Inline-Badüberwachung für die Metallabscheidung und in der nass-chemischen Oberflächenvorbehandlung als Methode zur Qualitätssicherung (BadeMeister)

Abstract

Die richtige Zusammensetzung der Bäder ist entscheidend für den Erfolg bei der nasschemischen Oberflächenvorbehandlung und Metallabscheidung. Abweichungen oder Kontaminationen können den Prozess gefährden, weshalb eine kontinuierliche Überwachung unerlässlich ist. Ziel des Projekts war die Entwicklung von Methoden zur Inline-Überwachung von Bädern am Beispiel von spezifischen Prozessketten aus den Bereichen Oberflächenvorbehandlung und Metallabscheidung. Zwei komplementäre Messmethoden wurden entwickelt: die Laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) für die Multielementanalyse und eine impedanzbasierte Methode zur Analyse der Badaktivität von außenstromlosen Kupferbädern. LIBS erwies sich als effektive Methode zur simultanen Multielementanalyse, die eine kontinuierliche Überwachung der chemischen Zusammensetzung der Bäder ermöglichen kann. Ein entscheidender Faktor für die erfolgreiche Analyse mit LIBS ist die Probenvorbereitung. Da die direkte Messung der Flüssigkeit noch keine präzise Inline-Analyse erlaubt, wird die Flüssigkeit vorab getrocknet. Hierfür wurden neue Tiegel aus PCTG entwickelt, die durch ihre spezielle Strukturierung eine gleichmäßige Verteilung der Schicht während der Trocknung fördern. Mit diesem Ansatz können alle relevanten Metallkomponenten und Verunreinigungen in den Badlösungen erkannt werden. Dies wurde ausführlich bei Vorbehandlungsbädern für Aluminiumoberflächen und ebenfalls erfolgreich bei Metallisierungsbädern von 3D-Schaltungsträgern gezeigt. Zur Überwachung eines außenstromlosen Kupferelektrolyten für die Metallisierung von laser-direktstrukturierten 3D-Schaltungsträgern (LDS-MID) wurde ein vereinfachtes, miniaturisiertes und kostengünstiges impedanzbasiertes Messsystem mit einem kapazitiven Sensorelement entwickelt und aufgebaut. Das Sensorelement ist die Basis für eine Impedanzmessung während der Metallabscheidung und liefert eine Aussage zum Anspringverhalten des Startkupferelektrolyten auf laseraktivierten spritzgegossenen Bauteilen, d.h. es erlaubt die Unterscheidung von wenig reaktiven und stark reaktiven Bädern. Der Aufbau des Messsystems sowie die zugehörige Steuerungs- und Auslesesoftware wurden so konzipiert, dass zum einen die Messung der Impedanz und Phase über der Zeit bei einer festen Frequenz und zum anderen Impedanzspektroskopie, d.h. die Messung bei unterschiedlichen Frequenzen in einem definierten Frequenzbereich über die Zeit möglich ist. Zudem ist die kontinuierliche Messung der Temperatur im Elektrolyten während der Kupferabscheidung möglich. Die Methode eignet sich auch zur Charakterisierung des Anspringverhaltens von unterschiedlichen laserdirektstrukturierten Substratmaterialien im außenstromlosen Kupferelektrolyten charakterisiert, was eine substratspezifische Prozessoptimierung bei der Metallisierung von 3D-Schaltungsträgern ermöglicht. Der Einsatz des Messsystems konnte abschließend in produktionsnaher Umgebung demonstriert werden. Die Projektziele wurden erreicht.