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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 × 10
3 Pa bis einschließlich
2,66 × 10
5 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nach
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die
Hilfselektrode zur Gewährleistung des kalten, nichtthermischen
Charakters der Gasentladung elektrisch nicht fixiert bzw. definiert.
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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.
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Die
Erfindung soll nachstehend an Hand von Zeichnungen beispielhaft
noch näher erläutert werden.
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung eines Plasma-Jets
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2 eine
weitere bevorzugte Ausführungsform einer Hilfselektrode
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3 eine
nochmals weitere bevorzugte Ausführungsform der Hilfselektrode.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006012100
B3 [0004]
- - DE 69303527 T2 [0006]