Plasma Desmearing einfach erklärt

Unter Plasma-Desmearing (mit Niederdruckplasma) versteht man die präzise Entfernung von Bohrschmiere auf Leiterplatten (PCBs). Dies ist entscheidender Prozess in der Leiterplattenherstellung, um Rückstände (Smear) in feinen Durchkontaktierungen (Vias) moderner Multilayer-Designs zu entfernen. Die Bohrschmierentfernung sorgt dabei für zuverlässige Verbindungen vor der Metallisierung.

Dafür wird Desmearing benötigt

Das mechanische Bohren von Vias in Multilayer-Leiterplatten erzeugt Hitze, die das Harz (z.B. FR4) schmilzt. Beim Abkühlen bildet dieses Harz, oft vermischt mit Bohrmehl, eine isolierende Schicht auf den Kupferinnenlagen im Bohrloch. Diese Schicht wird als „Smear“ oder „Bohrschmiere“ bezeichnet.

Smear und auftretende Probleme

Was ist Smear?
Als Smear bezeichnet man Harzrückstände, welche durch mechanische Bohrungen von Löchern (Vias) bei der Leiterplattenherstellung entstehen. Das mechanische Bohren erzeugt Hitze, die das Harz (z.B. FR4) schmelzen lässt. Beim Abkühlen entsteht, oftmals vermischt mit Bohrmehl, eine isolierende Schicht auf den Kupferinnenlagen im Bohrloch. Diese Schicht wird als „Smear“ oder „Bohrschmiere“ bezeichnet.

Auftretende Probleme
Unbehandelte Multilayer-Leiterplatten haben oftmals Probleme mit schlechten elektrischen Verbindungen, da Smear isolierend wirkt. Eine direkte bzw. zuverlässige Kontaktierung zwischen der Innenlage und der später galvanisch abgeschiedenen Kupferhülse wird dadurch verhindert. Dies führt u.a. zu:
– Fehlstellen & Ausfälle: Ungenügende Anbindung kann zu erhöhten Widerständen, intermittierenden Kontakten oder sogar offenen Stromkreisen führen.
– Reduzierte Zuverlässigkeit: Insbesondere bei High-Reliability-Anwendungen (Medizintechnik, Automotive, Luft- und Raumfahrt) ist Smear inakzeptabel.

Desmearing-Verfahren und ihre Grenzen

Klassischerweise wird Desmearing nasschemisch durchgeführt, meist mit konzentrierten Chemikalien wie Kaliumpermanganat in stark alkalischer Lösung. Nachteile nasschemischer Verfahren:

• Einsatz aggressiver Chemikalien.
• Hoher Wasserverbrauch und Abwasserbelastung.
• Schwierige Prozesskontrolle bei feinsten Strukturen und hohen Aspektverhältnissen.
• Potenzielle Materialunverträglichkeiten bei modernen Leiterplattenmaterialien.
• Weniger gleichmäßige Ergebnisse in tiefen, engen Bohrlöchern.

Niederdruckplasma als top Lösung

Die Niederdruckplasma-Technologie bietet eine überlegene Alternative für das herkömmliche Desmearing mit Nasschemie. Bei diesem Verfahren werden Leiterplatten in eine Vakuumkammer eingebracht. Ein Prozessgas (oder Gasgemisch) wird bei niedrigem Druck (typ. 0,1 – 1 mbar) eingelassen und durch Energiezufuhr ionisiert, wodurch Niederdruckplasma bzw. Vakuumplasma entsteht.

Plasma erreicht u.a. Mikro-, Blind- und vergrabene Durchkontaktierungen, wo die Nasschemie an ihre Grenzen stößt. Die ist beispielsweise unverzichtbar für HDI-Leiterplatten (High-Density Interconnect). Der Plasma-Desmear-Prozess sorgt für eine Feinstreinigung der Bohrlöcher, entfernt effektiv Smear bzw. Harzrückstände von den Oberflächen. Dies sorgt für saubere Durchkontaktierungswände und verbessert so die elektrische Leitfähigkeit.

Im Gegensatz zu chemischen Methoden ätzt oder schwächt unser Niederdruckplasma das Kupfer nicht an und verbessert sogar die Kupferhaftung an Oberflächen. Weitere Vorteile sind zudem:

• Gleichmäßige und kontrollierte Reinigung von Leiterplatten ✓
• Saubere Durchkontaktierung unabhängig von Komplexität ✓
• Klappt für PCB-Materialien wie FR4, Polyimid oder PTFE ✓
• Ideal für HF-, Mikrowellen- und Hochfrequenz-Leiterplatten ✓
• Kein Einsatz von giftigen Chemikalien sowie Entsorgungen ✓
• Erhöhte Arbeitsplatzsicherheit und Umweltschonung ✓

Kurz gesagt: Desmearing mit Niederdruckplasma ist umweltfreundlich, zuverlässig und kostengünstig.

Forschungsprojekt PlasmaKlient

PlasmaKlient war ein gefördertes Forschungsprojekt (KMU-innovativ vom BMBF, heute BMFTR) mit der Hochschule Furtwangen sowie der plasma technology GmbH. Von 2019 bis 2022 wurde an einer neuartigen Plasmatechnologie geforscht, welche die Umweltfreundlichkeit von Plasmaätzprozesse verbessern sollte, indem keine FKW-Emissionen mehr freigesetzt werden.

Problemstellung und Notwendigkeit

Die weltweiten Emissionen von perfluorierten Kohlenwasserstoffen (auch FKW, F-Gase, PFC) stellen, aufgrund ihrer extrem hohen Treibhauspotenziale und Langlebigkeit in der Atmosphäre, eine maßgebliche Komponente des Klimawandels dar. Ihr Einsatz wurde vor über 35 Jahren als Alternative zu ozonschädlichen FCKW-Verbindungen in Klima- und Kühlanlagen, Sprays, Schäumen und Dämmstoffen sowie Feuerlöschmitteln forciert.

Spätestens seit der Klimakonferenz von Kigali 2016, auf der sich 150 Staaten zu einer drastischen Verbrauchsreduzierung verständigt haben, wurden auch die klimaschädlichen perfluorierten Kohlenwasserstoffe reglementiert. Für Industrieländer wurde eine stufenweise Reduktion um insgesamt 85 Prozent bis 2036 beschlossen, während die Entwicklungs- und Schwellenländer sich auf Reduktionsziele von 80 bzw. 85 Prozent bis 2047 verpflichten. Vordergründig werden diese Zielstellungen vor allem mit dem rasant wachsenden Bedarf an Klimageräten verbunden, für die sich jedoch bereits heute natürliche Ersatzkältemittel wie Ammoniak, CO2 oder Propan anbieten. Die Vorgaben gelten jedoch gleichermaßen für industrielle Produktionsverfahren.

Trocken- bzw. Plasmaätzprozesse

Herkömmliche Trocken- bzw. Plasmaätzprozesse in der Halbleiter- und Leiterplattenherstellung, setzen fluorierte Treibhausgase in erheblichen Mengen ein, als auch frei. Die als Ätzgase verwendeten Stoffe wie:

• Tetrafluormethan (CF₄),
• Hexafluorethan (C₂F₆),
• Perfluorpropan (C₃F₈) oder
• Perfluorbutadien (C₄F₆).

Diese haben die 7.390- (CF₄) bis 12.200 fache (C₂F₆) Treibhauswirkung von CO2.

Aus technologischer Sicht spielt das Plasmaätzen angesichts der immer komplexeren Schaltungsstrukturen und wachsenden Anforderungen an die Qualität der Kontaktierungs- und Verbindungsflächen eine entscheidende Rolle in der Leiterplatten- und Halbleiterherstellung. So wird der Prozess für das Rückätzen von Schaltungslagen in mehrschichtigen Leiterplattenaufbauten, die Oberflächenaktivierung und -strukturierung oder das Reinigen von Bohrungen zur Durchkontaktierung genutzt.

In der Halbleiterfertigung dient er z.B. der Substratstrukturierung aber auch der Reinigung von CVD-Beschichtungsanlagen. Alternative, FKW-freie Prozessgase, die sich durch adäquate Ätzraten, Prozessstabilitäten und Bearbeitungsergebnisse auszeichnen, bzw. Reinigungssysteme, die eine effektive und energieeffiziente Abscheidung der sehr stabilen Fluorverbindungen aus der Prozessabluft gewährleisten, stehen bislang nicht zur Verfügung. Daher ist die Gefahr groß, dass sich die absolut notwendigen FKW-Emissionsreduktionen für die Leiterplatten- und Halbleiterindustrie zeitnah zu einem ganz konkreten Problem entwickeln – nicht nur in Europa, sondern weltweit.

Zielsetzung von PlasmaKlient

Um die Klimafreundlichkeit von Plasmaätzprozessen deutlich zu verbessern und somit deren langfristige Einsatzfähigkeit sicherstellen zu können, wurde durch PlasmaKlient ein neuartiges Prozess- und Anlagenkonzept erforscht und am Beispiel für Leiterplattenanwendungen demonstrativ umgesetzt. Erreicht werden sollte das Forschungsziel über einen mehrstufigen, hermetisch kreislaufgeführten Plasmaprozess, in dem folgende Verfahrensschritte direkt miteinander verschaltet werden:

• Prozessstufe 1: Erzeugung von reaktivem Fluor aus einem Target.
• Prozessstufe 2: Überführung des Fluors in eine stabil ausregelte, hochabrasive Prozessatmosphäre der sogenannten Ätzstufe.
• Prozessstufe 3: Chemische Rekombination der unverbrauchten Fluorreste und Rückführung der Recyclingprodukte als Ausgangstarget.

Ergebnis

Anhand der Referenzanwendung aus der Leiterplattenherstellung, konnten wir das Plasmaätzen umweltfreundlicher gestalten. Es konnte nachgewiesen werden, dass effiziente, FKW-emissionsfreie Äztprozesse in einer Niederdruckplasma-Anlage möglich sind, ohne die Funktionsfähigkeit der Leiterplatten zu beinträchtigen.

Der Erfolg von PlasmaKlient legte den Grundstein, einen weiteren Plasmatechnologieprozess, künftig umwelt- bzw. klimafreundlich zu machen und somit einen Beitrag für Innovation sowie Nachhaltigkeit zu schaffen.

Plasmasterilisation einfach erklärt – Definition

Die Plasmasterilisation ist ein innovatives, schnelles und hocheffektives Niedertemperaturverfahren (45 °C bis 60 °C) zur rückstandsfreien Abtötung von Keimen bzw. krankheitserregenden Mikroorganismen. Sie kommt typischerweise in pharmazeutischen oder medizinischen Bereichen zum Einsatz und häufig in der Verpackungsindustrie.

Vorteile

Das Niedertemperaturverfahren hat entscheidende Vorteile, wie Effizienz, Materialschonung, Nachhaltigkeit und Arbeitsplatzsicherheit, gegenüber herkömmlichen Sterilisationsmethoden wie z.B. Dampf (+100 °C) oder Ethylenoxid-Gas (giftig und Rückstände).

Insbesondere aufgrund der thermolabilen Vorteile für hitzeempfindliche Instrumente, eignet sich die trockene Plasmasterilisation für hitze- und feuchtigkeitsempfindliche Materialien. Dazu zählen u.a. chirurgische Materialien, Kunststoffe, Zahnarzt-Instrumente, Kabel oder auch Raumfahrtmaterialien.

Nachteile

Eine Plasmasterilisation hat weniger Nachteile, sondern eher Grenzen. So müssen das behandelte Gut absolut trocken sein und, bei dem Einsatz von Niederdruckplasma, eben vakuumfest sowie plasmabeständig. Durch die Plasmabehandlung in einer Vakuumkammer sind auch Gegenstände mit komplexen Geometrien oder Hohlräumen gut sterilisierbar, was ohne Reaktionsgefäß nicht immer gelingt.

Lösungsansatz von plasma technology: Unsere Plasmaanlagen sterilisieren deshalb nur mit Niederdruckplasma. Dies sorgt für effiziente Durchlaufzeiten und, dank der hohen Langlebigkeit unserer Produkte, sind unsere Lösungen effizient und wirtschaftlich.

Anwendung für Materialien und Produkte

Geeignete Produkte und Materialien für die Plasma-Sterilisation oder Desinfektion. Welche Produkte oder Materialien können im Niederdruckplasma desinfiziert oder sterilisiert werden?

Materialien

Neben unterschiedlichen Metallen können auch Polymere (Kunststoffe), wie beispielsweise Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere, TPU und speziell auch Silikone im Plasma gereinigt, desinfiziert und sterilisiert werden. Auch Glas, Keramik oder unterschiedliche Textilien und Membrane sind für eine Plasmasterilisation und Plasmadesinfektion geeignet.

Grundsätzlich müssen Werkstoffe bzw. Materialien plasma- oder vakuumbeständig sein, um eine Plasmabehandlung durchführen zu können. Materialien, die durch starkes Ausgasen eine erhebliche Störung des Vakuums oder des Plasmas verursachen, kommen folglich nicht für eine Behandlung im Niederdruckplasma in Frage.

Produkte

Typische Produkte, die sich für die Desinfektion oder Sterilisation im Niederdruckplasma eignen, kommen unter anderem aus pharmazeutischen, (zahn-)medizinischen Bereichen oder aus der Verpackungsindustrie. Für die Plasmasterilisation im Niederdruck müssen die Produkte in die Plasmakammern eingebracht werden können.

Fest verbaute Teile, beispielsweise Krankenhaus-Interieur, lassen sich nicht im Niederdruckplasma behandeln. Auch erreicht das Plasma keine Produkte, die bereits fertig verpackt sind. Das Plasma sterilisiert in diesem Fall nur die Verpackung, jedoch nicht das Produkt selbst.

Produktbeispiele, welche sich erfolgreich im Niederdruckplasma desinfizieren und sterilisieren lassen:

• Atemschutzmasken
• Schutzbrillen
• OP-Besteck
• Zahnarzt-Instrumente
• Katheter und Prothesen
• Endoskope (thermolabil)
• PE-, PP- und Blister-Verpackungen

Auch FFP3-Atemschutzmasken und andere Schutzausrüstung für Klinikpersonal, die normalerweise für eine einmalige Nutzung gedacht sind, lassen sich durch die Plasma-Desinfektion für einen weiteren Gebrauch wiederaufbereiten.

Verfahren und Funktionsweise

Die Gasplasma-Sterilisation ist ein schonendes und trockenes Niederdruckverfahren, welches die Zellbestandteile von vermehrungsfähigen Mikroorganismen oxidiert und vollständig zerstört. Da es i.d.R. bei Temperaturen zwischen 37 °C und 60 °C ausgeführt wird, eignet es sich hervorragend für thermolabile Materialien.

Plasmasterilisation Verfahren

Plasma schädigt bzw. inaktiviert nachweislich alle Bestandteile von Krankheitserregern wie Bakterien, Viren, Virionen, Prionen oder Pilze und deren Sporen. So werden u.a. deren Zellwände, Virushüllen oder Sporenhüllen, die Zellmembrane und die DNA-Erbinformation der Erreger zerstört. Des Weiteren befreit Plasma die Oberflächen von Verunreinigungen und Toxinen.

Bei einem Niederdruckverfahren wird das Sterilgut (gereinigt & getrocknet) wird in eine Sterilisationskammer eingebracht. Bei einem Einsatz von Niederdruckplasma, wird die Kammer evakuiert, um ein Vakuum zu erzeugen und ein Prozessgas hinzugeführt.

Durch die hohe Spaltgängigkeit des Niederdruckplasmas werden auch kleinste Hohlräume und Spalte mit der Plasma-Desinfektion bzw. Sterilisation erreicht. Je nach genutztem Prozessgas und der gewählten Behandlungsintensität und –Dauer in der Plasmaatmosphäre, werden Produkte sowohl desinfiziert als auch sterilisiert.

Plasmasterilisation Funktionsweise

Die in wissenschaftlich nachgewiesene Sterilisationswirkung von Plasma kommt durch mehrere Komponenten zustande. 
Die Komponenten und Funktionsweise im Detail: 

Hohe Reaktivität der im Plasma enthaltenen Teilchen
– Die unterschiedlichen reaktiven Spezies, die im Plasma enthalten sind, schädigen organische Moleküle von lebenden Organismen, beispielsweise Bakterien.
– Bakterien werden durch die im Plasma vorhandenen Oxide abgetötet.

Entstehende UV-Strahlung im Niederdruckplasma
– Ultraviolette Strahlung ist ein starkes Desinfektionsmittel und schädigen die Erbinformation der Keime, also die DNA-Moleküle.
– UV-Strahlung erreicht lebende Zellen, wie beispielsweise Bakterien, als auch Viren, die keinen eigenen Stoffwechsel besitzen.
– Viren werden durch die im Plasma vorhandene UV-Strahlung inaktiviert.
– Bakterien werden durch die im Plasma vorhandenen UV-Strahlung abgetötet.

Hohe kinetische Energie der Ionen und Elektronen
– Die Plasmateilchen treffen mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberflächen der Produkte und lösen vorhandene Verschmutzungen und Erreger mechanisch ab (Sputter-Effekte).
– Unabhängig von der Beschaffenheit der Teilchen, ob lebend oder nicht, können diese mechanisch gelöst, in die Gasphase überführt und durch den konstanten Gastransport aus der Behandlungskammer abgeführt werden.
– Die geladenen Teilchen zerstören Verbindungen in den Zellmembranen und erreichen damit auch die Virushüllen von behüllten Viren (zur Information: Der SARS-CoV-2 Virus ist ein behüllter Virus).

Das im Niederdruckplasma anliegende Feinvakuum
– Durch das anliegende Feinvakuum und die Temperaturerhöhung beim Kontakt mit den energiereichen Plasmaspezies werden die Organismen der Krankheitserreger ausgetrocknet.

Plasmadesinfektion

Eine Plasmadesinfektion reduziert die Anzahl krankmachender Keime, sodass von einem Gegenstand keine Infektionsgefahr mehr ausgeht. Es sind Verfahren zur gezielten, aber nicht vollständigen, Abtötung und Inaktivierung von krankmachenden (pathogenen) Keimen. Desinfizierte Gegenstände sind also nicht 100% keimfrei, sondern keimreduziert bzw. keimarm. Eine wirksame Desinfektion erzielt eine KRINKO Leitlinie von ca. 84 bis 99,9 %. Je nach genutztem Prozessgas und der gewählten Behandlungsintensität und –Dauer in der Plasmaatmosphäre werden Produkte sowohl desinfiziert als auch sterilisiert.

Unterschied zur Plasmareinigung

Unter einer Plasmareinigung versteht man im Allgemeinen die Entfernung störender Verschmutzungen und Mikroorganismen, ohne letztere jedoch abzutöten oder zu inaktivieren. In medizinischen Bereichen kann eine Reinigung beispielsweise durch Reinigungsmittel, mithilfe von Tüchern oder Staubsaugern erfolgen.

Bezogen auf Plasma entspricht die mechanische Entfernung von Mikroorganismen durch Sputter-Effekte einer einfachen Reinigung. Eine einfache Reinigung erzielt eine Keimreduktion von ca. 50-80%. Eine Plasmadesinfektion erzielt also eine deutliche höhere Keimreduktion, als eine Plasmareinigung.

Unterschied zur Plasmasterilisation

Der Kernunterschied zwischen Plasmadesinfektion und Plasmasterilisation liegt in der (prozentualen) Reduktion der Keimzahl, welche mit einer Desinfektion deutlich reduziert wird (84 bis 99,9 %) und bei einer Sterilisation komplett (100 %) rückstandslos ist. Sterile Produkte sind also frei von vermehrungsfähigen Keimen, beispielsweise Bakterien, Pilze oder Sporen. Auch Prionen, Viren oder Virionen müssen inaktiviert sein.

Eine Plasmadesinfektion kann auf lebendem Gewebe, z.B. zur Wundbehandlung mit Kaltplasma (unter 40 °C), und vor Ort angewendet werden.
Eine Plasmasterilisation führt man gewöhnlich in einer optimierten Niederdruckplasma-Anlage mit entsprechenden Durchlaufzeiten sowie Prozessgasen durch.

Passende Plasmaanlagen und Prozessgase

Die Auswahl der passenden Plasmaanlage, als auch Prozessgases, richtet sich in erster Linie nach dem zu behandelten Produkt. Ebenso sind Produktmengen, geplante Zeitpunkte einer Desinfektion oder Sterilisation und das angestrebte Ergebnis zu berücksichtigen.

Passende Plasmaanlagen zum Sterilisieren mit Niederdruckplasma:
Soll ein Sterilisationsprozess in eine Produktion integriert werden, so bieten sich großvolumige Produktionsanlagen an. Produktionsanlagen werden auf die speziellen Anforderungen der Produkte, die es zu sterilisieren gilt, angepasst und auf die bestehenden Fertigungsabläufe abgestimmt. Die Plasmaanlagen können zusätzlich mit einer Schleusenfunktion ausgestattet werden.

Passende Niederdruckplasma-Anlagen zur Plasmadesinfektion:
Für einen eher mobilen Einsatz vor Ort, zur Desinfektion nach einer ersten Benutzung von kleineren Produkten, sind sicherlich kleine Laboranlagen besser geeignet.

Als geeignete Prozessgase kommen sowohl unterschiedliche Edelgase, als auch Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff in Frage. Ebenso sind Mischungen verschiedener Gase denkbar. Die Auswahl des Prozessgases richtet sich nach dem Produkt, welches sterilisiert oder desinfiziert werden soll. Aber auch die angestrebte Wirkung des Plasmaprozesses fließt in Auswahl mit ein.