DE9011204U1

DE9011204U1 - Vorrichtung zum elektrischen Beschichten von Substraten

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Publication number: DE9011204U1
Application number: DE9011204U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-07-30
Filing date: 1990-07-30
Publication date: 1990-10-04
Anticipated expiration: 2000-07-31

Description

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Siemens Aktiengesellschaft

Vorrichtung zum elektrostatischen Beschichten von Substraten 5

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung &ldquor;zus? elektrostatischen Beschichten von Substraten, insbesondere von nur indirekt geerdeten Substraten, nichtleitenden Substraten und nichtleitenden Substraten mit isolierten bzw. nicht isolierten Leitern* Substrate in diesem Sinn sind z.B. Leiterplatten, Dick- oder Dünnschichtschaltungen, Kunststoffteile aller Art.

Die elektrostatisch 2 Beschichtung solcher Substrate bereitet aus verschiedenen Gründen Schwierigkeiten. Beim Auftreffen geladener Lackpart iksl geben diese ihr?» Ladung an die Oberfläche ab. Ist diese Oberfläche nur begrenzt elektrostatisch leitfähig (R = 10 OhmT, so kann die aufgebrachte Ladung nicht abfließen. Ist sie dagegen leitfähig aber nicht geerdet, so ergibt sich durch das Auseinanderstreben gleichnamiger Ladung^n eine Ladungskonzentration in Orten mit kleinem OberflSchenkrümmungsradius.

Bei der Beschichtung von Leiterplatten mit Fotoresist stellt sich z.B. das Problem, dünne, gleichmäßige Schichten mit ausreichender, ätzdichter Resistschicht auch an der Substratkante zu erzielen, ohne jedoch eine als Randwulst bezeichnete Schichtdickenerhöhung im Randbereich zu verursachen.

Speziell Leiterplatten oder ähnliche faserverstärkte Laminate weisen am Rand aus dem Substrat austretende Faserspitzen oder einen vom Zuschnitt herrührenden Grat auf. An diesen Stellen ist nach kürzester Verweildauer des Substrats unter dem Sprühorgan eine stark abschirmende Wirkung auf Lackpartikel festzustellen. Verursacht wird diese Wirkung durch Auflädung des Substrats Über ionisierte Luft oder Abscheidung geladener Lackteilchen.

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Als abschirmende Kante ist in diesem Zusammenhang auch die Kante einer Bohrung anzusehen, bei der zusätzlich zu dem Abschirmeffekt die Wirkung des Faradayeffektes in der Bohrung (kein elektrisches Feld und damit keine Anziehung von Lackteilchen in der Bohrung.) auftritt.

Bei der Beschichtung von Substraten mit Lötstopplack ist eine vollständige Bedeckung aller Leiter erforderlich. Aufgrund elektrostatischer Phänomene (Abstoßung gleichnamiger Ladungen und Influenz) können sich bei konventioneller elektrostatischer Beschichtung Leiter so ungünstig aufladen, daß eine Abstoßung von Lackpartikeln erfolgt und kein geschlossener Lackfilm der benötigten Lackschichtdicke erreicht wird. Ursächlich bedingt wird dieses Verhalten durch den bestimmungsgemäß hohen Oberflächenwiderstand des Substrates und nicht nach außen geführte Leiter, die deshalb keine Ladung abgeben können. Vielmehr sind bei entsprechenden Strukturen ladungspeichernde Effekte möglich.

Keramische oder ähnliche dielektrischen Substrate, wie Kunststoffe, Glas, Silicium, zeigen analoge Probleme, d.h. Kanteneffekte, besonders an Außenkanten, aber auch an Bohrungen, Stufen und Leiterzügen.

Bei 3-dlmensionalen Substraten und Strukturen, besonders bei elektrostatischer Beschichtung ohne oder mit indirekter Erdung werden Kanten, Hinterschneldungen und/oder Winkel nur unvollkommen beschichtet, da durch Aufladung und den beginnenden Feradeyffekt keine Anziehungskraft zwischen zu beschichtender Oberfläche und Lackteilchen wirkt. Dreidimensionale Substrate sind in diesem Zusammenhang z.B. spritzgegossene Leiterplatten, Möbelteile aus Kunststoff, Brillengestelle, AutomobilstoUstangen aus Kunststoff etc..

Bisher wurde versucht, diese Probleme durch direkte Erdung (z.B. über die Aufhängung), leitfähige Vorbeschichtungen, Erniedrigung des Oberflächenwiderstandes durch Vorbehandlungen

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(z.B. Corona-Vorbehandlung), Zusätze von elektrostatisch leitenden Lösemitteln und Hilfselektroden partiell zu überwinden. Dies ist jedoch mit einer Reihe von Nachteilen verbunden: Bei direkter Erdung der Substrate zeigt sich Wulstbildung, da sich der oben beschriebene abstoßende Effekt umkehrt. Durch Feldlinienkonzentration werden vor allem Kanten beschichtet. Das Erdungs- oder Transportsystem für die Substrate (Ketten. Gehänge, Rahmen oder ähnliches) wird mitlackiert und bildet durch Reibungsstellen eine Quelle für störende Partikel. Deshalb muß bei hohen Anforderungen eine ständige Reinigung erfolgen. Die Beeinflussung des Feldlinienverlaufs durch eine direkte Erdung ist außerdem so groß, daß keine ausreichende Gleichmäßigkeit der Schichtdicke erzielt werden kann.

Leitfähige Vorbeschichtungen erfordern zusätzlichen Aufwand an Maschinen, Verfahrensschritten usw. Sie sind außerdem ungeeignet für Leiterplatten, deren Zweck die Isolation von Leitern und der Schutz vor korrosiven bzw. Kurzschlüsse verursachenden Einflüssen ist. Nicht zu vernachlässigen ist ferner der Einfluß einer Vorbeschichtung auf die Haftung der Beschichtung und nachfolgende, oberflächensensitive Prozesse.

Die beste bisherige Lösung für einen Teil der oben genannten Probleme besteht in einem Transportband mit einer gewissen Leitfähigkeit, z.B. einem Papierband oder einer Metall-Kunststoff-Verbundfolie, auf der die Substrate direkt aufliegen. Dadurch kann eine Ableitung der Ladung über den Substratrand auf das Papier und anschließendes Abfließen des Stromes auf eine unter dem Papiertransport angebrachte Erdungselektrode erfolgen (Prinzip der indirekten Erdung).

Eine Alternative hierzu ist die Erdung über ein leitfähiges Transportband, das aber entweder zu reinigen ist oder verbraucht wird. Die Spitzenwirkung im Randbereich, die Abstoßung durch Ladungsverschiebung und Influenz auf isolierten Leiterzügen, die kapazitive Ladungsspeicherung des Substrats, oder

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allgemein die Auswirkung von Störfeldern auf die Schichtdickenhomogenität läßt sich aber durch ein derartiges leitfähiges Transportband nicht beseitigen.

Außerdem stellt das Papierband oder die Kunststoff-Verbund-Folie, da sie sich nur einmal verwenden lassen, einen nicht zu vernachlässigenden wirtschaftlichen Aufwand und eine ökologische Belastung dar.

Bei elektrostatisch leitfähigen Substraten, wie z.B. kupferkaschierten Leiterplatten, kann eine indirekte Erdung auch über % vor bzw. nach der Sprühkammer angebrachte Ionlsierungselektro- T; den erfolgen. Die Ladung wird dabei über die Stoß an Stoß durch % die Sprühkammer transportierten Leiterplatten abgeführt. Als |

Nachteil ist dabei anzusehen, daß zusätzlich als sogenannte

Vor- bzw. Nachläufer bezeichnete Leiterplatten beschichtet wer- ;_; den müssen, die den Kontakt zwischen einer geerdeten Ionisie- f rungselektrode und der gerade zu beschichtenden Platte herstellen. Ferner muß die Erdung den Widerstand der ionisierten Luft- ;

zwischenräume überwinden? bei konstantem Sprühstrom verbleibt ;-

nach dem Ohm¹sehen Gesetz immer eine erhebliche Restspannung J und dsfüit sin elektrisches FsId suf der Pla^^e- ^-

Konventionelle Drück-Elektroden, z.B. in Form von Ringelektro- I den, arbeiten lediglich mit dem hier nur relativ unpräzise be- | herrschbaren Effekt der Abstoßung gleichnamiger Ladungen. Ihre ;

Wirkung beruht vorwiegend auf der Ausbildung von Spitzenladung. Abhängig von der rel. Feuchte in Elektrodenumgebung erhält man

unterschiedliche Raumladungen und damit unkontrollierbare Wirkungen auf die Abscheidung. Drück-Elektroden versagen deshalb bei bestimmten Aufgabenstellungen.

Zusätze von leitfähigen Lösemitteln ermöglichen zwar eine bessere Abführung der aufbebrachten Ladung über die durch die Beschichtung leitfähig gewordene Substratoberfläche, sie verhindern aber auch eine optimale Lackaufladung. Dies verursacht schlechtere elektrostatische Aufladung und dadurch höhere Lackverluste durch Overspray.

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Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, die oben erläuterten Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zu vermeiden und eine Vorrichtung zu schaffen, die das Ziel einer möglichst gleichmäßigen Beschichtung von Substraten, insbesondere von nur indirekt geerdeten Substraten, nichtleitenden Substraten und nichtleitenden Substraten mit isolierten bzw. nichtisolierten Leitern mit möglichst geringem Aufwand erreicht.

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zwischen Sprühglocke, Substrat und gegebenenfalls Gegenelektrode (bei indirekter Erdung) ein zweites, weitgehend homogenes elektrisches Feld überlagert wird. Dieses bewirkt, daß die Bahn der geladenen Lackteilchen der Richtung derjenigen Feldlinien angeglichen wird, die durch überlagerung der beiden elektrisehen Felder entstanden sind. Die Hemmung der elektrostatischen Lackabscheidung durch Spitzen, Oberflächen, Leiter etc. oder die Raumladung der Sprühwolke wird dadurch stark vermindert, daß der Einfluß der durch die Oberflächenladung erzeugten Feldstärke auf die Ausprägung der Feldlinien sinkt.

Die überlagerung der beiden elektrischen Felder läßt sich z.B. dadurch erzielen, daß oberhalb des Sprühorgangs eine ebene Flächenelektrode angeordnet und das weitgehend homogene elektrische Feld zwischen dieser und dem Substrat bzw. der Gegenelektrode ausgebildet wird.

Die Flächenelektrode muß aber nicht notwendigerweise zweidimensionale Form haben, sondern kann auch dreidimensional ausgebildet sein. Dies ist besonders zweckmäßig, wenn die Geometrie des Substrats ebenfalls dreidimensional ist, denn durch eine solche angepaßte Ausgestaltung der Flächenelektrode läßt sich eine Optimierung des Feldlinienverlaufs und damit der aufzubringenden Schichtdicke erreichen. Neben einer geschlossenen Fläche kann ein Gitter, Netz oder ähnliches eingesetzt werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

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FIG 1 zeigt zunächst eini bekannte Vorrichtung zum elektrostatischen Beschichten von Substraten, bei der ein zu beschichtendes Substrat 1 unterhalb einer Sprühglocke 2 angeordnet ist. Unterhalb des Substrats 1 und demit auch unterhalb der Sprühglocke 2 befindet sich eine Gegenelektrode 3. Zwischen Sprühglocke 2 und Gegenelektrode 3 liegt eine hohe Spannung 9, die ein elektrisches Feld zwischen Sprühglocke 2 und Gegenelektrode 3 bewirkt, wie es schematisch durch die Feldlinien 5 angedeutet ist. Zwischen Substrat 1 und Gegenelektrode 3 befindet sich außerdem noch eine Papierbahn 4, die den sogenannten Overspray auffangen und dadurch eine Verschmutzung der Gegenelektrode verhindern soll.

Beim Betrieb der Vorrichtung werden die aus der mit hoher Ge-

schwindigkeit rotierenden Sprühglocke 2 austretenden Partikel durch das an der Sprühglocke 2 liegende Potential negativ aufgeladen, wandern in dem elektrischen Feld 5 zwischen Sprühglocke 2 und Gegenelektrode 3 in Richtung auf das Substrat 1 und schlagen sich dort nieder. Durch die oben geschilderten Effekte treten Ladungsanhäufungen 6 z.B. an den Kanten des Substrats oder an leitfähigen Oberflächenteilen auf, die ihrerseits zu einer Verzerrung der Feldlinien 5 im Bereich des Substrats 1 führen. Diese sind andererseits die Ursache für eine ungleichmäßige Beschichtung des Substrats 1.

FIG 2 zeigt demgegenüber eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der zwar die Anordnung von Substrat 1, Sprühgloc^e 2, Gegenelektrode 3 und Papierbahn A dem Beispiel von FIG 1 entspricht. Das neue an der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist aber die Tatsache, daß dem elektrischen Feld 5 zwischen Sprühglocke 2 und Substrat I bzw. Gegenelektrode 3 ein zweites, weitgehend homogenes elektrisches Feld 7 überlagert ist. Dies wurde im dargestellten Beispiel dadurch erzielt, daß oberhalb des Sprühorgangs 2 eine Flächenelektrode 8 angeordnet und zwischen dieser und dem Substrat 1 bzw. der Gegenelektrode 3 ein weitgehend homogenes elekrisches Feld 7 ausgebildet ist.

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Im Beispiel, von FIG 2 ist die Flachenelektrode 8 parallel zu dem zu beschichtenden Teil des Substrats 1 und parallel zur Gegenelektrode 3 angeordnet und entspricht in ihrer Ausdehnung und Form in etwa der Gegenelektrode 3. Mit einer solchen An-5 Ordnung erhält man ein sehr gut homogenes elektrisches Feld 7, welches seinerseits das zwischen der Sprühglocke 2 und dem Substrat 1 bzw. der Gegenelektrode 3 vorhandene elektrische Feld Ober und in der Nähe des Substrates 1 so beeinflußt, daß das Feld 5 dort weitgehend homogen ist. Aus FIG 2 ist ferner zu erkennen; daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die mit den Beschichtungspartikeln auf das Substrat aufgebrachten Ladungen das Feld deutlich weniger beeinflussen als bei der in FIG 1 gezeigten bekannten Vorrichtung. Dies wiederum führt zu einer Vergleichmäßigung der Beschichtung des Substrats.

Da sich die Beschichtungspartikel nach dem Ablösen bereits innerhalb eines definierten elektrischen Feldes befinden, kann mit einer geringeren Aufladung dies einzelnen Partikels gearbeitet werden. Damit verringert sich die Komponente der Partikelladung an der gesamten Raumladung und das für die gerichtete Abscheidung verantwortliche Feld ist nicht so stark gestört. Ferner können die einzelnen Partikel die Sprühpartikelwolke nicht durch gegenseitige Abstoßung gezwungen verlassen, vielmehr kann sich der Strom geladener Partikel nur insoweit aufspalten, wie die Kraft der sich gegenseitig abstoßenden Partikel mit der des überlagerten Feldes nicht im Gleichgewicht ist. Dieses Kräftegleichgewicht senkrecht zur Flugbahn der Partikel ist insbesondere am Rand des Feldes, also zwischen den Außenkanten der Elektroden, gegeben.

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Das Feld zwischen der Flächenelektrode 8 und der Gegenelektrode 3 kann dadurch erzeugt werden, daß die Flächenelektrode auf dem gleichen Potential wie das Sprühorgan 2 liegt. Es kann aber auch zweckmäßig sein, die Flächenelektrode 8 an eine eigene Hochspannungsquelle 9 zu legen oder die Flächenelektrode ober einen definierten Widerstand mit dem Spruhsrgsr» 2 zu verbinden.

Claims

9 Schutzanspräche

1. Vorrichtung zum elektrostatischen Beschichten von Substraten, insbesondere von nur indirekt geerdeten Substraten, nichtleitenden Substraten sowie Substraten mit isolierten oder nichtisolierten Leitern, mit einer Sprühglocke, einer Transporteinrichtung fur das Substrat und gegebenenfalls einer un~ tsxftalb des Substrats angeordneten Gegenelektrode sowie einem zwischen Spruhgiocke und Substrat bzw. Gegenelektrode liegeriden elektrischen Feld,

dadurch gekennzeichnet, daß dem elektrischen feld <5> zwischen i.->ruh"locke (2> und Substrat (1) bzw. Gegenelektrode (3/ ein zweite- weitgehend homogenes elektrisches Feld (7) überlagert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Sprühorgans (2) eine Flächenelektrode (8) angeordnet und zwischen dieser (8) und dem Substrat (1) bzw. der Gegeneiektro- <*.?. ⁽3) das weitgehend homogene elektrische Feld (7) ausgebildet ist.

3« Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenelektrode (8) parallel zu dem zu beschichtenden Teil des Substrats (1) angeordnet ist«

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenelektrode (8) in etwa die Ausdehnung und Form der Gegenelektrode (3) hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die FlM-chenelektrode (8) In ihrer Form an die Form des zu beschichtenden Substrats (1) angepaßt 1st.

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6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenelektrode als geschlossene Fläche ausgebildet ist*

7. Verrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenelektrode in Form eines Gitters oder Netzes ausgebildet

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7₄. dadurch gekennzeichnet, daß dir Flächenelektrode (8) auf deun gleichen Potential wie das Sprühorgan (2) liegt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenelektrode (8) an einer eigenen Hochspannungsquelle (9) liegt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenelektrode (8) über einen definierten Widerstand mit dem Sprühorgan (2) verbunden ist.