DE19852776A1

DE19852776A1 - Verfahren zur Metallisierung von Kunststoffen

Info

Publication number: DE19852776A1
Application number: DE1998152776
Authority: DE
Inventors: Sebastian Beil; Herbert Horn-Solle; Frank Gruembel; Li-Ya Yeh
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-11-16
Filing date: 1998-11-16
Publication date: 2000-05-18

Abstract

Verfahren zur Metallisierung von Kunststoffen durch stromlose Metallabscheidung unter Verzicht auf die vorherige Abscheidung eines Edelmetallkatalysators. Die Kunststoffoberfläche wird dazu durch elektromagnetische Strahlung aktiviert, so daß ein im Kunststoff vorhandener Füllstoff in einem stromlosen Bad eine Metallabscheidung initiiert.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Metallisierung von Kunststoffen ohne Bekeimung mit Palladium nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beschreibung

Bei der galvanischen Metallisierung von Kunststoffen wird eine erste leitfähige Schicht aus einem stromlosen Bad abgeschieden, die anschließend elektrisch kontaktiert und häufig durch eine zweite, galvanisch aufgebrachte Schicht verstärkt wird. Zur Abscheidung der ersten Schicht muß die Oberfläche zunächst nach Stand der Technik mit Edelmetallatomen (bevorzugt Palladium) versehen werden. Dieser Schritt wird als Bekeimung bezeichnet. Bei der Bekeimung werden überwiegend kolloidale oder ionogene Bäder eingesetzt, bei denen durch eine Abfolge mehrerer Bäder eine Schicht fein verteilten atomaren Palladiums abgeschieden wird. Bei der Abscheidung im stromlosen Metallisierungsbad reagieren im Bad vorhandene Metallionen mit einem ebenfalls im Bad enthaltenen Reduktionsmittel. Das Bad ist derartig stabilisiert, daß in einem geeigneten Bereich von Temperatur und pH-Wert die Reaktion unterbleibt. Durch einen Katalysator auf der zu metallisierenden Oberfläche läuft die Reaktion nur im oberflächennahen Bereich ab und die Metallionen werden reduziert. Dabei entsteht eine erste dünne und zunächst schlecht, mit wachsender Dicke besser leitfähige Schicht auf dem elektrisch isolierenden Grundmaterial (R. Suchentrunk (ed.) Kunststoff-Metallisierung, Handbuch für Theorie und Praxis, Eugen G. Leuze Verlag, 1991).

Daneben sind Arbeiten bekannt, bei denen durch eine Bestrahlung mit UV-Licht eine Aktivierung von auf der Oberfläche vorhandenen Substanzen ebenfalls eine Abscheidung in stromlosen Bädern induziert werden kann (G. A. Shafeev: Laser activation and metallization of oxide ceramics, Advanced Materials for Optics and Electronics, 2, 183-189, 1993). Hierbei handelt es sich etwa um oxidische Keramiken (SrTiO₃, Al₂O₃).

Aus der US 5,599,592 ist bereits bekannt, derartige Substanzen aktivieren, wenn sie sich als Füllmaterial in einer Kunststoffmatrix befinden. Die Oxide werden in zerkleinerter Form während des Spritzgußvorgangs zugegeben und befinden sich feinverteilt in dem fertigen Werkstück. Durch Behandlung mit einem Excimer Laser können diese Partikel aktiviert werden, und eine stromlose Metallisierung auf der so behandelten Oberfläche erzielt werden.

Eine stromlose Metallisierung von Kunststoffen ohne einen Bekeimungsschritt mit einem Edelmetall ermöglicht einen deutlich einfacheren und kostengünstigeren Prozeßablauf als mit den üblichen Verfahren. Durch den Wegfall der Bekeimungsbäder reduziert sich der entsprechende Aufwand für das Handling der Werkstücke und die zwischen den Bädern nötigen Spülschritte. Außerdem wird kein teures Edelmetall mehr benötigt. Das Verfahren nach US 5,599,592 hat jedoch die Nachteile, daß toxische Antimonverbindungen eingesetzt werden müssen und daß die Aktivierung durch Wellenlängen unterhalb von 350 nm erfolgen muß. Intensive Laserstrahlung im UV-Bereich ist heute nur durch Excimer-Laser verfügbar, die jedoch nur geringe mittlere Leistungen aufweisen und hohen Wartungsaufwandes bedürfen.

Aufgabe dieser Erfindung ist ein Verfahren, das eine stromlose Metallisierung auf Kunststoffoberflächen durch Einwirkung auch von infraroter Laserstrahlung ermöglicht, wobei keine Abscheidung von Edelmetallkeimen vor der Metallisierung erfolgen soll.

Darstellung der Erfindung

Bei einer Untersuchung zur Überprüfung einer stromlosen Metallisierung von Kunststoffen durch die UV-Aktivierung von Füllstoffen wurde zufällig gefunden, daß sich auch mit rotem Phosphor gefüllte Kunststoffe nach Laseraktivierung stromlos metallisieren lassen. Bei einem weiteren Experiment wurde entdeckt, daß diese Metallisierung auch durch Bestrahlung mit IR-Laserstrahlung erzielt werden kann. Vorteilhaft an einer Aktivierung mit infraroter Laserstrahlung ist der mögliche Einsatz von Hochleistungslasern, die einer wesentlich schnellere und kostengünstigere Behandlung von der Kunststoffoberflächen erlauben. Weiterhin kann auf das krebserregende Sb₂O₃ verzichtet werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt die Metallisierung eines Kunststoffes indem ein Kunststoff, der unter anderem roten Phosphor als Füllmaterial enthält, mit gepulster Laserstrahlung beaufschlagt wird, so daß die Oberfläche des Kunststoffes abgetragen wird und die Partikel der Füllmaterials mit der Laserstrahlung beaufschlagt werden, und indem die so behandelte Kunststoffoberfläche mit einem stromlosen Metallisierungsbad in Kontakt gebracht wird, in dem dann die Abscheidung nur auf den zuvor mit der Laserstrahlung beaufschlagten Flächen erfolgt.

Im folgenden wird versucht, die für die Metallisierung verantwortlichen Effekte zu erklären, ohne daß dadurch die Allgemeinheit und die Anwendbarkeit der Erfindung eingeschränkt wird.

Verantwortlich für die Metallisierung ist vermutlich der in dem Kunststoff enthaltenen Phosphor, der offenbar durch die intensive Laserbestrahlung chemisch so verändert wird, daß er in dem stromlosen Metallisierungsbad eine Abscheidung verursacht. In allen Fällen wurde auch eine Abscheidung an freigelegten Glasfasern gefunden. Dies und die Tatsache, daß die Metallisierung auch nach Bestrahlung mit einem CO₂ Laser auftritt, legt die Vermutung nahe, daß es sich hierbei um einen thermischen Effekt handelt. Dabei könnte durch die gepulste Laserstrahlung der Phosphor kurzzeitig resublimiert werden. Auch die bei Excimer-Laser Behandlung benötigten Energiedichten und Pulszahlen (siehe Beispiel 2) deuten in diese Richtung, da bei hohen Pulszahlen ebenfalls eine Aufheizung des Materials erfolgt. Durch die Aufheizung könnte die Bildung einer reduzierenden Substanz erfolgen, die die Aktivität in dem stromlosen Bad erhöht. Dieses Bad benutzt ebenfalls eine Phosohorverbindung (Natriumphosphinat NaH₂ Po₂) als Reduktionsmittel.

Im folgen soll das erfindungsgemäße Verfahren ohne Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens an Ausführungsbeispielen erläutert werden.

Beispiel 1

Verwendet wurden Proben von PA 66, gefüllt mit 0.19% Sb₂O₃, 5-6% rotem Phosphor und 25% Glasfasern. Die Proben wurden mit einem gepdlsten CO₂ Laser (Pulslänge ca 500 ns, Repetitionsfrequenz 1800 Hz, Ausgangsleistung von ca. 300 W) für ca. 0.5 s bestrahlt. Der Durchmesser des Strahls betrug ca. 10 mm. Durch die starke Wärmeentwicklung kam es zu einem Abtrag des Materials bis unter die Glasfasern. Die Metallisierung erfolgte in einem stromlosen Nickelbad mit Hypophosphit (Natriumphosphinat) als Reduktionsmittel (NiAK von Atotec). Im Gegensatz zu den Herstellerangaben 40-45°C bei pH 8.5) wurde das Bad bei 90°C und pH 9 betrieben. Die Proben wurden für 2 Stunden in das Bad getaucht. Das Bad wurde dabei leicht gerührt. Nach ca. 30 Minuten war bereits eine erste Aktivität auf den bestrahlten Stellen der Probe erkennbar (Aufsteigen von Bläschen). Nach zwei Stunden hat sich an den mit der Laserstrahlung beaufschlagten Stellen eine deutlich sichtbare Metallschicht gebildet.

Beispiel 2

Proben des gleichen Kunststoffes wie in Beispiel 1 werden mit Excimer- Laserstrahlung der Wellenlänge 248 nm beaufschlagt. Der Strahl war auf eine Fläche von 1.5 × 1.5 mm abgebildet. Die Energiedichte betrug 528 mJ/cm², die Repetitionsfrequenz 40 Hz. Die Kunststoffoberfläche wurde mit 5600 Pulsen bestrahlt. Die Proben wurden in das Bad aus Beispiel 1 getaucht. Hierbei war nach 30 Minuten eine Metallschicht zu erkennen. Entsprechende Metallisierung findet sich nach einer Excimer Laser Behandlung zwischen 330-530 mJ/cm² und 2000-6000 Pulsen. Entsprechend kann nach einer Behandlung mit einem frequenzverdreifachten Nd- YAG Laser (355 nm) mit einer Repetitionsrate von 5 kHz, einer mittleren Leistung von 1.24 W und einer Verfahrgeschwindigkeit von 30 mm/s bei einem Focusdurchmesser von 20 µm eine Metallisierung erreicht werden.

Claims

1. Verfahren zur Metallisierung von Kunststoffen ohne Bekeimung mit Palladium, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffwerkstück mit Partikeln einer photoaktivierbaren Substanz gefüllt ist, daß die Oberfläche des Kunststoffwerkstücks mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagt wird, daß der Kunststoff durch diese Beaufschlagung abgetragen wird, so daß die Partikel freigelegt werden, daß das Kunststoffwerkstück in ein Bad zur stromlosen Metallisierung getaucht wird und daß dieses Bad Metall an den zuvor mit Strahlung beaufschlagten Stellen abscheidet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beaufschlagende elektromagnetische Strahlung Laserstrahlung ist.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung im infraroten Spektralbereich, bevorzugt bei einer Wellenlänge von 10.6 µm liegt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die photoaktivierbare Substanz durch die Laserbehandlung sublimiert und sich an benachbarten Stellen des Oberfläche niederschlägt, so daß sich eine homogene Belegung der photoaktivierbaren Substanz bildet.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die photoaktivierbare Substanz roter Phosphor ist.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff mit weiteren gängigen Füllstoffen versetzt sein kann.