Anwendung der Plasmabrücke zur Erdung von leitfähigen Substraten

Autoren: Dariusz Korzec, Markus Hoffmann und Stefan Nettesheim

Datum: März 2023

Abstract

Ein Atmosphärendruck-Plasmastrahl (APPJ) wurde durch einen gepulsten atmosphärischen Lichtbogen (PAA) auf eine elektrisch leitende Oberfläche übertragen. Er wurde mit einer mittleren Leistung von 700 W, einer Pulsfrequenz von 60 kHz und einem Gasgemisch aus N₂ und H₂ betrieben. Die Durchflussgeschwindigkeit des Gasgemisches lag bei 30 bis 70 SLM. Dazu wurde der plasmabrush® PB3 verwendet. Es zeigte sich, dass die zwischen dem geerdeten Injektor und elektrisch leitenden und schwebenden Substraten gezündete Plasmabrücke zur elektrischen Erdung von leitfähigen Substraten verwendet werden kann. Dies ermöglichte die Lichtbogenübertragung auf solche Substrate.

Die Plasmabrücke war bei einem Argonfluss durch den Injektor von 3 bis 10 SLM stabil. Die Länge lag zwischen 5 und 15 mm. Der Strom der Plasmabrücke betrug 350 mA. Die Kupferkontaktflächen auf einer Aluminiumoxid-Elektronikplatine wurden mit der Plasmabrücke behandelt, die durch Ar-Injektion zur Erdung. Zunächst wurde mit einem Plasmastrahl aus komprimierter trockener Luft (CDA) eine Oxidschicht von etwa 65 nm aufgewachsen. Anschließend wurde diese Schicht mit einer Geschwindigkeit von 4 cm²/s durch einen 95/5-Gasplasmastrahl (95 % N₂ und 5 % H₂) Plasmastrahl.

Einleitung

Der Atmosphärendruck-Plasmastrahl (APPJ) in seinen zahlreichen Varianten ist eine Art kaltes atmosphärisches Plasma (CAP) oder Atmosphärendruck-Plasma (APP), das in Forschung und Industrie weit verbreitet ist. Der Niedertemperatur-Lichtbogenstrahl hat aufgrund seiner hohen lokalen Plasmadichte ein hohes Potenzial für die Materialbearbeitung. Die gängige Methode zur Lichtbogenstabilisierung in Niedertemperatur-Lichtbogenstrahlen ist ein Gaswirbel. Die physikalischen, elektrischen und materiellen Eigenschaften solcher Jets wurden untersucht. Es wurden zahlreiche Anwendungen beschrieben, z. B. die Modifizierung der Oberfläche von Polymeren zur Verbesserung der Haftung, z. B. Polyethylen, glasfaserverstärktes Polypropylen oder Polydimethylsiloxan (PDMS). Darüber hinaus können auch Metalloberflächen behandelt werden. Eine Oberflächenmodifikation zur Verbesserung der hydrophilen Eigenschaften von rostfreiem Stahl, der mit einem N₂-O₂-Plasmastrahl bei Atmosphärendruck behandelt wurde, wurde gezeigt. Auch lackierte oder polymerbeschichtete Metalloberflächen können erfolgreich behandelt werden. Ein zunehmend interessantes Material für die Oberflächenbehandlung ist Glas. Weitere Anwendungen sind Oxidation und Schnellglühen.

Der in dieser Studie verwendete Plasmagenerator gehört zu den gepulsten atmosphärischen Lichtbogenplasma Plasmastrahlen (PAA-PJs). Sein Unterscheidungsmerkmal ist die Erzeugung des Lichtbogens durch HV-Pulse im kHz-Bereich mit Spannungen bis zu 15 kV für die Zündung und im Bereich von 500 V bis 3000 V für die Aufrechterhaltung des Plasmas. Kürzlich wurde die Physik mit Laserstreutechniken und optischer Spektroskopie untersucht. Der Einfluss der Pulsamplitude und -frequenz auf die Eigenschaften des PAA-PJ wurde untersucht.

Diffuser Plasmamodus

Der PAA-PJ kann im diffusen oder fokussierten Plasmamodus betrieben werden. Die häufigste Anwendung des diffusen Modus ist die Aktivierung verschiedener Oberflächen zur Erhöhung der freien Oberflächenenergie (SFE) von Polymeren zur Verbesserung der Lackierbarkeit oder der Klebeeigenschaften oder zum Gießen. Die Verbesserung der Klebeeigenschaften von Haftklebern auf Beschichtungen von Weißwaren durch Atmosphärendruck-Plasmabehandlung wurde nachgewiesen. Ein weiteres Beispiel ist die Oberflächenmodifikation von Kohlenstofffasern. Eine starke Erhöhung der Benetzung wurde nach einer Stickstoffplasmabehandlung von Gas, PI und PET vor dem Aerosol-Jet-Druck beobachtet. Die Erhöhung zeichnet sich durch eine Verringerung des Kontaktwinkels aus, was zu einer Verbreiterung der gedruckten elektrischen Kontakte führt. Die Verbesserung der mechanischen Scherfestigkeit von Klebeverbindungen auf PAA-PJ-behandelten aerosol-jet-gedruckten Pads wurde dokumentiert. Die Eignung des PAA-PJ zur Bakterieninaktivierung auf temperaturempfindlichen Oberflächen wurde am Beispiel von Geobacillus stearothermophilus-Sporen nachgewiesen.

Die hohe Energiedichte in der Bogenzone ermöglicht den Einsatz des PAA-PJ für Beschichtungsprozesse. Eine Abscheiderate von Zinkoxid von 1,29 nm/s wurde unter Verwendung einer vernebelten ZnCl₂-Lösung nachgewiesen. Diese Lösung wurde in den Abstrom des Stickstoffplasmastrahls gesprüht. Das PAA-PJ kann für die Beschichtung von Polyethylen niedriger Dichte, das Fluxen von Leiterplatten, Beschichtung von Holz mit Polyester oder TiO₂ und die Beschichtung von kreisförmigen Wismutoxid Tröpfchen verwendet werden.

Fokussierter Plasmabetrieb

Der Begriff fokussierter Plasmabetrieb wird für einen Betrieb des PAA-PJ verwendet, bei dem der Hochspannungsbogen von der geerdeten Düse auf ein geerdetes, elektrisch leitendes Substrat übertragen wird. Unter diesen Bedingungen wird ein dichtes Plasma direkt an der Substratoberfläche erzeugt. Der übertragene Lichtbogen hat sich als effizient für die Reinigung, Entschmierung, Oxidreduzierung, Aufrauhung oder Entlackung von Metalloberflächen erwiesen. Der Mechanismus der Haftverbesserung ist hauptsächlich chemisch, aber auch eine Erhöhung der Oberflächenrauheit ist beteiligt. Ein weiterer Vorteil des übertragenen Lichtbogens besteht darin, dass keine Erosion der Düse auftritt. Folglich kann die Lebensdauer der Düse verlängert werden. Die Anwendbarkeit dieser Betriebsart wird dadurch eingeschränkt, dass das Substrat mit der elektrischen Masse verbunden sein muss. Das ist nicht immer möglich.

In dieser Studie wurde gezeigt, wie eine elektrisch schwebende Oberfläche, die durch einen übertragenen Lichtbogen aufgeladen wird, mit Hilfe einer Plasmabrücke geerdet werden kann. Ursprünglich bezog sich der Begriff Plasmabrücke auf das Niederdruckplasma, das für die Neutralisierung eines Ionenstrahls verwendet wird. In diesem Beitrag ist damit jedoch die Gasentladung gemeint, die bei Atmosphärendruck in einem Gas mit niedriger Durchbruchspannung wie Argon gezündet wird, um eine hochleitende elektrische Verbindung zwischen dem Substrat und dem geerdeten Gasinjektor herzustellen. In diesem Beitrag werden die grundlegenden Eigenschaften einer solchen Plasmabrücke erörtert. Die Reduktion von oxidierten Kupferkontaktpads, die auf einer Keramikplatte verteilt sind, demonstriert die technologische Anwendbarkeit einer solchen Plasmabrücke.

Fazit zur Erdung von leitfähigen Substraten

Wird der PAA-PJ zur Behandlung von elektrisch leitenden Substraten verwendet, kann der übertragene Lichtbogen nur auf elektrisch geerdeten Oberflächen entstehen. In einigen Fällen sind die leitenden Oberflächen, z. B. Kontaktpads von Elektronikplatinen, als elektrisch schwebend konstruiert. In dieser Studie wurde gezeigt, dass für die Erdung von schwebenden Elektroden die in Argon gezündete Plasmabrücke verwendet werden kann. Die Plasmabrücke kann durch Fluten der Kontaktfläche mit Argon aus einem elektrisch leitenden und geerdeten Injektorrohr erreicht werden. Die Plasmabrücke wurde gezündet, weil ohne Erdung das Potenzial des elektrisch schwebenden Substrats auf mehrere hundert Volt anstieg. Dieser Anstieg reichte für einen Gasdurchbruch in Argon zwischen dem Substrat und dem Injektor aus. Nach der Zündung kann die Plasmabrücke auch ohne das Substrat zwischen dem Injektor und dem Hochspannungsbogen aufrechterhalten werden.

Die Etablierung der Plasmabrücke war für Argonflüsse zwischen 3 und 10 SLM möglich. Bei einem Argonfluss unter 3 SLM kann die Plasmabrücke nicht aufrechterhalten werden. Bei solch niedrigen Flüssen dehnt sich der Argonfluss nicht ausreichend aus, um das Substrat zu erreichen und die elektrische Lücke zwischen dem vorgespannten Substrat und dem Injektor zu schließen. Die Plasmabrücke kann bei einem Argonfluss von über 10 SLM nicht aufrechterhalten werden. Der mögliche Grund dafür ist der Übergang des Argonflusses von laminar zu turbulent. Dieser führt zu einer Unterbrechung der Entladung der Argonbrücke.

Anwendungsbeispiel

Als Anwendungsbeispiel wurde die Reduktion von oxidierten Kupferkontaktflächen auf Aluminiumoxidplatten durch die Bildung von Gas 95/5-Plasma untersucht. Für die Erdung der Kontaktflächen wurde die Argonplasmabrücke verwendet. Die Kontaktpads auf der Elektronikplatine wurden ohne Beschädigung der Elektroden oder des Lötstopplacks oxydfrei gemacht. Trotz der nicht leitenden Zwischenräume zwischen den Kontaktpads erlosch die Plasmabrücke während der gesamten Dauer der Behandlung der Elektronikplatine nicht. Die Kupferoxidschicht mit einer Dicke von etwa 66 nm auf einer Leiterplatte mit einer Fläche von 210 cm² konnte innerhalb eines 2-minütigen Prozesses reduziert werden. Dabei wurde die Bearbeitungsgeschwindigkeit von 4 cm²/s erreicht. Für das typischerweise viel dünnere native Oxid konnte die Prozessgeschwindigkeit um eine Größenordnung gesteigert werden.