DE3921467C2 - Vorrichtung zum Aufbringen des Metalles aus chemisch reduktiven Metallisierungslösungen in Durchlaufanlagen auf Teile - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Vorrichtungen werden zum Metallisieren von Teilen aus Kunststoff eingesetzt, insbesondere zum Metallisieren der erwähnten, mit Bohrungen versehenen Leiterplatten. Dazu werden die Kunststoffoberflächen mit einer Metallschicht versehen, nachdem diese Oberflächen vorher gereinigt und aktiviert wurden. Auf diese Weise werden z. B. die Wandungen der o. g. Bohrungen von Leiterplatten für gedruckte Schaltungen mit einer Kupferschicht versehen. Man spricht hier von "Durchkontaktieren", weil dabei die auf beiden Seiten der Kunststoff-Trägerplatte angebrachten Kupferkaschierungen und evtl. dazwischen liegende Kupferschichten (bei Multilayern) über die Metallisierung der Bohrungswände oder Innenflächen miteinander leitend verbunden werden. Dieses Metallisieren erfolgt in chemisch reduktiven Metallisierungslösungen derart, daß die chemischen Bestandteile des entsprechenden Bades auf der Oberfläche der Platten Wasserstoff absondern und daß dieser Wasserstoff ein Potential bildet, welches seinerseits den Niederschlag der Metallisierung zur Folge hat.

Es dauert jedoch eine gewisse Zeit bis sich der vorgenannte Wasserstoff gebildet hat. Dies spielte dann keine oder nur eine unwesentliche Rolle, sofern der Prozeß des Durchkontaktierens von Leiterplatten - wie bisher fast ausschließlich praktiziert - in Anlagen durchgeführt wurde, in denen die Platten senkrecht an Traggestellen befestigt, oder - ebenfalls senkrecht - in Tragkörbe eingestellt, durch die verschiedenen Behandlungslösungen geführt wurden. Dabei ist jeweils eine Mehrzahl von Platten gleichzeitig in der Behandlungslösung eines Prozeßschrittes. Die Zeitdauer des Prozeßschrittes ist hierbei von untergeordneter Bedeutung.

Neuerdings wird der Prozeß jedoch auch in Durchlaufanlagen vorgenommen, in denen Leiterplatten in horizontaler Lage durch die verschiedenen Behandlungslösungen transportiert werden. Die Leiterplatten werden dazu lediglich vom Stapel abgenommen, in der horizontalen Lage durch die Anlage hindurch geführt und am Ausgang wieder auf Stapel abgelegt. Hierbei wird gegenüber der erläuterten vertikalen Aufhängung oder Einstellung solcher Leiterplatten erheblich an Arbeitspersonal und damit an Arbeitszeit gespart. Beim horizontalen Durchlauf von Teilen, wobei insbesondere an die genannten Leiterplatten gedacht ist, besteht jedoch beim Prozeßschritt der chemischen Metallisierung die Schwierigkeit, daß eine relativ lange Zeit benötigt wird, bis sich der Wasserstoff und damit das Potential bildet und danach eine ausreichend dicke Metallschicht auf dem Teil abgeschieden ist. Um diese Behandlungszeit zu erreichen, muß nachteiligerweise der Anlagenabschnitt für die Metallisierung entsprechend lang ausgebildet werden. Es wurde deshalb versucht, Bäder für die chemische Metallisierung zu entwickeln, welche die geforderte Dicke des Metallniederschlags in einer kürzeren Zeit ermöglichen. Dies ist zwar vom Prinzip her gelungen, doch sind diese Bäder in der Praxis schwer stabil zu halten. Auch kommt es beim Einsatz leicht zu Metallabscheidungen in Bereichen, wo sie unerwünscht sind, z. B. an den Behälterwänden. Der Vorgang der Ausbildung eines Potentials auf der Kunststoffoberfläche, das, wie oben beschrieben, durch die Abscheidung von Wasserstoff entsteht, kann dadurch beschleunigt werden, daß mit Hilfe einer externen Quelle eine Fremdspannung an die bereits mit einem Kupferüberzug versehenen Bereiche der Teile angelegt wird.

Beschrieben sind derartige Verfahren in den Patentschriften JP-A62-250178 und US-PS 4671968. Beide Veröffentlichungen beschreiben die Anwendung des Verfahrens in Vorrichtungen, in denen die zu beschichtenden Teile von oben her in einen Behandlungsbehälter eingehängt werden und für die Zeitdauer des durchzuführenden Prozesses an gleicher Stelle verbleiben.

Es liegt zwar nahe, das Prinzip auch auf Anlagen zu übertragen, in denen Teile, z. B. Leiterplatten, im horizontalen Durchlauf behandelt werden. Eine sinngemäße Übertragung der in den beiden genannten Schriften beschriebenen Methode bringt jedoch nicht den mit der vorliegenden Erfindung angestrebten und erreichten Effekt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung aufzuzeigen, mit der die Initialisierung der Abscheidung des Metalls aus einer chemisch reduktiven Metallisierungslösung in Anlagen auf Teile, die im horizontalen Durchlauf behandelt werden, beschleunigt wird, um die Verweildauer der Teile im Bad zu reduzieren und damit auch eine Reduzierung der Baulänge des Moduls dieser Behandlungsstation zu erreichen.

Die Lösung dieser Aufgabe wird in den Merkmalen des Anspruchs 1 gesehen. Hiermit wird für das Starten, d. h. Beginn der Metallabscheidung aus einem chemisch reduktiven Bad an der Oberfläche des betreffenden Teiles (Substrates) an diesem bereits bei seinem Eintreten in das Bad ein Potential zur Verfügung gestellt, so daß sofort mit diesem Eintreten des Teiles in das Bad die Metallabscheidung beginnen kann.

Das Potential wird also nicht erst hergestellt, wenn sich das Teil vollständig in der Behandlungslösung befindet, sondern ist schon vorhanden, wenn das Teil in die Behandlungslösung einläuft.

Hierdurch wird erheblich an Zeit gespart. Bei den mit konstanten Transportgeschwindigkeiten betriebenen Durchlaufanlagen wirkt sich diese Zeitersparnis direkt in der Anlagenlänge aus, d. h. es kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung bei Erzielung des gewünschten Metallisierungsgrades bzw. -niederschlages die Länge dieses Behandlungsabschnittes kürzer gestaltet werden. Dies reduziert die Herstellungskosten des Moduls eines solchen Behandlungsabschnittes und reduziert ferner auch den Raumbedarf innerhalb eines Gebäudes, was weiter zur Kostenreduzierung beiträgt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann angewandt werden bei Teilen, die an ihrer Oberfläche schon teilweise mit Metall bedeckt sind, wie es z. B. bei mit Kupfer kaschierten Leiterplatten aus Kunststoff gegeben ist. Beim Verfahrensschritt der Metallisierung der Bohrlochwandungen kann nun das elektrische Potential an dem bereits mit Kupfer bedeckten Bereich kontaktiert werden, worauf hier und auch in den noch nicht mit Metall bedeckten Bohrlochwandungen sofort die Metallabscheidung aus dem Bad einsetzt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist zunächst die Verwendung einer externen Spannungsquelle gemäß Anspruch 2 vorgesehen. Dies ist ein konstanter oder ein pulsierender Gleichstrom. Es empfiehlt sich hierzu Anspruch 3, um entsprechende Einstellmöglichkeiten zu haben.

Eine vereinfachte Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung ist Gegenstand des Anspruches 4. Hier wird die im Bad vorhandene, interen Spannungsquelle ausgenutzt.

Die Merkmale des Anspruches 5 stellen eine besondere vorteilhafte Aufbringung des betreffenden Potentials auf die Teile bei ihrem Einlauf in das Bad, bzw. den Badbehälter dar, wobei die Übertragung des Potentials nicht durch die kontinuierlich erfolgende Bewegung der zu metallisierenden Teile beeinträchtigt wird.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 schematisch das Abscheidungsverhalten eines chemisch reduktiven Metallisierungsbades,

Fig. 2 schematisch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 3 schematisch eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung.

Die Geschwindigkeit, mit der aus einem chemisch reduktiven Bad Metall auf der Oberfläche von Substraten abgeschieden wird, ist nicht konstant. Nach dem Benetzen der Oberfläche mit dem Bad vergeht eine gewisse Zeit, bis die Metallabscheidung beginnt (siehe oben). Nach dem sogenannten "Starten" der Abscheidung wird zunächst relativ viel Metall pro Zeiteinheit abgeschieden, die Dicke der Schicht nimmt also verhältnismäßig schnell zu. Dieses Schichtdickenwachstum nimmt dann aber wieder stetig ab. In Fig. 1 ist schematisch dieses Abscheidungsverhalten eines chemischen reduktiven Metallisierungsbades aufgezeigt. Dabei bedeutet 1 die Achse der Behandlungszeit T für das Substrat in der Lösung, während 2 die Achse für die Zunahme der Schichtdicke S des abgeschiedenen Metalls darstellt. Der Kurvenverlauf 3 zeigt den charakteristischen Verlauf des Schichtdickenwachstums, in Abhängigkeit von der Behandlungszeit, ohne Anwendung des Verfahrens, ein Potential durch eine Fremdstromquelle aufzubringen, während die Kurve 4 diese Verhältnisse bei Anwendung des Verfahrens wiedergibt. Die Charakteristik der Kurven entspricht dem Verhalten üblicher chemisch reduktiver Metallisierungsbäder. Bei ihnen geht das Schichtdickenwachstum nach Erreichen einer bestimmten Schichtdicke gegen Null.

Der o. g. Vorteil des Verfahrens ist aus den beiden Kurven klar erkennbar. Er ist besonders von Bedeutung, wenn in dem chemisch reduktiven Metallisierungsgrad nur eine sehr dünne Metallschicht abgeschieden wird, die dann in einem nachfolgenden Behandlungsschritt auf galvanischem Weg eine Verstärkung erfährt. Dabei wird dann aus dem ganzen Kurvenverlauf für die Schichtdicke nur der durch die Linie 5 dargestellte Anteil genutzt. Um diese Schichtdicke zu erreichen, ist bei Anwendung des Verfahrens gemäß Kurve 4 der Zeitaufwand 6 wesentlich geringer als der Zeitbedarf 6′ ohne Anwendung des Verfahrens mit dem Abscheidungsverlauf entsprechend Kurve 3.

Leiterplatten, die mit diesen Verfahrensschritten, chemische Metallisierung/galvanische Verstärkung, behandelt wurden und bei denen das Behandlungsergebnis ungenügend ist, weil z. B. in den Bohrlöchern die Kupferschicht lückenhaft aufgebracht ist, werden ein zweites Mal behandelt, wobei sie wieder alle Prozeßstufen durchlaufen. Hierbei ist die erfindungsgemäße Vorrichtung, bei Anwendung des beschriebenen Verfahrens, von besonderem Vorteil, weil erfahrungsgemäß auf dem im galvanischen Bad abgeschiedenen Kupfer die Abscheidung im chemischen Metallisierungsbad besonders schwer einsetzt.

Die Behandlung der Leiterplatten im Durchlauf, in horizontaler Lage, unter Anwendung der Erfindung, ergibt noch einen weiteren Vorteil. Es wurde eingangs erläutert, daß bei dieser Art der Metallisierung sich an der Oberfläche der zu metallisierenden Teile Wasserstoffgas bildet. Werden die zu behandelnden, mit Bohrungen versehenen, Leiterplatten gemäß dem Stand der Technik in senkrechter Lage aufgehängt oder gestellt, so bleibt zumindest ein Teil dieses Wasserstoffgases in den waagerecht verlaufenden Bohrungen und steigt nicht nach oben auf. Dies aber verhindert, zumindest aber reduziert die Aufbringung der Metallisierung auf den Innenflächen dieser Bohrungen. Liegen dagegen derartige Platten im Bad horizontal, so verlaufen dann die Bohrungen der Platte vertikal und das sich an der Innenfläche der Bohrungen bildende Wasserstoffgas kann ungehindert nach oben aufsteigen. Damit wird die Metallisierung dieser Innenflächen qualitativ besser als bei im Bad hängenden Platten.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur künstlichen Aufbringung des Potentials auf die zu metallisierenden Teile bei ihrem Eingang in das Bad werden nachstehend erläutert:

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind im Behälter 7 für das chemisch reduktive Metallisierungsbad 8 Transportwalzen 9 angeordnet, zwischen denen die zu metallisierenden Teile, z. B. Leiterplatten 10 in Pfeilrichtung 11 bewegt werden. Eine externe Spannungsquelle 12 ist mit einem Pol 13 mit dem Walzenpaar 9′ der in der Behandlungsfolge vorhergehenden Station 7′ verbunden, während der andere Pol 14 zu einer der Metallisierungslösung angeordneten Elektrode 15 geführt ist. Diese bevorzugte Ausführungsform hat den Vorteil, daß eine externe, bei Wunsch auf die jeweils gewünschte Spannungshöhe einstellbare Spannungsquelle vorhanden ist.

Ferner ist für diese Ausführungsform, aber auch für die nachstehend erläuterte Ausführungsform gemäß Fig. 3 der Vorteil gegeben, daß das die Leiterplatte kontaktierende Walzenpaar 9′ in einem trockenen Bereich oder in einem Bereich mit neutraler Flüssigkeit, z. B. Spülwasser angeordnet werden kann. Trotzdem weist die Oberfläche der Leiterplatte 10 sofort bei ihrer Benetzung mit der Metallisierungslösung das erforderliche elektrische Potential zur Metallabscheidung auf.

Die Wandung des Behälters 7 besteht bevorzugt aus Kunststoff. Sie kann aber gegebenenfalls auch aus Metall hergestellt sein und damit die Funktion der Elektrode 15 übernehmen. Da die Stromrichtung von der Elektrode 15, bzw. im zuletzt genannten Fall von der metallischen Behälterwandung ausgeht, ist ein Abscheiden der metallisierenden Lösung an der Behälterwandung vermieden.

Fig. 3 zeigt schematisch die alternative Variante einer internen Spannungsquelle, wobei das elektrische Potential von der Oberfläche einer schon in der Behandlung weiter fortgeschrittenen Leiterplatte 10′ mit Hilfe eines Schleifkontaktes 16 abgenommen und ebenfalls zu dem kontaktierenden Walzenpaar 9′ zu Beginn, bzw. vor dem Eingang des Bades 8 geführt ist. Der Schleifkontakt 16 befindet sich (in Transportrichtung 11 betrachtet) am Ende oder nahe dem Ende des Behälters 7, wobei sich bereits genügend Wasserstoff am behandelten Teil gebildet hat und daher ein entsprechendes Potential besteht. An dieser Stelle ist im übrigen schon eine Metallisierung aufgetragen. Mit dem Pfeil 11 ist wieder die Transportrichtung für das Behandlungsgut 10, 10′ angegeben. Die Metallisierungslösung bildet hier den Gegenpol zu dem elektrischen Potential auf der Oberfläche der Leiterplatte 10, 10′.

In beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der Vorteil gegeben, daß die Aufbringung des Potentials auf das betreffende Teil mittels Transportwalzen trotz der kontinuierlichen Bewegung der Teile in Pfeilrichtung 11 problemlos erfolgt.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Aufbringen des Metalles chemisch reduktiver Metallisierungslösungen (8) in Durchlaufanlagen auf Teile (10), insbesondere mit Bohrungen versehene Leiterplatten, deren Oberfläche bereits teilweise mit einer leitenden Schicht versehen ist, wobei der Durchlauf der Teile durch die Anlage in horizontaler Lage mittels Transportwalzen (9) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß an dem schon mit einer leitenden Schicht versehenen Bereich der Teile über unmittelbar vor dem Behälter (7) mit der Metallisierungslösung (8) angeordnete Transportwalzen (9′) eine elektrische Spannung angelegt wird, zu der die Metallisierungslösung (8) den Gegenpol bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrische Spannungsquelle eine externe Spannungsquelle (12) vorgesehen ist, deren einer Pol (13) über die Transportwalzen (9′) mit der Oberfläche des in das Bad einlaufenden zu metallisierenden Teiles (10), insbesondere Substrates, und deren anderer Pol (15) mit der Behandlungslösung (8) kontaktiert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einstellmöglichkeit des Betrages der Spannung der externen Spannungsquelle (12).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als interne elektrische Spannungsquelle das Bad (8) selbst dient, wobei als der eine Pol die Oberfläche eines der sich innerhalb des Bades befindlichen Teile (10′) dient, an der die Metallisierung schon begonnen hat, wobei diese Oberfläche mit der Oberfläche des in das Bad einlaufenden, zu metallisierenden Teiles kontaktiert ist, während das Bad den Gegenpol darstellt.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die zu metallisierenden Teile (10) kontaktierenden Walzen (9′) sich in einem trockenen Bereich oder in einem Bereich mit neutraler Flüssigkeit vor dem Eingang des betreffenden Bades (8) bzw. seines Behälters befinden.