 10 fluchten,
so dass die Behandlungsmittelstrahlen durch sie ungehindert hindurch treten
können. Die Anode 30 besteht aus mehreren Lagen
eines Streckmetalls.
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In 2 ist
die Vorrichtung von 1 in der Seitenansicht gezeigt.
Aus dieser Darstellung ist gut zu erkennen, dass die Öffnungen 35 in
der Anode 30 mit den Düsen 15 fluchten.
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In 3 ist
eine einzelne Anströmeinrichtung 10 dargestellt,
die zwei Reihen von Düsen 15 aufweist. Die Düsen 15 sind
lediglich Öffnungen in der Anströmeinrichtung 10,
die eine längliche Form aufweisen, so dass die Anströmfläche
auf der Ware eine Linienform aufweist. Mehrere derartiger Anströmeinrichtungen 10 können
in einer Behandlungsvorrichtung einer Seite der Leiterplatte L gegenüberstehend
angeordnet sein und zwar indem deren Längsseiten zueinander
beabstandet und parallel zueinander liegen. Durch die Düsen 15 in
beispielsweise acht derartigen Anströmeinrichtungen 10 wird
ein Düsenfeld gebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4622917
A [0007, 0050]
- - DE 4133561 A1 [0008]
- - DE 4322378 A1 [0009]