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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Konservierung von Metalloberflächen und Gegenstände oder
Werkstücke
mit entsprechend konservierten Oberflächen.
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Metalloberflächen hoher Güte spielen
auf zahlreichen technischen Anwendungsgebieten eine große Rolle.
Insbesondere in der Mikroelektronik führt die fortschreitende Miniaturisierung
elektronischer Bauteile zu immer höheren Anforderungen an die
Oberflächengüte, als
unabdingbare Voraussetzung zur Erzielung der notwendigen hohen Ausbeuten
in den mikroelektronischen Bearbeitungsprozessen. In diesem Zusammenhang
wirken sich nicht nur feinste Verunreinigungen, wie z.B. durch Öle oder Fette,
sondern auch dünne
Oxidschichten sehr nachteilig aus, die sich während der Lagerung und des Transports
von Werkstücken
nahezu unvermeidlich auf der Oberfläche bilden. Bei Kupferlegierungsbändern zur
Fertigung von Elektronikkomponenten beispielsweise fallen leichte
Oxidschichten aufgrund einer rötlichen
Verfärbung
sofort auf und beeinflussen bei den erforderlichen Löt-, Bond-
oder Klebearbeiten die Haftfestigkeit negativ. Diese Oxidschichten
stellen gerade bei langen Transport- und Lagerzeiten ein großes Problem
dar, das in der industriellen Praxis eine ansonsten überflüssige Nachreinigung
der Bänder
in einer Beize erforderlich macht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht daher in der Schaffung eines Verfahrens zur Konservierung
von Metalloberflächen,
durch das insbesondere eine Oxidation oder ein Anlaufen der Oberflächen zuverlässig verhindert
oder zumindest jedoch stark abgeschwächt oder verringert wird, ohne
dass die Oberfläche
hierbei angegriffen oder in ihren gewünschten anwendungstechnischen
Eigenschaften verändert
wird. Das gesuchte Verfahren soll insbesondere eine einfache und
kostengünstige
Konservierung von Metalloberflächen
ermöglichen,
die Kupfer, Nickel, Silber oder deren Legierungen umfassen, so dass
es auch für
elektronische, insbesondere mikroelektronische, Anwendungen geeignet
ist, bei denen die Bereitstellung und Bearbeitung entsprechender
Oberflächen
mit einer sehr hohen Oberflächengüte für zahlreiche
Anwendungsgebiete von größter Bedeutung
ist. Zur Gewährleistung
hinreichend hoher Ausbeuten soll es zudem eine kontinuierliche oder
zumindest quasi-kontinuierliche Verarbeitung im Durchlauf ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Metalloberflächen
einer Plasmabehandlung in einer CO2- und/oder
N2-haltigen Reaktivgasatmosphäre unterzogen
werden. Die genannten Gase können
hierbei entweder jeweils für sich
oder aber auch in beliebigen Mischungsverhältnissen untereinander verwendet
werden. Es sind jedoch auch Mischungen mit anderen Gasen, wie z.B. Argon,
möglich.
Praktischerweise können
hierbei einfach Gase aus handelsüblichen
Gasflaschen eingesetzt werden.
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Diese erfindungsgemäße Plasmabehandlung
der Metalloberflächen
bewirkt eine nachhaltige Unterdrückung
der ansonsten auf der Oberfläche üblicherweise
ablaufenden Oxidationsreaktionen und führt damit zu einer Konservierung
der Oberflächen, ohne
dass diese angegriffen oder in ihren anwendungstechnischen Eigenschaften
nachteilig verändert
werden. Es führt
hierbei nicht nur bei üblichen Umgebungsbedingungen
zu einem zuverlässigen Oxidationsschutz
der Oberflächen,
sondern verhindert oder verzögert
zumindest auch bei höheren Temperaturen
nachhaltig ein Anlaufen, d.h. Oxidieren, der Oberflächen. So
sind erfindungsgemäß konservierte
Neusilber- und Kupfer-Oberflächen
beispielsweise bei 200 °C
für zumindest
1 Stunde und bei 250 °C
für zumindest
5 min anlaufbeständig.
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Darüber hinaus bewirkt die Plasmabehandlung
auch eine (an sich bereits bekannte) erwünschte Reinigung der Oberflächen von
organischen Verunreinigungen und führt damit auch dadurch zu einer spürbaren Verbesserung
der Oberflächengüte für nachfolgende
Be- oder Verarbeitungsprozesse,
so dass zusätzliche
Reinigungsschritte zur Beseitigung dieser unerwünschten Verunreinigungen entfallen. Bezüglich näherer Informationen
zu diesen Reinigungseffekten durch eine Plasmabehandlung sei an dieser
Stelle beispielhaft auf die
DE
43 32 866 A1 verwiesen, deren Informationsgehalt hiermit
voll umfänglich
in die vorliegenden Unterlagen mit aufgenommen wird.
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Das erfindungsgemäße Konservierungsverfahren
ist insbesondere für
Metalloberflächen
geeignet, die Kupfer, Nickel, Silber oder deren Legierungen umfassen,
so dass es für
zahlreiche elektronische und mikroelektronische Anwendungen geeignet ist,
wie z.B. die Konservierung von Kupferlegierungs-Trägerbändern zur
Herstellung von Elektronikkomponenten (Dioden, ICs, Schalter, usw.)
oder auch von Leiterplatten. Es kann jedoch auch für andere
Metalle oder Metalllegierungen nutzbringend verwendet werden. Diese
können
gegebenenfalls auch auf einer nicht-metallischen Unterlage, wie
z.B. ein Kunststoff-(Endlos-)Band,
aufgebracht sein.
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Zur Steigerung der Oberflächenreaktionen lässt man
das Reaktivgas vorzugsweise relativ zur Oberfläche strömen, um entstehende Reaktionsprodukte
abzuführen
und neues Gas an die Oberfläche heranzuführen. Hierbei
hat sich eine Strömungsgeschwindigkeit
zwischen etwa 0,05 und 1 m/s bewährt.
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Zur konservierenden Plasmabehandlung
der Metalloberflächen
können
prinzipiell alle herkömmlichen
Plasmaverfahren, wie z.B. eine Plasmabehandlung in einer Vakuum-Plasma-Anlage, eingesetzt werden.
Vorzugsweise wird aus wirtschaftlichen Gründen jedoch eine Dielektrische-Barriereentladung
(DBE) verwendet, die ohne größeren technischen
Aufwand und damit wirtschaftlich sehr günstig unter Atmosphärendruck
und bei Umgebungstemperatur durchgeführt werden kann. Bei einer
solchen Dielektrischen-Barriereentladung,
die auch dielektrisch behinderte Entladung oder stille Entladung
genannt wird, wird das Werkstück
mit der zu konservierenden Oberfläche einer Korona-Entladung
ausgesetzt, die zwischen einer Entladungselektrode und einer Gegenelektrode
erfolgt, von denen zumindest eine dieelektisch bezüglich des
zwischen ihnen gebildeten Entladungsraums isoliert ist.
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Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird die zu behandelnde Metalloberfläche geerdet und als Gegenelektrode
für zumindest
einer Entladungselektrode verwendet, die dielektrisch bezüglich des
Entladungsspaltes für
eine direkte Dielektrische-Barriereentladung zwischen den beiden
Elektroden isoliert ist. Damit ist sichergestellt, dass sich auf
der Metalloberfläche
kein Spannungspotential aufbaut, so dass sie während des Konservierungsprozesses
gegebenenfalls problemlos berührt
werden kann. Als Entladungselektrode wird hierbei insbesondere eine
Formelektode verwendet, welche die Oberflächenkonturen der zu behandelnden
Oberfläche
plan-parallel wiedergibt.
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Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
kann die Plasmabehandlung jedoch auch durch eine direkte Dielektrische-Barriereentladung
in einem Entladungsraum oder Entladungsspalt zwischen planparallelen
Elektroden erfolgen, von denen zumindest eine elektrisch isoliert
ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Glaselektrode handeln,
die auf einer Seite mit einer leitfähigen Schicht versehen ist.
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Die Plasmabehandlung kann erfindungsgemäß jedoch
auch durch eine indirekte Dielektrische-Barriereentladung erfolgen,
bei der die Entladungen benachbart zu der zu behandelnden Oberfläche erfolgen
und durch das jeweils eingesetzte anströmende Reaktivgas, beispielsweise
durch sogenannte Plasmadüsen,
mit der Oberfläche
in Kontakt gebracht werden.
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Als Dielektrikum wird neben dem bereits
genannten Glas üblicherweise
auch Keramik verwendet.
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Zur Erzeugung der dielektrischen
Barriereentladungen wird typischerweise eine Spannung zwischen etwa
1 und 10 kV, insbesondere jedoch etwa 5 kV, mit einer Frequenz zwischen
etwa 20 und 200 kHz, insbesondere etwa 30 kHz, verwendet. Anstelle der
Hochfrequenz kann in einer entsprechenden Vorrichtung jedoch auch
eine wesentlich niedrigere Frequenz zwischen etwa 50 und 60 Hz eingesetzt
werden.
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Die Konservierung der zu behandelnden Oberflächen erfolgt
hierbei aus wirtschaftlichen Gründen
vorzugsweise kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich im Durchlauf.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere
zur Konservierung metallischer Bänder,
insbesondere metallische Stanzgitter als Bandmaterial (Kontakte,
Leadframes oder Trägerbänder, Drähte) zur
Fertigung von elektronischen Bauteilen (auf Stanzgitter gebondete
Halbleiter-Bauelemente, Schalter oder Schaltkontakte usw.) in den heute üblichen
Verarbeitungsformen. Diese Bänder können einfach
als Endlosband unter Umgebungsbedingungen kontinuierlich durch eine
mit einem Reaktivgas der genannten Art gefüllte geeignete Plasmabehandlungsvorrichtung
geführt
und dort auf einfache und sehr kostengünstige Art und Weise gegen Oxidationseinflüsse konserviert
werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
jedoch auch eine sehr wirtschaftliche Konservierung von Bandstreifen
(Cut Strips) von typisch etwa 100 – 300 mm Länge sowie eine quasi-kontinuierliche
Verarbeitung von Einzelteilen, wie z.B. hintereinander angeordnete
Leiterplatten oder elektronische Abschirmungsgehäuse, im Durchlauf. Diese können beispielweise
auf einem geeigneten Kunststoff-Band aufgebracht sein.
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Durch das erfindungsgemäße Plasmabehandlungsverfahren
lassen sich für
zahlreiche Anwendungsgebiete auf einfache und kostengünstige Art
und Weise Werkstücke
mit entsprechend konservierten Metalloberflächen herstellen. Die Oberflächen umfassen
hierbei vorzugsweise Kupfer, Nickel, Silber oder deren Legierungen,
wie z.B. Neusilber.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und
Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich nicht nur aus den
zugehörigen
Ansprüchen – für sich und/oder in
Kombination – sondern
auch aus der nachfolgenden Beschreibung dreier bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den zugehörigen
Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Oberflächenkonservierung
mittels einer direkten Dielektrischen-Barriereentladung;
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2 eine
schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Oberflächenkonservierung
mittels einer direkten Dielektrischen-Barriereentladung; und
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3 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Oberflächenkonservierung mittels einer
indirekten Dielektrischen-Barriereentladung.
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1 zeigt
ein Kupferlegierungsband 10 als Werkstück, das in Form eines Endlosbandes
bei Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck mit etwa 1 m/min in Richtung
des Pfeils 12 von rechts nach links bewegt wird. Das Kupferlegierungsband 10 ist
geerdet, so dass sich während
des Konservierungsprozesses auf der Metalloberfläche 10a kein Spannungspotential
aufbauen und es von einer Bedienungsperson problemlos berührt werden
kann, um gegebenenfalls in den Verarbeitungsprozess einzugreifen.
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Gegenüberliegend zu dem Kupferlegierungsband 10 befindet
sich eine parallel dazu angeordnete Entladungselektode 14,
die mit dem Kupferlegierungsband 10 einen schmalen dielektrischen Entladungsraum
oder Entladungsspalt 16 von etwa 2 mm Höhe bildet.
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In dem Entladungsspalt 16 strömt reines
CO2 aus einer (nicht dargestellten) Reaktivgas-Versorgungseinrichtung,
wie z.B. eine handelsübliche
Gasflasche, in Richtung des Pfeils 18 von links nach rechts
durch den Entladungsspalt 16, um entstehende Reaktionsprodukte aus
dem Entladungsspalt 16 abzuführen und frisches Kohlendioxid
an die zu konservierende Oberfläche 10a heranzuführen. Die
Strömungsgeschwindigkeit
beträgt
hierbei etwa 0,1 m/s. Je nach Anwendungszweck kann dieser Wert jedoch in
gewissen Bereichen variieren. So können bei manchen Anwendungen
beispielsweise auch geringere Strömungsgeschwindigkeiten von
bis zu etwa 0,05 m/s und weniger oder auch höhere Strömungsgeschwindigkeiten von
bis zu etwa 1 m/s und mehr eingestellt werden. Anstelle des Kohlendioxids
kann auch Stickstoff aus handelsüblichen
Gasflaschen oder eine CO2/N2-Mischung mit einem
beliebigen Mischungsverhältnis
verwendet werden. Zudem ist auch die Zudosierung anderer Gase, wie
z.B. Ar, möglich.
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Die Entladungselektode 14 umfaßt eine
etwa 5 mm dicke Glasscheibe 14a (wobei jedoch gegebenenfalls
auch eine Keramikscheibe als Dielektrikum verwendbar ist) mit einer
rückseitig
aufgebrachten leitenden Schicht 14b, an der eine hochfrequente Wechselspannung
von typischerweise etwa 5 kV und einer Frequenz von typischerweise
etwa 30 kHz anliegt. Bei dieser Hochfrequenzspannung werden in dem
Entladungsspalt 16 zwischen der Glasscheibe 14a und
der Oberfläche 10a des
Kupferlegierungsbandes 10 elektrische Entladungen gezündet, die
als Entladungsfilamente 20 dargestellt sind. Diese Entladungsfilamente 20 zünden durch
die anliegende Wechselspannung ständig neu und an anderer Stelle,
so dass in dem Entladungsspalt 16 im zeitlichen Mittel
ein räumlich
homogenes Plasma vorhanden ist. Dieses Plasma wechselwirkt mit der
Oberfläche 10a des
Kupferlegierungsbandes 10 und konserviert diese selbst
bei höheren
Umgebungstemperaturen zuverlässig
gegen die Bildung einer unerwünschten Oxidationsschicht
oder gegen ein Anlaufen, ohne dass die Oberfläche 10a hierbei angegriffen
oder in ihren gewünschten
anwendungstechnischen Eigenschaften für nachfolgende mikroelektronische
Be- oder Verarbeitungsprozesse nachteilig verändert würde. Hierdurch entfällt eine
im Stand der Technik an sich üblicherweise
erforderliche vorgeschaltete Reinigung der Metalloberfläche 10a von
zwischenzeitlich gebildeten Oxidschichten.
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Wie bereits erwähnt, bewirkt die Plasmabehandlung
zudem auch eine sehr erwünschte
zusätzliche
Reinigung der Metalloberfläche 10a von
eventuell anhaftenden organischen Verunreinigungen, wie z.B. Öle oder
Fette, und führt
damit nicht nur zu einer entsprechenden Verbesserung der Oberflächengüte, sondern
macht auch zusätzliche
Reinigungsschritte zur Beseitigung dieser organischen Verunreinigungen überflüssig.
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2 zeigt
eine beispielhafte, zweiseitige erfindungsgemäße Oberflächenkonservierung eines Kupferlegierungsbandes 10,
das wieder mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 m/s von einer Abwickelhaspel 22 über zwei
beanstandete gegensinnig drehende Umlenkhaspeln 24a, 24b auf
eine Aufwickelhaspel 26 aufgewickelt wird. Beabstandet
zu den beiden Umlenkhaspeln 24a, 24b sind jeweils
drei dielektrisch isolierte Entladungselektroden 14 angeordnet, wobei
sich die der Umlenkhaspel 24a zugeordneten drei Entladungselektroden 14 oberhalb
der Umlenkhaspel 24a und die der Umlenkhaspel 24b zugeordneten
drei Entladungselektroden 14 unterhalb der Umlenkhaspel 24b befinden.
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Die beiden Umlenkhaspeln 24a und 24b bilden
mit den ihnen jeweils zugeordneten drei Entladungselektroden 14 je
einen Entladungsraum 16a, 16b, durch die man jeweils
aus einer (nicht dargestellten) Gasversorgungseinrichtung in Richtung
der Pfeile 18 Stickstoff einströmen lässt, um entstehende Reaktionsprodukte
aus den beiden Entladungsräumen 16a, 16b abzuführen und
frischen Stickstoff an die zu konservierende Oberflächen 10a heranzuführen. Die
Strömungsgeschwindigkeit
beträgt
hierbei wiederum etwa 0,1 m/s. Anstelle des Stickstoffs kann auch
Kohlendioxid aus handelsüblichen
Gasflaschen verwendet werden. Gegebenenfalls können auch Mischungen beider
Gase eingesetzt werden.
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Das Kupferlegierungsband 10 wird
nun so über
der ersten und unter der zweiten Umlenkhaspel 24a bzw. 24b durch
dien ersten und zweiten Entladungsraum 16a bzw. 16b geführt, dass
in dem ersten Entladungsraum 16a zunächst seine Oberseite und dann
in dem zweiten Entladungsraum 16b seine Unterseite mit
den elektrischen Entladungen 20 wechselwirkt, die durch
Anlegen einer geeigneten Hochfrequenzspannung an die Entladungselektroden 14 in
den beiden Endladungsräumen 16a, 16b erzeugt werden.
Hierdurch wird das Kupferlegierungsband 10 beidseitig mit
einem erfindungsgemäßen Oberflächenschutz
gegen eine Oxidation oder ein Anlaufen versehen.
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Die Plasmabehandlung einer zu konservierenden
Werkstückoberfläche kann
erfindungsgemäß jedoch
auch durch eine direkte Dielektrische-Barriereentladung zwischen
planparallelen Elektroden erfolgen, von denen wiederum zumindest
eine bezüglich
eines zwischen ihnen gebildeten dielektrischen Entladungsraums elektrisch
isoliert ist. Als Elektroden können
hierbei beispielsweise wiederum Glas- oder Keramikscheiben dienen,
die auf ihrer jeweils abgewandten Seite mit einer leitfähigen Schicht
versehen sind. Das zu konservierende Werkstück wird hierbei einfach in
den Entladungsraum zwischen den beiden Entladungselektroden eingeführt.
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Dreidimensionale Werkstücke können beispielsweise
jedoch auch in einer Formelektrode angeordnet werden, welche die
Konturen des Werkstücks
plan-parallel wiedergibt.
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3 veranschaulicht
beispielhaft die erfindungsgemäße Oberflächenkonservierung
eines Werkstücks 10 mit
einer Metalloberfläche 10a mittels einer
indirekten Dielektrischen-Barriereentladung. Benachbart
zu der zu konservierenden Metalloberfläche 10a sind eine
Entladungselektrode 14 mit einer zugeordneten Gegenelektrode 14' angeordnet,
wobei die Entladungselektrode 14 bezüglich eines zwischen den Elektroden 14, 14' gebildeten
lektrischen Entladungsraums 16 durch ein Dielektrikum 14a elektrisch
isoliert ist. An der Entladungselektrode 14 liegt wiederum
eine Hochfrequenzspannung der genannten Art an, so dass in dem Entladungsraum 16 ständig elektrische
Entladungen gezündet
werden. Diese Entladungen werden durch Kohlendioxid, das in Richtung
des Pfeils 18 durch den Entladungsraum 16 gegen
die Metalloberfläche 10a strömt, mit
der Metalloberfläche 10a in
Kontakt gebracht, mit der sie wiederum auf die bekannte Art und
Weise wechselwirken und dadurch die gewünschte Oberflächenkonservierung
bewirken.