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Bezeichnung: Verfahren zum Ätzen von kupferbeschichteten Leiterplatten
nach dem Durchlaufverfahren Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ätzen von kupferbeschichteten
Leiterplatten, vorzugsweise nach dem Durchlaufverfahren, wobei die Leiterplatten
mit einer Ätzlösung in Berührung gebracht, vorzugsweise besprüht werden.
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Das Ätzen von kupferbeschichteten Leiterplatten für die Elektronikindustrie
wird mit Hilfe einer Kupfer(II)-chloridlösung durchgeführt, wobei sich infolge des
Ätzvorganges Kupfer(I)-chlorid bildet, das nicht ätzend wirkt. Das bedeutet, daß
bei einer vorgegebenen FUllmenge für das Ätzbad nach einer bestimmten Zeit, die
im wesentlichen von der abzuätzenden Kupfermenge abhängt, die Ätzlösung weitgehend
in Kupfer(I)-chlorid umgebildet ist. Die Ätzlösung kann durch die Zugabe von Wasserstoff-Peroxid
und Salzsäure wieder regeneriert
werden, da sich durch Oxydieren
des Kupfer(I)-chlorides wieder Kupfer(II)-chlorid zurückbildet. Dieser Regenerationsvorgang
kann solange wiederholt werden, bis die Kupferkonzentration in der Ätzlösung etwa
150 Gramm Kupfer Je Liter Lösung beträgt.
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Ist dieser Grenzwert erreicht, so wirkt die Lösung nicht mehr ätzend.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß bei einer vorgegebenen Badfüllung die ätzende
Wirkung trotz Regeneration immer mehr absinkt, so daß die Verweilzeit für die Jeweils
zu ätzenden Leiterplatten immer höher werden muß.
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Will man nun ein vorgegebenes Ätzbad, das für einen kontinuierlichen,
vorzugsweise im Durchlaufverfahren erfolgenden Ätzbetrieb verwendet werden soll,
die Ätzlösung im vorbeschriebenen Sinne laufend regenerieren, um eine möglichst
hohe Ätzgeschwindigkeit aufrecht erhalten zu können, dann ergibt sich die Schwierigkeit,
daß die Konzentration an Kupfer(II)-chlorid, das allein ätzend wirkt, nicht meßbar
ist. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß auch die Konzentration des Wasserstoff-Peroxid,
das zur laufenden Reoxydation des Kupfer(I)-chlorids zu Kupfer(II)-chlorid erforderlich
ist, unmittelbar nicht meßbar ist.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu vorzugsweise
schaffen, mit dessen Hilfe ein kontinuierliches Ätzen von kupferbeschichteten Leiterplatten
mit hoher Ätzgeschwindigkeit möglich ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß ausgehend von der abzuätzenden Fläche des Jeweiligen Leiterplat tentyps
ein Zeitintervall vorgegeben wird, nach dessen Ablauf automatisch Jeweils eine vorbestimmte
Menge Wasserstoff-Peroxid
und Salzsäure in einem vorgegebenen Verhältnis
zueinander zur Regeneration der Ätzlösung dem Bad zugegeben wird. Die Erfindung
geht hierbei von der Tatsache aus, daß aufgrund der konstanten Schichtdicke bei
derartigen Leiterplatten von beispielsweise 35/um sich eine bestimmte Ätzgeschwindigkeit,
beispi#lsweise von 90 sec. ergibt, d. h. in dieser Zeit ist an der zu ätzenden Stelle
die Beschichtung vollständig abgeätzt. Da weiterhin aufgrund der Druckvorlage für
die Jeweilige Platine die abzuätzende Fläche in etwa bestimmt werden kann, läßt
sich ferner die pro Zeit einheit abzuätzende Kupfermenge und damit auch in etwa
die Zeit bestimmen, in der das in der Ätzlösung befindliche Kupfer(II)-chlorid in
Kupfer(I)-chlorid umgebildet ist. Dementsprechend wird die Zeit für die Zugabe der
Reoxydationsmittel (Wasserstoff-Peroxid und Salzsäure) entsprechend fest gelegt
~so daß eine durchschnittliche Ätzgeschwindigkeit gewährleistet ist. Die Gesamtmenge
der Jeweils einzuspeisenden Reoxydationsmittel richtet sich im wesentlichen nach
der Badgröße,während das Verhältnis von Salzsäure und Wasserstoff-Peroxid, das fest
vorgegeben ist, Je nach Anwendungsfall zwischen s und 7 liegen kann.
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Um nun den Verbrauch an Reoxydationsmittel möglichst gering zu halten,
ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Zugabe
von Wasserstoff-Peroxid und Salzsäure zusätzlich in Abhängigkeit einer vorgegebenen
Dichte des Ätzbades erfolgt. Hierdurch ist gewährleistet, daß nach Ablauf des vorgegebenen
Zeitintervalles die Zugabe der Reoxydationsmittel erst dann erfolgt, wenn eine bestimmte
Dichte des Ätzbades
Uberschritten wird. Das bedeutet, daß bei einem
zu kurz bemessenen Zeitintervall für die Zufuhr an Reoxydationsmitteln die Zufuhr
durch die Kontrolle über die Dichte solange gestoppt wird, bis die vorgegebene Höchstdichte,
bei der noch eine Ätzwirkung mit Sicherheit gegeben ist, erreicht wird. Andererseits
kann bei entsprechender regeltechnischer Ausgestaltung bei einem zu lang eingestellten
Zeitintervall bei vorzeitigem Erreichen der vorgegebenen Höchstdichte das Reoxydationsmittel
wieder zugeführt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
bei Erreichen einer Niveauobergrenze für das Bad ein Teil der Badfüllung in einen
Pufferbehälter abgepumpt wird, aus dem vorzugsweise kontinuierlich ein geringer
Teilstrom in das Bad zurückgeführt wird. Durch eine derartige Anordnung gelingt
es, selbst für große Ätzleistungen, mit einem relativ geringen Ätzbadvolumen zu
arbeiten, eine hohe Ätzgeschwindigkeit einzuhalten und schließlich gleichzeitig
in dem nachgeschalteten Pufferbehälter eine bis zur Sättigungsgrenze mit Kupfer
angereicherte Lösungsmenge zu sammeln. Dies wird dadurch erreicht, daß aus dem Pufferbehälter
Jeweils ein geringer Teilstrom im Kreislauf in das Ätzbad zurückgeführt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen,
daß im Pufferbehälter die Dichte gemessen und daß nach Erreichen einer vorgegebenen
Dichte, die über der höchstzulässigen Dichte der im Bad befindlichen Ätzlösung liegt,
die FUllung des Pufferbehälters in einen Sammelbehälter abgepumpt wird. Der
das
Abpumpen auslösende Dichtewert wird in etwa auf die Dichte eingestellt, die einer
mit Kupfer gesättigten Ätzlösung entspricht. Das hat den Vorteil, daß die höchstmögliche
Anreicherung im Pufferbehälter erzielt wird und die so gewonnene angereicherte Lösung
zur Rückgewinnung des Kupfergehaltes nutzbringend weiterverwendet werden kann.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen,
daß der Ätzgrad nach Duchlauf einer ersten Ätzstrecke gemessen und die Durchlaufgeschwindigkeit
der Leiterplatten durch die erste Ätzstrecke in Abhängigkeit vom Ätzgrad geregelt
wird. Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, daß automatisch die Jeweils gegen Ende
des Zeitintervalls vor der Zugabe an Reoxydationsmitteln geringer werdende Ätzwirkung
automatisch durch eine längere Verweilzeit der zu ätzenden Leiterplatten im Ätzbad
ausgeglichen wird. Der Ätzgrad, d. h. die im Verhältnis zur Gesamtfläche der Jeweiligen
Leiterplatte abzuätzend« Fläche, kann hierbei optisch, fotoelektrisch oder auch
induktiv gemessen werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß in Abhängigkeit
von dem gemessenen Ätzgrad bei unzureichender Ätzung die Leiterplatten in wenigstens
einer Nachätzstrecke erneut mit Ätzlösung in Berührung gebracht werden. Hierdurch
ist gewährleistet, daß nur unzureichend geätzte Platten nachbehandelt werden und
eine Unterätzung bereits fertiggeätzter Platten vermieden wird, wie dies sonst bei
einer zu langen Ätzzeit der Fall sein wUrde.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend anhand eines schematischen
Fließ- und Regeldiagrammes näher erläutert.
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Die Ätzvorrichtung weist eine Transportvorrichtung 1 beispielsweise
ein Transportband, ein mit angetriebenen Rollen versehenen Rollengang oder ähnliche
Transporteinrichtungen auf.
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Die auf das Aufgabenende A der Transporteinrichtung aufgelegten. zu
ätzenden Leiterplatten durchlaufen hierbei zunächst die durch die Düseneinrichtung
2 begrenzte Ätzstrecke B, eine weiter unten näher erläuterte Kontrollstrecke C sowie
eine Nachätzstrecke D, die durch eine weitere Düseneinrichtung 3 begrenzt ist. Danach
folgt eine nicht näher erläuterte Spülzone E.
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Unterhalb der Transporteinrichtung ist eine Wanne 4 angeordnet, in
der eine vorgegebene Menge an Ätzlösung enthalten ist und aus der die Sprüheinrichtungen
2 und 3 mittels einer Pumpe 5 versorgt werden.
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Um nun eine weitgehend optimale Ätzgeschwindigkeit und damit eine
optimale Leistung der Ätzvorrichtung zu erzielen, ist die Ätzvorrichtung mit einer
Grundregeleinrichtung versehen, die aus einem Zeitgeber 6 besteht, mit dem frei
wählbare Zeitintervalle eingestellt werden, nach deren Ablauf ein entsprechendes
Signal abgegeben wird. Ferner wird über eine Meßeinrichtung 7, die an einen Meßwertumformer
8 angeschlossen ist, die Dichte der Ätzlösung gemessen. Der Ausgang des Zeitgebers
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einerseits und des Meßwertumformers 8 andererseits sind in einem
Sollwertgeber 9 für die Dichte der Ätzlösung in der Weise zusammengeführt, daß bei
Uberschreiten einer vorgegebenen Maximaldichte und/oder des vorgegebenen Zeitintervalls
die Pumpen 10, 11 für die Zufuhr von Salzsäure bzw. Wasserstoff-Peroxid aus den
Vorratsbehältern 12 bzw. 13 eingeschaltet werden. Bei diesen Pumpen handelt es sich
um Dosierpumpen, die über eine entsprechende mechanisch wirkende Verstelleinrichtung
14 bezüglich des Mengenverhältnisses der beiden einzufördernden Flüssigkeitsmengen
einstellbar sind. Diese Regelstrecke bewirkt, daß in vorgegebenen Zeitintervallen
und in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Solldichte für die Ätzlösung zur Regeneration
der Ätzlösung, d. h. jeweils zur Rückbildung des ätzenden Kupfer(II)-chlorids, Salzsäure
und Wasserstoff-Peroxid in einer vorgegebenen Menge, die von der Größe des Badvolumens
abhängt, und in einem vorgegebenen Mengenverhältnis, das etwa 1 bis 1 Je nach Anwendungsfall
beträgt, in das Ätzbad eingepumpt wird.
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Uber einen Niveauregler 15 ist sichergestellt, daß bei Erreichen einer
Maximalhöhe im Bad über eine Pumpe 16 soviel von der Badfüllung abgepumpt wird,
bis ein vorgegebenes Mindestniveau 17 erreicht ist. Die abgepumpten Mengen werden
in einen Pufferbehälter 18 eingepumpt, der über eine Pumpe 19 ein Dreiwegeventil
20 und eine Rückleitung 21 mit dem Ätzbad in Verbindung steht.
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Durch eine entsprechende Einstellung der F8rdermenge der Pumpe 19
kann kontinuierlich ein geringer Teilstrom der im Pufferbehälter
18
befindlichen Lösung in das Ätzbad zurückgepumpt werden. Uber einen Niveauregler
22, der mit der Pumpe 19 in Verbindung steht, wird sichergestellt, daß der Pufferbehälter
nicht überlaufen kann, sondern daß entsprechend der in die Badlösung zurückgeführte
Teilstrom vergrößert wird.
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Der Pufferbehälter weist ferner einen Dichtemesser 23 auf, der mit
dem die Pumpe 19 ansteuernden Niveauregler in der Weise in Verbindung steht, daß
bei Erreichen einer vorgegebenen Höchstdichte daß Dreiwegeventil 20 umgestellt wird
und die Pumpe die gesamte im Pufferbehälter 18 befindliche Flüssigkeitsmenge in
einen Sammelbehälter 24 einpumpt. Der Dichtemesser 23 ist hierbei so eingestellt,
daß er dann anspricht, wenn die im Pufferbehälter 18 befindliche Lösungsmenge in
etwa der Sättigungsgrenze der Ätzlösung, bezogen auf Kupfer, entspricht. Anstelle
der dargestellten Anordnung von nur einer Pumpe 19 und dem umschaltbaren Dreiwegeventil
20, kann an die Stelle des Dreiwegeventils 20 eine zweite durch den Regler 22 ansteuerbare
Pumpe gesetzt werden, und zwar in der Weise, daß die Pumpe 19 ausschließlich über
die Leitung 21 mit dem Ätzbadbehälter 4 in Verbindung steht, während die an die
Stelle des Dreiwegeventils 20 tretende Pumpe ausschließlich mit dem Sammelbehälter
24 in Verbindung steht. Bei dieser Anordnung würde die Pumpe 19 kontinuierlich einen
fest vorgegebenen, geringen Teilstrom im Kreislauf fördern, während bei Niveauüberschreitungen
Jeweils die an die Stelle des Dreiwegeventils
22 tretende Pumpe
einen Teil der im Pufferbehälter befindlichen Flüssigkeit in den Sammelbehälter
fördert und bei Erreichen der vorgegebenen Höchstdichte den gesamtm Inhalt des Pufferbehälters
18 in den Sammelbehälter 24 abpumpt.
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Da nun die Reoxydation des Ätzbades im Hinblick auf einen möglichst
geringen Verbrauch an Reoxydationsmitteln (Salzsäure und Wasserstoff-Peroxid) nicht
kontinuierlich, sondern in Zeitintervallen erfolgt, nimmt dementsprechend die Ätzgeschwindigkeit
Jeweils in einem Zeitintervall kontinuierlich ab. Um trotzdem eine konstante Leiterplattenqualität
sicher zu stellen, ist vorgesehen, daß über eine Meßeinrichtung 25 am Ende der Ätzstrecke
B der Ätzgrad gemessen wird und danach einmal durch Öffnen eines Ventils 26 in der
Zuleitung zur Düseneinrichtung 3 nicht ausreichend durchgeätzte Platten durch die
Nachätzstrecke D nachbehandelt werden.
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Weiterhin ist es möglich, durch die Meßeinrichtung für die Messung
des Ätzgrades einen weiteren Regelschritt auszulösen und zwar in der Weise, daß
entsprechend dem Absinken des Ätzgrades innerhalb des vorgegebenen Zeitintervalls
die Durchlaufgeschwindigkeit der Transportvorrichtung 1 über eine auf den Antriebsmotor
27 der Transporteinrichtung wirkende Regeleinrichtung 28 zu verringern. Die Regeleinrichtung
28 kann in der Weise ausgestaltet sein, daß bei Unterschreiten einer Mindesttransportgeschwindigkeit
über die Regeleinrichtung 9 für eine entsprechende Zufuhr der Reoxydationsmittel
gesorgt wird. Hierdurch ist sichergestellt, daß bei einem falsch eingestellten Zeitintervall
und/oder
einem falsch eingestellten Sollwert für die Höchstdichte des Ätzbades bzw. einem
Ausfall des Dichtemessers für eine ausreichende Durchätzung der Leiterplatten Sorge
getragen ist. Dieser Regelkreis dient Jedoch nur als Hilfsregelkreis, da er im Hinblick
auf die relativ lange Durchlaufzeit der Platten zwischen dem Aufgabenende A einerseits
und der Kontrollzone C andererseits eine lange Ansprechzeit besitzt.
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Die Messung des Ätzgrades ist auf verschiedenen Wegen möglich.
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Sie kann beispielsweise durch eine quer über die gesamte Breite der
Transporteinrichtung verlaufende Kette von Fotozellen bewerkstelligt werden, wobei
bei der Einstellung einmal die Belegungsbreite der Transporteinrichtung berücksichtigt
werden muß und zum anderen mit Hilfe von geätzten Musterplatten oder aber mit Hilfe
der Druckvorlage für die Leiterplatten der Ätzgrad durch einen Vergleich zwischen
dem Lichtdurchtritt durch die Druckvorlagen einerseits und die geätzten Platten
andererseits festgestellt werden kann. Dies kann Jeweils durch linienförmiges Abtasten
von Muster und produzierter Platte einerseits oder aber durch intervallartiges Ausleuchten
der gesamten Platte, sobald sie voll im Meßbereich C liegt, erfolgen.
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Anstelle einer fotoelektrischen Messung kann der Ätzgrad induktiv
oder über die Anordnung sogenannter Metalldedektoren erfolgen.
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Im Bereich E des Transportbandes sind Spül- und sonstige Nachbehandlungseinrichtungen
für die Leiterplatten vorgesehen.
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