DE102013213629A1

DE102013213629A1 - Verfahren zur Herstellung spritzgegossener Schaltungsträger

Info

Publication number: DE102013213629A1
Application number: DE201310213629
Authority: DE
Inventors: Uta Fügmann; Michael Gehde; Thomas Härtig; Arved Carl Hübler; Agnieszka Kalinowska; Robert Magerle
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2015-01-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur vollständigen Herstellung eines spritzgegossenen Schaltungträgers innerhalb eines Spritzgießwerkzeuges. Dabei wird zunächst eine Suspension oder Dispersion eines leitfähigen Materials drucktechnisch auf die Innenfläche eines Spritzgießwerkzeugs aufgetragen. Auf der Werkzeugoberfläche trocknet die Suspension oder Dispersion zu einem leitfähigen Lack höherer Viskosität und Schubfestigkeit. Beim anschließenden Einspritzen einer Kunststoffschmelze, mit geringerer Viskosität als der leitfähige Lack, haftet dieser auf den erstarrenden Kunststoff um und geht einen Stoffschluss mit diesem ein. Der im erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte spritzgegossene Schaltungsträger weist vorteilhaft einen mehrlagigen Aufbau und eine hohe Leiterbahnendichte auf.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung spritzgegossener Schaltungsträger sowie ein mit diesem Verfahren erzeugter spritzgegossener Schaltungsträger.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind bereits spritzgegossene Schaltungsträger oder Moulded Interconnected Devices – MID bekannt. Diese lassen sich definieren als aus Thermoplasten oder Duroplasten spritzgegossene Formteile mit integriertem elektrischem Schaltungsbild. Die Formteile können dabei eine zwei- oder dreidimensionale Form aufweisen und das Schaltungsbild kann sich auf der Oberfläche und/oder durch das Volumen des Formteils erstrecken. Spritzgegossene Schaltungsträger besitzen somit mechanische sowie elektrische Funktionalität und sind daher vorteilhaft in Bauteilen mit erhöhter elektromechanischer Komplexität, bspw. aufklappbaren Mobiltelefonen, einsetzbar.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren zur Herstellung von MID-Bauteilen bekannt. Darunter sind einstufige Spritzgießverfahren (1-shot moulding), bei denen sich einem konventionellen Spritzgießverfahren, in dem das Bauteil entsprechend seiner geplanten mechanischen Funktionalität weitgehend ausgeformt wird, Metallisierungs- und Strukturierungsprozesse anschließen. Als Metallisierungsverfahren kommen bislang vorrangig galvanische oder nasschemische Abscheidungsprozesse zum Einsatz. Die Strukturierung kann, bspw. mittels Laser-Direkt-Strukturierung, vor einer partiellen Metallisierung der Laseraktivierten Bereiche erfolgen. Ebenso kann einer ganzflächigen Metallisierung eine Versiegelung mit einem Resistlack sowie eine lithographische Strukturierung und chemisches oder physikalisches Ätzen folgen. Nachteilig an diesen Verfahren ist dessen Vielschrittigkeit sowie das Erfordernis von lithographischer Verfahrenstechnik.
Eine weitere Herstellungsmethode, bei der die Metallisierung und Strukturierung gleichzeitig erfolgt, ist das Heißprägepressen. Dabei wird eine dünne Metallfolie auf das Formteil aufgelegt und mit einem heißen Stempelwerkzeug, das eine dem gewünschten Schaltungsbild entsprechende Prägestruktur aufweist, angepresst. Dadurch wird das gewünschte Schaltungsbild aus der Folie ausgestanzt und dauerhaft mit dem Formteil verbunden. Nachteilig ist dabei insbesondere das Erfordernis zusätzlicher Stempelwerkzeuge.
Zur Beschleunigung eines solchen Heißprägeverfahrens schlägt die WO 00/67982 A1 eine Spritzgießmaschine mit integriertem Stempelwerkzeug vor, die einen kombinierten Spritz- und Prägevorgang innerhalb der Spritzgießform ermöglichen soll. Die beschriebene Spritzgießmaschine besitzt jedoch einen komplizierten Aufbau und ist somit nachteilig kosten- und wartungsintensiv.
Dem Fachmann ebenfalls bekannt ist die Herstellung von MID-Bauteilen in zweistufigen Spritzgießprozessen (2-shot oder 2K-moulding). Diese erfolgen mit zwei separaten Spritzgießformen und zwei Spritzgießwerkstoffen, wobei nur einer der Werkstoffe metallisierbar ist und das mit der ersten Form erzeugte Formteil in der zweiten Form mit dem zweiten Werkstoff umspritzt wird. Das Schaltungsbild wird erzeugt, indem der metallisierbare Werkstoff nach dem zweiten Spritzgießprozess nur an bestimmten Stellen an die Oberfläche des Formteils tritt. Nachteilig ist dabei insbesondere die Notwendigkeit einer eigenen Spritzgießform für jedes Schaltungsbild.
Zur Herstellung eines MID-Bauteils mit nur einer Spritzgießform schlägt die EP 2 194 571 A1 vor, elektrisch leitfähige Bauteile in diese einzulegen, zu fixieren und zwei- oder mehrstufig zu Umspritzen. Weiterhin beschreibt die Schrift die Herstellung elektrischer Strukturen im Werkzeug mittels katalysatorunterstützter stromloser Metallisierung oder Prägeverfahren. Dabei wird ein Katalysator oder Inhibitor auf die vorgespritzten Bauteile aufgetragen und anschließend eine gezielte Metallisierung in der Werkzeugform durchgeführt. Auch dieses Verfahrens ist nachteilig vielschrittig und somit zeitaufwändig.
Aus dem Stand der Technik ist weiterhin das Hinterspritzen einer Leiterbildfolie mit Kunststoff zur Herstellung von MID-Bauteilen bekannt. Dabei wird ein Schaltkreis mittels Druck- oder Ätzverfahren auf einen flexiblen Träger aufgebracht und dieser anschließend in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt. Beim Einspritzen des Kunststoffs entsteht ein mit dem Träger und dem darauf aufgebrachten Schaltkreis verbundenes Formteil. Insbesondere bei komplizierteren Bauteilformen ist das Einlegen des Trägers in das Werkzeug mit Schwierigkeiten verbunden.
Um eine bessere Verformbarkeit der bedruckten Trägerfolie zu ermöglichen, beschreibt die WO 99/45077 A1 einen elastischen und elektrisch leitfähigen Lack. Dieser soll seine Leitfähigkeit auch bei starker Deformation und Verformung der Trägerfolie beibehalten. Auch die US 7,976,736 B2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von MID-Bauteilen, wobei eine leitfähige Tinte auf eine Trägerfolie aufgespritzt und die Folie anschließend in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt wird. Zwischen dem Tintenauftrag mittels Inkjet-Printing und dem Einspritzen der Kunststoffschmelze muss die Tinte nachteilig über einen längeren Zeitraum bei erhöhten Temperaturen getrocknet werden.
Die aus dem Stand der Technik bekannten leitfähigen Tinten, die entweder leitfähige Nanopartikel (NP-Tinte) oder metallorganische Verbindungen (MOD-Tinte) enthalten, erfordern bislang eine Nachbehandlung in sogenannten Post-Printing-Prozessen. Dabei werden in der Regel bei erhöhten Temperaturen durch Aushärten und/oder Sintern leitfähige feste Strukturen geschaffen. Neben konventionellen globalen Heizmethoden werden auch Laser-, Mikrowellen- und Plasma-basierte Sinterprozesse eingesetzt. Sinterverfahren, die auf UV-Strahlung, EM-Strahlung anderer Frequenz oder Wechselstrom basieren, befinden sich wie das sogenannte reactive inkjet printing, wobei ein leitfähiges Material in situ auf dem Substrat erzeugt wird, noch in der Versuchsphase. In der Veröffentlichung One-step inkjet printing of conductive silver tracks on polymer substrates, Perelaer et al., wird beschrieben, dass mit einer, auf ein 130°C warmes Polymer (PET) aufgespritzten MOD-Tinte direkt leitfähige Bahnen erzeugt werden konnten.
Ein generelles Problem der mit Tintenstrahl-Druckverfahren hergestellten MID-Bauteile besteht in der geringen Auflösung der erzeugten leitfähigen Strukturen und der damit verbundenen geringen Schaltkreisdichte (vgl. Electrically interconnected assemblies of microscale device components by printing and molding, Kim et al. sowie Inkjet printing as a deposition and patterning tool for polymers and inorganic particles, Tekin et al.). Zudem besitzen spritzgegossene Schaltungsträger in der Regel lediglich eine auf der Vorder- und eine auf der Rückseite befindliche elektrisch leitfähige Lage. Dieser Verzicht auf die von klassischen Schaltungsträgern bekannten Multilayer-Strukturen mit 16, 24 oder 32 Lagen stellt einen weiteren Nachteil der bislang bekannten MID-Bauteile dar.
Aufgabe
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren zur Herstellung spritzgegossener Schaltungsträger vorzuschlagen, in dem mit wenigen Schritten und mit üblichen Spritzgießmaschinen auch mehrlagige MID-Bauteile kostengünstig und mit geringem Zeitaufwand herstellbar sind.
Lösung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch einen spritzgegossenen Schaltungsträger gemäß der Ansprüche 10 bis 12. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils rückbezogenen Unteransprüche.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines spritzgegossenen Schaltungsträgers, dass vollständig innerhalb eines gängigen Spritzgießwerkzeugs durchführbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren weist dabei die folgenden Schritte auf:

a) Drucktechnischer Auftrag einer Suspension eines leitfähigen Materials direkt auf die Innenfläche des Spritzgießwerkzeugs,
b) Antrocknen der Suspension und Perkolation zu einem leitfähigen Lack der Viskosität ν₁,
c) Schließen des Werkzeugs und Einspritzen einer Kunststoffschmelze der Viskosität ν₂ ≤ ν₁ in das Werkzeug,
d) Umhaften des Lacks und Stoffschluss mit dem erstarrenden Kunststoff,
e) Öffnen des Werkzeugs und Entformen des spritzgegossenen Schaltungsträgers.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Suspension oder Dispersion eines leitfähigen Materials direkt auf die Innenfläche eines Spritzgießwerkzeugs, also in dessen Kavität, aufgetragen. Je nach konstruktiver Gestaltung und Anzahl der Kavitäten erfolgt der drucktechnische Auftrag dabei auf ein oder mehrere Bauteile des Spritzgießwerkzeugs. Der Auftrag erfolgt mit drucktechnischen Mitteln, insbesondere mit Tampondruck, Inkjet- oder Aerosol-Jet-Druckverfahren. Die Suspension ist aufgrund eines enthaltenen Lösungsmittels, Verdünners und/oder Härters weitgehend dünnflüssig und fluidisch. Die Suspension haftet auf der Innefläche des Werkzeugs ohne zu verlaufen, so dass sich Strukturen mit hoher Auflösung auftragen lassen.
Die aufgetragene Suspension trocknet anschließend auf der Innenfläche des Spritzgießwerkzeugs an, wobei das Lösungsmittel, der Verdünner und/oder der Härter verdunsten. Dies führt zu einer Erhöhung der Konzentration des leitfähigen Materials in der Suspension, wodurch diese zu einem leitfähigen Lack trocknet. Die Leitfähigkeit wird insbesondere durch Perkolation bzw. Cluster-Bildung des enthaltenen leitfähigen Materials erzielt. Die Antrocknung der Suspension zu einem leitfähigen Lack führt weiterhin zu einer Erhöhung der Schubfestigkeit bzw. Viskosität des Materials. Somit weist der leitfähige Lack eine Viskosität ν₁ auf, die größer ist als die Viskosität der Suspension ν₀. Ein bei der Antrocknung auftretender Volumenschwund der Suspension wird mit Hinblick auf die Zielstrukturen bevorzugt bereits beim drucktechnischen Auftrag berücksichtigt. Die mit der Antrocknung des Lacks verbundene Viskositätserhöhung erlaut vorteilhaft die Verwendung niederviskoser Suspensionen eines leitfähigen Materials im drucktechnischen Auftragverfahren. Somit ist eine Vielzahl von Druckverfahren zum Auftrag derartiger Suspensionen auf die Innenfläche eines Spritzgießwerkzeugs geeignet. Weiterhin vorteilhaft sind mit niederviskosen Suspensionen auch mehrfach gekrümmte oder gecknickte Oberflächen ohne weiteres bedruckbar. Der angetrocknete Leitlack weist vorteilhaft eine höhere Viskosität als die Suspension und die eingespritzte Kunststoffschmelze sowie eine geringe Elastizität auf und wird somit durch die eingespritzte Kunststoffschmelze nicht verformt. Besonders vorteilhaft sind somit keine elastischen und elektrisch leitfähigen Lacke mehr notwendig, die häufig in Screen-Print-Verfahren eingesetzt werden und aufwendig herzustellen sind.
Nach dem Antrocknen der Suspension zu einem Leitlack erhöhter Schubfestigkeit wird das Spritzgießwerkzeug geschlossen und eine Kunststoffschmelze eingespritzt. Die Kunststoffschmelze weist dabei eine Viskosität ν₂ auf, die kleiner oder gleich der Viskosität ν₁ des leitfähigen Lackes ist. Dadurch wird das Druckbild aus leitfähigem Lack nicht durch die einströmende Kunststoffschmelze verschoben oder zerstört, sondern bleibt vollständig erhalten. Die Kunststoffschmelze füllt die Kavität des Spritzgießwerkzeugs vollständig aus und schließt die freie Oberfläche des leitfähigen Lacks vollständig ein. Dieser haftet somit mit einem geringen Teil seiner Oberfläche an der Innenfläche des Spritzgießwerkzeugs und ist über den Rest seiner Oberfläche mit der Kunststoffschmelze bzw. dem erstarrenden Kunststoff verbunden.
Während des Erkaltens und Erstarrens der Kunststoffschmelze kommt es zu einem Stoffschluss des leitfähigen Lacks mit dem erstarrenden Kunststoff und somit zu einem Umhaften des Lacks von der Innenfläche des Spritzgießwerkzeugs auf den Kunststoff. Durch Wärmeübergang vom erkaltenden Kunststoff auf den leitfähigen Lack kommt es weiterhin bevorzugt zu einer zusätzlichen Trocknung, Verdichtung und Leitfähigkeitserhöhung des leitfähigen Lackes. Unter Umhaften ist dabei der im Folgenden beschriebenen Vorgang zu verstehen: Zunächst haftet der leitfähigen Lack auf der Innen- bzw. Oberfläche des Werkzeuges. Nach erfolgtem Einströmen der Schmelze bildet sich zwischen Schmelze und dem leitfähigen Lack eine höhere Adhäsionskraft auf, als sie zwischen Werkzeugoberfläche und leitfähigem Lack besteht. Die erfindungsgemäß erfolgende Umhaftung setzt weiter voraus, dass die Kohäsion des leitfähigen Lackes stärker sein muss, als die Adhäsionskraft zur Werkzeugoberfläche. Wenn nun das Werkzeug geöffnet wird, löst sich der Lack vollständig von der Werkzeuginnenfläche und haftet vollständig auf der erstarrten Schmelze, dem Spritzgussbauteil.
Nach der im Spritzgießprozess notwendigen Abkühlzeit wird das Spritzgießwerkzeug geöffnet und das Kunststoff-Bauteil mit dem stoffschlüssig integrierten leitfähigen Lack entformt. Der auf den Kunststoff umgehaftete Leitlack löst sich dabei vorteilhaft vollständig und rückstandlos von der Innenfläche des Spritzgießwerkzeugs. Der Leitlack schließt weiterhin vorteilhaft vollständig plan mit der Oberfläche des Kunststoff-Bauteils ab und bildet gemeinsam mit diesem einen erfindungsgemäßen spritzgegossenen Schaltungsträger. Der in den Schaltungsträger integrierte leitfähige Lack weist dabei ein Layout auf, das dem zuvor aufgebrachten Druckbild der Suspension eines leitfähigen Materials auf die Innenfläche des Spritzgießwerkzeugs annähernd vollständig entspricht.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Suspension eines leitfähigen Materials als Leiterbahn mit einer Breite b von 10–1000 µm, besonders bevorzugt 10–500 µm ebenfalls bevorzugt 10–90 µm und einer Trockenschichtdicke d von 3–50 µm, besonders bevorzugt 3–30 µm, ebenfalls bevorzugt 3–15 µm auf die Innenfläche des Spritzgießwerkzeugs aufgetragen. Diese Abmessungen verringern sich gegebenenfalls geringfügig bei der Trocknung zu einem leitfähigen Lack in Abhängigkeit des Masseanteils von Lösungsmittel, Verdünnnung und/oder Härter in der Suspension. Die Leiterbahnen werden in einem Zug aufgetragen oder sukzessive auf der Innenfläche des Spritzgießwerkzeugs aufgebaut, dabei ist die Erzeugung von Volltönen oder Rasterstrukturen möglich.
Der drucktechnische Auftrag der leitfähigen Suspension erfolgt bevorzugt mittels Tampondruck, Ink-Jet-Druck oder Aerosol-Jet-Druck. Der Tampondruck lässt sich besonders einfach in bestehende Spritzgießverfahren integrieren, ist in seiner Anwendbarkeit jedoch auf einfache Geometrien der zu erzeugenden Kunststoff-Bauteile bzw. der Kavitäten des Spritzgießwerkzeugs beschränkt. Mit dem Tampondruckverfahen lassen sich vorteilhaft auch höherviskose Suspensionen, bezogen auf den Bereich bevorzugter Viskositäten, problemlos drucken. Das Inkjet-Verfahren ist insbesondere für Suspensionen geringer bis mittlerer Viskosität, bezogen auf den Bereich bevorzugter Viskositäten, geeignet. Mit dem Inkjet-Verfahren lassen sich vorteilhaft auch auf komplizierte Bauteil- bzw. Kavitätengeometrien hochaufgelöste Strukturen bzw. Schaltungsbilder drucken. Ebenfalls vorteilhaft ist die gute Integrierbarkeit des Ink-Jet-Drucks in bestehende Spritzgießmaschinen. Das ebenfalls bevorzugte Aerosol-Jet Druckverfahren eignet sich besonders zum Auftragen höchstaufgelöster Strukturen bzw. Schaltungsbilder, mit auflösbaren Breiten im Bereich von 10 µm und vom im Nanometer- bis zum Mikrometer-Bereich frei einstellbaren Auftragsdicken.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird die Suspension so gewählt, dass der leitfähige Lack nach der Antrocknung eine Viskosität entsprechend seiner Ausdehnung, insbesondere der Dicke der aufgetragenen Leiterbahnstrukturen, aufweist. Besonders bevorzugt weist der leitfähige Lack für Leiterbahnen einer Dicke von d ≥ 10 µm eine Viskosität ν₁ größer der Viskosität ν₂ der eingespritzten Kunststoffschmelze auf. Für Leiterbahnen einer Dicke d ≥ 20 µm weist der angetrocknete leitfähige Lack bevorzugt eine Viskosität ν₁ > 2·ν₂ und für Leiterbahnen einer Trockenschichtdicke d ≥ 50 µm vorzugsweise eine Viskosität ν₁ > 5·ν₂ auf. Vorteilhaft können so auch dickere Leiterstrukturen, die der eingespritzten Kunststoffschmelze einen größeren Strömungsdruck entgegensetzen so stabil ausgeführt werden, dass der eingespritzte Kunststoff das Druckbild weder verschiebt noch zerstört. Bei Anstieg der Dicke der gedruckten Leiterbahnstrukturen ist die Viskosität des getrockneten Leitlacks entsprechend zu erhöhen. Die Viskosität des angetrockneten leitfähigen Lackes wird bevorzugt in Referenzversuchen mit gängigen Viskosimetern, bspw. mittels eines Rotations- oder Stabinger-Viskosimeters, bestimmt.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden bevorzugt Suspensionen eines leitfähigen Materials mit einer Viskosität ν₀ von 0,7–100 Pas, besonders bevorzugt 5–50 Pas und ebenfalls bevorzugt 10–30 Pas eingesetzt. Dabei ist die Viskosität insbesondere dem gewählten Druckverfahren und der Geometrien der herzustellenden Bauteile anzupassen. Ebenfalls bevorzugt enthalten die verwendeten Suspensionen zusätzlich 1–15 m%, besonders bevorzugt 1–10 m% und ebenfalls bevorzugt 1–5 m% eines Verdünners und/oder Härters. Besonders bevorzugt werden als Lösungsmittel, Verdünner und/oder Härter n-Butylacetat, Aceton, Xylol, Cumol, Ethylbenzol, Cyclohexanon, Iso-Alkane, Tolliuol oder Lösungsmittelnaphtha verwendet.
Bevorzugt enthalten die eingesetzten Suspensionen 5–50 m%, bevorzugt 10–40 m% und ebenfalls bevorzugt 15–30 m% metallische Nanopartikel, insbesondere Silber-, Gold-, Nickel-, Aluminium- und/oder Kupfer-haltige Nanopartikel. Ebenfalls bevorzugt ist die Verwendung von Suspensionen leitfähiger Kohlenstoff-Nanopartikel. Ebenfalls bevorzugt werden Suspensionen, enthaltend metallorganische Verbindungen, wie bspw. Metallsalze, insbesondere Silbersalze, gelöst in einem geeigneten Lösungmittel, eingesetzt.
Das Antrocknen der Suspension zu einerm leitfähigen Lack (Schritt b) erfolgt bevorzugt bei 30°C für 30–60 s, bei 100°C für 10–30s oder bei Temperaturen über 100°C für t < 10s. Dabei wird die Temperatur und Trocknungszeit der angestrebten Zykluszeit des Spritzgießverfahrens sowie der verwendeten Suspension angepasst. Ein langsames Trocknen der Suspension bei geringeren Temperaturen hat in der Regel einen stärkeren Anstieg der Leitfähigkeit zur Folge. Dies ist insbesondere bei der Verwendung metallorganischer Verbindungen und hinsichtlich der angestrebten Perkolation und Clusterbildung vorteilhaft.
Als Kunststoffe werden im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt Standardkunststoffe, Konstruktionskunststoffe und/oder Hochleistungskunststoffe, sowohl in amorpher als auch in teilkristalliner Form, eingesetzt. Besonders bevorzugt Polyolefine, Polyamide, Styrolpolymere, Polyacrylate, Polyester (deren Copolymere und Blends), aromatische Polysulfide und -sulfone, aromatische Polyether und -blends, Polyaryletherketone, Polyimide, Polyetherimide, Polyethersulphone, Polyphtalamide und/oder LCP als Kunststoff eingesetzt. Der Temperaturbereich für die Verarbeitung hängt dabei vom Material ab und beträgt bspw. für Polycarbonat zwischen 270–380°C und für Polyacryl, insbesondere PA66, zwischen 260–300°C. Ebenso material- und formabhängig ist der Einspritzdruck, der in der Regel zwischen 0–2500 bar beträgt, mit einem Nachdruck von 0–95% bezogen auf Einspritzdruck.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach dem ersten Einspritzen einer Kunststoffschmelze, deren Erstarren sowie der damit verbundenen Umhaftung des Leitlacks von der Werkezugoberfläche auf den erstarrenden Kuntstoff das Spritzgießwerkzeugs leicht geöffnet und erneut eine Kunststoffschmelze in das Werkzeug eingespritzt. Somit lässt sich vorteilhaft ein erfindungsgemäßer Schaltungsträger erzeugen, bei dem sich mindestens eine Lage von Leiterbahnen durch das Volumen des Bauteils erstreckt und somit zu Schutz-, Isolations- und/oder Dekorzwecken mit einer zusätzlichen Schicht Kunststoff bedeckt ist. Besonders vorteilhaft lassen sich so auch spritzgegossene Schaltungsträger mit mehrlagigem Aufbau, insbesondere mit mehreren Lagen von Leiterbahnen erzeugen.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei nach dem Erstarren des spritzgegossenen Schaltungsträgers mit oder ohne Kunststoff-bedeckten Leiterbahnen das Spritzgießwerkzeugs leicht geöffnet und das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere dessen Schritte a) bis d), wiederholt werden. Das Werkzeug wird somit leicht geöffnet und erneut eine Suspension eines leitfähigen Materials drucktechnisch auf die Werkzeuginnenfläche appliziert, zu einem leitfähigen schubfesten Lack angetrocknet und anschließend mit einer Kunststoffschmelze umspritzt. Die Kunststoffschmelze bewirkt dabei wiederum ein Umhaften des Leitlacks von der Werkzeugoberfläche auf den den erstarrenden Kunststoff sowie einen Stoffschluss zwischen erstarrendem Kunststoff und dem bereits erzeugten spritzgegossenen Schaltungsträger. Somit lassen sich vorteilhaft mehrlagige spritzgegossene Schaltungsträger mit mindestens zwei Lagen von Leiterbahnen erzeugen, wobei sich eine Leiterbahnenlage entlang der Oberfläche des Schaltungsträgers und mindestens zwei Leiterbahnenlagen durch das Volumen des Schaltungsträgers erstrecken. Somit lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft mehrlagige MID-Bauteile mit hoher Schaltkreisdichte erzeugen. Besonders bevorzugt werden die Schritte a) bis d) des erfindungsgemäßen Verfahrens in demselben Spritzgießwerkzeug mehrfach wiederholt.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein spritzgegossener Schaltungsträger, hergestellt im erfindungsgemäßen Verfahren.
Bevorzugt ist weiterhin ein spritzgegossener Schaltungsträger, hergestellt im erfndungsgemäßen Verfahren, wobei das Spritzgießwerkzeug nach der Erzeugung eines ersten spritzgegossenen Schaltungsträgers leicht geöffnet und erneut eine Kunststoffschmelze eingespritzt wird. Dieser bevorzugte spritzgegossene Schaltungsträger weist vorteilhaft mindestens eine sich durch das Volumen des Schaltungsträgers erstreckende Leiterbahnenlage auf. Diese ist somit vorteilhaft vor Beschädigung, Verschmutzung oder ungewünschten Raumladungen geschützt.
Ebenfalls bevorzugt ist ein spritzgegossener Schaltungsträger, hergestellt im erfindungsgemäßen Verfahren, wobei das Spritzgießwerkzeug nach der Erzeugung eines ersten spritzgegossenen Schaltungsträgers leicht geöffnet wird und der drucktechnische Auftrag einer Suspension eines leitfähigen Materials, dessen Antrocknung zu einem leitfähigen Lack, das Schließen des Werkzeugs, das Einspritzen einer Kunststoffschmelze und das darauf folgende Umhaften des Leitlacks erneut erfolgt. Dabei bewirkt die einströmende Kunststoffschmelze sowohl einen Stoffschluss mit dem leitfähigen Lack als auch mit dem bereits bestehenden spritzgegossenen Schaltungsträger. Diese bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen spritzgegossenen Schaltungsträgers weist somit mindestens zwei Lagen Leiterbahnen auf, wobei sich eine Leiterbahnenlage entlang der Oberfläche des Schaltungsträgers und mindestens zwei Leiterbahnenlagen durch dessen Volumen erstrecken. Somit weist dieser spritzgegossene Schaltungsträger einen mehrlagigen Aufbau mit einer hohen Schaltkreisdichte auf.
Bevorzugt weist der spritzgegossene Schaltungsträger eine planare Prozessfläche oder mehrere planparallele Prozessflächen auf. Prozessflächen im Sinne dieser Schrift bezeichnen dabei mit Leiterbahnen versehenen Flächen des Spritzgußbauteils. Diese Flächen liegen entweder frei oder sind mit einer Kunststoffschicht bedeckt. Somit kann der erfindungsgemäße spritzgegossene Schaltungsträger auch die Form eines konventionellen Printed-Circuit-Boards (PCB), auch mit mehrlagigem Aufbau, aufweisen.
Ebenfalls bevorzugt ist ein spritzgegossener Schaltungsträger mit winklig zueinander angeordneten Prozessflächen, Regelflächen, Zylinderflächen, gekrümmten Flächen oder anderen im Spritzguss realisierbaren Freiformflächen. Somit kann der erfindungsgemäße Schaltungsträger nahezu beliebige Formen aufweisen, solange diese spritzgießtechnisch realisierbar sind und die Innenflächen des Spritzgießwerkzeuges in einem der bevorzugten Druckverfahren mit einer Suspension eines leitfähigen Materials bedruckbar sind. Vorteilhaft sind derartige Schaltungsträger in der Kfz-Technik, der Telekommunikation, bspw. für Steckverbinder, einsetzbar.
Ebenfalls bevorzugt weist der spritzgegossene Schaltungsträger zusätzliche auf eine Fläche angespritzte 3D-Elemente auf. Dazu werden einem bereits erzeugten erfindungsgemäßen Schaltungsträger weitere Kunststoffelemente, bspw. zur Verbindung mit anderen Bauteilen, angespritzt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren und eines Ausführungsbeispiels erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein. Dabei zeigen:
1: Eine perspektivische Darstellung eines geöffneten Spritzgießwerkzeugs,
2: Eine perspektivische Darstellung eines geöffneten Spritzgießwerkzeugs mit eingeführtem Druckwerkzeug,
3: Eine perspektivische Darstellung eines geöffneten Spritzgießwerkzeugs mit entformtem spritzgegossenen Schaltungsträger,
4: Eine perspektivische Darstellung eines im erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten spritzgegossenen Schaltungsträgers,
5: Eine schematische Darstellung des drucktechnischen Auftrags einer Suspension eines leitfähigen Materials auf die Innenfläche eines Spritzgießwerkzeugs im Tampondruck-Verfahren,
6: Eine schematische Darstellung des Einspritzens einer Kunststoffschmelze in ein Spritzgießwerkzeug, Umhaften und Stoffschluss des Lacks auf den erstarrenden Kunststoff sowie Umspritzen des spritzgegossenen Schaltungsträgers.
Die 1 zeigt ein gewöhnliches Spritzgießwerkzeug, bestehend aus zwei Halbteilen 1, 2 die jeweils eine Kavität 4 aufweisen, die über einen Angusskanal 3 mit einer Kunststoffschmelze befüllbar ist.
In 2 ist das Spritzgießwerkzeug 1, 2 mit einem eingeführten Druckwerkzeug 5 gezeigt. Mit dem Druckwerkzeug 5 erfolgt der erfindungsgemäße drucktechnische Auftrag einer Leiterbahn aus einer Suspension eines leitfähigen Materials auf die Werkzeugoberfläche 1, 2. Bei der Suspension, welche auf die Spritzgußformoberfläche 1, 2 aufgebracht wird, handelt es sich um eine Metallpartikelsuspension aus in Lösungsmittel suspendierten metallischen Nanopartikeln.
Die Suspension trocknet anschließend auf der Werkzeugoberfläche 1, 2 zu einem leitfähigen Lack und wird bei geschlossenem Werkzeug 1, 2 mit einer Kunststoffschmelze überspritzt.
Aufgrund der hinreichenden Haftung des Lackes auf der Formoberfläche 1, 2 sowie der hinreichenden Schubfestigkeit des Lackes in sich, wird die auf die Werkzeugoberfläche 1, 2 gedruckte Leiterbahn nicht durch die, in das Werkzeug einströmende, Kunststoffschmelze verschoben oder zerstört; das Druckbild bleibt vollständig bestehen.
In 3 wird die Entformung eines erfindungsgemäßen spritzgegossenen Schaltungsträgers 6 aus dem Spritzgießwerkzeug 1, 2 gezeigt. Nach dem Ende der Kühlzeit des Spritzgießprozesses ist die Kunststoffschmelze erstarrrt und der getrocknete leitfähige Lack haftet fest auf dem Kunststoffbauteil. Beim Öffnen des Spritzgießwerkzeugs 1, 2 wird der leitfähige Lack gemeinsam mit dem Kunststoff vollständig von der Oberfläche des Spritzgießwerkzeugs abgelöst.
Die 4 zeigt eine Detailansicht des im erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten spritzgegossenen Schaltungsträgers 6. Dieser besteht aus einem Bauteil 10 aus PA 66 und trägt an seiner Oberfläche eine mit dieser fest verbundene Leiterbahnstruktur 9, die dem ehemaligen Druckbild der Suspension auf der Werkzeugoberfläche 1, 2 vollständig entspricht. Bei dem in 4 gezeigten Bauteil handelt es sich um einen Aggregatträger 10 mit einer elektrisch leitenden Spur 9 zur Ableitung der statischen Aufladung und Ausgleich der Potentialdifferenz. Dazu weist das Bauteil 10 vier Bohrungen 7 bzw. eine Bohrung 8 zur Halterung des Aggregats bzw. des Bauteils auf, die über eine Leiterbahn 9 miteinander verbunden sind.
In 5 und 6 sind die während des Tampondrucks stattfindenden Umhaftungsprozesse beim Auftragen der Suspension eines leitfähigen Materials 12 auf die Werkzeugoberfläche 2 und beim Einspritzen einer Kunststoffschmelze 14 schematisch dargestellt.
Um zu dem in 5(a) gezeigten Zustand zu gelangen, wurde eine Metallpartikelsuspension 12 von einem Klischee auf einen Tampon 11 umgehaftet. Die Suspension 12 ist dabei noch stark lösungsmittelhaltig und fluidisch. Bei dem in 5(b) gezeigten Bedrucken der Werkzeugoberfläche 2 haftet die Suspension vom Tampon 11 auf die Werkzeugoberfläche 2 um. Dadurch wird bei Wegnahme des Tampons 11 der in 5(c) gezeigte Zustand erreicht, in dem die Suspension 12 auf der Werkzeugoberfläche 2 haftet und dabei exakt dem zuvor auf dem Tampon 11 vorhandenen Druckbild entspricht.
Sobald die Suspension 12 sich auf der Werkzeugoberfläche 1, 2 befindet setzt deren Antrocknungsprozess ein. Hierbei entsteht auf der Werkzeugoberfläche 1, 2 ein viskoser und schubfester leitfähiger Lack 13. Erst bei hinreichender Antrocknung und hinreichender Schubfestigkeit des Leitlackes 13 wird das Werkzeug 1, 2 geschlossen und die Kunststoffschmelze 14 eingespritzt. Bei der Abkühlung der Kunststoffschmelze 14 im Werkzeug 1, 2 erfolgt durch die thermische Energie der heißen Kunststoffschmelze 14 eine weitere Trocknung der Suspension 12 und eine Verdichtung der darin enthaltenen Metallpartikel durch den Druck der Kunststoffschmelze. Als Resultat der Antrocknung und der Einwirkung der erstarrende Schmelze tritt Perkolation auf und die Leitfähigkeit des Lacks 13 stellt sich ein.
Die 6(a) zeigt das geschlossene Werkzeug 1, 2 mit seinen beiden Oberflächen 1 und 2, das Druckbild aus leitfähigem Lack 13 und den eingespritzten Kunststoff 14. Der Kunststoff 14 umschließt 3-seitig die erhabenen Schichten des Leitlackes 13 ohne diese zu zerstören oder auf der Werkzeugoberfläche 1, 2 zu verschieben. Bei der Abkühlung des Kunststoffes aus der Schmelze 14 zum Feststoff 10 erfolgt die Umhaftung des Leitlackes 13 von der Werkzeugoberfläche 1, 2 auf die entstehende Oberfläche des entstehenden Bauteils 10. In dem in 6(b) gezeigten Zustand haftet der Leitlack 13 beim Öffnen des Werkzeuges 1, 2 vollständig auf der Oberfläche des Kunststoffbauteils 10. Das Kunststoffbauteil 10 trägt nun an seiner Oberfläche eine leitfähige Struktur 13, welche dem ursprünglichen Druckbild der leitfähigen Suspension 12 auf der Werkzeugoberfläche 1, 2 vollständig entspricht.
Die 6(c) zeigt, wie erneut eine Kunststoffschmelze 14 auf das bereits hinreichend abgekühlte Bauteil 10 aufgespritzt wird. Dazu wird das Werkzeug 1, 2 leicht geöffnet und eine weitere Lage Kunststoff 14, z.B. zum Schutz oder zur Dekoration, aufgespritzt. Ist auch die nachträglich eingespritzte Kunststoffschmelze 14 erstarrt, ist ein spritzgegossener Schaltungsträger mit einer sich durch dessen Volumen erstreckenden Lage von Leiterbahnen aus gehärtetem leitfähigem Lack 13 entstanden. Zur Kontaktierung der Leiterbahnen 13, werden Kontaktstellen frei gelassen oder durch nachträglichen Abtrag freigelegt.
Bezugszeichenliste

1: Spritzgießwerkzeug, Hälfte
2: Spritzgießwerkzeug, Hälfte
3: Angusskanal
4: Kavität
5: Druckwerkzeug
6: Spritzgegossener Schaltungsträger
7: Bohrung
8: Bohrung
9: Leiterbahn
10: Bauteil, PA 66
11: Tampon
12: Metallpartikelsuspension
13: Leitfähiger Lack
14: Kunststoffschmelze

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 00/67982 A1 [0005]
EP 2194571 A1 [0007]
WO 99/45077 A1 [0009]
US 7976736 B2 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Electrically interconnected assemblies of microscale device components by printing and molding, Kim et al. [0011]
Inkjet printing as a deposition and patterning tool for polymers and inorganic particles, Tekin et al. [0011]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines spritzgegossenen Schaltungsträgers in einem Spritzgießwerkzeug, aufweisend die Schritte: a) Drucktechnischer Auftrag einer Suspension oder Dispersion eines leitfähigen Materials direkt auf die Innenfläche des Spritzgießwerkzeugs, b) Antrocknen der Suspension oder Dispersion und Perkolation zu einem leitfähigen Lack der Viskosität ν₁, c) Schließen des Werkzeugs und Einspritzen einer Kunststoffschmelze der Viskosität ν₂ ≤ ν₁ in das Werkzeug, d) Umhaften des Lacks und Stoffschluss mit dem erstarrenden Kunststoff, e) Öffnen des Werkzeugs und Entformen des spritzgegossenen Schaltungsträgers.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension oder Dispersion als Leiterbahn mit einer Breite b von 10–1000 µm und einer Trockenschichtdicke d von 3–50 µm auf die Innenfläche des Spritzgießwerkzeugs aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftrag mittels Tampondruck, Ink-Jet oder Aerosol-Jet erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für Leiterbahnen einer Dicke d ≥ 10 µm der leitfähige Lack eine Viskosität ν₁ > ν₂, für Leiterbahnen einer Dicke d ≥ 20 µm der leitfähige Lack eine Viskosität ν₁ > 2·ν₂ und für Leiterbahnen einer Dicke d ≥ 50 µm der leitfähige Lack eine Viskosität ν₁ > 5·ν₂ aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension oder Dispersion eine Viskosität ν₀ von 0,7–100 Pas aufweist und 1–5 m% eines Verdünners und/oder Härters enthält.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension oder Dispersion metallische Nanopartikel und/oder metallorganische Verbindungen enthält.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antrocknen in Schritt b) bei 30°C für 30–60 s, bei 100°C für 10–30 s oder bei Temperaturen über 100°C für t < 10 s erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt d) das Spritzgießwerkzeugs leicht geöffnet und erneut eine Kunststoffschmelze eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt d) das Spritzgießwerkzeugs leicht geöffnet und die Schritte a) bis d) wiederholt werden.
Spritzgegossener Schaltungsträger, hergestellt in einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Spritzgegossener Schaltungsträger, hergestellt in einem Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens eine Leiterbahnenlage durch das Volumen des Schaltungsträgers erstreckt.
Spritzgegossener Schaltungsträger, hergestellt in einem Verfahren nach Anspruch 9, aufweisend mindestens zwei Lagen von Leiterbahnen, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Leiterbahnenlage auf der Oberfläche und mindestens eine Leiterbahnenlage durch das Volumen des Schaltungsträgers erstreckt.
Spritzgegossener Schaltungsträger, nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass er eine planare Prozessfläche oder mehrere planparallele Prozessflächen aufweist.
Spritzgegossener Schaltungsträger, nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass er winklig zueinander angeordnete Prozessflächen, Regelflächen, Zylinderflächen, gekrümmte Flächen oder andere im Spritzguss realisierbare Freiformflächen aufweist.
Spritzgegossener Schaltungsträger, nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Fläche zusätzliche 3D-Elemente angespritzt sind.