DE10125570A1

DE10125570A1 - Verfahren zum Verbinden von Leiterbahnen mit Kunststoffoberflächen

Info

Publication number: DE10125570A1
Application number: DE10125570A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Platz
Original assignee: Ticona GmbH
Current assignee: Ticona GmbH
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2001-05-25
Publication date: 2003-01-02
Anticipated expiration: 2021-05-26
Also published as: US6881291B2; US20020179234A1; DE10125570B4

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren, bei dem Oberflächen von Kunststoffen unter Zuhilfenahme von Laserstrahlen mit elektrischen Leiterbahnen versehen werden. DOLLAR A Das Verfahren gestattet die Herstellung von Formteilen aus Kunststoff mit integrierten Leiterbahnen, die weniger kostenintensiv sind und apparativ einfach durchgeführt werden können. DOLLAR A Die Verfahrensprodukte lassen sich beispielsweise in der Elektro- und Elektronikindustrie einsetzen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem Oberflächen von Kunststoffen unter Zuhilfenahme von Laserstrahlen mit elektrischen Leiterbahnen versehen werden.
Formteile aus Kunststoff mit integrierten elektrisch leitenden Schichten oder Bahnen sind beispielsweise aus der Elektro- und Elektronikindustrie hinlänglich bekannt.
Um elektrische Aggregate tragende Bauteile, die zum Beispiel im Kraftfahrzeugbereich oder Haushaltsmaschinen verwendet werden, mit Elektrizität zu versorgen, werden bislang oft aufwendige Kabelbäume benutzt.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, Leiterbahnen durch Heißprägen auf die Kunststoffoberfläche zu bringen. Hierbei werden Metallfolien aus zum Beispiel Kupfer, Gold oder Nickel mit Dicken von in der Regel 18-150 µm mit einem beheizten Stempelklischee auf das Kunststoffsubstrat geprägt.
Verfahren zum Verbinden von Kunststoffen mittels Laserstrahlen sind bereits bekannt (vergl. Ch. Bonten in KU Kunststoffe, 89(8), S. 33-41 (1999).
Beim Laserdurchstrahlschweißen werden ein für das Laserlicht transparenter Fügepartner und ein das Laserlicht absorbierender Fügepartner kombiniert und die Bestrahlung erfolgt von der Seite des transparenten Fügepartners. Durch die Absorption des Laserlichtes wird Wärme erzeugt, die die Kunststoffe im bestrahlten Bereich erweichen läßt und somit ein Verschweißen gestattet.
Beim Laserstumpfschweißen wird mindestens ein das Laserlicht absorbierender Fügepartner, vorzugsweise beide Fügepartner, mit dem Laserlicht durch eine geeignete Optik bestrahlt und danach an den bestrahlten Stellen zusammengefügt. Durch die Absorption des Laserlichtes wird auf der Oberfläche des (der) bestrahlten Fügepartner(s) Wärme erzeugt, die bei der Verbindung beider Oberflächen ein Verschweißen gestattet.
Eine Übersicht über die gängigen Laserschweißverfahren findet sich in der Disseration von J. Korte, "Laserschweißen von Thermoplasten", Universität Gesamthochschule Paderborn, Januar 1998, S. 1-8.
Die bisher bekannten Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Kunststoff mit integrierten Leiterbahnen sind sehr kostenintensiv und apparativ aufwendig, so daß alternative Möglichkeiten gesucht werden.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Versehen der Oberflächen von nichtleitenden Kunststoffen mit elektrischen Leiterbahnen.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Leiterbahnen mit einer Kunststoffoberfläche eines Formteils umfassend die Schritte:

a) Vorlage eines Laserstrahlung einer vorgegebenen Wellenlänge absorbierenden Formteils mit mindestens einer Kunststoffoberfläche,
b) Bestrahlung derjenigen Teile der Kunststoffoberfläche, mit denen die Leiterbahn(en) verbunden werden soll(en), mit Laserstrahlung einer Wellenlänge, das durch das Formteil absorbiert wird, und
c) Kontaktieren der Leiterbahn oder der Leiterbahnen mit denjenigen Stellen der Kunststoffoberfläche, die durch die Laserstrahlung erhitzt worden sind.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Leiterbahnen mit einer Kunststoffoberfläche eines Formteils umfassend die Schritte:

a) Vorlage eines Laserstrahlung einer vorgegebenen Wellenlänge absorbierenden Formteils mit mindestens einer Kunststoffoberfläche,
b) Kontaktieren einer mit der Leiterbahn oder den Leiterbahnen versehenen Folie aus Kunststoff, der für die Laserstrahlung der vorgegebenen Wellenlänge transparent ist, mit der Kunststoffoberfläche des Formteils
c) Bestrahlung der Kunststofffolie enthaltend die Leiterbahn(en) mit Laserstrahlung einer Wellenlänge, die durch das Formteil absorbiert wird, so daß die Kunststoffoberfläche durch die Laserstrahlung erhitzt wird und sich mit der Kunststofffolie verbindet.

Noch eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Leiterbahnen mit einer Kunststoffoberfläche eines Formteils umfassend die Schritte:

a) Vorlage eines Laserstrahlung einer vorgegebenen Wellenlänge nicht absorbierenden Formteils mit mindestens einer Kunststoffoberfläche,
b) Kontaktieren der Leiterbahn oder der Leiterbahnen mit denjenigen Stellen der Kunststoffoberfläche, mit denen die Leiterbahn(en) verbunden werden sollen, und
c) Bestrahlung des Kunststoffformteils mit Laserstrahlung einer Wellenlänge, welche von dem Formteil im wesentlichen nicht absorbiert wird, von der der Kunststoffoberfläche gegenüberliegenden Seite, wobei die Laserstrahlung von der (den) Leiterbahn(en) absorbiert wird und die entstehende Wärme die Leiterbahn(en) mit der Kunststoffoberfläche verbindet.

a) Vorlage eines Laserstrahlung einer vorgegebenen Wellenlänge nicht absorbierenden Formteils mit mindestens einer Kunststoffoberfläche,
b) Kontaktieren einer mit der Leiterbahn oder den Leiterbahnen versehenen Folie aus Kunststoff, der die Laserstrahlung der vorgegebenen Wellenlänge absorbiert, mit der Kunststoffoberfläche des Formteils
c) Bestrahlung der Kunststofffolie enthaltend die Leiterbahn(en) mit Laserstrahlung einer Wellenlänge, die durch die Kunststofffolie absorbiert wird, so daß die Kunststofffolie durch die Laserstrahlung erhitzt wird und sich mit der Kunststoffoberfläche des Formteils verbindet.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Leiterbahnen auf der Kunststoffoberfläche eines Formteils umfassend die Schritte:

a) Vorlage eines Laserstrahlung einer vorgegebenen Wellenlänge absorbierenden Formteils mit mindestens einer Kunststoffoberfläche, die zumindest in den oberflächennahen Bereichen einen die Metallisierung fördernden Füllstoff aufweist, der vorzugsweise ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus anorganischen Füllstoffen, insbesondere anorganischen Carbonaten und anorganischen Phosphorverbindungen,
b) Bestrahlung derjenigen Teile der Kunststoffoberfläche, an denen Leiterbahnen erzeugt werden sollen, mit Laserstrahlung einer Wellenlänge, die durch das Formteil absorbiert wird, um eine Aktivierung des die Metallisierung fördernden Füllstoffes zu bewirken, und
c) Metallisierung des Formteils in an sich bekannter Weise.

In den vorgenannten Verfahren können Leiterbahnen in unterschiedlichster Ausgestaltung zum Einsatz kommen, beispielsweise in Form einer Leiterbahnen enthaltenden Folie oder in Form von Drähten mit oder ohne Isolationsmaterial. Handelt es sich um abisolierte Drähte, so werden diese in der Regel in die erhitzten Teile der Oberfläche eingedrückt und so vollständig in das Formteil eingebettet. Handelt es sich um Drähte, die ihrerseits in Isolationsmaterial eingebettet sind, so werden diese üblicherweise durch Kontaktieren mit der erhitzten Oberfläche des Formteils mit diesem verschweißt; dabei kann der Draht ganz in das Formteil eingebettet oder auch lediglich mit der Oberfläche verbunden werden.
Der Einsatz von die Metallisierung fördernden Füllstoffen ist an sich bekannt. Vorzugsweise verwendet man Füllstoffe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus anorganischen Füllstoffen, insbesondere anorganischen Carbonaten und anorganischen Phosphorverbindungen, ganz besonders bevorzugt deren Alkali- oder Erdalkalisalzen.
Die Metallisierung eines Teils der Oberfläche des Formkörpers kann nach an sich bekannten Verfahren erfolgen, beispielsweise durch Galvanisieren oder Bedampfen. Besonders bevorzugt erfolgt die Metallisierung durch stromloses Galvanisieren.
Leitende Strukturen tragende Formteile können beispielsweise in der Elektro- und Elektronikindustrie verwendete Bauteile sein, aber auch andere beliebig geformte große oder kleine Kunststoffteile, die an bestimmten Stellen mit leitenden Elementen versehen sind.
Das erfindungsgemäß hergestellte Formteil kann auch Bestandteil eines Verbundkörpers mit anderen Materialien sein.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann bei zahlreichen Bauteilen auf aufwendige Kabelbäume und Kontaktierung mit Steckverbindern verzichtet werden, wenn die Leiterstrukturen oder Leiterstrukturen tragende Bauteile in das Kunststofformteil eingebettet oder aufgeschweißt werden. Ebenso können die hohen Kosten und der hohe apparative Aufwand beim Heißprägen von Leiterbahnen mit dem vorliegenden Verfahren verringert werden.
Das mit Leiterbahnen zu versehende Formteil kann aus einem beliebigen Kunststoff, vorzugsweise einem thermoplastischen Kunststoff hergestellt sein.
Leitende Strukturen tragende Formteile können beispielsweise in der Elektro- und Elektronikindustrie verwendete Bauteile sein, aber auch andere beliebig geformte große oder kleine Kunststoffteile, die an bestimmten Stellen mit leitenden Elementen versehen sind.
Das erfindungsgemäß hergestellte Formteil kann auch Bestandteil eines Verbundkörpers mit anderen Materialien sein.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann bei zahlreichen Bauteilen auf aufwendige Kabelbäume und Kontaktierung mit Steckverbindern verzichtet werden, wenn die Leiterstrukturen oder Leiterstrukturen tragende Bauteile in das Kunststofformteil eingebettet oder aufgeschweißt werden. Ebenso können die hohen Kosten und der hohe apparative Aufwand beim Heißprägen von Leiterbahnen mit dem vorliegenden Verfahren verringert werden.
Das mit Leiterbahnen zu versehende Formteil kann aus einem beliebigen Kunststoff, vorzugsweise einem thermoplastischen Kunststoff hergestellt sein.
Für das erfindungsgemäße Verfahren können prinzipiell alle thermoplastischen Kunststoffe eingesetzt werden.
Diese müssen - je nach Verfahrensvariante - die Laserstrahlung in ausreichendem Maße absorbieren oder für die Laserstrahlung in ausreichendem Maße transparent sein.
Als bevorzugte Beispiele seien hier Polyacetal-Homo- und/oder -Copolymere, Polyester, wie Polybutylenterephthalat oder dessen Copolymere, Polyamide, Polyolefine und Polyolefincopolymere, wie zum Beispiel Polyethylen und Polypropylen, genannt.
Diese Kunststoffe können auch die üblichen Hilfs-, Zusatz-, Füll- und Verstärkungsmittel enthalten, sofern dadurch das für das Laserschweißen erforderliche Eigenschaftsprofil nicht nennenswert beeinträchtigt wird. Auch homogene und heterogene Kunststoffmischungen können verwendet werden. Je nach Art des verwendeten Kunststoffs sind die Wellenlänge und die Intensität des eingestrahlten Laserlichts abzustimmen. Hiervon hängt insbesondere die erforderliche Einstrahldauer und somit die erreichbare Bearbeitungsgeschwindigkeit ab. Transparente Kunststoffe und solche ohne einen nennenswerten Anteil absorbierender Bestandteile müssen - je nach dem für das Laserschweißen geforderten Eigenschaftsprofil - mit Zusätzen, wie zum Beispiel mit Rußen, Füllstoffen oder Pigmenten vermischt sein, die für eine ausreichende Absorption des Laserlichtes sorgen.
Beispiele für transparente Kunststoffe sind Ethylen-Norbornen-Copolymere, Polystyrol, Polymethylmethacrylat und andere acrylatbasierende Kunststoffe.
Als Leiterbahn kann im einfachsten Fall ein Metalldraht dienen. Dieser kann als solcher, als isolierter Metalldraht, oder als Litzendraht vorliegen. Es können aber sogar vorgefertigte Schaltkreise verwendet werden.
Bezüglich des Materials ist keine besondere Einschränkung nötig. Die Leiterbahnen können im Prinzip aus jedem elektrisch leitfähigen Material hergestellt werden, wie zum Beispiel aus Metallen, elektrisch leitfähigen Kunststoffen oder aus Graphit.
Vorzugsweise besteht die Leiterbahn aus einem gut elektrisch leitfähigem Metall, wie zum Beispiel aus Kupfer.
Die Leiterbahn(en) kann (können) als solche mit der Kunststoffoberfläche des Formteils verbunden werden oder zusammen mit einem Formteil, daß diese Leiterbahn(en) als leitfähige Struktur auf der Oberfläche trägt.
Vorzugsweise ist diese leitfähige Struktur als Kunststofffolie ausgebildet und trägt auf mindestens einer Oberfläche die Leiterbahn(en). Dabei ist diese Kunststoffolie in Abhängigkeit von der gewählten Verfahrensvariante so auszuwählen, daß die Laserstrahlung absorbiert oder nicht absorbiert wird.
Als Formteil, mit dem die Leiterbahn(en) verbunden werden soll(en), kommen Bauteile in Betracht, die entweder bislang keine leitende Struktur aufweisen oder die bereits mit einer leitender Struktur versehen sind. Es kann sich hierbei zum Beispiel um eine herkömmliche, auch um eine bereits bestückte Platine handeln oder um eine mit Leiterbahnen versehene Kunststoffolie.
Als Laserquelle kommen im allgemeinen die auch beim Laserschweißen verwendeten Lasertypen, wie Kohlendioxidlaser, Diodenlaser und ND:YAG (Neodym-Yttrium-Aluminium-Granat)-Laser zum Einsatz.
Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft das Einbetten der Leitbahn(en) oder der die Leiterbahn(en) tragenden Bauteile in die mit Leiterbahnen zu versehende Kunststoffoberfläche. Bei dieser Variante wird die mit Leiterbahnen zu versehende Kunststoffoberfläche mit Laserstrahlung lokal erhitzt und die leitende Struktur oder das eine leitende Struktur tragende Bauteil in die Kunststoffoberfläche eingepreßt.
Alternativ kann auch die Leitbahn oder das die Leiterbahn(en) tragende Bauteil mit dem Laser erhitzt und anschließend in die Kunststoffoberfläche eingepreßt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich in vielen industriellen Bereichen einsetzen. Beispielsweise in der Automobilindustrie zur Herstellung von Ausrüstungsgegenständen, wie Instrumentenclustern, Türschlössern oder Motorsteuerungen; oder in der Elektronikindustrie zur Fertigung von Platinen, beispielsweise für die Herstellung von Telekommunikationseinrichtungen, Computern oder HiFi-Geräten.
Die Fig. 1 und 2 erläutern das Verfahren.
In Fig. 1 ist eine Verfahrensvariante dargestellt, bei der eine Leiterbahn auf eine vorher partiell erhitzte Kunststoffoberfläche aufgebracht wird.
In Fig. 2 ist eine Verfahrensvariante dargestellt, bei der eine auf einer Kunststofffolie befindliche Leiterbahnenstruktur mittels Laserdurchstrahlverschweißen mit einer Kunststoffoberfläche verbunden wird.
Die in Fig. 1 dargestellte Laserquelle (L) erhitzt lokal das mit einer Leiterbahn zu versehende Kunststofformteil (B). Eine Leiterbahn (D) wird durch Verwendung einer geeigneten Vorrichtung, wie z. B. einer Andruckrolle oder Andruckwalze (C) in die lokal erhitzte Kunststoffoberfläche eingepreßt.
Bevorzugt wird als leitende Struktur ein Metalldraht oder eine Leiterstruktur bzw. Schaltkreis aus Metall verwandt. Besonders bevorzugt besteht die leitende Struktur aus einem Draht oder einer Leiterstruktur aus Kupfer.
In der in Fig. 2 dargestellten Verfahrensvariante wird ein Bauteil, welches eine leitende Struktur trägt, durch Laserschweißen auf einem mit Leiterbahnen zu versehenden Kunststofformteil befestigt. Bevorzugt besteht das eine leitende Struktur tragende Bauteil aus einer mit Leiterbahnen beschichteten Kunststoffolie (F). Diese wird mittels Laserdurchstrahlverschweißen auf dem mit Leiterbahnen zu versehenden Kunststofformteil (B) festgeschweißt. Hierbei wird, wie in Fig. 2. Illustriert, eine mit einer Leiterbahnstruktur (D) versehene Folie (F) mit einem von der Laserquelle (L) erzeugten Laserstrahl durchstrahlt und die darunterliegende Oberfläche des mit einer Leiterbahn zu versehenden Kunstofformteils (B) lokal erwärmt und so die Folie (F) festgeschweißt.

Claims

1. Verfahren zum Verbinden von Leiterbahnen mit einer Kunststoffoberfläche eines Formteils umfassend die Schritte:

a) Vorlage eines Laserstrahlung einer vorgegebenen Wellenlänge absorbierenden Formteils mit mindestens einer Kunststoffoberfläche,

b) Bestrahlung derjenigen Teile der -Kunststoffoberfläche, mit denen die Leiterbahn(en) verbunden werden soll(en), mit Laserstrahlung einer Wellenlänge, die durch das Formteil absorbiert wird, und

c) Kontaktieren der Leiterbahn oder der Leiterbahnen mit denjenigen Stellen der Kunststoffoberfläche, die durch die Laserstrahlung erhitzt worden sind.

2. Verfahren zum Verbinden von Leiterbahnen mit einer Kunststoffoberfläche eines Formteils umfassend die Schritte:

b) Kontaktieren einer mit der Leiterbahn oder den Leiterbahnen versehenen Folie aus Kunststoff, der für die Laserstrahlung der vorgegebenen Wellenlänge transparent ist, mit der Kunststoffoberfläche des Formteils

c) Bestrahlung der Kunststofffolie enthaltend die Leiterbahn(en) mit Laserstrahlung einer Wellenlänge, die durch das Formteil absorbiert wird, so daß die Kunststoffoberfläche durch die Laserstrahlung erhitzt wird und sich mit der Kuststofffolie verbindet.

3. Verfahren zum Verbinden von Leiterbahnen mit einer Kunststoffoberfläche eines Formteils umfassend die Schritte:

a) Vorlage eines Laserstrahlung einer vorgegebenen Wellenlänge nicht absorbierenden Formteils mit mindestens einer Kunststoffoberfläche,

b) Kontaktieren der Leiterbahn oder der Leiterbahnen mit denjenigen Stellen der Kunststoffoberfläche, mit denen die Leiterbahn(en) verbunden werden sollen, und

c) Bestrahlung des Kunststoffformteils mit Laserstrahlung einer Wellenlänge, welche von dem Formteil im wesentlichen nicht absorbiert wird, von der der Kunststoffoberfläche gegenüberliegenden Seite, wobei die Laserstrahlung von der (den) Leiterbahn(en) absorbiert wird und die entstehende Wärme die Leiterbahn(en) mit der Kunststoffoberfläche verbindet.

4. Verfahren zum Verbinden von Leiterbahnen mit einer Kunststoffoberfläche eines Formteils umfassend die Schritte:

b) Kontaktieren einer mit der Leiterbahn oder den Leiterbahnen versehenen Folie aus Kunststoff, der die Laserstrahlung der vorgegebenen Wellenlänge absorbiert, mit der Kunststoffoberfläche des Formteils

c) Bestrahlung der Kunststofffolie enthaltend die Leiterbahn(en) mit Laserstrahlung einer Wellenlänge, die durch die Kunststofffolie absorbiert wird, so daß die Kunststofffolie durch die Laserstrahlung erhitzt wird und sich mit der Kunststoffoberfläche des Formteils verbindet.

5. Verfahren zum Erzeugen von Leiterbahnen auf der Kunststoffoberfläche eines Formteils umfassend die Schritte:

a) Vorlage eines Laserstrahlung einer vorgegebenen Wellenlänge absorbierenden Formteils mit mindestens einer Kunststoffoberfläche, die zumindest in den oberflächennahen Bereichen einen die Metallisierung fördernden Füllstoff aufweist, der vorzugsweise ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus anorganischen Füllstoffen, insbesondere anorganischen Carbonaten und anorganischen Phosphorverbindungen,

b) Bestrahlung derjenigen Teile der Kunststoffoberfläche, an denen Leiterbahnen erzeugt werden sollen, mit Laserstrahlung einer Wellenlänge, die durch das Formteil absorbiert wird, um eine Aktivierung des die Metallisierung fördernden Füllstoffes zu bewirken, und

c) Metallisierung des Formteils in an sich bekannter Weise.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn, die mit der Kunststoffoberfläche des Formteils verbunden werden soll, auf einer Kunststofffolie aufgebracht ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn, die mit der Kunststoffoberfläche des Formteils verbunden werden soll, ein Metalldraht und/oder ein vorgefertigter Schaltkreis ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Metalldraht ein abisolierter Metalldraht und/oder ein isolierter Metalldraht und/oder ein Litzendraht ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil aus mindestens einem thermoplastischen Kunststoff besteht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoplastische Kunststoff ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Polyacetal-Homo- und/oder -Copolymeren, Polyestern, Polyamiden, Polyolefinen, Polyolefincopolymeren und deren Gemischen.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Laserquelle (L) lokal ein mit einer Leiterbahn zu versehendes Kunststofformteil (B) erhitzt wird, und eine Leiterbahn (D) mittels einer Andruckrolle oder Andruckwalze (C) in die lokal erhitzte Kunststoffoberfläche eingepreßt wird.