Verfahren zur chemiefreien Metallisierung und Beschichtung

Bei Bauteilen aus Kunststoffen, Metallen, Glas und Keramik sowie bahnförmigen Materialien ist vor Klebe-, Druck- oder Beschichtungsprozessen eine Vorbehandlung meist unverzichtbar. Dabei kann das Plasmabrush PB3 genannte System von Reinhausen Plasma seine Trümpfe ausspielen. Dazu zählt einerseits der modulare Aufbau des unter Atmosphärendruck arbeitenden Systems. Andererseits sorgen unterschiedliche Plasmadüsen für eine heiße, warme oder kalte Plasmabehandlung dafür, den Energiefluss in optimal an das Substrat angepasster Temperatur auf die Oberfläche zu bringen. Das System erlaubt eine effiziente, prozesssichere und fertigungsintegrierte Plasma-Aktivierung auch bei temperaturempfindlichen Substraten sowie Bauteilen mit dünnwandigen, feinen und komplexen Konturen. Außerdem kann mit dem materialschonenden Plasmastrahl direkt beschichtet oder metallisiert werden.

Einfache Integration in automatisierte Fertigungsprozesse

Sowohl Hochspannungsstromquelle, Plasmaerzeuger und -düse oder Mass Flow Controller sind Komponenten, die sich mit weiteren Zubehör frei kombinieren lassen. Dies vereinfacht die bedarfsgerechte Auslegung und platzsparende Integration des Plasmaprozesses in eine automatisierte Fertigung mit einem Handlingsystem oder Roboter. Dabei ist es möglich, Lösungen für eine punktuelle Plasmabehandlung ebenso effizient mit kurzen Taktzeiten zu realisieren wie für große Flächen. Gleichzeitig stellt die Modularität des multigasfähigen Plasmabrush PB3 die spätere Erweiterbarkeit oder Anpassung an neue Anforderungen sicher.

Die Prozesssteuerung erfolgt durch die übergeordnete Fertigungssoftware, entsprechende Schnittstellen stehen zur Verfügung. Die Prozessparameter Frequenz, Leistung, Abstand und Zeit lassen sich bei diesem multigasfähigen System individuell festlegen, ein gepulster Energiefluss ist ebenfalls einstellbar. Für den Einsatz als Einzelarbeitsplatz beispielsweise in Forschungseinrichtungen und Entwicklungsabteilungen steht eine spezielle Ansteuersoftware zur Verfügung. Sie ermöglicht, die verschiedenen Prozessparameter von einem PC oder Laptop aus zu steuern und zu verändern.

Exakte Prozessanpassung

Durch ihre spezifische Gestaltung und Auslegung ermöglichen die Düsen, das Plasma ohne Veränderungen an der Stromquelle heißer oder kälter auszulegen beziehungsweise den Energiefluss auf die Oberfläche exakt an die jeweiligen Anforderungen anzupassen: sei es beispielsweise bei der Aktivierung von Silikonmembranen vor der Verklebung oder der flächigen Behandlung von Folien. Daraus resultiert ein weiterer Vorteil: Mit einem Plasmasystem lassen sich nur durch den Wechsel der Düse unterschiedliche Substrate wie Kunststoffe, Metalle, Glas, Keramik, Papiere und Karton prozesssicher aktivieren. Gleichzeitig sorgt die Multiprozessfähigkeit für hohe Effizienz.

Das System lässt sich überdies durch eine Pulverprozesseinheit ergänzen. Sie ist mit einer speziell entwickelten Zerstäuber-/Fördertechnologie ausgestattet, die dem Plasma Pulverpartikel, beispielsweise Kupfer, Gold, Zinn und Metall-Legierungen sowie Mischsysteme, agglomeratfrei zuführt. Sie werden durch die Energie des Plasmas aufgeschmolzen und direkt auf zwei- und dreidimensionale Substraten abgeschieden. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise auch Glas direkt metallisieren und eröffnet damit interessante Möglichkeiten, beispielsweise für das Lichtdesign. Ein einstellbarer homogener Partikelfluss stellt dabei gleichmäßige und reproduzierbare Schichtdicken sicher.

Beispiel: Schichtabscheidung aus kalt-aktivem Plasma

Wie kann man Staubpulver in ein Gasgemisch verlegen? Das System arbeitet unter Atmosphärendruck; eine gepulste Bogenentladung erzeugt das Gasplasma nach dem Inverterprinzip. Dabei entsteht ein nicht thermisches Plasma, dessen messbare Temperatur durch das Ungleichgewicht des Energieinhaltes von leichten Elektronen und schweren Gasteilchen unter Atmosphärenbedingungen bei rund 120 °C liegt. Da die reaktionsfreudigen Mikro- beziehungsweise Nanopulver mit einem Korndurchmesser von 0,1 bis 20 µm bereits bei geringen Temperaturen aufschmelzen, erfolgt der Beschichtungsprozess im Vergleich zu konventionellen Verfahren wie etwa Plasma- und Flammspritzen mit deutlich weniger Energie. Konkret: Für die Beschichtung beziehungsweise Metallisierung einer Grundfläche von beispielsweise einem Quadratmeter wird nur etwa 1/10 bis 1/100 der für thermische Spritzverfahren erforderlichen Energie verbraucht.

Die eigens konzipierte Zerstäuber- bzw. Fördertechnik ermöglicht einen einstellbaren, gleichmäßigen und damit auch reproduzierbaren Partikelfluss. Die physikalischen Eigenschaften des Plasmas in Kombination mit der optimal abgestimmten Pulverzuführung erlaubt es, zusammenhängende Schichten bereits auf sehr dünnen, temperatursensiblen Substraten wie Kunststoffen, Folien und Papier abzuscheiden. Die erzeugbaren Schichtdicken liegen reproduzierbar zwischen 1 und 100 µm bei einer Prozessgeschwindigkeit von bis zu 150 m/min. Die Porosität ist zwischen 1 und 30 Prozent einstellbar. Je nach Pulverart, ist eine Beschichtungsbandbreite von bis zu 10 mm erreichbar. Für die Beschichtung oder Metallisierung größerer Flächen können diese in einem Scanprozess oder mit mehreren sich überlappenden Plasmaerzeugern abgefahren werden.

Für viele Anwendungen geeignet

Mit dem Plasmadust-Verfahren will das Unternehmen interessante Anwendungsfelder generieren. Im Bereich der Leistungselektronik etwa lässt sich eine umweltschonende und effiziente Waferbeschichtung realisieren: Um die elektrische Kontaktierung und die Wärmeableitung von Halbleiterbauelementen zu ermöglichen werden Kupferschichten auf Siliziumwafer aufgebracht. Durch das Verfahren lässt sich diese Kupferschicht mit unterschiedlicher Schichtdicke, einstellbarer Porösität und spezifischen Widerstandswerten reproduzierbar abscheiden. Hierdurch werden neuartige Schichteigenschaften erzielt, die verbunden mit den Taktzeiten und den Schichtdicken mit anderen Verfahren nicht erzielbar sind. Die Prozessierung von Halbleiter-Wafern ist mit entsprechendem Automatisierungs-Equipment im Reinraum möglich. Der geringe Eigenstress (Schichteigenspannung) der aufgebrachten Kupferschicht verhindert eine Krümmung des Silizium-Wafers (Waferbow). Einstellbare Beschichtungsparameter ermöglichen die Steuerung der Schichtporösität, die insbesondere Auswirkung auf die thermische Leitfähigkeit hat.

Auch findet das Plasmadust-Verfahren in der Photovoltaik regen Zuspruch, sind damit im Zuge der immer feiner werdenden Solarzellen eine Metallisierung und Kontaktierung von Solarzellen realisierbar, ohne dass die empfindlichen Materialien, wie bislang, den hohen Lötprozess ausgeliefert sind. Durch berührungsloses, paralleles Überstreichen mit der Plasmabeschichtungsflamme können simultan mehrere für den nachfolgenden Lötprozess optimierte Stromschienen (Busbars) auf beschichtete oder rohe Waferoberflächen aufgebracht werden. Die Busbars sind sowohl rück- als auch frontseitig darstellbar. Segmentierte Pads oder auch Vias für kommende Zellgenerationen sind mit der Plasmadust-Technologie einfach zu fertigen.

Überdies ist das Aufbringen einer Primerschicht auf Gummi- und Kautschukoberflächen für Verbundsysteme aus Metall-Gummi ebenso möglich wie die Erzeugung funktionaler und dekorativer Schichten: Kunststoffe sind aus vielerlei wirtschaftlichen, ökologischen und technischen Gründen seit Jahren auf dem Vormarsch. Offenkundig sind die Vorteile einer schonenden Direktbeschichtung, wenn es um Gewichtsreduktion zum Beispiel im Automobilbau, um beengte Raumverhältnisse wie etwa in Elektronikgehäusen, bei Durchkontaktierungen von Vias, Signal-, Heiz- und Leiterbahnen oder Abschirmungen auf Kunststoffsubstraten geht. Außerdem können Legierungen und Materialkombinationen wie Kohlenstoff und Metall abgeschieden werden, die sonst mit herkömmlichen Beschichtungsverfahren nicht zu verarbeiten sind.

(mrc)