DE3603856C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Galvanisierung von ebenen Werkstücken wie Leiterplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Anspruchs 1 sowie von einer Vorrichtung nach der Gat­ tung des Anspruchs 6.

Konventionelle Anlagen zur Galvani­ sierung beispielsweise von Leiterplatten sind Tauchbadan­ lagen, bei denen Leiterplatten an Gestellen montiert und senkrecht, diskontinuierlich in das jeweilige Prozeßbad eingetaucht werden. Bei Tauchprozessen werden aufgrund der begrenzten relativen Bewegung zwischen Elektrolyt und Waren relativ lange Expositionszeiten notwendig. Bei­ spielsweise werden bei der galvanischen Kupferabschei­ dung für 30 µm Cu bei einer üblichen Stromdichte von 2,5 A/dm² etwa 60 Minuten benötigt. Auch läßt sich ein derartiges diskontinuierliches Verfahren nur schwierig in vor- oder nachgeschaltete, kontinuierlich laufende Ver­ fahrensabschnitte einfügen. Schließlich ist die Gleichmäßig­ keit der Dicke der erzeugten Kupferschicht bei dem diskon­ tinuierlichen Tauchbadverfahren nicht immer befriedigend.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen mit denen kurze Durchlaufzeiten der Werkstücke und eine gleichmäßige Schichtdickenverteilung auf der Oberfläche der Werkstücke erreichbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 sowie des Anspruches 6.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die erfindungsgemäße Vor­ richtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 6 haben demgegenüber den Vorteil, daß eine um mindestens den Faktor 6 schnellere, großflächige galvanische Platten­ beschichtung möglich ist. Das Verfahren ist daher vorteil­ haft einsetzbar bei der galvanischen Kupferverstärkung von Leiterplatten, wobei die Durchlaufzeiten verhältnismäßig kurz gehalten werden können. Die Schichtdickenverteilung auf der Leiterplattenoberfläche ist sehr gleichmäßig, konstant und reproduzierbar. Es sind nur verhältnismäßig geringe Elektrolytmengen notwendig und die Zuführung und Abnahme der Leiterplatten kann automatisch erfolgen.

Durch die in den jeweiligen Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserun­ gen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens und der im An­ spruch 6 angegebenen Vorrichtung möglich. So ist es bei größeren Platten, um die es sich im allgemeinen handelt, vorteilhaft, mehrere kathodisch geschaltete und anodisch geschaltete Walzenpaare abwechselnd hintereinander anzu­ ordnen. Da die Walzenpaare verhältnismäßig dicht beiein­ ander liegen, kommt man bald in einen Bereich, in dem bis zu 100 Anodenpaare benötigt werden. Bei einer solchen Menge von Anodenpaaren ist es vorteilhaft, einzelne Module mit etwa 10 Anodenpaaren pro Modul hintereinanderzuschalten, um auf diese Weise die notwendige Schichtdicke auf der Leiterplatte zu erzielen. Dieser modulare Aufbau bietet in hohem Maße Anpassungsmöglichkeiten bei möglicherweise notwendigen Kapazitätsänderungen. Auch bietet sich hier­ durch eine gute Verkettungsmöglichkeit mit Durchlaufvor- und -nachbehandlungsanlagen wie Dekapieren, Reinigen, Beizen, Spülen usw. Als vorteilhaft hat sich weiterhin erwiesen, den anodisch geschalteten Walzenpaaren, deren Oberfläche Flüssigkeit aufzunehmen vermag, den notwendigen Elektrolyten über Spritzregister zuzuführen. Dabei sind Spritzregister und Anodenwalzen durch eine Kunststoff­ abschirmung von den Kathodenwalzen abgetrennt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Gal­ vanisiermodul,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Teiles eines solchen Moduls,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein anodisch geschaltetes Walzenpaar mit Elektrolyt­ zufuhr und

Fig. 4 schließlich einen Schnitt durch ein kathodisch geschaltetes Walzenpaar.

Gemäß Fig. 1 besteht ein Galvanisiermodul 1 aus einem Behälter 2 mit einem Elektrolytzulauf 3, einem Elektrolyt­ ablauf 4 sowie einer Absaugung 5. In dem Behälter 2 sind Walzen paarweise hintereinander angeordnet, und zwar so, daß dem Eingangsspalt 6 am nächsten kathodisch geschaltete Walzen 7, im folgenden kurz als Kathodenwalzen bezeichnet, und dann abwechselnd anodisch geschaltete Walzen 8, im folgen­ den kurz als Anodenwalzen bezeichnet, und Kathodenwalzen angeordnet sind, wobei der Abstand je zweier Kathodenwalzen 7 und zweier Anodenwalzen 8 etwa 50 mm beträgt. In einem Galvanisiermodul 1 sind 10 bis 12 Paare von Anodenwalzen 8 und eine entsprechende Anzahl von Paaren an Kathoden­ walzen 7 enthalten, wobei am Ende eines solchen Galvani­ siermoduls 1 wiederum ein Paar Kathodenwalzen 7 vorgesehen ist. Über bzw. unter jeder der Anodenwalzen 8 ist ein An­ spritzregister 9 vorgesehen. Anspritzregister 9 und Anoden­ walzen 8 sind durch eine Kunststoffabschirmung 19 von den Kathodenwalzen abgetrennt, wobei die Abschirmung bis dicht auf das Werkstück reicht. Dem ersten Galvanisiermodul 1 vorgeschaltet ist ein Einlaufmodul 10 mit teilweise ange­ triebenen Transportwalzen 11. Dies ist schematisch in per­ spektivischer Form nochmals in Fig. 2 dargestellt. Dabei sind in dieser Figur der Behälter 2 mit dem Eingangsspalt 6 der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Eine Leiter­ platte 12 wird auf den Transportwalzen 11 transportiert und von dem Kathodenwalzenpaar 7, deren beide Walzen kräftig gegeneinander drücken, erfaßt, wobei gleichzeitig die me­ tallischen Belegungen der Leiterplatte 12 kathodisch kon­ taktiert werden. Die Leiterplatte 12 läuft in Fig. 2 von rechts nach links, so daß sie schließlich durch den von den beiden dargestellten Anodenwalzen 8 mit säurebeständigem Filztuch 15 gebildeten Spalt geführt wird, während den beiden Walzen 8 über die nicht dargestellten Anspritzregister 9 der Elektrolyt zugeführt wird. Der Wechsel zwischen Kathodenwalzen 7 und Anodenwalzen 8 setzt sich in entsprechender Weise fort, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.

In Fig. 3 ist ein Paar Anodenwalzen 8 mit dem darüber bzw. darunter angeordneten Anspritzregister 9 dargestellt. Die Anodenwalzen 8 bestehen aus den Achsen 13, die in nicht dargestellten Lagern gelagert sind, wobei der Antrieb der unteren Walze durch den linken Achsteil und der Antrieb von der unteren zur oberen Walze durch den rechten Achs­ teil erfolgt. Auf den Achsen 13 sitzt je ein Mantel 14 aus Titan, dessen Oberfläche mit einer Platin- oder Iridium- Schicht beschichtet ist. Im Bereich der Leiterplatte 12 ist der Mantel 14 mit einem säurebeständigen Filztuch 15 um­ wickelt, welches den aus dem Anspritzregister 9 aufge­ spritzten Elektrolyten aufnimmt. Die anodische Stromzufuhr erfolgt über Schleifkontakte 16. Der Abstand der beiden Anodenwalzen 8 eines solchen Paares wird so eingestellt, daß zwischen der Leiterplatte 12 und dem Filztuch 15 der oberen bzw. unteren Walze jeweils ein Spalt von etwa 0,1 mm verbleibt. Dieser Abstand der beiden Walzen 8 läßt sich verstellen und so der Dicke der jeweiligen Leiterplatte 12 anpassen.

Gemäß Fig. 4 weisen die Kathodenwalzen 7 Achsen 17 auf, die in nicht dargestellten Lagern gelagert sind; hier wird durch den rechten Achsenteil die untere Walze ange­ trieben und durch die linken Achsenteile der Antrieb von der unteren zur oberen Walze übertragen. Die Kathodenwalze 7 selbst besteht aus einem Mantel aus nichtrostendem Edelstahl oder Titan. Die kathodische Stromzufuhr erfolgt durch Schleifkontakte 18. Die Kathodenwalzen 7 eines Walzen­ paares drücken kräftig aufeinander, sind aber mittels der Achsen 17 federnd gelagert, so daß eine einlaufende Leiter­ platte 12 einwandfrei erfaßt, kontaktiert und transportiert wird.

In einem speziellen Beispiel haben die Kathodenwalzen 7 und die Anodenwalzen 8, letztere einschließlich dem Filz­ tuch 15, einen Durchmesser von 20 mm. Der Abstand der Kathodenpaare voneinander und der Anodenpaare voneinander beträgt 50 mm. Der Strom auf 100 mm Anodenlänge beträgt 7,5 A, der Elektrolytumlauf auf die gleiche Länge beträgt 50 l/h. Die Plattendurchlaufgeschwindigkeit liegt bei 0,5 m/min, was bei den angegebenen Maßen einer Drehzahl der Kathoden­ walze von 8 Umdrehungen pro Minute entspricht. Demgegenüber drehen sich die Anodenwalzen mit 150 U/min sehr viel schnel­ ler; mit der Änderung dieser Anodendrehzahl kann die Elek­ trolytbewegung den Erfordernissen angepaßt werden. Als Elektrolyt wird ein schwefelsaurer Kupferelektrolyt ohne Glanz- und Tensid-Zusätze verwendet, der 40 g/l Cu und 250 g/l H₂SO₄ enthält.

Der oben angegebene Strom entspricht einer Stromdichte von 15 A/dm², das ist das sechsfache von dem, was bei der her­ kömmlichen Tauchbadgalvanisierung üblich ist. So werden beispielsweise für 32 µm Cu anstatt 60 Minuten nur 10 Minuten Expositionszeit benötigt. Bei einer Plattenbreite von 500 mm und einer Durchlaufgeschwindigkeit von 0,5 m/min entsprechend einem Durchsatz von ca. 15 m² pro Stunde werden für eine Abscheidung von ca. 30 µm Cu bei sonst gleichen Parametern, wie sie oben angegeben sind, 100 Anoden­ paare benötigt. Dies entspricht einem theoretischen Platz­ bedarf von 5000 mm Anlagenlänge; es wurde oben aber be­ reits darauf hingewiesen, daß es sinnvoll ist, die Anlage aus einzelnen Galvanisiermodulen aufzubauen, von denen jedes Modul etwa 10 Anodenpaare aufweist. Die dann notwendigen 10 Galvanisiermodule werden einfach hintereinander geschal­ tet, so daß sich dann eine Anlagenlänge für die 100 genann­ ten Anodenpaare von etwa 7000 mm ergibt. Der Aufbau der Gesamtanlage aus Einzelmodulen hat den Vorteil, daß die ganze Anlage sehr variabel ist, indem man die Anzahl der erforder­ lichen Module in Abhängigkeit von der erforderlichen Schicht­ dicke des Kupfers und von der Breite der Leiterplatten variieren kann.

Es ist selbstverständlich - und gehört auch nicht zum Gegen­ stand der Erfindung -, daß es erforderlich ist, den Elektro­ lyten zu überwachen und zu regenerieren, das heißt, den Verlust an Kupfer zu ersetzen und dafür zu sorgen, daß der pH-Wert konstant bleibt.

Claims (10)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Galvanisierung von ebenen Werkstücken wie Leiterplatten, wobei die Werk­ stücke horizontal durch eine Galvanisieranlage hindurch­ geführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Werk­ stücke (12) innerhalb der Galvanisieranlage von einem kathodisch geschalteten, rotierenden Walzenpaar (7) erfaßt und transportiert werden, und daß der Elektrolyt von einem sich in der Nachbarschaft des kathodischen Wal­ zenpaares (7) befindlichen, ebenfalls rotierenden anodisch geschalteten Walzenpaar (8), dessen Oberfläche Flüssigkeit aufzunehmen vermag und in geringem Abstand von der Werk­ stückoberfläche rotiert, auf das Werkstück (12) übertragen wird, so daß die elektrochemische Metallabscheidung in dem Spalt zwischen Werkstückoberfläche und der Oberfläche des anodisch geschalteten Walzenpaares (8) erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere kathodisch geschaltete (7) und anodisch ge­ schaltete (8) Walzenpaare abwechselnd hintereinander an­ geordnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere aus kathodisch geschalteten (7) und anodisch geschalteten (8) Walzenpaaren aufgebaute Galvanisier­ moduln (1) hintereinander geschaltet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die anodisch geschalteten Walzen (8) sich mit einer Umdrehungszahl pro Minute drehen, die um das Zehn- bis Zwanzigfache größer ist als die Umdrehungs­ zahl der kathodisch geschalteten, die Werkstücke (12) transportierenden Walzen (7).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt den anodisch geschalte­ ten Walzenpaaren (8) über Anspritzregister (9) zugeführt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus wenigstens einem Galvanisiermodul (1) besteht, in dem kathodisch geschaltete Walzenpaare (7) und anodisch ge­ schaltete Walzenpaare (8) abwechselnd, um die Längsachse jeder Walze drehbar angeordnet sind, wobei die kathodisch geschalteten Walzenpaare (7) aus Metall bestehen und die Walzen eines Paares federnd gegeneinander drücken, während die Walzen der anodisch geschalteten Walzenpaare (8), die ebenfalls aus Metall bestehen und auf ihrer Oberfläche eine Flüssigkeit aufnehmende Schicht (15) aufweisen, einen solchen Abstand voneinander haben, daß die ebenen Werk­ stücke (12) mit einem geringen Abstand zwischen den Walzen eines Walzenpaares hindurchgeführt werden können, und daß über jeder der anodisch geschalteten Walzen (8) ein An­ spritzregister (9) zur Zuführung des Elektrolyten ange­ ordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die kathodisch geschalteten Walzen (7) aus nichtrostendem Edelstahl oder aus Titan bestehen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die anodisch geschalteten Walzen aus Titan bestehen, eine Platin- oder Iridium-Beschichtung tragen und mit einem säure­ beständigen Filztuch (15) zur Elektrolytaufnahme umwickelt sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die anodisch geschalteten Walzen (8) und die kathodisch geschalteten Walzen (7) einen Durch­ messer von 15 bis 25 mm haben und die anodisch geschalteten Walzenpaare (8) untereinander und die kathodisch geschalte­ ten Walzenpaare (7) untereinander einen Abstand von 40 bis 60 mm haben.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anspritzregister (9) und die ano­ disch geschalteten Walzen (8) durch eine Kunststoffab­ schirmung (19) von den kathodisch geschalteten Walzen (7) abgetrennt sind und die Abschirmung (19) bis dicht auf das Werkstück reicht.