CN108476588A - 用于在成形件上制造结构化的涂层的方法和用于执行该方法的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在成形件上制造结构化的涂层的方法，尤其是在非平面的、立体的电路载体上制造金属的导体轨迹结构。为了创造一种用于大批量地、价格划算地生产这种由合成材料制成的、带有金属导体轨迹结构的立体电路载体的减除法，建议了以下步骤：‑准备具有包括第一区域和第二区域的表面的成形件，其中，第一区域中的表面与第二区域中的表面至少在表面特性方面有区别；‑在成形件的表面上施加涂层，它至少遮盖住第一区域和第二区域，其中，第一区域的涂层的附着强度由于至少一种不同的表面特性而高于第二区域；‑借助应用在整个涂层上的剥蚀法以恒定的剥蚀功率部分地去除涂层，所述剥蚀功率以如下方式确定，即，使得第二区域中的涂层被完全地去除，而第一区域中的涂层全部都得以保留。此外还提供了一种用于执行所述方法的装置。

Description

用于在成形件上制造结构化的涂层的方法和用于执行该方法 的装置
技术领域
本发明涉及一种用于在成形件上制造结构化的涂层的方法和一种用于执行该方法的装置。成形件尤其是一种平面的或者是立体的电路载体，由一种配有结构化的金属涂层、尤其是导体轨迹结构的绝缘材料制成。此外，本发明还涉及一种用于执行所述方法的装置。
背景技术
在用于制造平面的电路载体(电路板)的减除法中，通过部分地去除先前施加在电路载体上的金属化部来产生导体轨迹结构。在加增法中，导体轨迹结构通过有针对性地沉积金属化部被施加到电路载体上。
平面的电路载体(电路板)大多由电绝缘材料构成。作为绝缘材料常见的是纤维强化的合成材料(FR4)。导体轨迹结构在电路板上用光刻法由薄的金属化层、尤其是由铜如下地制成：
一层薄的光敏性的光刻胶被涂在仍然完全金属化的电路板的表面上。在通过具有理想的结构的掩膜完成对光刻胶的涂层以后，根据所使用的光刻胶，要么曝光的要么未曝光的光刻胶份额在显影溶液中可溶并且被去除。如果将这样处理的电路板放到合适的腐蚀溶液中(例如水溶的铁(III)-氯化物或者过硫酸钠)，那么就只有金属化表面的无光刻胶的区域被腐蚀溶液去除；被光刻胶覆盖的区域得以保留，因为光刻胶是对腐蚀溶液有抗力的。
这种湿化学减除法从环境保护的观点来看有许多局限性。此外这些湿化学减除法在实践中只能利用由FR4材料制成的电路板实施。不考虑用合成材料作为材料，因为合成材料中所包含的添加剂通过湿化学的方法步骤会变得不稳定，并且在池中溶解的添加剂会改变金属化部的特性。此外，用湿化学减除法制造非平面的、而是立体的电路载体在经济上来说是不可能的。
在注塑而成的立体的电路载体(Molded Interconnect Device(模塑互联装置)，MID)中，可以在由合成材料制成的成形件的表面上生成出导体轨迹结构。电路载体通过注塑流程获得其立体的三维造型，并且导体轨迹结构大多都额外地以电化学或者化学的方式施加到表面上。对于成形件而言，基本上使用高温和结构热塑性塑料。然而，为了制造注塑而成的立体电路载体的长的处理时间不适合于大批量地、经济上划算地制造立体的电路载体。
由DE 11 2012 004 940 T5中公知一种用于在基底上制造导体轨迹结构的方法，包括以下步骤：
-在不导电的基底上构造第一金属层；
-借助激光器有目标性地去除第一金属层的一部分，从而露出不导电的基底，从而将第一金属层构造成被涂层的区域和不被涂层的区域，其中，被涂层的区域被划分成两个构成导体轨迹的部段和至少一个桥接部段，
-在使用其中一个构成导体轨迹的部段和桥接部段作为电极的情况下，通过仅对涂层的区域进行电镀涂层在被涂层的区域上构造出第二金属层，以及
-去除桥接部段和在这个桥接部段上构成的第二金属层。这种去除可以通过有目标性的激光剥蚀实现。以此来结束用于制造结构化的导体轨迹的流程。然而这个去除步骤也可以以化学的方式实施，为此，结构化的基底被浸入化学池中。因为构成导体轨迹的部段相比布置在它们之间的桥接部段更宽，所以桥接部段和在其上构成的第二金属层能够通过设定浸没时间被有效地去除，而不会对构成导体轨迹的部段产生不利的影响。
发明内容
从现有技术出发，本发明的任务在于，建议一种用于在成形件上制造结构化的涂层的减除法，它适用于大批量地、价格划算地制造经涂层的、尤其是立体的成形件。尤其是要建议一种用于大批量地、价格划算地制造由合成材料制成的、具有金属的导体轨迹结构的立体电路载体的减除法。最后还要提供一种用于执行这种方法的装置。
所述任务通过一种具有权利要求1所述特征的方法以及一种具有权利要求12所述特征的装置得以解决。
根据本发明，利用成形件的表面的至少一个第一区域和至少一个第二区域中的涂层的不同的附着强度来借助剥蚀法部分地去除涂层。剥蚀法在剥蚀过程期间以恒定的剥蚀功率运行，该剥蚀功率以如下方式确定，即，每个第二区域内的涂层因为那里较低的附着强度被完全地去除，而每个第一区域内的涂层都完全地得以保留。然而，根据剥蚀法，也可以在每个第一区域内通过剥蚀法减少涂层的层厚度，却不露出成形件的表面的位于下方的第一区域。
成形件优选地由电绝缘材料构成，尤其是合成材料，像聚碳酸酯或者聚碳酸酯-ABS。
成形件可以具有平面的、然而也可以具有任意几何形状的三维造型；它可以由平的或者弯曲的面式件组成。
为了在成形件的表面上相对于第二区域在第一区域内生成涂层的更高的附着强度，可以使第一和第二区域的表面在一个或者多个以下的表面特性方面有区别：
·粗糙度和/或
·硬度和/或
·表面应力和/或
·材料结构和/或
·材料。
成形件的不同的表面特性一方面可以通过第一和/或第二区域内有针对性的表面处理或者通过以区域的方式所不同的材料实现。作为表面处理例如可以考虑等离子活化或者激光处理。成形件的表面上的不同的材料例如可以通过局部的上漆、施压、多组件注塑或者层叠不同的材料来产生。
为了通过剥蚀法以确定的恒定剥蚀功率在第二区域内可靠地完全去除涂层，第一区域内的涂层的附着强度高出第二区域至少5％，然而优选地高出至少50％。通过改变由合成材料制成的成形件的材料结构，可以在结构化的第一区域内达到200-500N/cm2的附着强度，并且在第二区域内达到低于10N/cm2的附着强度。
为了确定第一和第二区域内的涂层的附着强度，优选地使用符合DIN EN ISO4624:2003标准的正面拉扯测试。正面拉扯测试用于通过撕下单层的涂层或者多层系统，经由测量为了将涂层垂直地从成形件的表面上分离或撕下所需要的最小牵拉力来确定附着强度。在正面拉扯测试的框架内的检查结果不仅受到待检查的系统的机械特性的影响，而且也受到成形件的表面的类型和准备、受到用于施加涂层的方法以及其他的环境因素的影响。就此而言，正面拉扯测试特别适用于在所述方法中测量附着强度。
作为涂层材料优选地使用可导电的材料，尤其是使用金属粉末，尤其是由铜或者铜与锌的混合物构成的材料。涂层以1μm到500μm范围内的、优选地以5-50μm范围内的层厚度被施加到成形件的表面上。被施加的涂层优选地具有至少3％的孔隙度。孔隙度是被施加的涂层的空心体积与涂层的总体积的比例。总体积由空心体积和固体材料的纯体积组成：
其中
φ 孔隙度
VH 空心体积
VF 固体材料的纯体积
V 总体积
优选地用以下涂层法的其中一种完成在成形件的表面上施加涂层：
1.激光涂层法包括以下步骤：
-准备包括运载气体和涂层材料的气体混合物流，
-将气体混合流输送给表面，其中，气体混合流碰撞到表面上并且施加到那里的涂层材料构成表面上的碰撞区域，
-将至少一道激光束耦入到气体混合流中，其中，每道激光束都以如下方式指向气体混合流，即，激光束不碰触到表面上的碰撞区域。
该方法的特征在于在气体混合流中发生涂层材料的熔化，同时成形件的表面的热负荷小。
2.等离子涂层法能够使得尤其是冷的、激活的大气压等离子中的金属涂层材料直接地、自动沉积到成形件的表面上。气体等离子的产生由气体放电实现。在环境条件下，涂层材料被持续不断地输送给这些温度在120到250摄氏度之间的、冷的、不热的等离子。涂层材料的颗粒直径优选地为100nm到20μm。利用等离子涂层法可以在处理速度直至150m/min的情况下生成具有可复制的层厚度的均质涂层。等离子涂层法因此特别适合于价格划算地并且大批量地制造结构化的涂层。金属涂层、尤其是导体轨迹结构可以具有1到1000μm之间的厚度地被施加。
3.气溶胶喷射法适用于沉积具有最精细的结构的、显著低于50μm范围内的涂层。涂层材料在气溶胶喷射法中作为喷雾器中的流体材料存在，在喷雾器中以气动的方式或者借助超声波生成待施加的气溶胶。气溶胶被运输给具有喷嘴的施装头。经由喷嘴将气溶胶施加到成形件的表面上。
4.在浸泡涂层法中，成形件、至少其待涂层的表面被浸入到涂层溶液中，并且紧接着又被取出。在取出时，薄的液体膜留在表面上。作为替选，成形件的表面不通过浸泡到涂层溶液中被涂层，而是通过特殊的加压器。加压器以涂层溶液喷淋成形件的表面。前述的方法属于化学的溶液沉积法，其中，表面首先被溶液湿润，并且紧接着该层被凝固。这种沉积法可以在环境条件下实施，并且因此与化学的或者物理的气相沉积法所不同地不需要真空。因此它们能够更快速并且成本更低地实施。此外，利用化学的溶液沉积法也可以无缺陷地为大的表面涂层。化学的溶液沉积法因此特别适用于大批量地并且价格划算地在成形件上制造结构化的涂层。
在对成形件的表面的至少一个第一区域和第二区域进行涂层以后，紧接着借助减除剥蚀法部分地去除涂层，其中，下面所阐述的剥蚀法特别合适：
1.在CO2雪喷射中，利用喷射介质、也就是固态的二氧化碳对表面进行剥蚀。CO2雪喷射时的剥蚀功率可以经由大量的影响参数准确地调节，尤其是喷射介质的质量流、喷射压力、压缩空气的体积流、射束和表面之间的相对速度、工作间隔、喷射碰撞角度和喷射介质的颗粒速度。对涂层的剥蚀在CO2雪喷射中是基于机械效应、热效应和升华效应。机械效应是基于固态的二氧化碳颗粒的高的碰撞速度。热效应是基于通过碰撞的射束突然地冷却涂层，由此引起成形件的涂层和表面之间的热张力。升华效应是基于固态的二氧化碳在碰撞到涂层上时过渡到气态时体积的增大。
2.在颗粒喷射中，颗粒将涂层材料从其复合体中撞击出去。一种典型的方法就是喷砂，其中，对于本发明特别适合用微砂喷射。颗粒喷射、尤其是微砂喷射使得第一区域内的涂层基于较高的附着强度虽然不被完全地、像在第一区域中那样被去除，然而涂层的厚度同样也会下降。
3.另一种选择性地仅在每个第二区域内去除涂层的可能性在于，在整个涂层上粘上粘膜并且紧接着撕下来。被施加到涂层上侧上的膜的附着强度大于成形件的表面在每个第二区域中的涂层的附着强度，并且小于成形件的表面在每个第一区域中的涂层的附着强度。由此得以实现的是，涂层在揭除粘膜时仅从成形件的表面的第二区域上、然而却不从第一区域上脱落。这种方法的优点在于，第一区域内的涂层的全部都保留了完全的层硬度。
4.用于去除涂层的其他方法有超声波清洁、压缩空气喷射、高压水喷射和冲洗。
一种特别有利的、用于大批量地、价格划算地制造具有金属的导体轨迹结构的、由合成材料制成的立体电路载体的方法的特征在于结合了权利要求1、9、10、11和12所述的特征。据此，提供了一种由合成材料制成的成形件，其中，表面的每个第一区域都借助激光器以如下方式被结构化，即，使得在第一区域内得到高于100N/cm2的附着强度。金属涂层借助激光器或等离子涂层法以如下方式被施加，即，使得被施加的涂层具有至少3％的孔隙度。紧接着的、对涂层的部分去除以用CO2雪喷射被涂层的表面的方式实现。尤其是结合多孔的涂层，CO2雪喷射使得沿着每个第一区域的边界都形成清晰的断边。
附图说明
接下来，借助附图详细阐释本发明，其中，
图1-2用示意图示出了用于在成形件上制造结构化的涂层的方法步骤，
图3用示意图示出了部分地剥蚀涂层，
图4用示意图示出了用于在成形件的表面上施加涂层的激光涂层法，以及
图5用侧视图和俯视图示出了用于执行根据本发明的方法的装置。
具体实施方式
图1示出了准备具有表面的方形的成形件(1)，所述表面在其上侧包括多个第一区域(2a、b、c)和一个第二区域(2d)。第一区域(2a、b、c)的表面在其表面特性方面区别于第二区域(2d)的表面。
为了在成形件(1)的表面上制造第一区域(2a)，在成形件(1)中放入了组块(1a)，它们由与成形件(1)的其余部分不同的材料构成。
为了制造表面(2b)，正如其可以从细节图(3)中看出的那样，成形件(1)的表面在第二区域(2b)内被粗糙化，从而相对于第二区域(2d)的邻接的表面得到更粗糙的表面。
第一区域(2c)中的表面通过以下方式生成，即，成形件(1)在第一区域(2c)内具有涂层(1b)，它的材料与成形件(1)的其余的材料不同。放入的组块(1a)和用于构造第一区域(2a或2c)的涂层(1b)的材料却可以相一致。
为了展示清楚，在图1中示出了不同的可能性，以便在第一区域(2a、b、c)和第二区域(2d)中生成不同的表面特性。然而，在成形件(1)上大批量地制造结构化的涂层的框架内，却优选仅利用以上可能性的其中一个。
基于不同的表面特性，要施加到成形件(1)的上侧上的涂层的附着强度在第一区域(2a、b、c)内比在第二区域(2d)内高出至少50％。
图2展示了在成形件的上侧的几乎全部表面上所施加的涂层(4)，其正如可以从侧视图中看出的那样，在成形件的上侧覆盖住所有的第一区域(2a、b、c)和第二区域(2d)。
涂层(4)例如利用激光涂层法被施加到成形件(1)的表面上，这个成形件在下面借助图4更详尽地阐述。
为了对几乎全部表面地施加到上侧上的涂层(4)进行结构化，该涂层正如其示意性地在图3中所示出的那样又部分地借助剥蚀法从表面上去除。涂层(4)的部分的剥蚀在所示实施例中借助CO2雪喷射实现。用于含有固态的二氧化碳的空气射束的喷射嘴(5)相对于成形件(1)的被涂层的表面在箭头(6)的方向上可移动地布置在未示出的操作设备上。CO2雪喷射的参数以如下方式选择，即，使得涂层(4)在第二区域(2d)内被完全地去除，而它在所有的第一区域(2a、b、c)内以全部面积的方式都得以保留。
图4展示了用激光涂层的途径来施加涂层(4)。施加粉末形式的、金属涂层材料包括以下步骤：
经由管路(7)将气体混合流输送给粉末喷嘴(8)，其中，气体混合流(11)包含作为运载气体的空气和金属涂层材料(9)。粉末喷嘴(8)的出口(10)对准成形件(1)的待涂层的表面，从而气体混合流(11)碰撞到成形件(1)的表面上，其中，在那里通过沿箭头(12)的方向的相对运动被施加的涂层材料构成表面上的涂层(4)。借助激光器(13)将激光束(14)耦入到气体混合流(11)中，其中，每个激光束(14)都以如下方式指向气体混合流(11)，即，激光束(14)不碰撞到涂层(4)的表面上。激光束(14)将气体混合流(11)中的涂层材料(9)熔化，从而使其与成形件(1)的表面的第一区域(2a、b、c)和第二区域(2d)形成附着牢固的连接，而不会对其不必要地热负荷。因此可以利用激光涂层法对由合成材料、尤其是聚碳酸酯制成的成形件(1)进行涂层。
图5示意性地示出了一种装置，它被设置用于执行前面借助图1-3所描述的方法：
装置(20)包括构造成转盘的传送机(21)，它绕着转动轴(22)在逆时针方向上朝着俯视图中所示出的传送方向(23)的方向借助马达驱动是能转动的。这种驱动尤其是允许转盘沿传送方向(23)以节拍的方式转动。
装置(20)具有用于向传送机(21)供给配有第一和第二区域的、未涂层的成形件(1)的装载站(24)以及用于从传送机(21)拾取具有结构化的涂层的成形件(1)的卸载站。沿传送方向(23)、在装载站(24)和卸载站(25)之间，沿着尚未涂层的成形件(1)的传送路径布置有涂层站(26)。涂层站(26)具有等离子涂层头作为涂层工具(27),其中，涂层工具(27)布置在操作设备(28)上。操作设备(28)例如可以是多轴能运动的工业机器人，它生成涂层工具(27)相对于每个成形件(1)的待涂层的表面的相对运动。
只要实施例中方形的成形件(1)不仅应在一侧上、而是在多侧上涂层，就可以在转盘的外周上布置另外的、用于每个成形件(1)的操作设备(29)，其中，在每个操作设备(29)上都布置有用于成形件(1)的接收部(30)，并且操作设备(29)被设置用于生成接收部(30)绕着竖直轴、平行于转盘(22)的转动轴(22)的转动运动以及沿转动轴(22)方向的竖直的升降运动。通过转动接收部(30)使得成形件能够借助涂层站(26)在所有侧被涂层。此外，还可以通过借助操作设备(29)成为可能的升降运动以轨迹的形式生成等离子涂层，为此，操作设备在竖直方向上沿着静止不动的等离子涂层头使成形件(1)运动。
正如尤其是可以从图5中的俯视图中可见的那样，在转盘上对成形件(1)涂层期间同时向布置在涂层站(26)和卸载站(25)之间的剥蚀站(31)输送在传送方向(23)上已经被进一步移动的成形件(1)。剥蚀站(31)具有以针对固态的二氧化碳的喷射嘴的形式的剥蚀工具(32)。剥蚀工具布置在用于生成每个成形件(1)的待部分地去除的涂层(4)和剥蚀工具(32)之间的相对运动的操作设备(33)上。剥蚀站(31)的操作设备(32)也可以例如实现为多轴的工业机器人。
通过涂层站(26)和剥蚀站(31)沿着成形件(1)在转盘上的传送路径的根据本发明的布置方案，能够同时对成形件(1)涂层，对被涂层的成形件进行冷却并且在剥蚀站从经冷却的、被涂层的成形件上部分地去除涂层(31)。经由可以集成到传送机(21)的转动轴(22)中的中央吸除设施(34)将多余的涂层材料和多余的CO2雪喷射材料从中央被吸除并从传送机(21)上去除掉。
附图标记列表
1 成形件
1a 组块
1b 涂层
2a、b、c 第一区域
2d 第二区域
3 细节图
4 涂层
5 喷射嘴
6 箭头
7 管路
8 粉末喷嘴
9 金属.涂层材料
10 出口
11 气体混合流
12 箭头
13 激光器
14 激光束
20 装置
21 传送机
22 转动轴
23 传送方向
24 装载站
25 卸载站
26 涂层站
27 涂层工具
28 操作设备
29 操作设备
30 接收部
31 剥蚀站
32 剥蚀工具
33 操作设备
34a、b 吸除设施

Claims (18)

1.用于在成形件(1)上制造结构化的涂层的方法，包括以下步骤：
-准备具有包括第一区域(2a、b、c)和第二区域(2d)的表面的成形件(1)，其中，第一区域(2a、b、c)中的表面与第二区域(2d)中的表面在至少一个表面特性方面有区别，
-将涂层(4)施加到成形件(1)的表面上，所述涂层至少遮盖住第一区域(2a、b、c)和第二区域(2d)，其中，第一区域(2a、b、c)中的涂层(4)的附着强度由于至少一种不同的表面特性而高于第二区域(2d)，
-借助剥蚀法以恒定的剥蚀效率部分地去除涂层(4)，所述剥蚀效率以如下方式确定，即，使得第二区域(2d)中的涂层(4)由于那里较低的附着强度被完全地去除，而第一区域(2a、b、c)中的涂层全都得以保留。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一和第二区域(2a、b、c、d)的表面在以下表面特性中一个或多个上有区别：粗糙度和/或硬度和/或表面应力和/或材料结构和/或材料。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，以如下方式确定第一区域(2a、b、c)中和第二区域(2d)中的表面特性，即，使得第一区域(2a、b、c)中的涂层的附着强度比第二区域(2d)中高出至少5％。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，以如下方式确定第一区域(2a、b、c)中和第二区域(2d)中的表面特性，即，使得第一区域(2a、b、c)中的涂层的附着强度比第二区域(2d)中高出至少50％。
5.根据权利要求1或4中任一项所述的方法，其特征在于，所述涂层(4)的附着强度借助根据DIN EN ISO 4624:2003的正面拉扯测试获知。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，利用下面的组中的涂层法来将涂层施加到成形件(1)的表面上：激光涂层法、等离子涂层法、气溶胶喷射涂层法、压力涂层法、浸泡涂层法、化学涂层法。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，借助等离子涂层法或激光涂层法将金属粉末施加到成形件(1)的表面上。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法以如下方式施加金属粉末，即，被施加的涂层(4)具有至少3％的孔隙度。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，借助下面的组中的剥蚀法来实现部分地去除涂层：CO2雪喷射、颗粒喷射、刷、冲洗、胶带揭除、超声波清洁、用加压气体或者加压液体喷射表面。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所提供的成形件(1)由合成材料制成。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述成形件的表面的第一区域(2a、b、c)借助激光器以如下方式被结构化，即，每个第一区域内的涂层(4)都得到超过100N/cm2直至最大500N/cm2的附着强度。
12.用于执行根据权利要求1至11中任一项所述的方法的装置，其特征在于具有
-被设置用于传送多个成形件(1)的传送机(21)，
-用于向传送机(21)供给成形件(1)的装载站(24)，
-用于从传送机(21)拾取成形件(1)的卸载站(25)，
-传送机(21)的从装载站(24)到卸载站(25)方向的传送方向(23)，
-布置在装载站(24)和卸载站(25)之间的涂层站(26)，所述涂层站被设置用于在每个成形件(1)的表面上施加涂层(4)，以及
-布置在涂层站(26)和卸载站(25)之间的剥蚀站(31)，所述剥蚀站被设置用于借助剥蚀法部分地去除涂层(4)。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述涂层站(27)具有涂层工具(27)和用于该涂层工具(27)的操作设备(28)，其中，所述操作设备(28)被设置用于生成每个成形件(1)的待涂层的表面与所述涂层工具(27)之间的相对运动。
14.根据权利要求12或13所述的装置，其特征在于，所述剥蚀站(31)具有剥蚀工具(32)和用于该剥蚀工具(32)的操作设备(33)，其中，所述操作设备(33)被设置用于生成每个成形件(1)的待部分地去除的涂层(4)和所述剥蚀工具(32)之间的相对运动。
15.根据权利要求13或14所述的装置，其特征在于，所述涂层工具(27)被设置用于激光涂层或者等离子涂层。
16.根据权利要求13或14所述的装置，其特征在于，所述剥蚀工具(32)被设置用于CO2雪喷射。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的装置，其特征在于，所述传送机(21)实施为转盘。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，在转盘的外周上布置有多个操作设备(29)，在每个操作设备上都固定有用于成形件(1)的接收部(30)，并且所述操作设备(29)被设置用于生成接收部(30)相对于转盘的表面的相对运动。
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