DE102013003541A1

DE102013003541A1 - Verfahren zur Herstellung einer funktionalisierten thermoplastischen Kunststofffolie mit hybriden Schichtstrukturen und gemäß diesem Verfahren bearbeitete Kunststofffolie

Info

Publication number: DE102013003541A1
Application number: DE201310003541
Authority: DE
Inventors: Ralf Ostermann; Norbert Bendicks; Artur Schulz; Michael Schmidt
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Priority date: 2013-03-02
Filing date: 2013-03-02
Publication date: 2014-09-04
Also published as: WO2014135415A1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Funktionalisierung von thermoplastischen Kunststofffolien mit hybriden Schichtstrukturen. Auf Kunststofffolien werden Kupferleitbahnen elektrochemisch abgeschieden, die in vorgesehenen Umformbereichen mit tiefziehfähigen Silberleitpasten ergänzt werden. Die nach diesem Verfahren hergestellte funktionalisierte thermoplastische Kunststofffolie kann Bestandteil einer Bedienoberfläche oder eines elektronischen Gerätes, insbesondere in einem Kraftfahrzeug sein.

Description

Als funktionalisierte Kunststofffolien werden Folien aus thermoplastischen Polymeren bezeichnet, auf die elektrisch wirksame metallische Strukturen, wie Leiterbahnen, Sensorflächen oder ähnliches, aufgebracht sind.
Die Herstellung eines 3D-Bauteils mit Eigenschaften einer Leiterplatte ist aus der MID-Technologie bekannt. Dabei wird die betreffende Oberfläche des Bauteils mittels eines Lasers aktiviert und anschließend additiv beschichtet. Die äußere Form wird durch einen Spritzgussprozess gegeben. Für die Aktivierung wird in der Regel ein Robotersystem eingesetzt, um die zu aktivierenden Bereiche auf einer komplexen Geometrie zu erreichen.
Bekannt ist auch die Herstellung von lötbaren, flexiblen Leiterplatten unter Verwendung von Polyimidfolien.
Es ist bisher kein Verfahren bekannt, bei dem thermoplastische Polymere mit elektrochemisch abgeschiedenen leitenden Strukturen versehen werden und ihre Form durch ein Umformverfahren erhalten.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zu schaffen und ein verfahrensgemäß hergestelltes Produkt zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren und das im Anspruch 2 genannte Verfahrensprodukt gelöst.
Das Tiefziehen von thermoplastischen Kunststofffolien mit leitenden Strukturen aus Silberleitpasten ist ein bekannter Prozess, der bei funktionalisierten Folien bereits erfolgreich eingesetzt wird. Der Ansatz, diese leitenden Strukturen als Kupferbahnen zu realisieren führt aber unweigerlich zu einem Problem beim Tiefziehen. Das Kupfer ist nicht duktil genug, um den Umformgeometrien standzuhalten.
Erfindungsgemäß ist ein hybrider Aufbau mit Kupferbahnen vorgesehen, bei dem die Umformbereiche mit tiefziehfähigen Silberleitpasten entschärft werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der 1 in einem Flussdiagramm dargestellt und besteht aus der Abfolge der nachfolgend mit Kleinbuchstaben a) bis i) bezeichneten Verfahrensschritte. In der 2 ist zugehörig zu den Verfahrensschritten a) bis i) jeweils ein Stück einer Kunststofffolie dargestellt, welche den jeweiligen Bearbeitungszustand schematisch darstellt. Unterschiedliche Materialien sind durch unterschiedliche Schraffuren gekennzeichnet und durch die Bezugszeichen 1 bis 7 markiert.
Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist wie folgt:

a) Vorkonditionierung einer Kunststofffolie 1 aus einem thermoplastischen Polymer.
b) Applikation einer ersten Struktur auf die Kunststofffolie 1 im Siebdruckverfahren. Dabei können entweder leitende oder nichtleitende Pasten 2 eingesetzt werden. Die Trocknung der Pasten 2 findet im Anschluss statt.
c) Aktivierung der Oberfläche mit anschließender Beschichtung der Struktur mit Kupfer 3,
d) Aufbringen einer Maskierung 4 mit anschließender Passivierung. Die Maskierung 4 bewirkt, dass nur der vorgesehene Stecker- und/oder Kontaktierungsbereich und der Terminierungsbereich passiviert werden.
e) Partielle Abscheidung einer Nickelschicht 5 und einer Goldschicht 6 oder einer Silberschicht im Stecker- und/oder Kontaktierungsbereich und im Terminierungsbereich.
f) Applikation einer leitfähigen und tiefziehfähigen zweiten Struktur durch eine Silberleitpaste 7 auf die Kunststofffolie 1 im Siebdruckverfahren im vorgesehenen Umformbereich, welche die Abschnitte der ersten verkupferten Struktur 3 verbinden mit anschließender Trocknung der Silberleitpaste 7.
g) Die Maskierung 4 kann optional entfernt werden.
h) Die bedruckte Kunststofffolie 1 wird in einem Tiefziehprozess durch Thermoformen oder High-Pressure-Forming umgeformt.
i) Die in Form gebrachte funktionalisierte und vereinzelte Kunststofffolie 1 wird an einer Spritzgussanlage hinterspritzt.

Die Vorkonditionierung der Kunststofffolie 1 im Verfahrensschritt a) sollte vorzugsweise in einem Umluftofen, im IR-Ofen oder deren Kombination stattfinden. Die Temperaturen müssen bis an die Glasübergangstemperatur des eingesetzten thermoplastischen Polymers gehen, um Eigenspannungen des Halbzeuges und damit das Schwindungsverhalten zu vermindern.
Im Verfahrensschritt b) wird die vorkonditionierte Kunststofffolie 1 einem Siebdrucker samt Carrier zugeführt. In den Schritten b) und f) müssen die zu verarbeitende Pasten 2 zuerst homogenisiert werden, bevor sie darauffolgend auf ein Sieb aufgetragen werden. Die eingestellten Siebdruckparameter müssen an die eingesetzten Pasten angepasst werden. Um beispielsweise nach dem Trocknen eine Schichtdicke von 4 bis 6 μm zu erreichen, muss eine Nass-Schichtdicke von 15 bis 18 μm aufgebracht werden. Die nassbedruckten Kunststofffolie 1 wird anschließend getrocknet, um die Pasten 2 auszuhärten. Das Aushärten der applizierten Struktur findet entweder im Umluftofen, im IR-Ofen oder in deren Kombination statt.
Nach dem Aushärteprozess wird im Verfahrensschritt c) die Oberfläche der aufgebrachten Pasten 2 aktiviert, damit im Anschluss eine außenstromlose Kupferabscheidung auf der gedruckten Struktur stattfindet. Die galvanische Abscheidung des Kupfers 3 erfolgt in einem chemisch-reduktiven Kupferbad. Die Badtemperatur, Abscheiderate, Expositionszeit und die daraus resultierende Schichtdicke sind variabel vorgebbar und können den jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
Damit die Passivierung nur in speziellen Bereichen stattfindet, wird im Verfahrensschritt d) eine Maskierung 4 aufgetragen, die die restlichen Strukturen abdeckt und vor einer Passivierung schützt.
In diesen Bereichen wird ergänzend eine Nickel-/Goldschicht 5, 6 oder eine Silberschicht abgeschieden. Die galvanische Abscheidung des Nickels 5 im Verfahrenschritt e) erfolgt durch ein chemisch-reduktives Nickelbad, während die Goldabscheidung 6 in einem Sudbad stattfindet.
Im nächsten Verfahrensschritt f) wird durch eine Silberleitpaste 7 eine zweite Struktur im Siebdruckverfahren appliziert. Diese Struktur verbindet die Kupferleiterbahnen untereinander und wird gezielt im Umformbereich gedruckt, damit diese Bereiche nach dem Thermoformen im Verfahrensschritt h) unbeschädigt bleiben. Der Tiefziehprozess kann durch ein Thermoformen oder High-Pressure-Forming realisiert werden.
Dabei kann die Maskierung 4 entweder verbleiben oder in einem zusätzlich eingefügten Verfahrensschritt g) entfernt werden.
Im Schritt i) wird die warmgeformte Kunststofffolie 1 mittels einer Laservorrichtung ausgeschnitten oder durch einen Stanzprozess vereinzelt und anschließend in einer Spritzgussanlage hinterspritzt.
Die nach dem beschriebenen Verfahren gefertigte Kunststofffolie 1 kann als Bestandteil einer Bedienoberfläche oder eines elektronischen Gerätes zur Anwendung kommen und insbesondere in einem Kraftfahrzeug verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Kunststofffolie
2: Paste(n)
3: Kupfer (Verkupferung)
4: Maskierung
5: Nickelschicht
6: Goldschicht
7: Silber(leitpaste)

Claims

Verfahren zur Herstellung einer funktionalisierten thermoplastischen Kunststofffolie (1) mit hybriden Schichtstrukturen, gekennzeichnet durch die Abfolge folgender Verfahrensschritte: a) Vorkonditionierung einer Kunststofffolie (1) aus einem thermoplastischen Polymer, b) Ausbildung einer ersten Struktur durch Applikation mindestens einer leitenden oder ein nichtleitenden Paste (2) im Siebdruckverfahren auf die Kunststofffolie (1) und anschließende Trocknung der Paste(n) (2), c) Aktivierung der Oberfläche und Verkupferung (3) der ersten Struktur, d) Aufbringen einer Maskierung (4), außerhalb der vorgesehenen Stecker- und/oder Kontaktierungsbereiche und Terminierungsbereiche, e) Abscheidung einer Nickel- und einer Goldschicht (5, 6) oder einer Silberschicht im Stecker- bzw. Kontaktierungsbereich und im Terminierungsbereich als Passivierung der Leiterbahnstruktur in den nichtmaskierten Bereichen, f) Applikation einer leitfähigen und tiefziehfähigen zweiten Struktur durch eine Silberleitpaste (7) auf die Kunststofffolie (1) im Siebdruckverfahren im vorgesehenen Umformbereich, welche die Abschnitte der ersten verkupferten Struktur verbinden, und anschließende Trocknung der Silberleitpaste (7); g) Entfernung der Maskierung (4) (optional), h) Umformung der bedruckten Kunststofffolie (1) ein einem Tiefziehprozess, i) Vereinzelung und Hinterspritzung der geformten Kunststofffolie (1) in einer Spritzgussanlage.
Funktionalisierte thermoplastische Kunststofffolie mit hybriden Schichtstrukturen, die nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 bearbeitet ist.
Funktionalisierte thermoplastische Kunststofffolie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffolie (1) Bestandteil einer Bedienoberfläche oder eines elektronischen Gerätes ist.