DE69717319T2

DE69717319T2 - Verfahren zur galvanischen herstellung eines rakels

Info

Publication number: DE69717319T2
Application number: DE69717319T
Authority: DE
Inventors: W. Fischbeck; T. Marks
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1996-05-03
Filing date: 1997-05-05
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2017-05-06
Also published as: EP1015130B1; PT1015130E; DK1015130T3; WO1997041969A1; ES2187777T3; DE69717319D1; EP1015130A1; ATE228037T1; EP1015130A4; AU2933597A; US5746127A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines durch Elektroformen hergestellten Rakelblatts, das zur gleichmäßigen Ablagerung von Druckmaterial auf Leiterplatten und/oder Leiterkarten (PWBs oder PCBs) mit gedruckten Schaltungen verwendet wird.

HINTERGRUND

Siebdruckeinrichtungen, die in großem Umfang bei der Herstellung elektronischer Substrate und elektronischer Baugruppen eingesetzt werden, sind wohlbekannt, wie dies beispielsweise aus folgenden US-Patenten hervorgeht: 5,478,699; 3,930,455; 5,387,044; 5,357; 856 und 5,323,700. Dies umfaßt, ist jedoch nicht hierauf beschränkt, die Ablagerung von Druckmaterial, beispielsweise Lotpaste, leitfähige Epoxyharze, thermisch aushärtende Kunststoffe, leitfähige, einen Widerstand aufweisende Druckfarben, und dergleichen, bei der Herstellung von PCBs für die Oberflächenmontage von Bauteilen, von Flip-Chip-Löthöckern, beim Füllen gleichzeitig erzeugter Durchgangslöcher, BGA, Anwendungen mit leitfähigen, einen Widerstand aufweisenden Schaltungen, und dergleichen.
Die Druckeinrichtung weist typischerweise einen Siebdrucker auf, eine Schablone, und eine Rakelblattanordnung. Verschiedene Druckmaterialien können auf ein Substrat aufgebracht werden, durch das Aufbringen von Druckmaterial durch Schablonenöffnungen auf das Substrat. 80 wird beispielsweise bei der Herstellung von Leiterplatten (PWBs) für die Anbringung von an der Oberfläche montierten Bauteilen Lotpaste auf der PWB über Schablonenöffnungen aufgebracht. Die Schablonenöffnungen sind an die Form von Anschlußflächen der PWB/PCB angepaßt, und befinden sich an denselben Orten wie das Anschlußflächenbildfeld der PWB/PCB, das aufgebracht werden soll. Die Schablonenbilder werden mit den aufzubringenden PWB/PCB-Bildern ausgerichtet, werden in enge Berührung mit der PWB/PCB gebracht, und werden mit der PWB/PCB fest zusammengehalten, bis der Druckvorgang beendet ist. Eine Menge an Lotpaste, welche die Lotanschlußflächen bildet, wird auf die Oberfläche der Schablone aufgebracht. Das Rakelblatt wird dann dazu eingesetzt, die Lotpaste über die gesamte Schablonenbildfläche auszubreiten, die Lotpaste in die entsprechenden Öffnungen der Schablone einzudrücken, und die Ablagerung von Lot auf den PWB-Anschlußflächen herzustellen. Das Bauelement, das montiert werden soll, wird dann direkt in die feuchte Lotpaste eingesetzt.
Entsprechend dem Fortschritt in der Elektronikindustrie in den letzten vergangenen Jahren ergab sich ein Trend der Verwendung komplizierter Geräte und kleinerer Schaltungen. Ein Gesichtspunkt beim Löten von Bauteilen besteht darin, konsistent das exakte Volumen an Lot für die PWB/PCB-Anschlußflächenorte zur Verfügung zu stellen, um wirksame Lötverbindungen auszubilden. Es ist wesentlich, dass die Menge und das Volumen an Lotpaste, die auf jede PCB/PWB- Lötanschlußfläche aufgebracht wird, konsistent und gleichförmig ist, so dass die geringstmöglichen Ausmaße an Fehlern bei der Herstellung aufrechterhalten bleiben. Eine inadäquate Menge an Lot infolge einer unvollständigen Füllung einer Öffnung während des Rakelblatt-Druckstriches kann zu Problemen in Bezug auf die Ausbildung konsistenter, gleichförmiger und verläßlicher elektromechanischer Lötverbindungen führen. Zuviel Lot infolge einer Überfüllung von Schablonenöffnungen während des Rakelblatt-Druckstriches kann zu Kurzschlüssen oder "Überbrückungen" zwischen komplexen Bauteilen führen, beispielsweise QFPs, TSOPs, usw., Anschlußstiften oder Leitungen, was zu Problemen im Hinblick auf die Ausbildung konsistenter, gleichförmiger und verläßlicher Lötverbindungen führt. Sowohl zu geringe als auch zu hohe Ablagerungen von Lotpaste führen zu erhöhten Anforderungen in Bezug auf Reparaturen und Überarbeitungen, hohen Gesamtherstellungskosten, sowie zu Problemen in Bezug auf die Qualität und die Verläßlichkeit fertiggestellter Erzeugnisse, infolge statistischer Abweichungen gegenüber festgelegten Industriestandard-Lötverbindungsanforderungen.
Es haben sich daher die Bemühungen auf die Entwicklung auf Materialien konzentriert, die besser für Siebdruckvorgänge mit kleinen Abmessungen geeignet sind. Ein Beispiel bildet die Einführung neuer Arten von Einrichtungen zur Unterstützung der Bewegung der Lotpaste über die Öffnung. So betrifft beispielsweise das US-Patent Nr. 5,254,362 von Shaffer et al ein Verfahren und eine Einrichtung zur Ablagerung von Lotpaste auf einer Leiterplatte. Das Verfahren umfaßt das Vibrieren einer Rakelblattanordnung durch einen Vibrator, um eine leicht kreisförmige Bewegung zusätzlich zur Bewegung des Rakelblatts in der Ebene hervorzurufen. Das US-Patent Nr. 5,044,306 von Erdmann betrifft ein Verfahren, bei welchem zwei Rakelblätter zum Wischen von Lotpaste auf eine Leiterplatte verwendet werden. Das Verfahren umfaßt die Verwendung eines ersten Rakelblatts zum Wischen von Lotpaste über eine Schablone in Kombination mit einem zweiten Rakelblatt, das mit einem Tablett zusammenarbeitet, um Lotpaste zu Beginn eines Wischhubes abzulagern. Das Tablett arbeitet ebenfalls mit dem ersten Rakelblatt zusammen, um überschüssige Lotpaste am Ende eines Wischhubes aufzunehmen.
Ein weiteres Beispiel für derartige Bemühungen stellt die Einführung neuer Arten von Rakelblättern dar. Vergleiche beispielsweise das US-Patent Nr. 5,078,082 von von Dyk Soerewn und Hall, Developing a Low PPM Defect Level Ultra-Fine Pitch Process, New Technologies for Perfect Printing, User's Guide to More Precise SMT Printing, MPM Corporation, Seiten 12-21 (1994).
Anstelle der herkömmlichen, harten Gummiblätter werden die heutzutage verfügbaren Rakelblätter typischerweise aus Polyurethan hoher Dichte oder Edelstahl in einem Stanz-, Schneid- oder Ätzvorgang hergestellt. Diese Rakelblätter werden manchmal mit alternativen Beschichtungen und Verfahren behandelt, zu dem Zweck, den Ablagerungsvorgang der Lotpaste zu verbessern.
Die Verwendung von Rakelblättern aus Edelstahl hat eine kontrolliertere und konsistente Druckhöhe über die gesamte Plattenfläche ermöglicht. Wie jedoch von Freeman, New Technologies for Perfect Printing, User's Guide to More Precise SMT Printing, MPM Corporation, Seiten 22-29 (1994) ausgeführt, "können irgendwelche Unregelmäßigkeiten in der Leiterplattenoberfläche eine Beschädigung der feinen Stege in den flächen mit feinem Teilungsabstand hervorrufen, da Stahl nicht "vergißt". Zusätzlich fehlt Stahl ein Schmiervermögen, was einen größeren Verschleiß auf der Schablone hervorruft". Es bleibt daher Raum für Verbesserungen übrig.
Polyurethan-Rakelblätter sind so ausgelegt, dass sie in gewissem Ausmaß flexibel sind, so dass sie sich leicht entsprechend der Schablonenoberfläche verformen. Die ihnen eigene Nachgiebigkeit von Polyurethan-Rakelblättern ist bei bestimmten Anwendungen erwünscht, beispielsweise bei Schablonen, die Stufen oder mehrere Niveaus aufweisen. Beim Einsatz von Stufen oder mehreren Niveaus aufweisenden Schablonen hat sich die Nachgiebigkeit in Bezug auf die Schablonenoberfläche als vorteilhaft herausgestellt. Gleichzeitig ist jedoch eine Verformung der Rakelkante nachteilig, infolge einer Abschöpfung von Oberflächen, die während des Druckvorgangs auftritt. Die Abschöpfung ist das Ergebnis der Nachgiebigkeit oder Verformung des Polyurethan-Blattmaterials, das über die oberste Ebene der Schablone in eine Öffnung hinein verläuft, und des Entfernens (Abschöpfens" von Lotpaste aus der Öffnung während des Rakel-Druckhubes. Die Abschöpfung stellt einen Hauptgrund für unzureichende Lotverbindungen und die sich daraus ergebenden Probleme dar; die bei unzureichenden Lotverbindungen auftreten.
Ein verringertes Ausmaß an Nachgiebigkeit, Verformung und Abschöpfung des Rakelblatts werden durch Einsatz eines weniger flexiblen Blattmaterials erzielt. Das steifere, weniger nachgiebige Material der Wahl für Rakelblätter war Edelstahl. Die Druckqualität wird unter Verwendung von Rakelblättern aus Metall verbessert, was zu einer kontrollierteren und konsistenten Druckhöhe über die gesamte Bildfläche führt, einer bessere Festlegung der Ablagerung von Lotpaste auf den PCB/PWB- Anschlußflächen, einem minimierten Ausmaß der "Abschöpfung", und einer insgesamt verbesserten Füllung der Öffnungen. Viele der negativen Auswirkungen von Polyurethan-Rakelblättern werden daher durch Metallblätter überwunden.
Obwohl Metall-Rakelblätter zu besseren Druckergebnissen führen, sind sie nicht in Bezug auf alle Gesichtspunkte ideal, infolge einer Anhaftung oder Adhäsion von Druckmaterial an das Metallblatt. Es wurden daher Untersuchungen durchgeführt, um die an sich vorhandene, mangelnde Kompatibilität des Metall-Rakelblatts mit Metallschablonen zu bekämpfen, sowie die Neigung von Druckmaterialien und Lotpaste, an dem Metall-Rakelblatt anzuhaften. So wurden beispielsweise verschiedene alternative und spezielle Beschichtungen sowie sekundäre Plattierungsverfahrensschritte untersucht, um das Anhaften oder Festkleben von Lotpaste an den Rakelblättern zu minimieren. Das Anhaften von Druckmaterial oder Lotpaste an dem Rakelblatt hat deutlich negative Auswirkungen auf die Konsistenz und Qualität der sich ergebenden Ablagerung auf der PWB/PGB.
Druckmaterialzusatzstoffe, beispielsweise Tackifier, Bindemittel, Träger und Flußmittel, die hinzugefügt werden, um die Eigenschaften bei späteren Verfahrensschritten zu verbessern, erhöhen das Anhaften von Druckmaterial an dem Rakelblatt. Sekundäre Oberflächenbehandlungsschritte, beispielsweise Plattieren und spezielle Beschichtungen, verbessern die Freigabeeigenschaften von Metall- Rakelblättern in gewissem Ausmaß. Der Nachteil bei momentanen Metall- Rakelblättern, die über einen sekundären Schritt bearbeitet werden, besteht darin, dass bei wiederholtem Gebrauch die spezielle Beschichtung oder Plattierung verschleißt, wodurch das darunterliegende, nackte Material freigelegt wird, und wiederum Probleme in Bezug auf das Anhaften und die Adhäsion von Lotpaste hervorgerufen werden. Das freiliegende, nackte Metall erhöht das Auftreten von zu wenig oder zu viel Lotpaste, was wiederum die Leistung des Metall-Rakelblattes beeinflußt, wodurch die Konsistenz, Verläßlichkeit und die Qualität insgesamt des Druckvorgangs beeinträchtigt werden.
Zusätzliche, herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Rakelblättern umfassen den Guß aus einer Form und die Bearbeitung. Diese Verfahren können einen Endbearbeitungsschritt erfordern, um das endgültige Erzeugnis herzustellen. Zusätzlich wurde chemisches Ätzen eingesetzt, ein abnehmender Herstellungsvorgang, bei dem charakteristische Oberflächenmerkmale ausgebildet werden, wenn eine polierte Metalloberfläche durch geeignete Reagenzien geätzt wird. Chemisches Ätzen als Herstellungsvorgang weist Eigenschaften auf, die seinen Einsatz bei Anwendungen mit hoher Maßgenauigkeit und hoher Exaktheit begrenzen.
Eine weitere, herkömmliche Vorgehensweise stellt das Elektropolieren dar. Diese Vorgehensweise beginnt mit einem chemisch geätzten Rakelblatt, wie voranstehend beschrieben, und fügt einen elektrochemischen Ätzvorgang hinzu, der theoretisch die Oberfläche des Rakelblattes vergleichmäßigt. Die elektropolierte Oberfläche unterstützt das Freigeben von Lotpaste in gewissem Ausmaß, verglichen mit einer nicht durch Elektropolieren behandelten Oberfläche. Jedoch weist ein typisches, elektropoliertes Rakelblatt immer noch die meisten Nachteile auf, die bei einem chemisch geätzten Rakelblatt auftreten. Obwohl daher das Elektropolieren die Unregelmäßigkeiten minimiert, die durch chemisches Ätzen hervorgerufen werden, ist es nicht dazu fähig, diese vollständig zu kompensieren, und bleiben die Nachteile, die beim chemischen Ätzen vorhanden sind, bei dem Enderzeugnis vorhanden, selbst nach dem Elektropolieren.
Schwierigkeiten, die bei der Verwendung herkömmlicher Rakelblätter beobachtet werden, umfassen schlechte Verschleißeigenschaften, die Inkompatibilität mit Schablonenmaterialien, die Inkompatibilität mit Druckmaterialien, und einen schlechten Wirkungsgrad bei der Materialübertragung.
Schlechte Verschleißeigenschaften und die Inkompatibilität mit Schablonenmaterialien, die bei der Verwendung herkömmlicher Rakelblätter aus Metall auftreten, umfassen, sind jedoch nicht hierauf beschränkt, die Verformung des Schablonenfolienmaterials infolge der nicht vergebenden Eigenschaft von Stahl. Weiterhin tritt eine "Prägung" oder Streifenbildung des Grundmaterials der Schablonenfolie stärker bei herkömmlichen Rakelblättern aus Metall auf, infolge der Reibung, die zwischen dem Metall-Rakelblatt und der Schablone auftritt. Eine Schablonenermüdung tritt an einem früheren Punkt bei Lebensdauerversuchen auf, und wird am einfachsten dann bemerkt, wenn die Festlegung der Ablagerung des Druckmaterials weniger gut definiert wird. Ein erhöhter Schablonenverschleiß, eine kürzere Schablonenlebensdauer, eine Beschädigung kleiner Öffnungsflächen, und eine Prägung von Streifenbildung der Schablone sind das Ergebnis eines geringeren Schmiervermögens und der Inkompatibilität zwischen Schablonenmaterialien und herkömmlichen Rakelblättern aus Metall.
Die Inkompatibilität in Bezug auf Druckmaterialien und die unzureichende Materialübertragung bei herkömmlichen Rakelblättern zeigt sich am deutlichsten bei dem festgestellten hohen Volumen an Druckmaterial, das an dem Rakelblatt anhaftet, bei der unvollständigen Füllung von Öffnungen, bei der erneuten Verteilung von Druckmaterialien weg von der Schablonenbildfläche, bei den unzureichenden Druckablagerungsvolumina, und dem Anhäufen von Lotpaste entlang den Seiten des Rakelblatt-Druckhubes. Die unzureichende Materialübertragung wird am deutlichsten bei dem Abziehen von Druckmaterial oder Lotpaste aus den Schablonenöffnungen heraus durch die Hinterkante des Rakelblatts während des Druckhubes. Wenn das Rakelblatt über eine Öffnung herübergeht, führt an dem Blatt anhaftende oder, festklebende Lotpaste dazu, dass die Lotpaste aus der vorher gefüllten Öffnung wieder herausgezogen wird, so dass sich Anzeichen für das Abheben oder "Herausziehen" von Druckmaterial aus der Öffnung bei der Hinterkante des Druckhubes ergeben. Die Inkompatibilität zwischen einem Rakelblatt aus Metall und Druckmaterial, niedrige Scherkräfte der Lotpaste, ein geringeres Schmiervermögen, und die Neigung, dass die Lotpaste festklebt, führen zu signifikanten Schwierigkeiten bei dem Druckvorgang.
Die Kontrolle der Lotpaste kann sich als Problem herausstellen, abhängig von dem Verhältnis der Breite der Öffnung und der Dicke der Schablone. Dies liegt daran, dass bis zu 70% des Druckmaterials oder der Lotpaste an dem Rakelblatt anhaften, anstatt auf der Leiterplatte abgelagert zu werden. Einweiteres Problem stellt eine Versetzung der Schablone dar, die durch Reibung zwischen dem Rakelblatt und der Schablone hervorgerufen wird. Während des Druckzyklus kann sich ein Offset der Schablone in der Richtung des Rakelblatt-Druckhubes ergeben, wodurch sich ein Offset des Schablonenöffnungsbildes in Bezug auf die PCB/PWB-Anschlußflächen ergibt, mit denen es ausgerichtet sein soll.
Fig. 1 zeigt die Aufbringung nach dem Stand der Technik von Lotpaste 1 durch eine Lotpaste-Aufbringungsmaschine 2. Die Lotpaste-Aufbringungsmaschine 2 kann das Modell SP 200 eines Siebdruckers von der MPM Corporation (Franklin, MA) sein, oder eine entsprechende Maschine. Fig. 1 zeigt die Maschine 2, die mit der Rakelblattanordnung 3 verbunden ist und diese steuert, welche einen Rakelblatthalter 4 und ein Rakelblatt 5 aufweist, das aus Edelstahl besteht, aus plattiertem Edelstahl, speziell beschichtetem Edelstahl, oder aus Polyurethan. Die Rakelblattanordnung 3 kann entweder eine schwebende oder nicht-schwebende Kopfanordnung sein. Das Rakelblatt 5 ist an dem Ort dargestellt, nachdem es über die Schablone 6 gezogen wurde. Eine Menge an Lotpaste 1 zeigt sich immer noch neben dem Rakelblatt 5. Diese Lotpaste 1 stellt einen Überschuß in Bezug auf die abgelagerte Menge dar, und wurde über die Schablone 6 in der durch den Pfeil A angedeuteten Richtung gezogen.
Die Schablonenöffnung 7 wird durch Lotpaste 1 gefüllt. An der Vorderkante 7a (also der ersten Kante einer Öffnung, die in Berührung mit dem Rakelblatt 5 gebracht werden soll) der Schablonenöffnung 7 ist die Menge an Lotpaste 1 erheblich geringer als die Menge an Lotpaste 1 an der Hinterkante 7b (also der letzten Kante einer Öffnung, die in Berührung mit dem Rakelblatt 5 gebracht werden soll) der Schablonenöffnung 7. Dies führt dazu, dass an der Oberfläche angebrachte Bauteile (nicht gezeigt), die an einer Leiterplatte (nicht gezeigt) angebracht werden sollen, auf welcher Lotpaste 1 abgelagert wurde, sich bewegen können, so dass der effektive elektrische Kontakt mit der gewünschten Schaltung oder den gewünschten Schaltungen verlorengeht, oder die Bauteile eine Unterbrechung zur Lotpaste 1 aufweisen können, infolge einer ungleichmäßigen Aufbringung der Lotpaste 1. Daher ist eine derartige Aufbringung von Lotpaste 1 ungeeignet dazu, sicher und wirksam an der Oberfläche anzubringende Bauteile an Leiterplatten zu befestigen.
Im Idealfall sollte Druckmaterial oder Lotpaste gleichmäßig über die gesamte Schablonenbildfläche abgelagert werden. Ist die Ablagerung der Lotpaste ungleichförmig, können sich bei einer derartigen Anordnung angebrachte Bauteile verschieben, bewegen, oder bei der nachfolgenden PWB-Bearbeitung verschoben werden.
Es ist daher sehr wünschenswert, eine verbesserte Vorrichtung zum konsistenten Aufbringen von Druckmaterial gleichmäßig auf eine PWB durch die Öffnungen einer Schablone auszuwählen oder anzugeben.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines durch Elektroformen hergestellten Rakelblatts gemäß Patentanspruch 1, das für den Siebdruck und andere Anwendungen geeignet ist, bei denen ein glattes Rakelblatt geeignet ist. Das Verfahren zur Herstellung des durch Elektroformen hergestellten Rakelblatts gemäß der Erfindung umfaßt das Elektroformen zumindest einer gleichmäßigen Schicht aus Metall. Es können verschiedene Konstruktionen für Blattkanten und verschiedene Blattkantendicken erzeugt werden, die durch den Benutzer vorgebbare Druckeigenschaften zulassen. Durch Elektroformen hergestellte Rakelblätter gestatten daher die Herstellung und Verwendung von Konstruktionen mit mehreren Schichten, und viele verschiedene Blattkanten, die an die verwendeten Druckeinsätze und Druckmaterialien angepaßt sind.
Das Verfahren gemäß der Erfindung schaltet jedes Erfordernis aus, sekundäre Verarbeitung vorzunehmen, zusätzliche Endbearbeitungsschritte, spezielle Beschichtungen, oder Plattierungsschritte. Das Verfahren erzeugt daher glatte und ebene Oberflächen, ohne zusätzliches Läppen, Schleifen, Formgebungsvorgänge, oder Bearbeitungen, um die Ebenheit zu erzielen.
Das durch Elektroformen hergestellte Rakelblatt gemäß der Erfindung ist besser mit Schablonenmaterialien kompatibel, infolge eines erhöhten Schmiervermögens und einer verringerten Reibung zwischen dem durch Elektroformen hergestellten Rakelblatt und der Schablone.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung umfassen ein Verfahren zum gleichmäßigen Ablagern von Lotpaste auf einer Leiterplatte, bei welchem das durch Elektroformen hergestellte Rakelblatt eingesetzt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen noch deutlicher, aus den beigefügten Patentansprüchen, und aus den zugehörigen Zeichnungen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird zusammen mit den folgenden Zeichnungen beschrieben, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und bei welchen:
Fig. 1 eine Seitenansicht ist, die den Einsatz von Lotpaste bei einer Öffnung einer Schablone nach dem Stand der Technik zeigt;
Fig. 2 eine Perspektivansicht in Explosionsdarstellung einer Leiterplatte und einer Schablone ist, die bei dem Aufbringen von Lotpaste auf die Leiterplatte gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet werden;
Fig. 3 und 4 aufeinanderfolgende, schematische Darstellungen sind, die den Mechanismus während des Druckhubes und das Lot zeigen, das sich am Ende des Wischhubes eines Rakelblatts beim Stand der Technik (Fig. 3) und eines Rakelblatts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung (Fig. 4) ansammelt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Durch Elektroformen hergestellte Rakelblätter werden bei dem Druckvorgang in der Industrie zur Herstellung elektronischer Gehäuse verwendet, und insbesondere bei der Oberflächenmontageherstellung. Anders als herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Rakelblättern wachsen Rakelblätter, die gemäß der Erfindung hergestellt werden, atomweise durch einen Elektroformvorgang auf, der spezielle Chemikalien und Verfahrensbedingungen verwendet, die dazu führen, dass das Rakelblatt verbesserte Eigenschaften in Bezug auf den Einsatz des Rakelblattes aufweist.
- Druckversuche, die unter Verwendung des durch Elektroformen hergestellten Rakelblatts durchgeführt wurden, das gemäß der Erfindung hergestellt wurde, zeigen eine mindestens 75%-tige Verringerung des Ausmaßes an verbleibendem Druckmaterial, das auf der Schablone nach jedem Druckzyklus verbleibt. Im Ergebnis wird eine Verringerung des Aufbaus getrockneten Materials erzielt, das Schablonenöffnungen verstopft, sowie eine verbesserte Festigung des Drucks. Die erhöhte Druckkonsistenz, die sich infolge der Verwendung eines durch Elektroformen hergestellten Rakelblatts ergibt, das gemäß der Erfindung hergestellt wird, verringert das Auftreten einer Brückenbildung, eines Ausleckens und einer unzureichenden Füllung von Öffnungen, welche wesentliche gründe für Herstellungsfehler darstellen. Durch Verringerung der Anzahl an Defekten, die beim Schablonendruck auftreten, wird eine Verringerung der Herstellungskosten erzielt.
Infolge der verbesserten Materialkompatibilität zwischen der Schablone und dem durch Elektroformen hergestellten Rakelblatt wird der Schablonenverschleiß verringert, der normalerweise bei dem Druck auftritt. Druckversuche, die mit Rakelblättern aus Metall nach dem Stand der Technik durchgeführt wurden, zeigen eine Schablonenprägung und einen Verschleiß bei der visuellen Untersuchung, wogegen durch Elektroformen hergestellte Rakelblätter nach einer gleichen Anzahl an Druckzyklen auf einer Versuchsschablone keinen oder nur einen geringen Verschleiß aufweisen.
Ein Hauptgrund für die Prägung und den Verschleiß, dies sich bei Metall- Rakelblättern nach dem Stand der Technik zeigen, und bei dem Herstellungsvorgang hervorgerufen werden, ist das Fehlen der Ebenheit der Rakelblattkante. Das durch Elektroformen hergestellte Rakelblatt gemäß der Erfindung weist eine verbesserte Ebenheit der Rakelblattkante auf, die bei den bisherigen Schritten der chemischen Ätzung, des Laserschneidens, des Formgebens oder der sekundären Verarbeitung nicht erzielbar war. Infolge des verringerten Verschleißes nimmt man an, dass die erwartete Lebensdauer der Schablone um 200% zunimmt. Durch Erhöhung der Anzahl an Druckzyklen infolge eines verringerten Schablonenverschleißes bleibt die Herstellungsqualität für einen verlängerten Zeitraum konsistent, was die Gesamtherstellungsausbeuten verbessert. Bei Vergleichsversuchen, nachdem eine gleiche Anzahl an Druckzyklen mit einem durch Elektroformen hergestellten Rakelblatt im Vergleich zu einem herkömmlichen Metall-Rakelblatt durchgeführt wurde, zeigen sich ein signifikanter Verschleiß und eine signifikante Prägung bei dem herkömmlichen Rakelblatt, wogegen bei dem durch Elektroformen hergestellten Rakelblatt kein Verschleiß festgestellt werden konnte.
Ein weiterer Vorteil des durch Elektroformen hergestellten Rakelblatts gemäß der Erfindung besteht darin, dass deswegen, da die dem Rakelblatt zuzuschreibende Oberflächenspannung verringert wird, die Tendenz des Druckmaterials minimiert wird, an dem Rakelblatt anzuhaften. Dies stellt ein Problem dar, das am deutlichsten bei Einsatz von zwei Rakelblättern wird, wenn die Richtung der Rakelblattbewegung geändert wird, und eine Umschaltung von einem vorderen auf ein hinteres oder von einem hinteren auf ein vorderes Rakelblatt durchgeführt wird. Das Ergebnis ist häufig eine Verschmierung des Druckmaterials, was möglicherweise zu Druckfehlern führt. Bei einem durch Elektroformen hergestellten Rakelblatt zeigt das Druckmaterial eine Neigung, sich zu einer gleichförmigen, zylindrischen Masse vor dem Rakelblatt während des Druckens aufzurollen. Infolge der verringerten Oberflächenspannung, die bei dem durch Elektroformen hergestellten Rakelblatt auftritt, bleibt die zylindrische Masse aus Druckmaterial auf der Schablone, wobei sie exakt für den nächsten Druckhub ausgerichtet ist. Dies führt dazu, dass 30% weniger Druckmaterial zum Aufbringen auf die Schablone benötigt wird, und eine Verschwendung verringert wird. Dieser wirksamere Einsatz von Druckmaterial oder Lotpaste verringert die Verschwendung, und verbessert die gesamte Druckablagerungsqualität, die Gleichförmigkeit und Konsistenz.
Bei Druckversuchen erforderte das durch Elektroformen hergestellte Rakelblatt, das gemäß der Erfindung hergestellt wurde, eine verringerte Menge an Lotpaste-Druckmaterial im Vergleich zu herkömmlichen Rakelblättern. Dies liegt an der Minimierung des Anhaftens des Druckmaterials an dem Rakelblatt, an der Ausschaltung eines Ansammelns oder Anhäufens von Druckmaterial entlang der Seite des Schablonenbildes außerhalb der Reichweite des Rakelblatts, und an einer insgesamt saubereren Schablonenoberfläche. Zusätzlich wird eine Verbesserung infolge eines konsistenten Volumens an Paste erzielt, das über die gesamte Schablonenbildfläche verfügbar ist, was die Druckeigenschaften noch weiter verbessert.
Die Vorteile der Erfindung erstrecken sich über den tatsächlichen Druckvorgang hinaus. Nachdem der Druckvorgang beendet ist, und der Vorgang der Reinigung beginnt, werden signifikante Ersparnisse in Bezug auf die Zeit, die Materialien, und die Entsorgungskosten für toxisches Material erzielt. Nach jedem Druckversuchsdurchlauf mit einem durch Elektroformen hergestellten Rakelblatt wurde die Reinigung auf weniger als 5 Minuten verringert, wogegen der Druck mit Rakelblättern zu Vergleichszwecken, die aus Edelstahl bestanden, aus plattiertem Edelstahl, speziell beschichtetem Edelstahl, sowie mit Rakelblättern aus Polyurethan von 80, 85 und 90 Durometer, 15 bis 30 Minuten zum Reinigen benötigte. Die Anzahl an Reinigungshüben, die nach Verwendung eines durch Elektroformen hergestellten Rakelblatts benötigt werden, wird auf eins reduziert, gegenüber fünfzehn bis zwanzig, die bei Vergleichserzeugnissen benötigt werden. Eine effizientere Verwendung von Druckmaterialien, eine verringerte Verschwendung, und eine Verringerung insgesamt der Reinigungsanforderungen führt zu einer dramatischen Verringerung der Kosten zur Entsorgung toxischen Abfalls.
Das Verfahren gemäß der Erfindung, das eine Variation des US-Patents Nr. 5,478,699 darstellt, das dem verstorbenen Blessington erteilt wurde, umfaßt elektrische Ablagerung von Metall auf einem leitfähigen Substrat.
Typische Substratmaterialien umfassen Edelstahl, mit Chrom oder Nickel beschichtetes Eisen, Nickel, Kupfer, Titan, Aluminium, mit Chrom oder Nickel plattiertes Aluminium, Titan-Palladiumlegierungen, Nickel-Kupferlegierungen, wie beispielsweise Inconel® 600 und Invar® erhältlich von Inco, Saddle Brook, New Jersey), und dergleichen. Es können auch nicht-metallische Substrate verwendet werden, wenn sie leitfähig gemacht wurden, beispielsweise durch geeignete Metallisierung unter Verwendung von Metallisierungsverfahren, die auf diesem Gebiet bekannt sind, beispielsweise stromlose Metallisierung, Dampfablagerung, und dergleichen. Ein leitfähiges Substrat wird zuerst durch Verfahren gereinigt, die Fachleuten auf diesem Gebiet wohlbekannt sind. Die Abfolge der Reinigungsschritte kann das Waschen mit Isopropylalkohol umfassen, eine Dampfentfettung in Trichlorethylen, eine elektrische Reinigung, Spülen in destilliertem Wasser, Waschen in Salpetersäure, und schließlich Spülen mit destilliertem Wasser.
Das Verfahren findet in einer Zone zum Elektroformen statt, die eine Anode, eine Kathode, und ein Bad zum Elektroformen umfaßt. Das Bad kann bestehen aus: Ionen oder Salzen von Ionen des Schichtausbildungsmaterials, deren Konzentration von Spurenanteilen bis zur Sättigung reichen kann, wobei die Ionen in Form von Anionen oder Cationen vorhanden sein können; einem Lösungsmittel; einem Puffermittel, dessen Konzentration von Null bis zur Sättigung reichen kann, einem Anodenkorrosionsmittel, dessen Konzentration von Null bis zur Sättigung reichen kann; und wahlweise Kornverfeinerungsmitteln, Einebnungsmitteln, Katalysatoren, Tensiden, und anderen Zusatzstoffen, die auf diesem Gebiet bekannt sind. Die bevorzugten Konzentrationsbereiche können leicht von Fachleuten auf diesem Gebiet ohne all zu viele Versuche festgelegt werden.
Ein bevorzugtes Elektroformbad zum Plattieren von Nickel auf ein Substrat umfaßt etwa 70-90 mg/ml an Nickelionen in Lösung, etwa 20-40 mg/ml H&sub3;BO&sub3;, etwa 3,0 mg/ml an NiCl&sub2;·6H&sub2;O, und etwa 4,0-6,0 ml/l an Natriumlaurylsulfat. Andere geeignete Zusammensetzungen von Elektroformbädern umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Watts-Nickel: etwa 68-88 mg/ml an Nickelionen, etwa 50-70 mg/ml an NiCl&sub2;·6H&sub2;O, und etwa 20-40 mg/ml an H&sub3;BO&sub3;, Chloridsulfat: etwa 70-100 mg/ml an Nickelionen, etwa 145-170 mg/ml an NiCl&sub2;·6H&sub2;O, und etwa 3045 mg/ml an H&sub3;BO&sub3;; und konzentriertes Sulfamad: etwa 100-120 mg/ml an Nickelionen, etwa 3-10 mg/ml an NiCl&sub2;·6H&sub2;O; und etwa 30-45 mg/ml an H&sub3;BO&sub3;. Stromlose Bäder, beispielsweise stromlose Nickelbäder, können ebenfalls eingesetzt werden. Es sind verschiedene Arten verfügbar, in Abhängigkeit von den Eigenschaften, die bei der Elektroformablagerung benötigt werden. Diese stromlosen Bäder sind Fachleuten auf diesem Gebiet wohlbekannt.
Beispiele für Metalle, die durch Elektroformen auf der Oberfläche eines Substrats aufgebracht werden können, umfassen, sind jedoch nicht hierauf beschränkt, Nickel, Kupfer, Gold, Silber, Palladium, Zinn, Blei, Chrom, Zink, Kobalt, Eisen, und deren Legierungen. Bevorzugte Metalle sind Nickel und Kupfer. Jeder geeignete Leiter oder jedes geeignete Material, der bzw. das elektrochemisch abgelagert werden kann, kann verwendet werden, beispielsweise leitfähige Polymere, Kunststoffe, und stromlose Nickelablagerungen. Beispiele für geeignete autokatalytische, stromlose Nickelablagerungen umfassen, sind jedoch nicht hierauf beschränkt, Nickel-Phosphor, Nickel-Bor, Polylegierungen, beispielsweise Kupfer- Nickel-Phosphor, Nickel-Polytetrafluorethylen, Verbundbeschichtungen, und dergleichen. Verfahren zur Herstellung stromloser Nickelablagerungen, die innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind Fachleuten auf dem Gebiet des Elektroformens wohlbekannt:
Das Elektrolytbad wird unter Verwendung einer geeignete Stromversorgungsquelle mit Energie versorgt. Schichtbildende Ionen aus der Lösung werden durch Elektroformen auf der leitfähigen Oberfläche des Substrats abgelagert.
Man läßt den Vorgang weitergehen, bis sich eine Einzelschicht auf dem Substrat abgelagert hat, die vorzugsweise eine Dicke im Bereich von etwa 0,200 bis 0,385 mm aufweist. Nachdem die Einzelschicht durch Elektroformen auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet wurde, wird das Substrat aus der Lösung entnommen.
Weiterhin kann ein Rakelblatt, das gewünschte Merkmale aufweist, unter Verwendung eines Photolackmusters hergestellt werden, das komplementär zu den gewünschten Merkmalen ausgebildet ist, entsprechend dem Verfahren, das im US- Patent Nr. 5,478,699 beschrieben wurde.
Wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, führt das durch Elektroformen hergestellte Rakelblatt gemäß der vorliegenden Erfindung dazu, dass die Lotpaste 1 mit gleichmäßiger Vertikalhöhe in den Schablonenöffnungen 7 aufgebracht wird, unabhängig von deren Orientierung. Infolge der gleichmäßigen Ablagerung der Lotpaste in jeder der Öffnungen 7 werden die Lotanschlußflächen 8 gleichmäßig auf der Leiterplatte 9 von Fig. 2 abgelagert. Die Leiterplatte 9 wird fest an ihrem Ort unterhalb der Schablone 6 gehalten, beispielsweise durch Festsaugen, Werkzeuglöcher, eine einstellbare mechanische Befestigung oder eine spezielle mechanische Befestigung, und nach dem Ablagern der Lotpaste 1 wird die Halterung dann gelöst, für den nächsten Vorgang im Herstellungsverfahren für die Leiterplatte. Dies führt dazu, dass die Leiterplatte 9 mit Lotanschlußflächen 8, die gemäß der Erfindung hergestellt wurde, fester an der Oberfläche angebrachte, integrierte Schaltungen und/oder Bauelemente an der Leiterplatte 9 festhält, für nachfolgende Montage- und Lotflußoperationen.
In den Fig. 3 und 4 wurden Polyurethan-Rakelblätter von 80, 85 und 90 Durometer als Vergleichsmaterialien für das durch Elektroformen hergestellte Rakelblatt gemäß der Erfindung verwendet. Man sieht, dass das durch Elektroformen hergestellte Rakelblatt, das gemäß der Erfindung hergestellt wurde, und welches eine HK&sub5;&sub0;&sub0;-Härte aufweist, die vorzugsweise etwa 200 bis 600 beträgt, und bevorzugter etwa 390 bis 450, eine gleichmäßigere Ablagerung von Lotpaste auf der Leiterplatte gestattet. Dies führt dazu, dass die Anzahl an Leiterplatten minimal ist, die wegen Lotanschlußflächenfehlern und der Montage integrierter Schaltungen nachgebessert werden müssen.
Zwar wurde die vorliegende Erfindung zusammen mit bestimmten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, jedoch wird deutlich, dass Fachleuten auf diesem Gebiet zahlreiche Alternativen, Abänderungen und Variationen auffallen werden. Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wie sie hier beschrieben wurden, sollen daher zur Erläuterung dienen, jedoch nicht die Erfindung einschränken. Es lassen sich verschiedene Abänderungen vornehmen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines durch Elektroformen ausgebildeten Rakelblatts (5), mit: Ausbildung einer Schicht aus Material durch Elektroformen auf einem Substrat zur Bereitstellung des durch Elektroformen ausgebildeten Rakelblatts.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die durch Elektroformen aus Material ausgebildete Schicht Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Nickel, Kupfer, Gold, Silber, Palladium, Zinn, Blei, Chrom, Zink, Kobalt, Eisen und deren Legierungen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die durch Elektroformen aus Material ausgebildete Schicht Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nickel und Kupfer besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die durch Elektroformen ausgebildete Schicht aus Material zumindest ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nickel-Phosphor, Nickel-Bor, Kupfer-Nickel-Phosphor, Nickel- Polytetrafluorethylen, und Verbundwerkstoffen hieraus besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren die Bereitstellung eines leitfähigen Substratkerns umfaßt, der mit einem Muster aus Photolack in Form des Rakelblatts versehen ist, und das Ausbilden der Schicht aus Material durch Elektroformen auf dem leitfähigen Substratkern, um das durch Elektroformen ausgebildete Rakelblatt zur Verfügung zu stellen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem das leitfähige Substrat ein leitfähiger Substratkern ist, der mit einem Muster aus Photolack in Form des Rakelblatts versehen ist, und die Ausbildung der Schicht aus Material durch Elektroformen auf dem leitfähigen Substratkern zur Bereitstellung des durch Elektroformen ausgebildeten Rakelblatts erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem der leitfähige Substratkern aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus Edelstahl, mit Chrom plattiertem Eisen, mit Nickel plattiertem Eisen, Nickel, Kupfer, Titan, Aluminium, mit Chrom plattiertem Aluminium, mit Nickel plattiertem Aluminium, Titan-Palladium-Legierungen und Nickel-Kupfer-Legierungen.

8. Verfahren zur Ablagerung eines Druckmaterials (1) auf einem Substrat (9) unter Verwendung eines Rakelblatts (5), wobei das Verfahren umfaßt:

Anordnen einer Schablone, durch welche sich mehrere Öffnungen (7) erstrecken, in Kontakt mit dem Substrat;

Ablagerung des Druckmaterials (1) auf der Schablone; und

Bewegung des Rakelblatts (5) über die Schablone, um das Druckmaterial (1) über die Schablone zu verbreiten, und das Druckmaterial auf dem Substrat abzulagern,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Rakelblatt (5) durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 hergestellt ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem Lötpaste (1) als das Druckmaterial vorgesehen ist, und eine gedruckte Leiterplatte (9) als das Substrat vorgesehen ist.