DE102005031377A1 - Kunststoffbauteil mit einer oberflächlich aufgebrachten Metallschicht zum in einem thermischen Befestigungsverfahren, insbesondere einem Lötverfahren erfolgenden elektrischen Kontaktieren von elektrischen Bauelementen - Google Patents

Kunststoffbauteil mit einer oberflächlich aufgebrachten Metallschicht zum in einem thermischen Befestigungsverfahren, insbesondere einem Lötverfahren erfolgenden elektrischen Kontaktieren von elektrischen Bauelementen Download PDF

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DE102005031377A1
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Stefan Glöde
Jürgen Hagen
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Abstract

Kunststoffbauteil mit einer oberflächlich aufgebrachten Metallschicht zum in einem Lötverfahren erfolgenden elektrischen Kontaktieren von elektrischen Bauelementen, wobei auf den Bauteilgrundkörper (2) aus einem thermoplastischen Kunststoff zumindest im Bereich des oder der Kontaktierungspunkte eine Schicht (4, 10) aus einem duroplastischen Kunststoff oder aus einem hochwarmfesten thermoplastischen Kunststoff aufgebracht ist, der auf die Metallschicht (6, 11) aufgebracht ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kunststoffbauteil mit einer oberflächlich aufgebrachten Metallschicht zum in einem thermischen Befestigungsverfahren, insbesondere einem Lötverfahren erfolgenden elektrischen Kontaktieren von elektrischen Bauelementen.
  • In unterschiedlichen Anwendungsfällen ist es mitunter erforderlich, auf ein mit einer oberflächlich aufgebrachten Metallschicht versehenes Kunststoffbauteil ein oder mehrere weitere elektrische Bauelemente aufzubringen und über die Metallschicht mit weiteren damit verbundenen Bauelementen zu kontaktieren. Diese elektrische Kontaktierung erfolgt in der Regel in einem Lötverfahren, das heißt, die mit der Metallschicht zu verbindenden Bauteile werden entweder manuell oder automatisch thermisch aufgelötet. Ein Anwendungsbeispiel hierfür ist ein Gehäusebauteil einer Mantelwellensperre für eine Magnetresonanzanlage, wobei das Gehäusebauteil aus Kunststoff besteht und in seinem Inneren diverse Bauelemente angeordnet sind, die mit der an einer äußeren Gehäusebauteilseite befindlichen Oberflächenmetallisierung kontaktiert sind, und die über diese Metallisierung mit den oberflächlich aufzulötenden Bauelementen kontaktiert werden.
  • Beim Löten wirken kurzzeitig Temperaturen um ca. 300° auf die oberflächliche Metallisierung und auch auf das Kunststoffbauteil selbst ein. Diese wenngleich kurze aber hohe Temperaturbeanspruchung führt jedoch in der Regel dazu, dass der Polymerwerkstoff geschädigt wird. Üblicherweise werden thermoplastische Polymere zur Bildung solcher Kunststoffbauteile verwendet, die bei der Temperaturbeaufschlagung im Grenztem peraturbereich erweichen. Diese lokale Erweichung führt zumeist zu einer Verschlechterung der Haftung der Oberflächenmetallisierung bis hin zu einem Ablösen derselben. Dies führt dazu, dass zwangsläufig auch der elektrische Kontakt des angelöteten Bauelements entweder überhaupt nicht oder nur minderwertig zustande kommt.
  • Um ein Ablösen zu verhindern bzw. um eine gute Haftfestigkeit der Oberflächenmetallisierung mit dem Kunststoffwerkstoff zu erzielen, werden in solchen Fällen hochwarmfeste Kunststoffe verwendet, die jedoch formtechnisch einen relativ hohen Aufwand erfordern, darüber hinaus sind derartige Spezialkunststoffe mit hohen Materialkosten verbunden.
    •
  • Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Kunststoffbauteil anzugeben, das in seiner Herstellung einfach und kostengünstig ist und gleichzeitig ein unproblematisches elektrisches Kontaktieren zusätzlicher Bauelemente durch thermische Kontaktierungsverfahren wie eben Lötverfahren ermöglichen.
  • Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Kunststoffbauteil der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass auf den Bauteilgrundkörper aus einem thermoplastischen Kunststoff zumindest im Bereich des oder der Kontaktierungspunkte eine Schicht aus einem duroplastischen Kunststoff oder aus einem hochwarmfesten thermoplastischen Kunststoff aufgebracht ist, auf der die Metallschicht aufgebracht ist.
  • Das erfindungsgemäße Kunststoffbauteil weist einen Bauteilgrundkörper aus einem einfach zu verarbeitenden, von den Materialkosten her gesehen günstigen handelsüblichen thermoplastischen Kunststoff auf, auf den aber zum Schutz einer unzulässig hohen thermischen Belastung während des Anlötens der zu kontaktierenden Bauelemente oberflächlich eine "Wärmefalle" in Form einer Schicht aus einem duroplastischen Kunststoff oder aus einem hochwarmfesten thermoplastischen Kunst stoff angebracht ist, auf der dann die der Kontaktierung dienende Metallschicht aufgebracht ist. Der duroplastische Kunststoff oder der hochwarmfeste thermoplastische Kunststoff wird durch die erhöhte Temperatur beim Löten nicht geschädigt. Die Temperaturdurchdringung auf den Substratwerkstoff, also den handelsüblichen thermoplastischen Kunststoff wird verlangsamt, es findet nur eine geringe Erwärmung des Substratwerkstoffs statt, der in keinem Fall zu einer Beschädigung führt. Die elektrische Kontaktierung kann ohne Schädigung des Substratwerkstoffs durchgeführt und abgeschlossen werden.
  • Das erfindungsgemäße Kunststoffbauteil lässt folglich die Verwendung von einfach zu verarbeitendem, kostengünstigem thermoplastischen Kunststoff zu bei gleichzeitiger Möglichkeit einer sicheren Kontaktierung zusätzlicher elektrischer Bauelemente, da über die aufgebrachte zusätzliche Kunststoffschicht, die bevorzugt sehr dünn mit einer Dicke von 5–75 μm, insbesondere ≤ 50 μm aufgebracht wird, eine thermische Beeinträchtigung des Basiswerkstoffs vorteilhaft vermieden wird. Die dem Wärmeschutz dienende Schicht kann dabei groß- oder ganzflächig auf die Oberfläche des Bauteilgrundkörpers aufgebracht werden, es ist aber auch möglich, sie nur selektiv dort aufzubringen, wo eine Metallschicht erforderlich ist, wo also ein Bauelement zu positionieren ist.
  • Als duroplastischer Kunststoff, der als oben beschriebene erste Ausführungsform zur Bildung der thermischen Sperrschicht verwendet werden kann, wird bevorzugt ein ausgehärtetes Harz oder ein entsprechendes Harzsystem verwendet, wobei hierfür ein Epoxydharz, ein Acrylharz oder ein Phenolharz geeignet ist. Alle diese Harze weisen eine geringe thermische Leitfähigkeit auf, so dass eine Schädigung des darunter liegenden, den Grundkörper bildenden Thermoplasten ausgeschlossen ist bzw. nur bei einer extrem langen und extrem intensiven Temperaturexposition zu erwarten wäre, was aber bei der nur wenige Sekunden dauernden Kontaktierung elektrischer Bau elemente nicht der Fall ist. Die genannten Harze können ohne weiteres in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt metallisiert werden, wobei zur Metallisierung unterschiedlichste Techniken zum Einsatz kommen können. Exemplarisch sind die "klassischen" Kunststoffmetallisierungsverfahren sowie Primertechniken im Bereich nasschemischer Systeme zu nennen, also die bekannten chemischen oder galvanischen Metallbeschichtungsverfahren. Denkbar ist aber auch die Metallisierung durch PVD-Techniken, also physikalische Verfahren zur Metallisierung.
  • Die jeweilige Harzschicht kann auf den Bauteilgrundkörper ebenfalls in unterschiedlichsten Beschichtungsverfahren wie beispielsweise durch Siebdruck, Roller Coating oder Sprühen aufgebracht werden. Letztlich hängt die Art und Weise der Beschichtung von dem verwendeten Werkstoff und der Bauteilgeometrie ab.
  • Alternativ zur Verwendung duroplastischer Kunststoffe oder Kunststoffsysteme kann erfindungsgemäß wie beschrieben auch ein hochwarmfester thermoplastischer Kunststoff in einer dünnen Schicht aufgebracht werden. Als hochwarmfeste Kunststoffe können beispielsweise PPS (Poly(Phenylensulfid)), PPA (Polyphatamid), PES (Polyethersulfon), PEEK (Polyetheretherketon), PEI (Polyetherimid), PSU (Polysulfon) oder LCP (Liquid-Crystal-Polymer) verwendet werden. All diese Kunststoffe sind auch im Bereich hoher Temperaturen stabil, halten also den beim Auflöten herrschenden Temperaturen von ca. 300° C ohne weiteres Stand. Auch ein Einsatz neuer bleifreier Lötsysteme wie Sn-Ag oder Sn-Cu-Ni, die ebenfalls eine hohe Löttemperatur infolge einer Verschiebung des eutektischen Punkts auf Temperaturen von ca. 220° C erfordern, können ohne weiteres eingesetzt werden. Die Metallisierung der beschriebenen hochwarmfesten thermoplastischen Kunststoffe kann ebenfalls in einem beliebigen der oben beschriebenen chemischen, galvanischen oder physikalischen Beschichtungsverfahren erfolgen.
  • Während die duroplastischen Kunststoffe im Falle der Verwendung der beschriebenen Harzsysteme in flüssigem Zustand aufgebracht werden, bietet sich im Falle der Verwendung hochwarmfester thermoplastischer Kunststoffe an, diese in Form einer Folie aufzubringen. Diese Folienbeschichtung kann ebenfalls in beliebiger Weise beispielsweise durch Laminieren oder Kleben erfolgen. Derartige Folien sind als Standardfolie bereits weit verbreitet verfügbar.
  • Sofern zweckmäßig können den duroplastischen oder hochwarmfesten thermoplastischen Kunststoffschichten auch ein oder mehrere Additive, insbesondere zur Erhöhung der Entflammbarkeitssicherheit, und/oder ein oder mehrere Füllstoffe zugegeben sein. Der Einsatz etwaiger Additive oder Füllstoffe ist insbesondere im Falle der Harzsysteme ohne weiteres möglich, da dies erst unmittelbar vor dem Aufbringen einsatzfertig gemacht werden.
  • Als Additiv kann beispielsweise TBBA (Tetrabrombiphenol A) zur Erhöhung der Entflammbarkeitsklasse zugegeben werden. Auch die Zugabe metallischer Partikel wie Palladium, Kupfer oder Eisen ist von Vorteil, nachdem in diesem Fall zur nachfolgenden Metallisierung kein spezieller Primer mehr vonnöten ist. Als Füllstoff kann beispielsweise Glasmehl zur Einstellung bestimmter physikalischer, chemischer oder mechanischer Eigenschaften verwendet werden.
  • Wie beschrieben ist es ausreichend, die Kunststoffschicht dünn mit einer Dicke von 5–75 μm, bevorzugt ≤ 50 μm aufzubringen. Im Hinblick auf die sehr kurze Dauer der thermischen Beaufschlagung reichen solche Schichtdicken aus, einen allzu starken Wärmetransport zum darunter liegenden thermoplastischen Material zu verhindern.
  • Wie beschrieben kann das Kunststoffbauteil beispielsweise ein Gehäusebauteil, insbesondere ein Gehäusebauteil einer Mantelwellensperre für eine Magnetresonanzanlage sein. Selbstver ständlich ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Vielmehr kann es sich bei dem Kunststoffbauteil um jedwedes beliebig geformte oder zu unterschiedlichsten Einsatzzwecken vorzusehende Kunststoffbauteil handeln.
    •
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung.
  • In der einzigen Figur ist eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Kunststoffbauteils 1 gezeigt, bei dem es sich beispielsweise um ein Gehäusebauteil einer Mantelwellensperre für eine Magnetresonanzanlage handelt. Das Kunststoffbauteil besteht aus einem Bauteilgrundkörper 2, beispielsweise einem an seiner Oberseite 3 ebenflächigen Gehäuseabschlussdeckel. Der Bauteilgrundkörper 2 besteht aus einem handelsüblichen thermoplastischen Werkstoff beliebiger Art.
  • Um zusätzliche elektrische Bauelemente, die in der Figur nicht im Detail gezeigt sind, mit im Inneren des Gehäuses oder dergleichen befindlichen, ebenfalls nicht näher dargestellten elektrischen Bauelementen kontaktieren zu können, ist es mitunter erforderlich, diese außenseitig im Bereich der Oberfläche 3 anzuordnen und elektrisch mit einer Oberflächenmetallisierung zu kontaktieren. Dies erfolgt im Wege eines Lötverfahrens. Um dies ohne thermische Beeinflussung des Bauteilgrundkörpers vornehmen zu können, wird erfindungsgemäß zunächst auf die Oberseite 3 des Bauteilgrundkörpers 2 eine thermische Sperrschicht in Form einer Kunststoffschicht, die gegenüber hohen thermischen Belastungen resistent ist, aufgebracht.
  • In der Figur links stehend ist als thermische Sperrschicht eine Kunststoffschicht 4 unter Verwendung eines hochwarmfesten thermoplastischen Kunststoffs 1 aufgebracht. Bei einem solchen hochwarmfesten Kunststoff kann es sich beispielsweise um PPS (teilkristallin), PPA (teilkristallin), PEI (amorph), PES (amorph), PSU (amorph), PEEK (teilkristallin) oder LCP (Flüssigkristallpolymer) handeln. Bevorzugt wird das jeweilige Polymer in Form einer Kunststofffolie aufgebracht. Die Befestigung erfolgt im gezeigten Ausführungsbeispiel unter Verwendung eines Klebers 5. Wie die Figur zeigt, wird die hochwarmfeste Kunststoffschicht 4 nur lokal auf der Oberfläche 3 in dem Bereich, wo ein Bauelement zu kontaktieren ist, aufgebracht, das heißt, die Positionierung erfolgt selektiv im Hinblick auf das Kontaktierungsschema nachfolgend anzubringender Bauelemente.
  • Um ein solches kontaktieren zu können, ist auf der hochwarmfesten thermoplastischen Kunststoffschicht 4 (gegebenenfalls nach vorherigem Auftrag eines Primers) eine Metallisierung 6 aufgebracht, beispielsweise eine in einem beliebigen Abscheidungsverfahren aufgebrachte Kupferschicht. Diese ist auf der Bauteiloberseite 3 zu einem entsprechenden Verbindungspunkt zu einem weiteren, z.B. im Inneren angeordneten Bauelement oder dergleichen, mit dem das über die Metallisierung 6 kontaktierte Bauelement in elektrischen Kontakt zu bringen ist, geführt, was nicht näher gezeigt ist. Auf die Metallisierung 6 ist im gezeigten Beispiel ein Bauelement 7, von dem nur sein Kontaktbein 8 gezeigt ist, über eine Lötverbindung 9 aufgelötet.
  • Beim in der Regel nur wenige Sekunden dauernden Auflöten entstehen hohe Temperaturen bis hin zu 300° C oder mehr. Diese hohen Temperaturen werden infolge der Zwischenschaltung der hochwarmfesten Kunststoffschicht nicht oder nur zu einem geringen Anteil auf den thermoplastischen Polymerwerkstoff des Bauteilgrundkörpers 2 übertragen, das heißt, dieser erwärmt sich im Bereich unterhalb der Kontaktierungsstelle nur gering und nur in einem Maß, das Schädigungen des Polymerwerkstoffs in jedem Fall ausschließt. Die hochwarmfeste Kunststoffschicht 4 hingegen ist ohne weiteres in der Lage, den kurzzeitig herrschenden hohen Temperaturen Stand zu halten. Sie nimmt selbst den größten Teil der thermischen Energie auf und gibt nur wenig davon an den Bauteilgrundkörper weiter.
  • In der Figur rechts stehend ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform unter Verwendung eines Harzes zur Bildung der thermisch sperrenden Kunststoffschicht 10 dargestellt. Bei dem Harz handelt es sich beispielsweise um ein Epoxyd- oder Phenolharz. Die Vernetzungsreaktionen im Rahmen des jeweiligen Aushärtevorgangs sind hinlänglich bekannt, die erhaltenen Schichten weisen eine hohe thermische Stabilität und geringe thermische Leitfähigkeit auf. Die Aufbringung erfolgt beispielsweise durch Drucken oder Sprühen, was im Hinblick darauf, dass das Harz zunächst flüssig ist, ohne weiteres möglich ist. Nach dem Aushärten wird auch hier, gegebenenfalls nach vorherigem Auftrag eines Primers, eine Metallisierung 11 aufgebracht, wobei auch hier keinerlei Beschränkungen hinsichtlich des Beschichtungsverfahrens gegeben sind. Ein Bauelement 12, von dem hier nur sein Kontaktbein 13 dargestellt ist, wird auch hier über eine Lötverbindung 14 elektrisch mit der Metallisierung kontaktiert. Auch hier erfolgt keine nennenswerte Erwärmung des Werkstoff des Bauteilgrundkörpers.
  • Zur Verbesserung oder Einstellung physikalischer, chemischer oder mechanischer Eigenschaften ist es möglich, dem jeweils verwendeten Harz Additive beispielsweise zur Verbesserung der Flammbarkeitsklasse zuzugeben, vornehmlich TBBA. Auch das Beimengen metallischer Partikel in das Harz ist zweckmäßig, da hierüber ohne Verwendung von speziellen Primern zur Vorbehandlung der ausgehärteten Harzoberfläche die Metallisierung 11 direkt aufmetallisiert werden kann. Als Füllstoff kann beispielsweise Glasmehl beigefügt werden. Entsprechende Additive/Füllstoffe sind in der Figur mit dem Bezugszeichen 15 (Additive) bzw. 16 (Füllstoffe) gekennzeichnet. Auch hier ist lediglich eine lokal begrenzte Fläche mit dem Epoxyddharz belegt. Alternativ besteht natürlich die Möglichkeit, jeweils die gesamte Oberseite 3 mit der thermischen Sperrschicht zu belegen.
  • Die Dicke der jeweiligen Kunststoffschicht 4 bzw. 10 sollte bevorzugt < 50 μm sein. Dies hat auch den Vorteil, dass stets der thermoplastische Gesamtcharakter des Bauteils erhalten bleibt, was im Hinblick auf Recyclingmaßnahmen von Vorteil ist. Auch sind natürlich die im Zusammenhang mit der Erzeugung der thermischen Sperrschicht anfallenden Kosten vernachlässigbar.

Claims (9)

  1. Kunststoffbauteil mit einer oberflächlich aufgebrachten Metallschicht zum in einem thermischen Befestigungsverfahren, insbesondere einem Lötverfahren erfolgenden elektrischen Kontaktieren von elektrischen Bauelementen, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Bauteilgrundkörper (2) aus einem thermoplastischen Kunststoff zumindest im Bereich des oder der Kontaktierungspunkte eine Schicht (4, 10) aus einem duroplastischen Kunststoff oder aus einem hochwarmfesten thermoplastischen Kunststoff aufgebracht ist, auf der die Metallschicht (6, 11) aufgebracht ist.
  2. Kunststoffbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der duroplastische Kunststoff ein ausgehärtetes Harz ist.
  3. Kunststoffbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz ein Epoxydharz, ein Acrylharz oder ein Phenolharz ist.
  4. Kunststoffbauteil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzschicht durch Aufbringen des flüssigen Harzes durch Siebdruck, Roller Coating oder Sprühen erzeugt ist.
  5. Kunststoffbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hochwarmfeste thermoplastische Kunststoff PPS, PPA, PES, PEEK, PEI, PSU oder LCP ist.
  6. Kunststoffbauteil nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der hochwarmfeste thermoplastische Kunststoff in Form einer Folie aufgebracht ist.
  7. Kunststoffbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die duroplastische oder die hochwarmfeste thermoplastische Kunststoffschicht ein oder mehrere Additive (15), insbesondere zur Erhöhung der Entflammbarkeitssicherheit, und/oder einen oder mehrere Füllstoffe (16) enthält.
  8. Kunststoffbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht (4, 10) eine Dicke von 5–75 μm, insbesondere ≤ 50 μm aufweist.
  9. Kunststoffbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Gehäusebauteil, insbesondere ein Gehäusebauteil einer Mantelwellensperre für eine Magnetresonanzanlage ist.
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