DE19859695A1

DE19859695A1 - Verfahren zum Beschichten von Substraten aus Kunststoff

Info

Publication number: DE19859695A1
Application number: DE19859695A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Gruenwald; Thomas Schulte; Klaus Nauenburg; Wilfried Dicken
Original assignee: Leybold Systems GmbH
Current assignee: Buehler Alzenau GmbH
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1998-12-23
Publication date: 2000-06-29
Also published as: JP2000191813A; FR2787812A1; US6488384B2; US20020097512A1; FR2787812B1; IT1314150B1; ITMI992662A0; ITMI992662A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Beschichten von Substraten aus Kunststoff mit einer das Licht reflektierenden Schicht, vorzugsweise einer Aluminiumschicht, und einer zwischen dem Substrat und der lichtreflektierenden Schicht angeordneten weiteren Schicht ist die weitere, eine hohe Sperrwirkung gegenüber aus dem Kunststoff auswandernden oder abgasenden Substanzen aufweisende Schicht eine hochvernetzte Kohlenwasserstoff-, beispielsweise eine Siliziumoxid-, Siliziumnitrid- oder Siliziumoxinitridschicht mit einer Dicke von mindestens 15 nm, wobei der Kohlenstoffgehalt der Sperrschicht < 15% beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschich ten von Substraten aus Kunststoff mit einer das Licht reflektierenden Schicht, vorzugsweise einer Aluminiumschicht und mit einer zwischen dem Substrat und der lichtreflektierenden Schicht an geordneten weiteren Schicht.

Das Reflexionsvermögen von Reflektoren, die auf Kunststoffsubstraten durch Aufbringen dünner Me tallschichten im Vakuum hergestellt werden, ist häufig bedingt durch die Herstellungs- und Ge brauchsbedingungen nicht befriedigend. Dies kann unterschiedliche Ursachen haben, die häufig in den Eigenschaften der Kunststoffoberfläche liegen:
Zum einem ist die Rauhigkeit der Kunststoffober fläche zu hoch. Das Licht wird hierdurch teilweise auf Kosten des erwünschten Reflexes diffus ge streut. Dieser Effekt kann durch das Verfahren zum Aufbringen der Metallschicht noch ungünstigerweise verstärkt werden. So ist bekannt, daß beim thermi schen Aufdampfen von Metallschichten in der Regel körnige Schichten entstehen, deren Korngröße und damit Rauhigkeit mit der Schichtdicke zunimmt. Aus diesem Grund gibt es für das Reflexionsvermögen von aufgedampften Metallschichten eine optimale Schichtdicke, die bei minimaler Korngröße noch ausreichende (optisch dichte) Bedeckung gewährlei stet. Dieser Effekt macht sich auf Formteilen be sonders unangenehm bemerkbar, da hierauf oft sehr unterschiedliche Schichtdicken gefunden werden derart, daß auf bestimmten Flächen sich noch keine genügend dicke und damit optisch dichte und damit vollständig reflektierende Schicht ausgebildet hat, während auf anderen Flächen das Reflexions vermögen durch zu weit fortgeschrittene Korngröße bereits wieder vermindert ist. Besonders verstärkt wird dieser Effekt bei schrägem Einfall der Dampf teilchen auf die zu beschichtende Oberfläche, da hierbei hervorstehende Spitzen bevorzugt beschich tet werden und dabei dahinter liegende Bereiche der Oberfläche abschatten, d. h. dort stark ver mindertes Schichtwachstum bewirken. Dieses Problem läßt sich durch Bewegen (meist: Rotieren) der Formteile während des Bedampfens vermindern, aber nicht lösen.

Zum anderen hängt das Reflexionsvermögen der Me tallschicht von ihrer Reinheit ab. Je stärker die Schicht beispielsweise durch oxidische Anteile verunreinigt ist, desto mehr fällt ihr Reflexions vermögen ab. In dieser Hinsicht besonders empfind lich sind die in der Technik bei weitem am häufig sten eingesetzten Aluminiumschichten, da Alumini umdampf besonders reaktiv ist. Besonders unange nehm ist hierbei, daß sich verunreinigte Alumini umschichten auch durch einen mehr oder minder aus geprägten Gelb- oder Braunton bemerkbar machen. Es kommt also darauf an, während des Vakuumbeschich tens reaktive Fremdgase möglichst weitgehend vom Metalldampf fernzuhalten. Eine allgemein übliche Maßnahme hierzu ist das Einhalten eines möglichst sauberen Vakuums. Dies ist jedoch nicht ausrei chend, wenn aus dem Kunststoffmaterial während der Beschichtung Gase oder Dämpfe austreten. Diese sind deswegen besonders nachteilig, weil sie genau dort auftreten, wo die Metallschicht gebildet wird, so daß sie mit besonders hoher Wahrschein lichkeit zur Schichtverunreinigung beitragen. Das Problem tritt vor allem bei stark ausgasenden Kunststoffen wie Polyamid oder BMC (bulk molded compound) auf und zwar besonders dann, wenn der Kunststoff nicht vor der Vakuumbeschichtung vor lackiert wurde.

Schließlich kann eine optisch befriedigende Me tallschicht im Laufe der Benutzung insbesondere unter erhöhter Temperatur, wie sie in einem Scheinwerfer auftreten kann, deutlich an Refle xionsvermögen einbüßen, wenn hierbei Substanzen aus dem Kunststoffmaterial auswandern und sich in Form von Dämpfen im Scheinwerfer ausbreiten. Die Dämpfe können an kälteren Oberflächen des Schein werfers in Form eines matten, unansehnlichen Bela ges kondensieren. Besonders störend wirken diese Beläge auf dem Reflektor, einer eventuell vorgese henen Umrandung und der durchsichtigen Streu- oder Abdeckscheibe. In diesen Fällen wird die optische Erscheinung des Scheinwerfers und häufig auch die Lichtausbeute empfindlich gestört. Dieses Phänomen ist besonders bei stark ausgasenden Kunststoffen, wie z. B. BMC-Materialien, sehr störend.

Zur Steigerung des Reflexionsvermögens werden des halb Scheinwerferreflektoren häufig vor der Me tallbeschichtung mit einer Lackschicht versehen, welche die Rauhigkeit der Oberfläche ausgleichen und im Fall von Kunststoffteilen das Auswandern und Desorbieren von Substanzen aus dem Kunststoff material während der Metallbeschichtung und des späteren Betriebes unterdrücken sollen.

So wird in der DE 37 31 686 vorgeschlagen, auf ei ner zuvor aufgebrachten Lackschicht zusätzlich noch mit Hilfe eines Plasmas eine Polymerschicht aufzubringen, um die Haftfestigkeit, die Korrosi onsbeständigkeit und das Reflexionsvermögen der nachfolgend hergestellten Metallschicht zu verbes sern.

Bekannt ist auch gemäß EP 0 136 450 ein Verfahren zum Herstellen einer Spiegelschicht, insbesondere für Scheinwerferreflektoren, wobei auf eine vor zugsweise thermisch härtbare Lackschicht, insbe sondere Kunstharz-Pulverschicht des Grundkörpers in einem evakuierbaren Rezipienten eine Schicht aus Aluminium aufgestäubt wird, wobei das Aufstäu ben der Aluminiumschicht nach einem Evakuieren auf Drücke von 8.10^-3 Pa bis 3.10^-2 Pa bei Inertgas-Sput terdrücken zwischen 6.10^-2 Pa und 1 Pa bei Be schichtungsraten von ca. 5 nm/sec unter Verwendung eines Magnetrons, vorzugsweise eines Planarmagne trons, erfolgt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auf die un lackierten Kunstoffteile wie Reflektor- oder Um randungsrohlinge vor der Metallbeschichtung mit tels eines Vakuumverfahrens, vorzugsweise eines plasmagestützten Beschichtungsverfahrens eine Zwi schenschicht mit möglichst hoher Sperrwirkung ge genüber Substanzen, die aus dem Kunststoffmaterial auswandern und abgasen können, aufgebracht. Zu diesen Substanzen zählt in der Regel Wasser, es können aber je nach Kunststoffmaterial auch orga nische Substanzen, wie Reste nicht reagierter Mo nomere, z. B. Acrylnitril aus ABS, oder Styrol (aus BMC) austreten.

Als Schicht im Sinne der Erfindung eignen sich hochvernetzte Kohlenwasserstoffschichten, silizi umoxid-, siliziumnitrid- oder siliziumoxinitrid artige Schichten. Für die Sperrwirkung letzterer Schichten ist wesentlich, daß, falls die Schichten (wie bevorzugt) unter Verwendung von siliziumorga nischen Verbindungen hergestellt werden, der Koh lenstoffgehalt nicht zu hoch gewählt wird. Der Kohlenstoffgehalt sollte < 15% vorzugsweise < 8% sein. Es stellte sich heraus, daß solche Sperrschichten nicht nur das Auswandern von Trü bung verursachenden Substanzen aus dem Kunststoff während des Gebrauchs des Scheinwerfers deutlich vermindern, sondern sich auch förderlich auf das Reflexionsvermögen von darauf hergestellten Me tall-, insbesondere Aluminiumschichten auswirken. Hierzu ist es überraschenderweise nicht erforder lich, die Zwischenschicht in großer Schichtdicke aufzubringen, um so die Rauhigkeit der Kunst stoffoberfläche auszugleichen. Eine Dicke von 15 nm kann für eine mit Plasma-CVD- oder Remote plasma-CVD-Verfahren hergestellte Zwischenschicht, je nach Kunststoffmaterial, ausreichend sein.

Für nach diesem Verfahren hergestellte Schichten hat sich eine Dicke von 30 nm bis 60 nm besonders bewährt.

Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens be steht in einer anderen Herstellung der Schicht, nämlich indem ein radikalisch polymerisierbares Monomer auf den Kunststoffteilen unter Vakuum aus der Gasphase aufkondensiert und anschließend mit Hilfe eines Plasmas durchpolymerisiert wird. Die ser Verfahrensschritt (plasmainduzierte Polymeri sation) besteht aus folgenden Teilschritten:
Zunächst wird das zu beschichtende Teil temperiert auf Raumtemperatur oder vorzugsweise eine darunter liegende Temperatur und dann unverzüglich in eine Vakuumkammer mit beheizten Wänden eingebracht. Die Vakuumkammer wird daraufhin evakuiert auf typi scherweise 1 Pa. Nun kann meist mit Vorteil eine kurze Plasmavorbehandlung nach dem Stand der Tech nik angeschlossen werden mit dem Ziel, die Ober flächenenergie des Kunststoffteils zu erhöhen.

Hierzu wird Gas, beispielsweise ein Edelgas, Sau erstoff, Stickstoff, Luft oder ein anderes sauer stoff- oder stickstoffhaltiges Gas oder Gasgemisch eingelassen und bei einem Gleichgewichtsdruck von bevorzugt 10 Pa bis 100 Pa ein Plasma gezündet. Hierbei ist dafür zu sorgen, daß das zu beschich tende Teil durch die Plasmabehandlung nicht unzu lässig erwärmt wird. Anschließend wird mindestens ein dampfförmiges Monomer in die Vakuumkammer ein gelassen. Dieses kondensiert bevorzugt an den käl testen Flächen, also auf der Oberfläche des zu be schichtenden Teils. Bei ausreichender Höhe der Oberflächenenergie des zu beschichtenden Teils wird ein geschlossener, glatter Monomerfilm auf der Oberfläche erzeugt, der anschließend durch Einwirkung eines in unmittelbarer Nachbarschaft erzeugten Plasmas zu einer festen, dichten Schicht von einigen nm bis µm Dicke polymerisiert. Der Vorteil dieser Variante besteht darin, daß die zu nächst flüssige Zwischenschicht unter der Bedin gung, daß ihre Oberflächenenergie niedriger ist als die der unterliegenden Kunststoffoberfläche, hierdurch eine glatte Oberfläche ausbildet wird, die die Rauhigkeit der Kunststoffoberfläche aus gleicht.

Ungeachtet der Variante, nach der die erfindungs gemäße Zwischenschicht hergestellt wird, wird be vorzugt, die nachfolgende Metallschicht mittels Kathodenzerstäubung (Sputtern) aufzubringen. Es hat sich herausgestellt, daß in diesem Fall die Lichtausbeute von Scheinwerfern besonders hoch ist. Dies ist unter anderem darauf zurückzuführen, daß die Oberfläche der mittels Kathodenzerstäubung aufgebauten Metallschichten glatter ist als die derzeit üblichen und zum anderen darauf, daß sich dreidimensionale Teile mittels Sputtern gleichmä ßiger beschichten lassen, was zur Folge hat, daß es möglich ist, über der zu beschichtenden Ober fläche die für das Reflexionsvermögen optimale Schichtdicke einzuhalten.

Zum Schutz der Metallschicht gegen Korrosion (z. B. bei Aluminium) und auch zum Schutz vor Be schädigungen durch Wischen wird unmittelbar nach ihrer Herstellung entsprechend dem stand der Tech nik eine Schutzschicht aufgebracht. Hierzu wird bevorzugt ein Siloxan, wie Hexamethyldisiloxan, mit Hilfe eines Plasmas aus der Gasphase auf dem zu beschichtenden Teil hergestellt.

Zur weiteren Unterdrückung der Kondensatbildung kann erforderlichenfalls abschließend mittels Plasma-CVD oder Remoteplasma-CVD eine Deckschicht mit einer Oberflächenenergie von < 48 mN/m, bevor zugt < 62 mN/m aufgebracht werden. Dies bewirkt, daß z. B. bei längerem Betrieb eines erfindungsge mäß hergestellten Scheinwerfers austretende Dämpfe bei Kondensation an kälteren Flächen des Reflek tors oder einer Umrandung keine optisch störenden Tröpfchen, sondern einen geschlossenen, optisch nicht auffallenden Film bilden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung re flektierender Beschichtungen auf Kunststoffteilen wird vorzugsweise eingesetzt in einer Vakuumanlage mit einer Schleuse und mehreren voneinander ge trennten Vakuumkammern, in denen die Kunststoff teile nacheinander mit den verschiedenen Schichten nach den oben geschilderten Verfahren überzogen werden, wobei mindestens eine dieser Vakuumkammern mit einer Sputtervorrichtung und mindestens eine weitere Vakuumkammer mit einer Vorrichtung zur Durchführung von Plasma-CVD, Remoteplasma-CVD oder plasmainduzierter Polymerisation ausgerüstet ist.

Nach Passieren der Schleuse werden die Teile in einer ersten Kammer mit einem kurzen, nicht be schichtenden Plasma vorbehandelt und anschließend mit der Zwischenschicht versehen. In der folgenden Kammer wird daraufhin eine reflektierende Metall schicht (z. B. aus Aluminium) aufgebracht. In der nächsten Vakuumkammer werden die Schutzschicht und erforderlichenfalls sich hieran unmittelbar an schließend, die Deckschicht aufgebracht. Anschlie ßend werden die beschichteten Teile über eine Schleuse an die Atmosphäre befördert.

Durch die vorstehend genannten Merkmale wird das Reflexionsvermögen von reflektierenden Schichten auf Kunststoffteilen verbessert und die Gebrauchs dauer des beschichteten Teiles wesentlich erhöht. Darüber hinaus ist es möglich, auch problematische Kunststoffteile, die stärker ausgasen und/oder ei ne rauhere Oberfläche aufweisen, ohne vorheriges Lackieren mit einer reflektierenden Schicht zu versehen, die auch hohen Qualitätsanforderungen (z. B. bei Kfz-Front- oder Nebelscheinwerfern) ge nügen.

Die Einsparung des Lackierens führt schließlich zu einer massiven Kosteneinsparung.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausfüh rungsmöglichkeiten zu; eine davon ist nachstehend näher beschrieben.

Reflektorteile aus BMC werden auf Transportrahmen befestigt, in eine Anlage nach DE 196 24 609 ein geschleust und in der ersten Vakuumkammer, die mit einer Elektrode zum Einspeisen einer Hochfrequenz (HF) von 13,56 MHz ausgerüstet ist, mit einer Zwi schenschicht, deren Dicke auf dem Kunststoffteil zwischen 30 nm und 50 nm variiert, versehen, die mit folgender Parametereinstellung hergestellt wird:
Monomerzuflußrate: 70 cm³ /min Hexamethyldisiloxan
700 cm³/min Sauerstoff
2200 W Hochfrequenzleistung
Druck während der Beschichtung: 1 Pa
Beschichtungsdauer: 45 s.

Anschließend wird in der nächsten Vakuumkammer, die mit zwei Sputterkathoden ausgerüstet ist, eine ca. 50 nm dicke Aluminiumschicht mit folgenden Be schichtungsparametern aufgesputtert:
60 kW DC pro Kathode
Argon-Druck während des Sputterns: 0,5 Pa
Sputterzeit: 8 s.

Nachfolgend wird in der dritten Vakuumkammer, die analog der ersten mit einer HF-Elektrode ausgerü stet ist, eine 20 nm bis 30 nm dicke Schutzschicht mit folgender Parametereinstellung aufgebracht:
Monomerzuflußrate: 80 cm³ /min Hexamethyldisiloxan
1600 W Hochfrequenzleistung
Druck während der Beschichtung: 0,5 Pa
Beschichtungsdauer: 20 s.

Zum Schluß kann in derselben Vakuumkammer eine Deckschicht mit einer Oberflächenenergie von min destens 56 mN/m aufgetragen werden:
Monomerzuflußrate: 100 cm³/min Ethanol
2400 W Hochfrequenzleistung
Druck während der Beschichtung: 1 Pa
Beschichtungsdauer: 20 s.

Claims

1. Verfahren zum Beschichten von Substraten aus Kunststoff mit einer das Licht reflektierenden Schicht, vorzugsweise einer Aluminiumschicht, und einer zwischen dem Substrat und der lichtreflektierenden Schicht angeordneten wei teren Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht eine hochvernetzte Kohlenwas serstoff-, beispielsweise eine Siliziumoxid-, Siliziumnitrid- oder Siliziumoxinitridschicht ist mit einer Dicke von mindestens 15 nm, vor zugsweise aber von 30 nm bis 60 nm, wobei der Kunststoffgehalt der Sperrschicht < 15% be trägt.

2. Verfahren zum Beschichten von Substraten aus Kunststoff mit einer das Licht reflektierenden Schicht, vorzugsweise einer Aluminiumschicht, und einer zwischen dem Substrat und der lichtreflektierenden Schicht angeordneten wei teren Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß ein radikalisch polymerisierbares Monomer auf die Substratoberfläche unter Vakuum aus der Gas phase aufkondensiert wird und anschließend mittels eines Plasmas durchpolymerisiert wird, wozu das Substrat mit Raumtemperatur oder dar unter in eine Prozeßkammer mit beheizten Wän den eingebracht wird und unter einem Par tialdruck einem dampfförmigen Monomer und nach Kondensation des Monomers auf dem Substrat ei nem Plasma ausgesetzt wird.