DE19539866C2 - Vorrichtung zur chemischen oder elektrolytischen Oberflächenbehandlung plattenförmiger Gegenstände - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine grundlegende Zielsetzung bei Oberflächenbehandlungsvorrich­ tungen wie z. B. Galvanikbädern, die zur Beschichtung von plattenähnlichen Gegenständen wie z. B. Leiterplatten dienen, besteht in der Erzielung einer gleichmäßigen Oberflächenqualität, z. B. einer guten Schichtdickenverteilung auf der Gesamtoberfläche der zu beschichtenden Platte. Im Falle von Leiterplatten sind hierbei insbesondere die Bohrlöcher kritisch, deren Innenwandungen möglichst ebenfalls mit einer Schichtdicke versehen sein sollten, die möglichst nahe an der durchschnittlichen Kupferschichtdicke im Oberflächenbereich liegen sollte.

Eine weitere Zielsetzung liegt allgemein darin, die Wirkung der elektrolytischen oder chemischen Prozesse, also z. B. die Abscheidung in einem Galvanikbad insgesamt zu intensivieren und zu beschleunigen, wobei es bei Galvanikbädern zum Stand der Technik gehört (beispielsweise DE 44 05 741 C1), den Elektrolyten mittels geeigneter Rohrvorrichtungen an den zu beschichtenden Leiterplatten im Galvanikbad vorbei zu bewegen, um eine größere Abscheidegeschwindigkeit zu erreichen. Mit zunehmender Wirkung dieses Prinzips steigt jedoch der Pumpaufwand zur Zwangsdurchführung des Elektrolyten durch das Galvanikbad auf unwirtschaftliche Werte. Darüber hinaus führt der erhöhte Pumpenergieaufwand zu zunehmender Wärmeentwicklung, die sich in einer zusätzlichen Wärmezufuhr zum Galvanikbad auswirkt, deren Abfuhr wiederum zusätzlichen Energieaufwand erforderlich macht.

Ein anderer Gedanke zur Intensivierung und zur Beschleunigung der Abläufe im Galvanikbad, die z. B. zur Beschichtung von Leiterplatten dient, ist aus der EP 0 420 640 A1 bekannt; ausgehend von dem bekannten Effekt, daß ein bewegter Elektrolyt Kathodenstromdichten von dem zwei- bis dreifachen bei unbewegtem Elektrolyt erlaubt, wird dort vorgeschlagen, Luftblasen beidseits des zu beschichtenden Gegenstandes vorbeizuführen, die aus einem Behälter unterhalb des Galvanikbades austreten und zum gewünschten Bewegungseffekt führen. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung dienen allerdings die Luft­ blasen im wesentlichen dazu, einen Umwälzeffekt der Elektrolyt­ flüssigkeit zu erzielen, derart, daß die Elektrolytflüssigkeit an dem zu beschichtenden Gegenstand entlang nach oben steigt und in den Wandungsbereichen des Elektrolytbehälters wieder nach unten fällt, womit dann der Kreislauf wieder aufs Neue beginnt.

Der Einsatz von Strömungsgittern im Bereich der Elektrolyse-Tech­ nologie ist bereits vorgesehen worden (EP 0 481 576 B1), um bei einem Membran-Elektrolysemodul eine zwangsgeführte Elektrolytbe­ wegung direkt an der Membranoberfläche über die gesamte Membran­ fläche zu erzeugen. Hierbei wird besonders hervorgehoben, daß die eingeblasene Luft, bedingt durch diese Leitgitter, nur wenig in das Elektrolyt-Innere vordringen kann, Zweck der Leitgitter ist es, ein Belegen der Membrane mit störenden Reaktionsprodukten, wie z. B. organischer Zusätze, zum Elektrolyten zu vermeiden. Eine unmittel­ bare Auswirkung auf die Elektrode ist somit nicht gegeben.

Die Ausnutzung von Strömungseffekten bei elektrolytischen Prozessen ist auch Gegenstand der DD 2 85 127 B5, wo es um die Gestaltung von Elektroden geht, die für Gas entwickelnde elektrolytische Prozesse aus einer Mehrzahl im wesentlichen parallel zueinander angeordneter Elektrodenelemente bestehen. Dort sind an den Elektrodenelementen Profilierungen vorgesehen, die eine schnellere Abfuhr des Reaktions­ gases ermöglichen sollen; solche Profilierungen rufen einen Kapillareffekt hervor, beispielsweise können stegartige Profilie­ rungen auf den Elektrodenelementen vorgesehen sein. Auf Strömungs­ zellen, die zur Oberflächenbehandlung plattenförmiger Gegenstände dienen sollen, ist diese Konzeption nicht übertragbar.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die betriebskennzeichnenden Parameter eines Bades durch eine Weiterbildung der Führung der zur Oberflächenbehandlung eingesetzten Prozeßflüssigkeit weiter zu verbessern. Im Falle eines Galvanikbades soll insbesondere hohe Abscheidungsgeschwindigkeiten bei kurzen Galvanisierstrecken möglichst hohe Stromdichten, eine möglichst gleichmäßige Schichtdickenverteilung und ein geringer Energieaufwand zur Umwälzung des Elektrolyten erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das Erfindungsprinzip der Luftzumischung in Verbindung mit der Ausgestaltung der Führungselemente als Strömungsgitter bewirkt, daß die austretenden Luftblasen versuchen, auftriebsbedingt möglichst schnell das Strömungsgitter nach oben zu passieren und somit die umgebende Prozeßflüssigkeit mit sich reißen. Das Verhältnis zwischen dem Aufwand der Zwangsführung der Prozeßflüssigkeit zur Optimierung der Verfahrensparameter und dem hierfür erforderlichen Energieaufwand wird entscheidend verbessert.

Es hat sich gezeigt, daß bei erfindungsgemäßer Positionierung der Lamellen der Strömungsgitter diese Maßnahme auch keine negativen Auswirkungen auf das Beschichtungsergebnis in einem Galvanikbad hat; trotz elektrischer Abschirmungseffekte der Strömungsgitter wird weder die konstante Schichtstärke auf der Oberfläche des Galvanisiergutes (Leiterplatte), noch die oben angesprochene Schichtdickenverteilung in Bohrlöchern von Leiterplatten beeinträchtigt, sondern im Gegenteil wird durch die Induzierung stark turbulenter Elektrolytströmungen durch die Luftblasen eine Verbesserung dieser Ergebnisse erreicht.

Eine besonders bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, daß der Boden der als Galvanozelle ausgebildeten Strömungszelle von einem zweiteiligen Versorgungstank gebildet ist, dessen obere Kammer die Elektrolytkammer und dessen untere Kammer eine Luftkammer bildet, von denen aus Zuführrohre senkrecht nach oben in das Galvanikbad geführt sind, die zur gerichteten Zuführung sowohl des Elektrolyten als auch der Luft dienen und gleichzeitig zur positionsgerechten Aufnahme der die beiden Strömungsgitter bildenden Lamellen. Wenn die Oberseite des Versorgungstanks und die darunter liegende Zwischenwandung zwischen Elektrolytkammer und Luftkammer mit miteinander fluchtenden Lochreihen versehen sind, so können die entsprechenden Zuführrohre wahlweise im beabsichtigten Abstand und in ihrer relativen Positionierung zueinander einfach in den Versorgungstank gesteckt werden und sind somit festgehalten. Damit kann ein einfacher, modulartiger Gesamtaufbau der Strömungszelle erreicht werden, der auch wechselnden Einsatzbedingungen schnell angepaßt werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strömungszelle wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert, es zeigen:

Fig. 1 Eine teilweise geschnittene perspektivische Teildarstellung eines Galvanikbades mit den wesentlichen Elementen der Erfindung,

Fig. 2 einen schematischen Längs-Vertikalschnitt durch das Galvanikbad,

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch das Galvanikbad in der Ebene III-III der Fig. 2, und

Fig. 4 eine Aufsicht auf den Versorgungstank mit den Öffnungen für die Zuführrohre.

Das Galvanikbad G wird wie üblich begrenzt von zwei vertikalen Seitenwandungen 7A, 7B und (nicht dargestellten) Stirnwandungen, durch die beispielsweise mittels geeigneter Lippendichtungen das zu beschichtende Galvanikgut 10 vertikal an geeigneten Transport­ elementen hängend in das Galvanikbad G einführbar und aus diesem wieder entnehmbar ist, wie dies beispielsweise in der DE 39 29 728 A1 im einzelnen beschrieben ist, so daß auf die üblichen Elemente solcher bekannter Anlagen hier nicht näher eingegangen zu werden braucht.

Der Boden des Galvanikbades G wird von einem Versorgungstank 1 gebildet, der aus zwei übereinander liegenden Kammern besteht; in der oberen Kammer, der Elektrolytkammer 2, befindet sich die jeweilige Elektrolytflüssigkeit des Galvanikbades G, die über Zuführrohre RE (in Fig. 1 nur eines dargestellt) senkrecht nach oben gepumpt wird, wo der Elektrolyt durch Auslaßöffnungen im Zuführrohr RE in Richtung zum zu beschichtenden Galvanikgut 10 unter der Wirkung der Umwälzpumpe hinausgedrückt wird und somit zielgerichtet die Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes Überstreicht (diese Bewegung ist durch die drei Pfeile, ausgehend vom Zuführrohr RE symbolisiert).

Von der Luftkammer 3 wird über eine Vielzahl von weiteren Zuführ­ rohren RL verdichtete, ölfreie Gebläseluft geführt, die in Form von Luftblasen an Auslaßöffnungen der Zuführrohre RL in das Galvanikbad G austreten. Wie in den Fig. 2 bis 4 dargestellt, sind eine Vielzahl solcher Zuführrohre RE, RL in parallelen Reihen durch geeignete Öffnungen des Versorgungstanks 1 durchgesteckt, wo sie beispielsweise von O-Ringen als Dichtungen festgehalten werden. Die Einlaßöffnungen der Zuführrohre RE enden hierbei in der Elektrolytkammer 2, die unteren Enden der Zuführrohre RL sind durch den Zwischenboden zwischen Elektrolytkammer 2 und Luftkammer 3 durchgesteckt und enden in der Luftkammer 3.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß Elektrolyt-Zuführ­ rohre RE und Luft-Zuführrohre RL entlang des Versorgungstanks 1 abwechselnd angeordnet sind, derart, daß sich (so wie in Fig. 1 dargestellt) immer jeweils ein Zuführrohr RE und ein Zuführrohr RL gegenüberliegen. Zwischen den beiden Reihen von Zuführrohren (Fig. 4) hängt das zu beschichtende, plattenförmige Galvanikgut 10.

Eine weitere wichtige, mechanische Funktion der Zuführrohre RE, RL besteht in der Aufnahme einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Lamellen L, derart, daß beidseitig des zu beschich­ tenden Galvanikgutes 10 ein aus etagenartig übereinander angeord­ neten Lamellen L bestehendes Strömungsgitter 5A, 5B gebildet wird, so daß eine gestell- oder rahmenähnliche Struktur beidseits des Galvanikgutes 10 gebildet ist, die zur Optimierung der Elektro­ lytströmung im Bereich dieses Galvanikgutes 10 dient. Zu diesem Zweck sind im einzelnen folgende Maßnahmen vorgesehen:

Die Lamellen L sind in Richtung der Ebene des Galvanikgutes 10 betrachtet, entweder steigend (Strömungsgitter 5A) oder fallend (Strömungsgitter 5B) angeordnet, gleichzeitig sind sie dachähnlich in Richtung zum Galvanikgut 10 nach oben verlaufend angeordnet. Diese Orientierung bewirkt, daß eine aus einem Zuführrohr RL austretende Luftblase, getrieben von ihrer Auftriebskraft, eine Bewegungsrichtung von der jeweils "nächst oberen" Lamelle aufgeprägt bekommt, die eine wesentliche Richtungskomponente sowohl in Längsrichtung des Galvanikgutes 10, als auch in Richtung zur Oberfläche des Galvanikgutes 10 hin besitzt. Dies hat zur Folge, daß die am Strömungsgitter 5A austretenden Luftblasen sich dort in Richtung der angedeuteten Pfeile bewegen werden, die beim Strömungsgitter 5B austretenden Luftblasen werden in die entgegengesetzte Richtung entlang der Oberfläche des Galvanikgutes 10 sich bewegen, wegen der beim Ausführungsbeispiel gewählten unterschiedlichen Neigung der Lamellen L gegenüber der Horizontal ebene. Beim praktischen Betrieb hat diese Bewegung der Luftblasen zur Folge, daß in der unmittelbaren Umgebung der Luftblasen befindliche Elektrolytflüssigkeit von den Luftblasen in diese vorgegebene Richtung mitgerissen wird, so daß anschaulich gesprochen, jede Luftblase durch Reibungseffekte eine gewisse Menge von Elektrolytflüssigkeit mit "nach oben" und in Richtung zum zu beschichtenden Gegenstand zieht, wodurch der für die Umwälzung des Elektrolyten über die Zuführrohre RE erforderliche Energieaufwand drastisch reduziert werden kann. Die Luftblasen erzeugen somit eine turbulente Strömung eines Elektrolyt/Luftgemisches im unmittelbaren Oberflächenbereich des zu beschichtenden Galvanikgutes 10, mit den sich daraus ergebenden, positiven Auswirkungen wie schnellerer Ablagerung des Beschichtungsmetalls, Optimierung der Schichtdickenkonstanz, insbesondere auch bei Leitungsplattenlöchern, und kurzer Galvanikbaddauer. Hierbei wirkt sich die oben angesprochene relative Positionierung von Zuführrohren RE, RL insofern positiv aus, als daß die Beaufschlagung des Elektrolyten mit Luftblasen immer nur von einer Seite der Leiterplatte her erfolgt und somit auch eine definierte Strömung durch Löcher oder Bohrungen in der Leiterplatte über weite Bereiche erzeugt werden kann, die den letztgenannten Effekt (Gleichmäßigkeit der Schichtdicke) positiv beeinflußt.

Eine besonders günstige Wirkung im Sinne einer Optimierung des Elektrolytdurchsatzes kann dann erreicht werden, wenn die Richtung der Auslaßöffnungen an den Zuführrohren RL, RE um etwa 20° bis 50° von der senkrechten Ebene des Galvanisiergutes 10 weggerichtet ist in Richtung des Ansteigens der Lamellen L. Dadurch wird eine Zuführung der Luft und des Elektrolyten in das Galvanikbad definiert, die kompatibel ist mit der oben beschriebenen, von der Anordnung der Lamellen L aufgeprägten Bewegungsrichtung.

Die Neigung der Lamellen L und die Wahl der Position und der Austrittsrichtung der Auslaßöffnungen in den Zuführrohren ermöglichen bei geschickter Abstimmung im Einzelfall synergetische Effekte insoweit, daß sich die von diesen Einzelmaßnahmen hervorgerufenen physikalischen Effekte so überlagern, daß ihre Gesamtwirkung erheblich höher sich auswirkt als die zu erwartende Summe der Einzelwirkung dieser Einzelmaßnahmen.

Besonders vorteilhaft wirkt es sich aus, wenn die vertikal aufeinanderfolgenden Lamellen L eines Strömungsgitters mit gleichem ersten Winkel α1 nach oben oder unten geneigt sind, und wenn sie höhenmäßig so positioniert sind, daß der höhere Endpunkt der jeweils unteren Lamelle mit dem tieferen Endpunkt der jeweils oberen Lamelle auf gleicher Höhe liegt. Bei der in Fig. 1 skizzierten Ausgestaltung sind die Lamellen des Strömungsgitters 5A nach oben (von der Zeichenebene gesehen), die Lamellen des Strömungsgitters 5B nach unten geneigt.

Folglich sind die beiden Strömungsgitter 5A, 5B relativ zueinander so positioniert, daß die Horizontalprojektion ihrer jeweiligen Lamellen L auf dem zu beschichtenden Gegenstand 10 nicht zusammenfällt. Vorzugsweise ist die Positionierung so gewählt, daß sich Schnittpunkte auf der halben Länge der Strömungsgitter ergeben; in Fig. 2 liegen diese Schnittpunkte der Projektionen in der Schnittebene III-III, woraus sich in der Schnittdarstellung der Fig. 3 die dargestellte gleiche Höhenposition der Schnittlinien gegenüberliegender Lamellen ergibt, auch in der perspektivischen Schnittdarstellung der Fig. 1 liegt die vordere Schnittebene in dieser Schnittebene III-III.

Die "nicht überlappende" Anordnung der Lamellen bewirkt, daß grundsätzlich nicht auszuschließende Beeinflussungen des elektrischen Feldes im Kathodenraum der Galvanikzelle sich weitgehend gegeneinander kompensieren und somit Unterschiede in der Beschichtungsqualität aufgrund lokal wechselnder Feldstärken über der Oberfläche des Beschichtungsgutes vermieden werden können.

Eine zeichnerisch nicht dargestellte Alternative zur oben beschrie­ benen Anordnung der Lamellen besteht darin, daß die Lamellen senk­ recht angeordnet sind und als Winkelprofil ausgebildet sind, dessen offene Seite zum zu beschichtenden Gegenstand zeigt. In diesem Fall ist es dann zweckmäßig, daß diese Winkelprofile in der Horizontalen gegeneinander versetzt sind. Auch bei einer solchen Anordnung ist ein "Beschleunigungseffekt" der von den Zuführrohren austretenden Luftblasen auf den umgebenden Elektrolyten möglich, wenn die Zuführrohre im Öffnungsbereich der Winkelprofile angeordnet sind.

Abschließend soll noch ein praktisches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Galvanikbades kurz dargestellt werden:
Die beiden Strömungsgitter bilden einen Spalt von 10 bis 15 mm, in den die Leiterplatte 10 eintaucht. In der Elektrolytkammer 2 werden 5.000 bis 25.000 l/h Elektrolyt pro Meter Kammerlänge gepumpt, in die Luftkammer 3 wird leicht verdichtete, ölfreie Gebläseluft eingeführt (die entsprechenden Pumpen sind in den Darstellungen nicht eingezeichnet). Als Elektrolyt können handelsübliche Hochleistungselektrolyte verwendet werden, beispielsweise für die Abscheidung von Kupfer auf Leiterplatten ein Kupferelektrolyt, der unter der Bezeichnung "Copper Gleam 125 HS" der Firma Lea Ronal GmbH im Handel erhältlich ist.

Die praktisch anwendbaren Stromdichten liegen zwischen 3 und 40 A/qdm bei Arbeitstemperaturen von 28° bis 55° Celsius, der Wert der erreichbaren Stromdichten ist bei Leiterplatten im wesentlichen durch die Geometrie der Bohrlöcher vorgegeben, mit fallendem Längen- Durchmesserverhältnis können besonders gute Schichtdicken­ verteilungsergebnisse auch bei hohen Stromdichten erzielt werden.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich auf den Einsatz der Strömungszelle als Galvanikbad zur elektrolytischen Beschichtung von Leiterplatten. Es versteht sich von selbst, daß der Erfindungsgedanke alle anderen Anwendungsbereiche umfaßt, bei denen es auf die Einwirkung einer Prozeßflüssigkeit auf Oberflächenbe­ reiche eines zu bearbeitenden Produkts ankommt.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur chemischen oder elektrolytischen Oberflächenbe­ handlung plattenförmiger Gegenstände in Form einer Strömungs­ zelle, mit ersten Zuführelementen in Form von Rohren mit Aus­ trittsöffnungen zur gezielten Zuführung einer Prozeßflüssigkeit an die zu bearbeitenden Gegenstände, gekennzeichnet durch zusätzliche, zweite Zuführelemente in der Prozeßflüssigkeit zur gezielten Lufteinspeisung in den Wirkungsbereich von Führungselementen, die aus einem beidseitig der zu bearbeitenden Gegenstände beabstandet gehaltenen Strömungsgitter (5A, 5B) mit jalousieartig angeordneten Lamellen (L) bestehen, die in Richtung parallel zur Hauptebene der plattenebenen Gegenstände (10) nach oben oder unten geneigt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Winkel (α1), um den die Lamellen (L) nach oben oder unten geneigt sind, zwischen 10° und 15° beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen (L) in Richtung der zu bearbeitenden Gegenstände (10) um einen zweiten Winkel (α2) nach oben geneigt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen (L) im wesentlichen senkrecht verlaufen und als Winkel­ profil ausgebildet sind, dessen offene Seite zum zu beschichtenden Gegenstand (10) zeigt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel des Winkelprofils bei 60°-120° liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vertikal aufeinanderfolgende Lamellen (L) desselben Strömungsgitters (5A, 5B) mit gleichem ersten Winkel (α1) entweder nach oben oder nach unten geneigt sind, und daß sie höhenmäßig so positioniert sind, daß der höchste Endpunkt der jeweils unteren Lamelle mit dem tiefsten Endpunkt der jeweils oberen Lamelle sich auf gleicher Höhe befindet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Strömungsgitter (5A, 5B) so vertikal gegeneinander versetzt sind, daß die Horizontalprojektion ihrer jeweiligen Lamellen (L) auf den zu beschichtenden Gegenstand (10) Schnittpunkte auf der halben Länge der Strömungsgitter ergibt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Zuführelemente aus Zuführrohren (RE, RL) bestehen, die beabstandet voneinander durch die Lamellen (L) geführt und gehalten sind und deren Austrittsöffnungen in Anstiegsrichtung der Lamellen (L) hin zeigen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführrohre (RE, RL) von einer Prozeßflüssigkeitskammer (2) und einer Luftkammer (3) gespeist werden, in die ihre jeweiligen Einlaßöffnungen geführt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführrohre (RE, RL) in Lochreihen ihrer zugeordneten Kammer mittels Dichtungsringen gehalten sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß Prozeßflüssigkeit und Luft von einer Prozeßflüssigkeitskammer (2) und einer Luftkammer (3) als Teil eines gemeinsamen Versorgungstanks (1) zugeführt werden, in dem sie übereinander angeordnet sind, und der am Boden der Strömungszelle (G) liegt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Strömungsgitter (5A, 5B) an ihrer vom plattenförmigen Gegenstand (10) abliegenden Seite an ein vertikal gehaltenes säurefestes Gewebetuch (6A, 6B) angrenzen, das sich vor den Seitenwandungen (7A, 7B) der Strömungszelle befindet.