DE102006003331A1 - Metallisierter Verbundwerkstoff - Google Patents

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Abstract

Mehrschichtenverbund aus einem Verbundwerkstoff und einer darauf außenstromlos aufgebrachten Metall- oder Metalldispersionsschicht, wobei
· der Verbundwerkstoff 10-70 Vol.-% eines oder mehrerer anorganischer Materialien und 30-90 Vol.-% eines oder mehrerer Polymere enthält oder ein hochtemperaturbeständiges Polymer umfasst,
· die Oberfläche des Verbundwerkstoffs in Gegenwart von Sauerstoff plasmamodifiziert ist und
· auf der plasmamodifizierten Oberfläche des Substrats eine stromlos aufgebrachte Metall-, Metalllegierungs-, Metalldispersions- oder Metalllegierungsdispersionsschicht abgeschieden ist,
ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrschichtenverbund aus einem Verbundwerkstoff und einer darauf aufgebrachten außenstromlos aufgebrachten Metallschicht, ein Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung.
  • Die außenstromlose Metallisierung von Kunststoffen an ihrer Oberfläche für dekorative Zwecke aber auch für funktionelle Zwecke ist seit langem bekannt.
  • Dabei hat sich herausgestellt, dass aufgrund der stark unterschiedlichen Eigenschaften der Kunststoffe einerseits und der aufzubringenden Metallschicht andererseits eine nur geringe Haftung der Metallisierung erzielt werden kann. Zur Haftungsverbesserung sind zahlreiche Vorgehensweisen entwickelt worden, um die positiven Effekte der metallisierten Kunststoffe wie zum Beispiel Gewichtsreduktion bei gleichbleibender Festigkeit und eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit für die Bauteile zu erreichen. So werden unter anderem Haftvermittler eingesetzt oder die Kunststoffoberflächen werden mit nasschemischen Methoden vorbehandelt.
  • Haftvermittler (Primer) sind Substanzen, die die Haftung zwischen zwei Phasen, z.B. einem Substrat und einer Beschichtung, verbessern. Die Wirkung von Haftvermittlern beruht darauf, dass diese mit beiden Phasen ausreichend starke unpolare, polare oder kovalente Bindungen aufbauen, die stärker sind als die Bindungen der beiden Phasen untereinander. Die Anwendung von Primern in Kombination mit einem Plasma-Reinigungs- bzw. Plasma-Aktivierungs-Verfahren bietet optimale Möglichkeiten zur Verbindung zweier Phasen, insbesondere zur dauerhaften Aktivierung einer Oberfläche.
  • Auch durch die Oberflächenbehandlung von Kunststoffen (Polymere, Duroplaste, Thermoplaste, Elastomere, thermoplastische Elastomere, Silikon, Kautschuk, Gummi) mit Hilfe von Niederdruckplasmen lässt sich die Adhäsion von Flüssigkeiten, Lösungsmitteln und Klebstoffen auf der Oberfläche dieser Materialien deutlich verbessern. Der Plasmaeinfluss erzeugt haftfestere Oberflächen, so dass ohne Haftvermittler eine Haftverbesserung eintritt.
  • Eine Oberfläche wir durch den Ionenbeschuss physikalisch und je nach Gasart, auch durch chemische Reaktionen gereinigt. Die Verschmutzung wird in die Gasphase umgesetzt und abgesaugt (Plasmareinigung).
  • Als Ätzeffekt (chemisches und physikalisches Ätzen) bezeichnet man die Tatsache, dass bei der Plasmareinigung die Oberfläche des behandelten Werkstückes abgetragen wird. Verunreinigungen und Kontaminationen an der Oberfläche werden somit entfernt. Dieses Plasmaätzen ist jedoch nur an der äußersten Randschicht (einige Atomlagen) wirksam. Bei längerer Behandlungsdauer kann auch ein größerer Teil der Randschicht sukzessive abgetragen werden. Plasmen können in vielen Fällen das nasschemische Ätzen ersetzen, Plasmaanlagen können somit als Ätzer eingesetzt werden. Bei Anwendung zusammen mit einer Ätzmaske kann die Ätzung auch zur (Mikro-)Strukturierung von Oberflächen führen.
  • In den meisten Fällen ist die Plasmabehandlung eine Vorbehandlung für Nachfolgeprozesse wie Lackieren, Kleben, Löten usw.
  • Aus dem Artikel „Adhesion Promotion of Metals Electrolessly Deposited on Inorganic Materials" von E. Touchais-Papet et al., Proceedings of the 22nd Annual Meeting of the Adhesion Society, S. 48–51 (1999) ist bekannt, Glas oder Kohlenstoff in verschiedenen Formen, beispielsweise in Faserform durch eine spezielle Plasmabehandlung zu modifizieren. Die Plasmamodifizierung der Glasoberfächen erfolgt unter Verwendung von Methan und Ammoniak, wodurch auf der Glasoberfläche ein amorpher hydrierter Kohlenstofffilm abgeschieden wird. Anschließend werden diese speziellen Oberflächen mit Palladium aktiviert und nach bekannten Verfahren stromlos mit einer Nickel/Phosphor-Legierung beschichtet. Die erzielten Beschichtungen weisen eine Haftfestigkeit von höchstens 4 N/mm2 auf.
  • Die folgenden wissenschaftlichen Veröffentlichungen berichten ebenfalls über die Durchführung von Aktivierungsversuchen mit Hilfe einer Plasmabehandlung für spezielle Kunststoffmaterialien und zeigen deren Ergebnisse:
    Obgleich in der Veröffentlichung "Interest of NH3 and N2 Plasmas for Polymers Surface Treatment Before Electroless Metallization", Plasmas and Polymers, Vol. 1, No. 2, 1996, Seiten 113–126, M. ALAMI, M. CHARBONNIER, and M. ROMAND vorgeschlagen wird, eine Plasmabehandlung wie beschrieben auch für andere Polymere einzusetzen, bleiben die praktischen Beispiele doch auf die amorphen Polystryrole, Polycarbonate und Polyamide beschränkt. Gerade diese Polymere sind beispielsweise für die Elektronikindustrie aber von geringem Interesse, da sie keine ausreichende Temperaturbeständigkeit und im Falle der Polyamide eine hohe Tendenz zur Wasseraufnahme (d.h. zum Quellen) zeigen.
  • Die Dokumente "Plasma Chemical Modification of Polycarbonate Surfaces for Electroless Plating", J. Adhesion, Vol. 57, Pages 77–90, M. ALAMI, M. CHARBONNIER, and M. ROMAND; "Surface plasma functionalization of polycarbonate: Application to electroless nickel and copper plating" M. Charbonnier, M. Romand, E. Harry, M. Alami; Journal of applied electrochemistry, January 2001, Volume 31, No. 1, Seiten 57–63; "Electroless Plating of polymers: XPS study of the initiation mechanisms"; M. CHARBONNIER; M. ALAMI and M. ROMAND; Journal of applied electrochemistry, April 1998, Volume 28, No. 4, Seiten 449–453, beinhalten Untersuchungen über die Details und die Mechanismen der Plasmabehandlung von Polycarbonaten und deren nachfolgende außenstromlose Metallisierung. Diese Materialien haben aufgrund ihrer schlechten Eigenschaften hinsichtlich ihrer Wärmebeständigkeit, ihrer elektrischen Isolationswirkung, ihrer industriellen Verarbeitbarkeit und ihrer mechanischen Beanspruchbarkeit jedoch keine signifikante Anwendung auf den Gebieten der Elektronik und der funktionellen Bauteile erfahren.
  • Demgegenüber werden auf in der Elektronikindustrie für elektronische Schaltungen und Verbindungen Kunststoffe bevorzugt, die eine hohe Wärmestabilität zeigen, wie zum Beispiel semi-kristalline oder flüssig-kristalline Polymere, insbesondere Polyester, Polybutylterephthalat (PBT), Polyphenylensulfid (PPS) oder syndiotakische Polystyrole. Gerade diese Kunststoffe sind jedoch bekannt für ihre große Indifferenz gegenüber chemischen Behandlungen zur Vorbereitung auf eine anschließende Metallisierung. Diese Indifferenz ist noch gesteigert bei teilkristallinen Kunststoffen, so dass die Versuche zur Metallisierung dieser hochtemperaturbeständigen Materialien stark begrenzt waren.
  • So zeigen auch die Untersuchungen in "Plasma Treatment Process for Palladium Chemisorption onto Polymers before Electroless Deposition", Charbonnier, M.; Alami, M.; Romand, M., Journal of the Electrochemical Society, 1996, Vol. 143, no. 2, S. 472–480, für amorphes Polystyrol die gleichen Ergebnisse wie bereits zuvor für Polycarbonat beschreiben. Darüber hinaus berichten die Autoren für die Metallisierung dieses Werkstoffs, dass die maximal erreichbare Dicke der abgeschiedenen Metallschicht kleiner als 2 μm ist.
  • Ein Einsatz dieser metallisierten Kunststoffe in industriellem Umfeld ist vor diesem Hintergrund ausgeschlossen, da dort oftmals Metallschichten mit einer Dicke von 20 μm und mehr benötigt werden.
  • Des Weiteren zeigen die in den Veröffentlichungen vorgestellten Experimente zur Plasmaaktivierung von Kunststoffen übertragen auf die industriell einsetzbaren hochtemperatur beständigen Polymere bereits im Labormaßstab schlechte oder zumindest nicht reproduzierbare Ergebnisse. So ist der Einsatz von industriellen Elektrolyt-Bädern keine oder nur geringe Abscheidung auf die gemäß der vorgestellten Methode Plasma-vorbehandelten Polymere.
  • Zudem führt die Tatsache, dass die industriell eingesetzten Kunststoffe häufig mit Additiven wie Füllstoffen und (Glas-)Fasern versetzt sind, dazu, dass deren Indifferenz gegenüber den verschiedenen Aktivierungsmethoden noch zunimmt. Daraus lässt sich auch die geringe Übertragbarkeit der Untersuchungen und Versuche aus den angeführten wissenschaftlichen Artikeln erklären.
  • Aufgrund dieser Untersuchungen wurden weitere Anpassungen für die Vorbehandlung der Oberflächen von hochtemperaturbeständigen Kunststoffen vorgeschlagen.
  • Die WO-Veröffentlichungen WO 03/105548 A1 und WO 03/104526 A1 offenbaren ein Verfahren bzw. das daraus erhältliche Erzeugnis für die Elektronikindustrie, bei dem ein hochtemperaturbeständiges Polymer nach einer Plasmavorbehandlung mit einem stickstoffhaltigen Gas nach einer Palladiumaktivierung mit einer herkömmlichen stromlos abgeschiedenen Metallschicht überzogen wird. Das zur elektrochemischen Metallisierung notwendige Palladium wir über eine PdNx-Bindung an die Polymeroberfläche gebunden. Hierfür ist eine Plasmaaktivierung mit einem stickstoffhaltigen Gas zwingend notwendig, eine Plasmaaktivierung mit einem sauerstoffhaltigen Gas ist nicht offenbart.
  • Ein wesentliches Problem bei den so plasmaaktivierten Oberflächen ist die außenstromlose Metallabscheidung. Die resultierenden Beschichtungen weisen teilweise Stellen auf, an denen eine geringere außenstromlos abgeschiedene Metallschicht abgeschieden wurde. Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Unterschiede auf eine nicht homogene Verteilung bzw. zu geringe Palladiumbekeimung zurückzuführen ist. Daher eignet sich dieses Verfahren nicht für industriell in großer Stückzahl gefertigte Werkstücke, insbesondere nicht für Werkstücke mit großer Oberfläche, wie beispielsweise Walzen in der Druckindustrie.
  • Darüber hinaus ist es ohne weiteres nicht möglich, eine industriell eingeführtes Metallisierungsverfahren zu verwenden: Damit der Metallisierungsprozess zu einer optisch ansprechenden Beschichtung führt ist es notwendig, den Elektrolyten durch Zusatz von Additiven oder durch Verwendung von Metallblechen (z.B. Nickelbleche bei der stromlosen Verkupferung) speziell zu sensibilisieren. Dadurch wird aber die Stabilität des Bads herabgesetzt, was eine verkürzte Badlebensdauer der verwendeten Elektrolyte mit sich bringt. Zudem birgt dies so erhöhte Sensibilisierung die Gefahr, dass das Bad sich spontan zersetzt.
  • Des Weiteren weisen die resultierenden Metallschichten eine Haftfestigkeit im Allgemeinen zwischen 1 bis 2, maximal jedoch von 4 N/mm2 auf. Angesichts der gesteigerten Anforderungen beispielsweise in der Luft- und Raumfahrtindustrie, sind solche Haftfestigkeiten gerade für funktionelle Werkstücke unzureichend.
  • Die plasmageätzten Oberflächen wurden mit dem XPS-Meßverfahren untersucht, um die Änderung der chemischen Zusammensetzung an der Oberfläche zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Veränderung der Konzentration der chemischen Elemente an der Oberfläche.
  • Nach dem Plasmaätzen wurden eine Abnahme des Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalts und eine Zunahme des Stickstoffgehalts bei allen Matrices an der Oberfläche verzeichnet. Die Zunahme des Stickstoffgehalts an der Oberfläche ist – in Übereinstimmung mit den Ergebnissen von M. Charbonnier und A. Fares-Karam – durch den Einbau des aus dem Plasmagas stammenden Stickstoffs begründet.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Mehrschichtenverbunds mit einer außenstromlos abgeschiedenen Metallschicht auf einem Verbundwerkstoff, bei der die Metallschicht eine Haftfestigkeit von mehr als 8 N/mm2 aufweist, ohne dass die Oberfläche mechanisch oder nasschemisch verändert wird, ohne dass sich zwischen der Oberfläche des Verbundwerkstoffs und der metallische abgeschiedenen Schicht eine weitere Schicht befindet. Ferner soll der Mehrschichtenverbund die Eigenschaft aufweisen, dass die in der zu metallisierenden Zone außenstromlos abgeschiedene Metallschicht geschlossen ist.
  • Eine weitere Aufgabe ist ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mehrschichtenverbunds bereitzustellen, das auch im industriellen Maßstab hinsichtlich Abmessung und Menge der Erzeugnisse einen reproduzierbaren und stabilen Prozeß gewährleistet.
  • Die erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch einen Mehrschichtenverbund aus einem Verbundwerkstoff und einer darauf außenstromlos aufgebrachten Metall- oder Metalldispersionsschicht, wobei
    • • der Verbundwerkstoff 10–70 Vol.-% eines oder mehrerer anorganischen Materialien und 30–90 Vol.-% eines oder mehrerer Polymere enthält oder ein hochtemperaturbeständiges Polymer umfasst,
    • • die Oberfläche des Verbundwerkstoffs in Gegenwart von Sauerstoff plasmamodifiziert ist; und
    • • auf der plasmamodifizierten Oberfläche des Substrats eine stromlos aufgebrachte Metall-, Metalllegierungs-, Metalldispersions- oder Metalllegierungsdispersionsschicht abgeschieden ist.
  • Ein Verbundwerkstoff ist ein Konstruktionswerkstoff, der aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Materialien besteht, z.B. Fasern, Kunststoff, Metall, Keramik. In die Grundstruktur (Matrix) wird mindestens eine Komponente (z.B. Fasern) eingelagert. Dabei wird versucht, die unterschiedlichen Vorteile der einzelnen Werkstoffe im Endwerkstoff zu kombinieren und deren Nachteile auszuschließen.
  • Unter dem Begriff hochtemperaturbeständiges Polymer werden vorliegend solche Duroplasten verstanden, die eine Einsatztemperatur von größer 150°C aufweisen und Thermoplasten, die einen Schmelzpunkt größer als 150°C haben. Es sind solche Polymere bevorzugt, die erst bei einer Temperatur von größer 200°C schmelzen. Besonders bevorzugt werden PBT (Polybutylenterephthalat), LCP (liquid crystalline polymer), PPS (Polyphenylensulfid) und syndiotakische Polystyrole (SPS) eingesetzt.
  • Unter dem Oberbegriff Füllstoffe werden beispielsweise verstärkende und nicht verstärkende Füllstoffe, anorganische (Minerale und Kieselsäuren) und organische Füllstoffe und Ruß zusammengefasst.
  • Bevorzugte Beispiele für anorganisches oder organisches Material, das in einem Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung anzutreffen sein kann, sind Ruße, Aluminiumhydroxid(-hydrat), Aluminiumsilikat Kaolin, Antimontrioxid, Bariumsulfat, Calciumsilikat, Kieselsäure, Calciumsulfat Clays, Calciumcarbonat Kreide, Calciumoxid, Mg-Al-Silikat Talkum, Titandioxid, Bleioxide und Fasern.
  • Als Plasma wird in der Physik ein ionisiertes Gas bezeichnet. Unterschieden werden Hoch- und Niederdruckplasmen. Hochdruck- oder auch Hochtemperaturplasmen – bekannt beispielsweise vom Plasmaschweißen – erreichen Temperaturen von einigen tausend Grad. Bei der Oberflächenreinigung werden zur schonenden Behandlung von Werkstücken Niederdruckplasmen verwendet. Sie ermöglichen eine Behandlungstemperatur von unter 100°C. Die Oberflächenreinigung in Niederdruckplasma-Anlagen erfolgt bei einem Unterdruck von 0,1 bis 2 mbar. Die Vakuumkammer entsprechender Anlagen wird mit einem Prozeßgas befüllt. Hierzu werden Edelgase, fluorhaltige Gase und insbesondere Sauerstoff verwendet. Ein elektrisches Feld in Form hochfrequenter Spannungen im kHz-, MHz-(Radiofrequenz) oder GHz-Bereich (Mikrowelle) überträgt Energie in das System und beschleunigt freie Ladungsträger, die Gasteilchen durch Stoß ionisieren. Als Prozeßgas wird zumeist Sauerstoff (oxidative Prozesse) eingesetzt. Durch die Anregung entstehen so u.a. O2-Radikale, die in der Lage sind, Kohlenwasserstoffketten aufzubrechen und zu Kohlendioxid und Wasserdampf zu oxidieren. Auf dieser chemischen Reaktion beruht die Reinigungswirkung des Plasmas. Organische Verunreinigungen werden in flüchtige (gasförmige) Reaktionsprodukte umgewandelt. Neben Sauerstoff werden vorzugsweise Argon, Helium, Wasserstoff, Stickstoff und Tetrafluormethan als Prozeßgase verwendet.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Mehrschichtenverbund wird eine so ausgezeichnete Haftfestigkeit der metallischen Schicht auf der Oberfläche des Verbundwerkstoffs erzielt, dass nun auch funktionale und mechanisch beanspruchte Bauteile einen erfindungsgemäßen Mehrschichtenverbund aufweisen können.
  • Der beobachtete Sprung in der Haftung des erfindungsgemäßen Mehrschichtenverbundes gegenüber den bisher bekannten außenstromlos metallisierten Kunststoffmaterialien ist dabei so groß, dass nur ein überraschender synerigistischer Effekt für den starken Anstieg in der Haftung der Metallschicht verantwortlich sein kann.
  • Allerdings konnte bisher nicht geklärt werden, auf welchem Bindungseffekt diese überdurchschnittliche Steigerung zurückzuführen ist.
  • Zur Zeit werden daher weitere Untersuchungen und Analysen durchgeführt, um eine wissenschaftliche Erklärung für die beobachteten Eigenschaften herauszufinden.
  • In absoluten Zahlen ausgedrückt erreicht man für die von der Arbeitsgruppe Charbonnier vorgestellten Systeme der metallisierten amorphen Polymere eine Haftung von ca. 1–2 N/mm2, gemessen mit dem sogenannten Stirnzugversuch, der in der einschlägigen Fachliteratur gut beschreiben ist. Für einige der vorgestellten Metallisierungen wurden jedoch so geringe Haftfestigkeiten gefunden, dass die Metallschicht schon mit Klebeband wieder ablösbar ist (siehe Scotch®-Tape-Tests). Auch für die hochtemperaturbeständigen Systeme in den internationalen Patentanmeldungen WO 03/105548 A1 und WO 03/104526 A1 werden Haftfestigkeitswerte von größer 1 N/mm2 und größer 2 N/mm2 beschrieben.
  • Demgegenüber erreicht der erfindungsgemäße Mehrschichtenverbund Haftfestigkeiten von mehr als 8 N/mm2. Eine Ablösung der Metallschicht von dem Verbundwerkstoff ist nicht zu beobachten.
  • Wie oben bereits ausgeführt sind die dem überraschenden Anstieg in der Haftung der metallischen Schicht zugrunde liegenden Mechanismen noch nicht verstanden. Zum Einen liegen dem Plasmaaktivierungsprozess viele Parameter zugrunde, die miteinander in Wechselwirkung stehen. So konnte bereits festgestellt werden, dass der Energieeintrag in die zu aktivierenden und zu beschichtenden Teile während des Prozesses offensichtlich von Bedeutung ist. In dieser Hinsicht sind der Volumenstrom des Prozessgases, die Leistung des Plasmaofens und die Dauer der Behandlung von besonderer Bedeutung und müssen streng kontrolliert und aufeinander abgestimmt werden in Abhängigkeit von der Menge der zu behandelnden Teile.
  • Bezogen auf den Einsatz eines Plasmaofens des Typs „NANO" der Firma Diener mit einer Maximalleistung von 300 W haben sich folgende Parameter als besonders vorteilhaft herausgestellt: 1 Probenplättchen der Größe 60 × 40 × 2 mm aus einem mit 65 Gew.-% Mineralstoff gefüllten Kunststoff wird bei einem Arbeitsdruck an Sauerstoff-Prozessgas von 0,2 mbar 20 Minuten lang behandelt. Dabei erwärmt sich die Probe auf eine Temperatur über 60°C, bevorzugt über 75°C und insbesondere über 80°C. Bei dieser Anordnung zeigt sich, dass eine Verkürzung der Behandlungszeit zu verschlechterten Ergebnissen führt ebenso wie eine größere Änderung des Sauerstoffdruckes.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der Verbundwerkstoff 20–65 Vol.-% eines oder mehrerer anorganischen Materialien.
  • Das außenstromlos abgeschiedene Metall kann Kupfer, Nickel, Silber oder Gold sein.
  • Durch die Auswahl verschiedener Metalle, die in einem außenstromlosen Verfahren aufgebracht werden können, eröffnet sich eine sehr große Anwendungsbreite für den erfindungsgemäßen Mehrschichtenverbund. Sicherlich werden in der Elektronikindustrie die Metalle Kupfer und Nickel von besonderem Interesse sein, um gezielt gedruckte Schaltungen und Leiterbahnen herstellen zu können. Andererseits können erfindungsgemäß aber auch die wesentlich teureren Metalle Silber oder Gold direkt auf die zu metallisierende Oberfläche außenstromlos und fest haftend aufgebracht werden, was zum Beispiel in der Medizintechnik oder zur Abschirmung von elektromagnetischen Wellen Anwendung finden kann.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Polymer in dem erfindungsgemäßen Mehrschichtenverbund ein spritzfähiges Polymer.
  • Durch diese Eigenschaft wird deutlich, dass sich die Erfindung auch für solche Bauteile eignet, die in großen Maßstab und in hohen Stückzahlen industriell gefertigt werden. Wie bereits vor dem Hintergrund der vorstehenden Würdigung der wissenschaftlichen Arbeiten der Arbeitsgruppe um M. Charbonnier festzustellen, ist dieser Aspekt überraschend, wenn man die bekannten Plasma-Methoden in Betracht zieht. Denn gerade die spritzfähigen und temperaturbeständigen Polymere, welche zudem auch mit Füllstoffen und Fasern versetzt sein können, haben bisher die größten Schwierigkeiten bei der Herstellung eines Mehrschichtenverbundes bereitet.
  • Erst mit dem erfindungsgemäßen Mehrschichtenverbund gelingt es, eine ausreichend hohe Haftung der Metallschicht auf dem Verbundwerkstoff zu erzielen, dass auch funktionale Bauteile, die einer gewissen mechanischen Belastung ausgesetzt sind, aus einem solchen Mehrschichtenverbund aufgebaut sein können.
  • Dabei kann das Polymer ausgewählt sein aus der Gruppe von PPS (Polyphenylsulfon), PES (Polyethersulfon), PEI (Polyetherimid) PA (Polyamid), PE (Polyester), Polyethylen, PS (Polystyrol), PU (Polyurethan), PC (Polycarbonat), PTFE (Polytetrafluorethylen), Epoxydharze, Phenolharze und LCP (liquid crystal polymers).
  • Je nach Einsatzgebiet wird dasjenige Polymer ausgewählt, das die Anforderungsprofile am besten erfüllt. Sind beispielsweise nur Polymere einsetzbar, die eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen, so wird der Fachmann sicher ein PPS oder ein syndiotaktisches Polystryrol oder ein LCP verwenden. Umgekehrt kann aber auch die Verwendung von Epoxydharzen für ein anderes Gebiet vorteilhaft sein.
  • Das anorganische Material, das in Mischung mit dem Polymer den Verbundwerkstoff in dem erfindungsgemäßen Mehrschichtenverbund bildet, kann in Form einer Faser und/oder Kugel vorliegen.
  • Bevorzugte Füllstoffe für Verbundwerkstoffe in dem erfindungsgemäßen Mehrschichtenverbund sind insbesondere Glasfasern und anorganische Füllstoffe wie Gesteinsmehl, Glimmer, Zeolithe, Gips; natürliche Silikate wie Quarz, Kaolin, Talkum; gefällte und pyrogene Kieselsäuren (Ultrasil®, Vulkasil®, Aerosil®); Korund, Aluminiumhydroxid, Carbonate, Oxide und Carbide.
  • Gerade diese Füllstoffe sind im industriellen Einsatz sehr weit verbreitet, weil sie den Verbundwerkstoffen in einer kostengünstigen Weise hohe Biegefestigkeit und Beständigkeit gegenüber mechanischen Verformungen verleihen. Daneben bieten sie weitere Vorteile wie z.B. Schwerentflammbarkeit.
  • Besonders bevorzugt ist das anorganische Material eine Glasfaser.
  • Glasfasern sind lange, dünne Fasern, die aus Glas bestehen. Zur Herstellung von Glasfasern zieht man geschmolzenes Glas auseinander. Glasfasern werden in Glasfaserkabeln zur Datenübertragung, oder als Textilfasern zur Wärme- und Schalldämmung und für glasfaserverstärkte Kunststoffe eingesetzt. Glasverstärkte Kunststoffe können im Plasma so angeätzt werden, dass die Fasern freigelegt werden.
  • Glasfaserverstärkte Kunststoffe mit einer haftfesten außenstromlosen Metallisierung bieten eine hohe Steifigkeit und Festigkeit bei geringem Gewicht. Eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit und die Unempfindlichkeit gegenüber Wettereinflüssen machen diese erfindungsgemäßen Mehrschichtenverbünde in besonderer Weise geeignet für Anwendungen in der Automobilindustrie als äußeres Anbauteil sowie in der Luft- und Raumfahrttechnik.
  • Das anorganische Material kann auch eine Mineralfaser sein.
  • In dieser weiteren Ausführungsform kann durch die Auswahl von Mineralfasern als Füllstoff im Verbundwerkstoff auf ganz spezielle Anforderungen (wie z.B. geringerer Verzug beim Abkühlen der Kunststoffteile im Spritzwerkzeug) eingegangen werden.
  • Besonders bevorzugt ist das gesamte Substrat aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff als Verbundwerkstoff.
  • Auf diese Weise kann dem gesamten Verbundwerkstoff ein hohes Eigenschaftsprofil (bezogen auf hohe Elastizität, niedriges Gewicht, Korrosionsbeständigkeit, Chemikalienbeständigkeit, gute Wärme- und Lärmisolation etc.) verliehen werden.
  • Das anorganische Material kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgewählt sein aus der Gruppe von Siliziumdioxid, Bariumsulfat, Glas, Ton, Titandioxid und Schichtsilikat.
  • Je nach Einsatzgebiet werden die verschiedenen Füllstoffe ausgewählt, um die unterschiedlichen Vorteile der einzelnen Werkstoffe im Endwerkstoff zu kombinieren und umgekehrt deren Nachteile auszuschließen.
  • Der Verbundwerkstoff in einem erfindungsgemäßen Mehrschichtenverbund kann in einer bevorzugten Ausführungsform aus verschiedenen metallischen oder nicht-metallischen Schichten aufgebaut sein und die außenstromlos metallisierte Oberfläche 10–70 Vol.-% eines oder mehrerer anorganischen Materialien und 30–90 Vol.-% eines oder mehrerer Polymere enthalten oder hochtemperaturbeständige Polymere umfassen.
  • Somit sind auch vielschichtige Bauteile der Erfindung zugänglich, solange sie an ihrer Oberfläche ganz oder auch teilweise einen Verbundwerkstoff mit den angegebenen Merkmalen aufweisen, der erfindungsgemäß plasmageätzt und anschließend metallisiert wird, um einen Mehrschichtenverbund zu bilden.
  • Die zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung wir gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtenverbunds aus einem Verbundwerkstoff und einer darauf außenstromlos aufgebrachten Metall- oder Metalldispersionsschicht, wobei der Verbundwerkstoff 10–70 Vol.-% eines oder mehrerer anorganischen Materialien und 30–90 Vol.-% eines oder mehrerer Polymere enthält oder ein hochtemperaturbeständiges Polymer umfasst, und gekennzeichnet ist durch die Schritte:
    • a) Plasmaätzen des Verbundwerkstoffs in Gegenwart von Sauerstoff,
    • b) Eintauchen des Werkstücks in eine Palladium-haltige Lösung
    • c) Eintauchen des Werkstücks in eine Elektrolyt-Lösung zur außenstromlosen Metallisierung.
  • Erstmals mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, auch in großen Metallisierungsbecken zu arbeiten. Damit wird ein Durchbruch erzielt hin zu einem industriell anwendbaren Verfahren, mit dem auch große Stückzahlen in kurzer Zeit hergestellt werden können.
  • Im Unterschied zu den bisher bekannten Verfahren zur Plasmaaktivierung von Kunststoffoberflächen der vorstehend definierten Art wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren überraschenderweise ein sehr hoher Bekeimungsgrad bei der dem Plasmaätzen nachgeschalteten Palladiumbekeimung erreicht.
  • Obwohl die literaturbekannten eine gewisse wenn auch geringe Bekeimung mit Palladiumionen bzw. Palladium (0) erzielen, reicht sie dennoch nicht aus, um anschließend mit herkömmlich eingesetzten Metallisierungsbädern eine geschlossene und zufriedenstellende Metallisierung reproduzierbar zu generieren. Vielmehr hat man bisher Metallisierungsbäder benötigt, die hoch sensibilisiert sein mussten, zum Beispiel durch Einhängen eines Metallblechs oder Anschärfen des Kupferabscheidungsbads unmittelbar vor dem eigentlichen Abscheidungsprozess.
  • Der besonders hohe Bekeimungsgrad mit Palladiumionen bzw. Palladium (0) gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ermöglicht es erstmals, industrielle und normal stabilisierte Metallisierungsbäder einzusetzen, die ein großes Volumen und eine lange Standzeit verbunden mit einer hohen Stückdurchsatz aufweisen.
  • In einer besonders bevorzugten Form des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Plasmaätzen mit einem sauerstoffhaltigen Prozessgasvolumenstrom zur Erzeugung des Plasmas von mindestens 20 sccm und höchstens von 400 sccm durchgeführt.
  • Bei einem geringeren Volumenstrom des Prozessgases als 20 sccm sind nicht mehr genug Gaspartikel in der Plasmakammer vorhanden, damit eine ausreichende Anzahl an Plasma-Ionen erzeugt werden kann. Das Plasmaätzen des Verbundwerkstoffs käme somit zum erliegen und es könnten nicht genug Reaktionsstellen gebildet werden, um eine gute Palladiumbekeimung sicher zu stellen.
  • Andererseits ist der optimale Bereich auch nach oben begrenzt. Bei einem zu großen Volumenstrom an Prozessgas erhalten die einzelnen ionisierten Partikel nicht mehr genug Energie, um die Oberfläche des Verbundwerkstoffs optimal anzugreifen und zu ätzen.
  • Bevorzugt ist der Druck in der Plasmakammer während des Plasmaätzens kleiner als 0,25 mbar, bevorzugt kleiner als 0,2 mbar
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der Kammerdruck in der Plasmakammer während des Plasmaätzens in Gegenwart von Sauerstoff eine erfindungswesentliche Größe. Versuche haben gezeigt, dass bei einem Druck von 0,3 mbar keine ausreichende Plasmaätzung stattfindet, um die Oberfläche des Verbundwerkstoffs für die nachfolgende außenstromlose Metallisierung so vorzubereiten, dass eine haftfeste Metallisierung möglich ist.
  • Erst ab einem Druck von 0,25 mbar und darunter findet eine erfindungsgemäße Plasmaätzung statt, die eine ausreichende Vorbehandlung, nachfolgend eine gute Bekeimung mit Palladiumionen bzw. mit Palladium(0)-Partikeln und damit auch geschlossene, fest haftende Metallschichten ermöglicht.
  • Bei einem Druck von 0,2 mbar und darunter ist gemäß den Versuchen der Anmelderin eine besonders gute Plasmaätzung der Oberfläche des Verbundwerkstoffs und eine damit verbundene exzellente Haftung der resultierenden Metallschicht festzustellen.
  • In einer weiteren ebenfalls bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht die Temperatur des Werkstücks während des Plasmaätzens an der Oberfläche mindestens 55°C.
  • Die Temperatur der Oberfläche des Werkstücks ist eine einfach zu bestimmende Kontrollgröße, um für den Verfahrensschritt des Plasmaätzens sicher zu stellen, dass ein Plasma mit ausreichend hoher Energie erzeugt wird, so dass eine optimale Ätzung der Oberfläche erzielt wird.
  • Unter dem Schwellenwert von 55°C für die Temperatur des Werkstücks ist ein optimales Plasmaätzen nicht mehr gewährleistet.
  • Der erfindungsgemäße Verfahrensschritt des Plasmaätzens dauert zwischen 1 Min. und 30 Min., bevorzugt zwischen 15 Min. und 20 Min.
  • Ab einer Dauer von 1 Minute des Plasmaätzens ist für kleine, einzeln zu ätzende Werkstücke in einer kleinen Plasmakammer eine geeignete Oberflächenaktivierung zu beobachten. Insgesamt ist die Dauer des Plasmaätzens abhängig von einigen Faktoren, wie beispielsweise die gesamte zu ätzende Oberfläche, die Größe und Geometrie der Plasmakammer und die Anzahl der gleichzeitig zu ätzenden Werkstücke.
  • In weiteren Versuche wurde gefunden, dass für eine sinnvolle industrielle Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit vielen Teilen, die gleichzeitig geätzt werden, eine Dauer des Plasmaätzens von 10 Minuten in aller Regel nicht ausreicht. Es werden nach der Metallisierung nur unzureichende Schichten erhalten.
  • Erst ab einer Ätzdauer von 15 Min. werden gute Ergebnisse in der nachfolgenden Metallisierung erzielt, die den industriellen Anforderungen genügen.
  • Das Plasmaätzen wird besonders bevorzugt bei einer Leistung von 300 Watt ausgeführt.
  • In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Plsamaätzen als Prozessgas ein Gas verwendet, das mindestens 2 Vol.-% Sauerstoff enthält.
  • Erst die Anwesenheit von Sauerstoff führt bei dem Verfahrensschritt des Plasmaätzens in dem erfindungsgemäßen Verfahren dazu, dass bei der nachfolgenden außenstromlosen Metallisierung überhaupt geschlossene und fest haftende Schichten abgeschieden werden. Die plasmaionisierten Sauerstoffmoleküle sind für den überraschenden Effekt der ausgezeichneten Oberflächenaktivierung im Hinblick auf die nachfolgende Palladiumbekeimung verantwortlich. Weil derzeit noch zu wenig Daten gesammelt werden konnten, die eine wissenschaftliche Erklärung dieses Effekts zuließen, kann die genaue Rolle der Sauerstoffmoleküle in dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch nicht abschließend erklärt werden.
  • Dabei ist die Quelle des Sauerstoffs in dem verwendeten Prozessgas nicht kritisch. Es kann insbesondere auch mit Luft oder mit reinem Sauerstoffgas gearbeitet werden.
  • Das Prozessgas kann während des Plasmaätzens auch variiert werden.
  • Es ist zum Beispiel möglich, dass zu Beginn des Plasmaätzens ein Gas mit einem hohen Sauerstoffgehalt als Prozessgas eingesetzt wird und zum Ende des Plasmaätzens ein Prozessgas mit einem niedrigeren Sauerstoffgehalt oder mit gar keinem Sauerstoffanteil verwendet wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird keine Laservorbehandlung der Oberfläche des Verbundwerkstoffs vorgenommen.
  • Dadurch werden oberflächliche Fehlstellen im Verbundwerkstoff durch eine zu lange oder zu energiereiche Lasereinstrahlung vermieden.
  • Die Oberfläche des Verbundwerkstoffs wird bevorzugt auch nicht nasschemisch geätzt. Im Unterschied zum Plasmaätzen erfolgt das Ätzen der Oberfläche bei einer nasschemischen Methode durch Eintauchen in eine flüssige Lösung. Dadurch werden weitere Schritte notwendig, die darauf gerichtet sind, die Rückstände dieser Lösung wieder von der Oberfläche zu entfernen bevor die Bekeimung mit Palladium erfolgt. Zudem birgt das nasschemische Ätzen den Nachteil, dass die teilweise hochreaktiven und damit stark umweltschädlichen Chemikalien nur unter großen Sicherheitsvorschriften gehandhabt werden dürfen und nach Gebrauch aufwendig entsorgt werden müssen. Einige der früher bevorzugt eingesetzten nasschemischen Substanzen sind darüber hinaus mittlerweile aufgrund der strenger gewordenen Vorschriften gänzlich verboten.
  • Ein weiterer Aspekt, der gegen ein nasschemisches Ätzen spricht ist die Gefahr, dass die Verbundwerkstoff Wasser oder Lösemittel aufnehmen und an ihrer Oberfläche unkontrolliert quellen. Eine exakte Maßhaltigkeit ist damit nicht mehr gegeben.
  • Die Oberfläche des Verbundwerkstoffs wird bevorzugt auch nicht durch Strahlen aufgerauht.
  • Mechanisch-abrasive Methoden bergen stets die Gefahr, die Oberfläche des Werkstücks stärker als beabsichtigt zu beschädigen.
  • Ferner ist das gleichmäßige Abtragen und Aufrauhen in Hohlräumen und Hinterschneidungen nur schwer zu erreichen.
  • Besonders bevorzugt wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren keine PVD- oder CVD-Schicht vor Schritt b) aufgebracht.
  • Beschichtungsverfahren (PVD-Verfahren), mit denen Metalle, Legierungen oder chemische Verbindungen durch Zufuhr thermischer Energie oder durch Teilchenbeschuss im Hochvakuum abgeschieden werden, d.h. das Beschichtungsmaterial wird auf verschiedene Art und Weise aus einem Feststoff in die Dampfphase überführt und kondensiert anschließend auf einer Substratoberfläche. Zu den PVD-Verfahren zählen noch Ionenplattieren und Kathodenzerstäubung (Sputtering). Zur Realisierung von PVD-Systemen sind Vakuumanlagen zur Erzeugung von Hochvakuumdrücken < 10 – 5 mbar notwendig.
  • Ein erfindungsgemäßer Mehrschichtenverbund kann in der Elektronikindustrie, als dekoratives Element eines Bauteils, in der Automobilindustrie, oder in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden. Ein bevorzugtes Beispiel einer Verwendung ist die Verwendung als hochglänzende Griffe in einem Flugzeug oder Automobil.
  • Die folgenden Abbildungen zeigen ein unter verschiedenen Bedingungen plasmageätztes und metallisiertes Probestück aus FORTRON 6165 A4, wobei nur die ersten drei Versuche eine Oberflächentemperatur bei Entnahme aus dem Plasmaofen (Typ NANO von der Fa. Diener) von mehr als 55° festgestellt wurde.

Claims (24)

  1. Mehrschichtenverbund aus einem Verbundwerkstoff und einer darauf außenstromlos aufgebrachte Metall- oder Metalldispersionsschicht, dadurch gekennzeichnet, dass • der Verbundwerkstoff 10–70 Vol.-% eines oder mehrerer anorganischen Materialien und 30–90 Vol.-% eines oder mehrerer Polymere enthält oder ein hochtemperaturbeständiges Polymer umfasst, • die Oberfläche des Verbundwerkstoffs in Gegenwart von Sauerstoff plasmageätzt ist und • auf der plasmageätzten Oberfläche des Substrats eine stromlos aufgebrachte Metall-, Metalllegierung-, Metalldispersions- oder Metalllegierungsdispersionsschicht abgeschieden ist.
  2. Mehrschichtenverbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff 20–65 Vol.-% eines oder mehrerer anorganischen Materialien enthält.
  3. Mehrschichtenverbund nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das außenstromlos abgeschiedene Metall Cu, Ni, Ag oder Au ist.
  4. Mehrschichtenverbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ein spritzfähiges Polymer ist.
  5. Mehrschichtenverbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe von PPS (Polyphenylsulfon), PES (Polyethersulfon), PEI (Polyetherimid) PA (Polyamid), PE (Polyester), Polyethylen, PS (Polystyrol), PU (Polyurethan), PC (Polycarbonat), PTFE (Polytetrafluorethylen), Epoxydharze, Phenolharze und LCP (liquid crystal polymers).
  6. Mehrschichtenverbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das anorganische Material in Form einer Faser und/oder Kugel vorliegt.
  7. Mehrschichtenverbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das anorganische Material eine Glasfaser ist.
  8. Mehrschichtenverbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das anorganische Material eine Mineralfaser ist.
  9. Mehrschichtenverbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein glasfaserverstärkter Kunststoff ist.
  10. Mehrschichtenverbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das anorganisches Material ausgewählt ist aus der Gruppe von Siliziumdioxid, Bariumsulfat, Glas, Ton, Titandioxid und Schichtsilikat.
  11. Mehrschichtenverbund gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff aus verschiedenen metallischen oder nicht-metallischen Schichten aufgebaut ist und die außenstromlos metallisierte Oberfläche 10–70 Vol.-% eines oder mehrerer anorganischen Materialien und 30–90 Vol.-% eines oder mehrerer Polymere enthält.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtenverbunds aus einem Verbundwerkstoff und einer darauf außenstromlos aufgebrachten Metall- oder Metalldispersionsschicht, wobei der Verbundwerkstoff 10–70 Vol.-% eines oder mehrerer anorganischen Materialien und 30–90 Vol.-% eines oder mehrerer Polymere enthält oder ein hochtemperaturbeständiges Polymer umfasst, gekennzeichnet durch die Schritte: a) Plasmaätzen des Verbundwerkstoffs in Gegenwart von Sauerstoff, b) Eintauchen des Werkstücks in eine Palladium-haltige Lösung c) Eintauchen des Werkstücks in eine Elektrolyt-Lösung zur außenstromlosen Metallisierung.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmaätzen mit einem sauerstoffhaltigen Prozessgasvolumenstrom zur Erzeugung des Plasmas von mindestens 20 sccm und höchstens von 400 sccm durchgeführt wird.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Plasmakammer während des Plasmaätzens kleiner ist als 0,25 mbar, bevorzugt kleiner als 0,2 mbar.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass während des Plasmaätzens die Temperatur des Werkstücks an der Oberfläche mindestens 55°C erreicht.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmaätzen zwischen 1 Min. und 30 Min. dauert, bevorzugt zwischen 15 Min. und 20 Min.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmaätzen bei einer Leistung von 300 Watt ausgeführt wird.
  18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass beim Plasmaätzen als Prozessgas ein Gas verwendet wird, das mindestens 2 Vol.-% Sauerstoff enthält.
  19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas während des Plasmaätzens variiert wird.
  20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass keine Laservorbehandlung der Oberfläche des Verbundwerkstoffs vorgenommen wird.
  21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Verbundwerkstoffs nicht nasschemisch geätzt wird.
  22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Verbundwerkstoffs nicht durch Strahlen aufgerauht wird.
  23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass keine PVD- oder CVD-Schicht vor Schritt b) aufgebracht wird.
  24. Verwendung eines Mehrschichtenverbundes nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in der Elektronikindustrie, als dekoratives Element eines Bauteils, in der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrt, insbesondere als hochglänzende Griffe in einem Flugzeug oder Automobil oder als Automobil-Kühlergrill.
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