WO2013004439A1

WO2013004439A1 - Vorrichtung und verfahren zur plasmabehandlung von oberflächen

Info

Publication number: WO2013004439A1
Application number: PCT/EP2012/060494
Authority: WO
Inventors: Stefan Nettesheim; Dariusz Korzec
Original assignee: Reinhausen Plasma Gmbh
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2013-01-10
Also published as: DE112012002786A5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen (51 ). Hierzu werden Werkstücke (50), deren Oberflächen (51 ) behandelt werden sollen, in einer Druckkammer (20) angeordnet. Eine Plasmaquelle (10) erzeugt ein Plasma (P), das als Strahl bzw. Plasmajet in die Druckkammer (20) zugeführt werden kann. Eine Pumpe (60) stellt in der Druckkammer (20) einen niedrigeren Druck als in der Plasmaquelle (10) ein. Die Erfindung dient darüber hinaus der plasmagestützten Oberflächenbeschichtung mit Aktivstoffen (A) und insbesondere thermisch labilen Aktivstoffen (A) sowie der plasmagestützten Verlötung.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR PLASMABEHANDLUNG VON

OBERFLÄCHEN

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen. Hierzu werden Werkstücke, deren Oberflächen behandelt werden sollen, in einer Druckkammer angeordnet. Eine Plasmaquelle erzeugt ein Plasma, das als Strahl bzw. Plasmajet in die Druckkammer zugeführt werden kann. Eine Pumpestellt in der Druckkammer einen niedrigeren Druck als in der Plasmaquelle ein. Die Erfindung dient darüber hinaus der plasmagestützten Oberflächenbeschichtung mit Aktivstoffen undinsbesondere thermisch labilen Aktivstoffen sowie der plasmagestützten Verlötung.

In so genannten nichtthermischen Plasmen befinden sich Neutralteilchen, Ionen und Elektronen nicht im thermischen Gleichgewicht.Ein derartiges thermisches Ungleichgewicht kann technisch auf verschiedene Weisen bewirkt werden.

Zum einen kann eine zeitlich variierende Spannung in einem Gas trotz Atmosphärendrucks zu Entladungskanälen führen. Der Volumenanteil der Entladungskanäle am Gesamtvolumen des Gases kann so gering sein, dass die mittlere Gastemperatur nahezu unverändert bleibt. Ein hoher Gasdruck ist technisch insofern vorteilhaft, als er die Zündung und die Aufrechterhaltung des Plasmas stabilisiert.

Zum anderen kann ein thermisches Ungleichgewicht im Plasma durch Reduzierung des Drucks bewirkt werden. In solchen Niederdruckplasmen kann die mittlere freie Weglänge der Teilchengroß gegen ihre Debye-Länge sein, so dass kein signifikanter Wärmeaustausch stattfindet. Geladene Teilchen, insbesondere freie Elektronen, können durch Anlegen einer Spannung selektiv geheizt werden. Bei einer Elektronentemperatur von mehreren 10.000 K kann so die Temperatur des Neutralgases und Ionen wenig über der Umgebungstemperatur liegen. Aufgrund des niedrigeren Teilchengewichts kann durch die Elekt- ronen wesentlich weniger Wärme übertragen werden als durch die um Größenordnungen schwereren Ionen und Neutralgasteilchen. Dadurch können auch thermisch sensible Materialien wie Kunststoffe oder Leiterplatinen mittels Niederdruckplasmen bearbeitet werden.

Gleichzeitig kann jedoch die Energie der freien Elektronen und der bei Rekombination von Ionen und freien Elektronen entstehenden Strahlung die chemi- sehe Modifizierung selbst chemischstabilster Stoff ebewirken.

Eine typische Ausführungsform einer Plasmaquelle ist eine Kammer, in die ein Gaszwischen Elektroden eingeleitet wird. Die Elektroden haben durch Anlegen einerSpannung auf unterschiedliche elektrostatische Potentiale. Durch Lichtbogenentladungen zwischen den Elektroden kann das Gas teilweise ionisiert wer- den, so dass ein Plasma entsteht. Alternativ kann die lonisierungsenergie durch Erhitzung oder Irradiation mit Licht entsprechender Wellenlänge aufgebracht werden.Technische Stellgrößen zur Modulierung eines so erzeugten Plasmas in seiner Beschaffenheit umfassen Gesamtdruck (oder Partialdrücke) sowie seine Modulierung in Zeit und Raum, ebenso die Höhe der Spannung und ihre zeitli- che Modulierung. Die Beschaffenheit eines Plasmas im Zeitpunkt seiner Zündung kann gegenüber einem stabilen Brennen des Plasmasverschieden sein. Somit ist die Zeitspanne nach Zünden bis zur Einstellung eines Gleichgewichtszustandes des Plasmas eine weiteretechnischeStellgröße. Insbesondere erfordert das Zünden eines Plasmas typischerweise einen höheren Druck und/oder eine höhere Spannung als die Aufrechterhaltung eines bereits brennenden

Plasmas. Damit einher gehen höhere Temperaturen, Teilchenenergienund lokale Ladungstrennungen bei Plasmazündung, vor allem bis zur Einstellung eines Gleichgewichtszustandes.

In der deutschen Patentschrift DE 3936955 C1 wird ein Verfahren und eine Vor- richtung zur Verlötung von Flachbaugruppen, insbesondere von mit elektronischen Bauelementen bestückte Leiterplatten, offenbart,bei denen eine Vorbehandlung mit Niederdruckplasmen im mbar-Bereichvorgeschaltet wird. Durch die Plasmavorbehandlung entfällt die Notwendigkeit, auf die Lötstellen Flussmittel aufzutragen. Die Neigung zur Lotbrückenbildung kann vermindert werden. Die deutsche Offenlegungsschrift DE 19809722 A1 offenbartein Reflow- Lötverfahren, in dem Lotdepots auf Substraten in einem Plasmaofen aufgeheizt, mit einem Niederdruckplasma behandelt und ohne Flussmittel verlötet werden.

In der europäischen Patentanmeldung EP 0546443 A1 wird ein Verfahren zur Lötung mittels Wärmeleitung von einem Plasma, insbesondere mit Wasserstoff- Stickstoff-Plasmen.

Die europäische Patentanmeldung EP 0631 713 A1 beschreibt ein Lötverfahren bei niedrigen Drücken, bei dem einem Lötschritt mit einer Lötwelle ein Plasmaschritt vorgeschaltet wird. In der deutschen Patentanmeldung DE 1 0 2007 013 326 A1 werden Vorrichtungen und Verfahren offenbart, die vor einer Reflow-Verlötung eine atmosphärische Plasmabehandlung vorgesehen ist. Auch der Einsatz von potentialfreien Plasmen wird genannt. Weiterhin werden eine oder mehrere so genannten Plasmaflammen derart angeordnet, dass Leiterplatten ein- oder beidseitigplas- mabehandelt werden können. Diese Plasmaflammen können unter Zugabe eines Prozessgases geformt werden.

Die internationale PatentanmeldungWO 2005/099320 A2offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen eines Niederdruckplasmastrahls aus einem Plasmastrahl höheren Drucks. Dieser wird in einer Plasmaquelle erzeugt, die mit einem Prozessgas und mit Energie aus einem hochfrequenten Hochspannungsfeld gespeist wird. Die Plasmaquelle ist mit der Niederdruckkammer verbunden, und ragt zumindest teilweise in sie hinein. In der Niederdruckkammer wird von einer Pumpe gegenüber der Plasmaquelle ein Unterdruck erzeugt. Wird derPlasmastrahl höheren Drucks vorzugsweise über eine Düse in die Nie- derdruckkammer eingeleitet, entsteht so ein Niederdruckplasmastrahl. An der Düse ist keine Dosiervorrichtung zur Steuerung des Zustroms von Plasma in die Niederdruckkammer vorgesehen. Des Weiteren wird eine Behandlung mit einem statischen Plasma, jedoch keine einem gepulsten Plasma offenbart. Weiterhinbetrifft dieinternationalen PatentanmeldungWO 2005/099320 A2ein Verfahren zur Oberflächenvorbehandlung eines Werkstücks und zur Oberflä- chenbeschichtung eines Werkstücks mit einem Precursormaterial in einem Niederdruckplasma. Dabei soll durch das Plasma eine chemische Reaktion des Precursormaterials herbeigeführt werden. Die Oberfläche ist mit den Reaktionsprodukten aus dem Precursormaterial und gegebenenfalls dem Plasma zu beschichten, nicht mit dem Precursormaterial in seinem chemischen Ausgangszustand. Es wird nicht spezifiziert, wie das Precursormaterial dem Plasmastrahl zugeführt wird. Insbesondere enthält beschriebene Vorrichtung kein Merkmal zur Einführung von Precursormaterial direkt in die Niederdruckkammer.

Die bereits offenbarten Vorrichtung und Verfahren eignen sich nur eingeschränkt zur Modulierung der Beschaffenheit des Plasmas. Mit hochfrequenten Hochspannungen erzeugte Niederdruckplasmen haben typischerweise den Nachteil einer hohen elektrostatischen Belastung, die sich beispielsweise bei der Plasmabehandlung von Werkstücken mit elektronischen Schaltkreisen abträglich sind. Ebenso ist eine Einstellung der thermischen Belastung des Werkstücks oder des Precursormaterials nicht beschrieben. Eine Vorrichtungoder ein Verfahrenohne einstellbare thermische Belastung sind ungeeignet für thermisch empfindliche Werkstücke oder Precursormaterialien. Insbesondere gilt dies für thermisch labile Aktivstoffe, die ohne chemischeUmwandlung auf dem Werkstück aufgebracht werden sollen. Eine Einstellung der thermischen Belastung durch ein statisches Plasma durch Drosselung der Plasmaleistung ist zwar prinzipiell möglich, geht aber mit einem Effizienznachteil einher, weil die Prozesszeiten sich entsprechend verlängern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur schonenden und effizienten Behandlung und Reinigung vonOberflächen mit einem Plasma zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung, die die Merkmale desAnspruchs 1 umfasst. Ebenso ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem Oberflächen effizient und schonend gereinigt oder behandelt werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 9 umfasst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächenum- fasst eine Druckkammer zur Aufnahme mindestens eines zu behandelnden Werkstücks. Mindestens eine Plasmaquelle istaußerhalb der Druckkammer angeordnet. Sie dient zur Erzeugung eines Plasmasund steht durch je eine Öffnung in der Druckkammer mit dieser in fluider Verbindung. Eine Pumpe erzeugt einen Unterdruckin der Druckkammer gegenüber der Plasmaquelle und erhält ihn je nach Pumpleistung aufrecht, wenn Plasma von der Plasmaquelle in die Druckkammer strömt. Erfindungsgemäß ist jeder Öffnung in der Druckkammer je eine Plasmadosiereinheit in Strömungsrichtung des Plasmas nachgeordnet. Sie erlaubt die Einstellung des Zustroms von Plasma in die Druckkammer. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst zusätzlich eine Prozessgasdosiereinheitzur Einstellung des Zustroms eines Prozessgases in die Plasmaquelle und/oder eine Spannungsquelle zur Speisung der Plasmaquelle mit einer zeit- und/oder amplitudenmodulierten Spannung. Außerdem kann die effektive Pumpleistung der Pumpe über eine Pump- regelung einstellbar sein.

Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Steuereinheit vorgesehen, welche verschiedene Elemente der Vorrichtung zeitlich aufeinander abgestimmt steuern kann. Zu den zeitlich abgestimmt steuerbaren Elementen zählen insbesondere diePlasmadosiereinheit und Prozess- gasdosiereinheit, die Spannungsquelle und die Pumpregelung. Durch Steuerung zumindest eines dieser Elemente beziehungsweise durch zeitlich aufeinander abgestimmte Steuerung zumindest zweier dieser Elemente istein moduliertes Plasma erzeugbar. Die Beschaffenheit des Plasmas kann in verschiedener Hinsicht moduliert werden. Insbesondere kann das Plasma zeitlich moduliert wer- den, so dass ein gepulstes Plasma entsteht. Im einfachsten Fall wird dies durch Öffnen und Schließen der Plasmadosiereinheit bewirkt werden. Dazu kann die Plasmadosiereinheit zum Beispiel als steuerbares Ventil ausgefertigt sein. Des Weiteren können über die Steuereinheit, wie einleitend ausgeführt, Parameter wie Druck, Elektronentemperatur, lonentemperatur, damit die thermische Belastung durch das Plasma, lonisierungsgrad und Ladungsverteilung, damit die elektrostatische Belastung durch das Plasma beeinflusst werden. Prinzipiell erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine weitgehend unabhängige Einstellung dieser Parameter. In der Praxis ist es jedoch zielführender, bestimmte Parametersätze zu festzulegen, bei denen die Oberflächenbehandlung geeignet und reproduzierbar ist.

Insbesondere können die Öffnung der Druckkammer und/oder die ihr zugeordnete Plasmadosiereinheit als Düse ausgebildet sein. Dadurch kann ein Plasma so moduliert werden, dass ein aufweitbarer und/oder richtbarer Strahl entsteht. Auch die Ladungs-, Teilchen- und Temperaturverteilung kann durch eine solche Düse homogener werden. Die Erzeugung eines Plasmastrahls beruht erfindungsgemäß auf der Expansion von Plasma in eine Zone niedrigeren

Drucks. Vorteilhaftist eine Anordnung, bei der ein Plasmastrahl zumindest auf einen Teil einer Oberfläche des Werkstücks gerichtet ist. Ein Einflussfaktor auf die thermische oder elektrostatische Belastung ist der Abstand des Werkstücks von der Öffnung. Je größer der Abstand, desto geringer Plasmadruck und - dichte, desto tendenziell geringer die thermischeund elektrostatische Belastung durch das Plasma.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf die plasmage- stützte Oberflächenbeschichtung von Werkstücken mit einem Prozessmaterial. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird dazu um eine Zuleitung ergänzt, die in die Druckkammer hineinragt undüber einen Auslass Prozessmaterial in sie einbringen kann. Dieser Auslass kann erfindungsgemäß als Düse oder Zerstäuber ausgebildet sein, um das Prozessmaterial homogener zu verteilen. Vorzugsweise ist der Auslass für das Prozessmaterialim Kegel des Plasma- Strahls angeordnet, damit das Prozessmaterial gleichmäßig im Plasmastrahl verteilt wird.

Auf der vorbeschriebenen Ausgestaltung aufbauend, kann eine Prozessmate- rialdosiereinheit zur zeitlichen und/oder mengenmäßigen Einstellung des Zust- roms von Prozessmaterial der Zuleitung vorgeschaltet sein.

Die Steuereinheit zur Erzeugung eines modulierten Plasmas kann zusätzlich diese Prozessmaterialdosiereinheit zeitpräzise steuern, um somiteine Abstimmung des Zustroms von Prozessmaterialin Hinblick auf die Beschaffenheit des modulierten Plasmas zu erreichen. Für einen Prozess zur plasmagestützen Oberflächenbeschichtung ist es beispielsweise wünschenswert, ein Prozessmaterial möglichst homogen auf einer Oberfläche eines Werkstücks zu verteilen. Eine Beschichtung mit dem Prozessmaterial in seiner Ausgangsform kann unerwünscht sein. Dazu muss das Plasma je nach Prozessmaterial den Aggregatszustand verändern oder Körnungsgröße und Clustergröße geeignet redu- zieren. Damit das gesamte Prozessmaterial vollständig derart verändert wird aber seine Stoffmenge jedoch zur homogenen Oberflächenbeschichtung ausreicht, muss der Massenstrom des Prozessmaterials auf den Massenstrom und/oder Plasmaleistung des Plasmas abstimmbar sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere für Prozesse mit geringen Kontaminationstoleranzen bestimmt. In der Atmosphäre enthaltene Stoffe wie Sauerstoff, Wasser oder Kohlenwasserstoffe können zu unerwünschten chemischen Reaktionen oder Ablagerungen führen. Daher ist ein möglichst niedriger Prozessdruck in der Druckkammer von Vorteil. Um einen tiefen Druck zeiteffizient einzustellen und die Druckkammer ständig auf niedrigem Druck und so möglichst kontaminationsfrei zu halten, kann der Druckkammer je eine abpumpbare Druckschleuse vor- und nachgeordnet werden. Eine Transportvorrichtung dient dazu, die zu behandelnden Werkstücke gleichzeitig und/oder nacheinander durch die Druckschleusen in die Druckkammer einzubringen und auszubringen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Plasmabehandlung von Oberflächen zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein zu bearbeitendes Werkstückin einer Druckkammer angeordnet wird. Eine Plasmaquelle, die sichaußerhalb der Druckkammer befindet, wird über eine Prozessgasdosiereinheit mit einem Prozessgas und von einer Spannungsquelle mit der zur Plasmaerzeugung nötigen elektrischen Energie gespeist.Durch eine Steuerung der Spannungsquelle und/oder derProzessgasdosiereinheit werden die Spannung und der Zustrom anProzessgas so eingestellt, dass eingepulstes Plasma erzeugt wird. Das gepulste Plasma wirdaus der Plasmaquelle in die Druckkammer gelei- tet.EinePlasmadosiereinheit steuert die Zufuhr von Plasma in die Druckkam- mer.Auf diese Weise wird ein dosierter, gepulster Strahl eines modulierten Plasmas erzeugt. Das mindestens eine Werkstück ist so angeordnet, dass der Strahl zumindest auf einen Teil einer seiner Oberflächen gerichtet ist.

Der gepulste Strahl des modulierten Plasmas kann in seiner Beschaffenheit zusätzlich moduliert werden. Dazu werden erfindungsgemäß der Zustrom von gepulstem Plasma in die Druckkammer über die Plasmadosiereinheit und/oder der Zustrom von Prozessgas in die Plasmaquelle über eine Prozessgasdosiereinheit und/oder die Spannung aus der Spannungsquelle und/oder die effektive Pumpleistung einer Pumpe der Druckkammerüber eine Prozessmaterialdosie- reinheit zeitlich abgestimmt gesteuert. Die Präzision der zeitlichen Abstimmung liegt auf der Skala der angestrebten Taktzeiten des Prozesses. Die Steuereinheit eignet sich für die Umsetzung der zeitlichen Abstimmung.

Das gepulste Plasma kann insbesondere durch eine Folge von Gleichspannungspulsen erzeugt werden. Unabhängige Stellgrößen zur Modulierung des gepulsten Plasmas sind die die Höhe der Gleichspannung, Pulsdauer sowie das Intervall zwischen zwei Spannungspulsen. Verwendet man eingepulstes Plasma, so ergibt Sichgegenüber der Verwendung eines kontinuierlichen Plasmas der Vorteil, dass der mittlere Druck in der Druckkammer wesentlich niedriger sein kann. Viele Prozesse erfordern einen niedrigeren mittleren Druck, vor allem Plasmadruck. Eine Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft die Be- Schichtung zumindest eines Teiles einer Oberfläche des mindestens einen Werkstücks mit einem Aktivstoff. Der Aktivstoff ist Bestandteil des Prozessmaterials und kann seinerseits aus mehreren Komponenten bestehen. Das Prozessmaterial wird über eine Zuleitung in eine Zone des gepulsten Strahles von moduliertem Plasma zugeführt. Prinzipiell könnte die thermische Belastung des Aktivstoffs eingestellt werden, indem die Position des Auslasses näher an die zu behandelnde Oberfläche verfahren wird. Erfindungsgemäß wird jedoch ein fester Abstand des Auslasses zur zu behandelnden Oberfläche eingestellt und so die Homogenität der Beschichtung optimiert. Die lokale thermische Belas- tung in der Zone der Druckkammer, in die das Prozessmaterial eingelassen wird, wird durch Modulieren des Plasmas eingestellt. Besonders vorteilhaft ist die zeitliche Modulierung, also das Pulsen des Plasmas. Das Plasma wird so moduliert, dass die chemischen Struktur des Prozessmaterials nicht ändert, es aber homogen im Strahl des moduliertem Plasmas verteilt wird. Zusätzlich sieht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, den Massenstrom des zugeführten Prozessmaterials auf den Massenstrom des modulierten Plasmas derart abzustimmen, dass genügend Plasma vorhanden ist, um das Prozessmaterial homogen zu verteilen. Es muss auch genügend Prozessmaterial vorhanden sein, um die zu bearbeitende Oberfläche vollstän- dig und homogen in einer bestimmten Zeiteinheit zu beschichten.

Das Verfahren zur Plasmabehandlung von Oberflächen kann erfindungsgemäß um eine plasmagestützte Vorbehandlung und/oder Nachbehandlung erweitert werden.Zweck dieser zusätzlichen Prozessschritte ist beispielsweise die Reinigung der Oberfläche von Verschmutzungen, Adsorbaten oder Rückständen von Prozessmaterial. Durch eine Plasmabehandlung kann auch eine Verbesserung der Verlötbarkeit von auf der Oberfläche befindlichen Strukturen erzielt werden. Die Eigenschaften des jeweiligen Plasmas bei der Beschichtung, der Plasmavorbehandlung und/oder der Plasmanachbehandlung unterscheiden. Insbesondere kann das Prozessgas aus verschiedenen Gemischen chemisch reakti- ver oder inerter Gase bestehen. Ein Vorteil der Erfindung ist, dass Vorbehandlung, Beschichtung und Nachbehandlung in einer Druckkammer in unmittelbarer Folge bei durchgehend niedrigem Druck ausgeführt werden können. Neben der Zeitersparnis hat ein kurzes Zeitintervalzwischen den Prozessschritten den Vorteil, dass eine Kontamination der zu behandelnden Oberfläche vermindert wird. Ebenso vermindert ein niedriger Prozessdruck unerwünschte chemische Reaktionenwie native Oxidbildung durch einen Restsauerstoffgehalt in der Druckkammer. Beispielsweise kann in einem erfindungsgemäßen Verfahren eine Leiterplatte, die mit einem Weichlot provisorisch verbundene Lötstellen trägt, zunächst durch ein Plasma gereinigt, anschließend mit einem Lötflussmittel beschichtet und abschließend durch plasmainduzierte Erhitzung des Weichlots Reflow-verlötet werden.

Die zu behandelndenWerkstücke könnenzu verlötende elektronische Bauteiletragen. Durch eine Plasmanachbehandlung können sie verlötet werden, insbe- sondere durch eine Reflow-Verlötung. Die erfinderische Plasmanachbehandlung eignet sich auch zur Vorbehandlung zur Verlötung vermittels einer Lötwelle.

Das Prozessmaterial kann aus einem Trägergas und einem Aktivstoff bestehen. Der Aktivstoff kann seinerseits aus verschiedenen Bestandteilen bestehen. Die- se Bestandteile können in Form von Gas, Dampf, Nebel oder Suspension im Trägergas vorliegen. Durch die Plasmabehandlung wird der Aktivstoff gleichmäßig verteilt und gegebenenfalls verdampft oder sublimiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Beschichtung mit Aktivstoffen, insbesondere thermisch labilen Aktivstoffen, die ein Mittel zur Verbesserung der Lötfähigkeit sind. Beispiele für solche Stoffe sind Flussmittel oder Reduktionsmittel wieAdipinsäure undAmeisensäure.Sie werden typischerweise der Vermeidung von Lotbrückenbildung eingesetzt. Sie können auch durch Reduktion von Oxiden auf zu verlötenden Kontaktflächen von elektronischen Bauteilen die Haftung der Lötkontakte verbessern. Insbesondere kann durch ein erfindungs- gemäßes Verfahren eine Oberfläche mit einem chemisch im Wesentlichen un- veränderten Aktivstoff beschichtet oder benetzt werden, der erst durch eine geeignete Plasmanachbehandlung zur chemischen Reaktion gebracht wird. Der besondere Vorteil eines solchen Verfahrens liegt darin, dass der Aktivstoff nur auf ausgewählte Teilflächen eines Werkstücks wirkt. Nachfolgend sind erfindungsgemäße Ausführungsformen der Vorrichtung und des Verfahrens zur Plasmabehandlung von Oberflächenanhand derbeigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese beispielhaft konkretisierten Ausführungsformen sind nicht als Einschränkungen für den Umfang der Erfindung zu werten. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen;

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen; Fig. 3 eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen mit einem Schleusensystem; und

Fig. 4 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen, die ein Schleusensystem verwendet. In den Zeichnungen werden für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung identische Bezugszeichen verwendet.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Plasmabehandlung von Oberflächen 51 . In einer Druckkammer 20 ist ein zu behandelndes Werkstück 50 auf einem Werkstückhalter 52 bzw. Tisch angeordnet. Vermittels einer Pum- pe 60 ist in der Druckkammer 20 ein definierter Druckp20 einstellbar. Die Pumpe 60 ist mit einer Pumpregelung D6 verbunden. Außerhalb der Druckkammer 20 ist mindestens eine Plasmaquelle 10 angeordnet. In sie kann über eine Zu- führung 1 1 mit einer Prozessgasdosiereinheit D1 der Zustrom eines Prozessgases gl dosiert werden, so dass sich ein Druck p10 einstellt. Durch Anlegen einer Spannung V(t) aus einer Spannungsquelle 30 zwischen der Plasmaquelle 10 selbst und einer von dieser elektrisch isolierten Elektrode 31 kann aus dem Prozessgas gl ein Plasma P erzeugt werden. Zur Vermeidung von elektrostatischen Aufladungen und parasitären Stromfluss haben die Plasmaquelle 10, die Druckkammer 20 und die Spannungsquelle 30 ein gemeinsames Massenpotential 32. Die Druckkammer 20 steht über eine Öffnung 12 mit der Plasmaquelle 10 in fluider Verbindung. Wenn der Druck p20 in der Druckkammer 20 unter dem Druck p10 in der Plasmaquelle 10 liegt, kann Plasma P aus der Plasmaquelle 10 in die Druckkammer 20 strömen und expandieren. In Strömungsrichtung I ist der Öffnung 12 der Druckkammer 20 eine Plasmadosiereinheit D2 nachgeordnet, die den Plasmastrom ganzoder teilweise absperren kann. Zusätzlich kann diePlasmadosiereinheit D2 als Düse zur Aufweitung und Richtung eines Strahles eines modulierten Plasmas P2 ausgeformt sein. Eine Steuereinheit 100 kann die Spannungsquelle 30, die Prozessgasdosiereinheit D1 , die Plasmadosiereinheit D2 und/oder die Pumpregelung D6 zeitlich abgestimmt aufeinander regeln. Durch geeignete zeitliche Steuerung kann das Plasma P und das Plasma P2 in seiner Beschaffenheit moduliert werden. Ein beispielhafterVerfahrenszyklus zur Modulierung des Plasmas umfasst folgende Schritte: Dosiertes Einlassen von Pulsen des Prozessgases gl eines Drucks p10 in die Plasmaquelle 20, gleichzeitiges oder kurz zeitversetztes Zünden eines Plasmapulses P mit Gleichspannungspulsen V(t), Öffnen der Plasmadosiereinheit D2 derart zeitversetzt zur Plasmazündung, dass sich ein Gleichgewichtszustand im Plasma derart graduell ausgebildet hat, dass im Plasma P lonisierungsgrad, Temperatur der freien Elektronen und/oder thermische Belastung des Plasma P2 moduliert sind, Einstellen der Druckdifferenz p10-p20 über die Pumpregelung D6, um aus dem Plasma P einen gepulsten, gerichteten Strahl eines modulierten Plasmas P2 niedrigeren Drucks und Re- kombinationsrate von freien Elektronen und Ionen zu erzeugen. Effektiv lässt sich so die thermische und/oder elektrostatische Belastung durch das modulierte Plasma P2 einstellen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Werkstück 50 so in der Druckkammer 20 angeordnet, dass der Strahl von moduliertem Plasma P2 zumindest auf einen Teil seiner Oberfläche 51 gerichtet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 kann um eine Zuleitung 40 ergänzt werden, über die ein Prozessmaterial M durch einen Auslass 41 in eine Zone 21 des Strahles von moduliertem Plasma P2 zugeführt werden kann. Der Auslass 41 kann als Düse oder Zerstäuber ausgeführt sein. Eine Prozessmaterialdosiereinheit D4 regelt den Zustrom von Prozessmaterial M. Das Prozessmaterial M kann aus einem Trägergas g4 und einem oder mehreren Aktivstoffen A bestehen. Die Steuereinheit 100 kann zusätzlich die Prozessmaterialdosiereinheit D4 zeitlich abgestimmt steuern.

Ein beispielhafter Verfahrenszyklus zur zeitlich abgestimmten Steuerung des Zustroms von Prozessmaterials M und moduliertem Plasma P2 umfasst folgen- de Schritte: Einstellen der Beschaffenheit des Strahles von moduliertem Plasma P2 wie vorbeschrieben, Zuführen des Prozessmaterials kurz vor, gleichzeitig oder kurz nach dem Zuführen des gepulsten Plasmastrahls. Das erfindungsgemäße Verfahren kann eineSequenz von Verfahrenszyklen umfassen. Diese Sequenz kann periodisch sein oder mit variablen Zeitintervallen aufweisen. Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung ergänzt die Vorrichtung 1 um Thermometer in der Druckkammer 20 oder Druckmesser in Plasmaquelle und Druckkammer, die von der Steuereinheit 1 00 auslesbar sind. Dadurch entsteht ein Regelkreis, der beispielsweise die Zeitintervalle zwischen zwei Verfahrenszyklen derart an- passt, dass ein definierter Schwellwert für die thermische Belastung des Werk- Stücks nicht überschritten wird. DiesesBeispiel einer möglichen Regelung ist jedoch nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der bezüglich Fig. 1 vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Plasmabehandlung von Oberflächen 51 mit einem vereinfachten Aufbau. Hier ist im Wesentlichen auf die Steuereinheit 100 verzichtet, so dass die Einstellung der optimalen Prozessparameter durch Vor- einstellung der Prozessgasdosiereinheit D1 , Spannungsquelle 30, Plasmadosiereinheit D2 und/oder der Prozessmaterialdosiereinheit D4 erzielt wird.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Plasmabehandlung von Oberflächen mit einem Schleusensystem. DieDruckkammer 20 istmit einervorgeordneten Schleuse C1 und einer nachgeordnetenDruckschleuse C2verbunden, um Werkstücke 50 vermittels einer Transportvorrichtung T in die Druckkammer 20 einzubringen und auszubringen. Jede Druckschleuse C1 , C2 ist mit Pumpsystem fluid verbunden (nicht dargestellt). Umgebung, Druckschleusen C1 , C2 und Druckkammer 20 sind untereinander mit verschließbaren Ventilen G1 , G2, G3, G4 verbunden.

Ein typischer Verfahrenszyklus verläuft wie folgt: Die erste Druckschleuse C1 wird auf Umgebungsdruck belüftet, das erste Ventil G1 geöffnet, das Werkstück 50 von der Transportvorrichtung T in die erste Druckschleuse C1 eingeschleust, das erste Ventil G 1 geschlossen, erste und zweite Druckschleuse C1 , C2 auf den Druck p20 in der Druckkammer 20 gepumpt, das zweite Ventil G2 geöffnet, das Werkstück 50 von der Transportvorrichtung T in die Druckkammer 20 eingeschleust, das zweite Ventil G2 geschlossen, das Werkstück 50 wird wie vorbeschrieben vorbehandelt, beschichtet und/oder nachbehandelt, das dritte Ventil G3 geöffnet, das Werkstück 50 von der Transportvorrichtung T die zweite Druckschleuse C2 eingeschleust, das dritte Ventil G3 geschlossen, die zweite Druckschleuse C2 wird auf Umgebungsdruck belüftet, das vierte Ventil G4 geöffnet und das Werkstück 50 von der Transportvorrichtung T an die Umgebung ausgeschleust.

Im Besonderen zeigt Fig. 3 einen Aufbau zur Reflow-Verlötung mit einem von oben auf das das Werkstück 50 gerichteten Strahl von moduliertem Plasma P2; Fig. 4 zeigt einen Aufbau zur Vorbehandlung zur Verlötung vermittels einer Lötwelle mit einem von unten auf das das Werkstück 50 gerichteten Strahl von moduliertem Plasma P2. Prinzipiell kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 um weitere Druckschleusen erweitert werden. In jeder Druckschleuse können Verfahrensschritte stattfinden. Beispielsweise können in der nachgeordneten Druckschleuse C2 zu verlötende Strukturen auf dem Werkstück 50 vermittels einer Lötwelle (nicht dargestellt) verlötet werden.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Schleusensystems ist der Schutz der Druckkammer vor Kontaminationen. Zudem kann so eine Vielzahl von Werkstü- cken 50 zeiteffizient nacheinander bearbeitet werden, weil sich die Pumpzeiten verkürzen beziehungsweise Druckkammer und Schleusenkammern simultan oder zeitversetzt gepumpt werden können.

Bezugszeichenliste:

1 Vorrichtung

10 Plasmaquelle

1 1 Zuführung des Prozessgases

12 Einlass des Plasmas

20 Niederdruckkammer

21 Zone der Niederdruckkammer

22 Abstand

30 Spannungsquelle

31 Elektrode

32 Masse

40 Zuleitung des Prozessmaterials

41 Auslass in die Niederdruckkammer

50 Werkstück

51 Oberfläche des Werkstückes

52 Werkstückhalter

60 Absaugvorrichtung

100 Steuereinheit

gi Prozessgas

g Trägergas

M Prozessmaterial

A Aktivstoff

V(t) Spannung

D1 Prozessgasdosiereinheit

D2 Plasmadosiereinheit

D4 Prozessmaterialdosiereinheit

D4 Regeleinheit

D6 Pumpregelung

P1 Druck in der Plasmaquelle

p2 Niederdruck in der Niederdruckkammer

P Plasma

P2 Niederdruckplasma

C1 vorgeordnete Druckschleuse

C2 nachgeordnete Druckschleuse

G1 erstes Ventil

G2 zweites Ventil

G3 drittes Ventil

G4 viertes Ventil

pC1 Druck in der vorgeordneten Druckschleuse pC2 Druck in der nachgeordneten Druckschleuse

T Transportvorrichtung

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung (1 ) zur Plasmabehandlung von Oberflächen (51 )

umfassend

· eine Druckkammer (20) zur Aufnahme mindestens eines zu

behandelnden Werkstücks (50);

• mindestens eine Plasmaquelle (10) zur Erzeugung des Plasmas

(P);

• eine Pumpe(60) zur Einstellung eines Druckes (p20) in der

Druckkammer (20), der niedriger ist als ein Druck (p10) in der

Plasmaquelle (10);

gekennzeichnet durch

• mindestens eine Öffnung (12) in der Druckkammer (20), über welche die Druckkammer (20) mit je einer außerhalb der

Druckkammer (20) angeordneten Plasmaquelle(I O) in fluider

Verbindung steht,und

• je eine Plasmadosiereinheit(D2) zur Einstellung des Zustroms des Plasmas (P), die der Öffnung (12) der Druckkammer (20) in Strömungsrichtung (I) des Plasmas (P) nachgeordnet ist.

2. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , wobei eineProzessgasdosiereinheit (D1 ) zur Einstellung des Zustroms eines Prozessgases (gl ) in die

Plasmaquelle (1 0) und/odereine Spannungsquelle (30) zur Speisung der Plasmaquelle (1 0) mit einer modulierten Spannung (V(t)) und/odermit einer regelbaren Pumpe (60) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und2, wobei eine Steuereinheit (100) der Plasmadosiereinheit (D2) und Prozessgasdosiereinheit (D1 ), der

Spannungsquelle (30) und der Pumpe (60) verbunden ist, so dass durch eine zeitlich abgestimmte Steuerung ein moduliertes Plasma (P2) erzeugbar ist.

4. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Öffnung (12) der Druckkammer (20) und/oder die ihr zugeordnete Plasmadosiereinheit (D2) als Düse ausgebildet ist, so dass ein Strahl aus dem moduliertem Plasma (P2) aufweitbar und/oder richtbar ist.

5. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 4, wobei eine Zuleitung (40) für eines

Prozessmaterials (M) einen Auslass (41 ) ausgebildet hat, der im Strahl aus moduliertem Plasma (P2) positioniert ist.

6. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 5, wobei eine

Prozessmaterialdosiereinheit(D4) zur zeitlichen und/oder mengenmäßigen Einstellung des Zustroms von Prozessmaterial (M) der Zuleitung (40) zugeordnet ist.

7. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 6, wobei überdie Steuereinheit (100)

zusätzlich die Prozessmaterialdosiereinheit(D4) zur Abstimmung des Zustroms von Prozessmaterial (M) auf die Beschaffenheit des modulierten Plasmas (P2) steuerbar ist.

8. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckkammer (20) mit einervorgeordneten Schleuse (C1 ) und

einernachgeordnetenDruckschleuse (C2) verbunden ist, um Werkstücke (50) vermittels einer Transportvorrichtung (T) in die Druckkammer (20) einzubringen und auszubringen.

9. Verfahren zur Plasmabehandlung von Oberflächen (51 )

gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• Anordnen mindestens eines zu behandelnden Werkstücks (50) in einer Druckkammer (20);

• Steuern einer Spannungsquelle (30) einer Plasmaquelle (10) und/oder einer Prozessgasdosiereinheit (D1 ) für den Zustrom einesProzessgases (gl ) in die Plasmaquelle (10) derart, dass in der außerhalb der Druckkammer (20) angeordneten Plasmaquelle (10) ein gepulstes Plasma (P) erzeugt wird;

• Zuführen von gepulstem Plasma (P) aus der Plasmaquelle (10) in die Druckkammer (20) über eine Plasmadosiereinheit (D2), so dass ein gepulster Strahl eines modulierten Plasmas (P2) zumindest auf einenTeil einer Oberfläche (51 ) des mindestens einen Werkstücks (50) gerichtet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Beschaffenheit des modulierten Plasmas (P2) eingestellt wird durch zeitlich abgestimmtes Steuern

• des Zustroms von gepulstem Plasma (P) in die Druckkammer (20) über die Plasmadosiereinheit (D2) und/oder

• des Zustroms von Prozessgas (gl ) in die Plasmaquelle (10) über eine Prozessgasdosiereinheit (D1 ) und/oder

• einer Spannung (V(t)) aus der Spannungsquelle (30) und/oder

• der effektiven Pumpleistung einer Pumpe (60) der Druckkammer (20) über eine Pumpregelung (D6).

11. Verfahren nach einem der Anspruch 10, wobei die Pulse des Plasmas (P2) durch eine Folge von Gleichspannungspulsen (V(t)) erzeugt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 und/oder1 1 ,

wobei über eine Zuleitung (40) ein Prozessmaterial(M) in eine Zone (21 ) des gepulsten Strahles von moduliertem Plasma (P2) zugeführt wird, sodass das Prozessmaterial (M) seine chemischen Struktur nicht ändert und das Prozessmaterial (M) homogen im Strahle des moduliertem Plasmas verteilt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1 1 , wobei zumindest ein Teil einer Oberfläche (51 ) des mindestens einen Werkstücks (50) mit einem Aktivstoff (A) des

Prozessmaterials (M) beschichtet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei zusätzlich der Massenstrom des

zugeführten Prozessmaterials (M) auf den Massenstrom des modulierten Plasmas (P2) abgestimmt wird.

15. Verfahren nach den Ansprüchen9 bis 14,

wobei die Oberfläche (51 ) des mindestens einen Werkstücks (50) mit dem

Strahl des modulierten Plasmas (P2) vorbehandelt und/oder

nachbehandelt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei sich die Eigenschaften des jeweiligen Plasmas (P2) bei der Beschichtung, der Plasmavorbehandlung und/oder der Plasmanachbehandlung unterscheiden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis1 6,wobei das Prozessmaterial (M) aus einem Trägergas (g4) besteht, welches mindestens einen

Aktivstoff (A) in Form von Gas, Dampf, Nebel oder Suspension trägt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobeimindestens ein Aktivstoff (A) im

Prozessmaterial (M) ein Mittel zur Verbesserung der Lötfähigkeit ist.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei Bestandteile des das Werkstück (50) beschichtenden Aktivstoffs (A) durch eine Plasmanachbehandlung miteinander und/oder mit dem Werkstück (50)zur chemischen Reaktion aktiviert werden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 1 9, wobei das Werkstück (50) zu verlötende Strukturen trägt, die durch eine Plasmanachbehandlung verlötet werden.