DE2160822C3 - Verfahren zur Herstellung von Kupferüberzügen auf geformten Körpern aus Kunststoff durch Aufdampfen im Hochvakuum - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Kupferüberzügen auf geformten Körpern aus Kunststoff durch Aufdampfen im Hochvakuum

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DE2160822C3 DE19712160822 DE2160822A DE2160822C3 DE 2160822 C3 DE2160822 C3 DE 2160822C3 DE 19712160822 DE19712160822 DE 19712160822 DE 2160822 A DE2160822 A DE 2160822A DE 2160822 C3 DE2160822 C3 DE 2160822C3
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Description

Es ist bekannt, Kupferschichten im Hochvakuum auf geformte Körper aus Kunststoffen, z. B. auf im Spritzguß hergestellte Kunststoff-Platten oder auf Kunststoff-Folien, die aus Lösung oder aus der Schmelze hergestellt sind, aufzudampfen.
Diese Kupferschichten zeigen eine verhältnismäßig geringe Haftung auf der Oberfläche der geformten Kunststoffe — im folgenden kurz Kunststoff-Oberflächen genannt —, sie lassen sich z. B. durch einen aufgeklebten Klebstreifen leicht abziehen. Außerdem weisen die Kupferschichten in der Durchsicht viele winzige Löcher auf.
Aus der DTPS 10 02 584 ist es z.B. bekannt, eine dünne Zwischenschicht aus einer Siliciummonoxidatmosphäre abzuscheiden und dadurch die Haftung aufgedampfter Aluminiumschichten zu verbessern.
Gemäß der DT-OS 14 46 283 wird eine Polyesterfolie „ unter starker Kühlung mit einer sehr dünnen Schicht eines edlen Metalls, z. B. Silber, und anschließend mit einer Zinkschicht bedampft. Dabei soll eine Streifenbildung auf der bedampften Folie verhindert werden.
In der DTPS 8 78 236 wird ein Widerstand beschrieben, der aufgebaut ist aus einer Unterlage aus einem Polyplast, einer auf dieser Unterlage im Vakuum aufgedampften sehr dünnen Schicht eines anorganischen, beständigen dielektrischen Stoffes, insbesondere eines beständigen Oxydes und einer auf dieser Schicht fts ebenfalls im Vakuum aufgedampften, dünnen, leitenden Metall- oder Halbleiterschicht. Dadurch soll die Haftfestigkeit der aufgedampften Metallschicht durch
die dünne Zwischenschicht verbessert wei den.
Aus der DT-AS 12 25 940 ist ein Verfahren zum haftfesten Vakuum-Aufdampfen einer vorzugsweise metallischen Schicht auf eine Unterlage aus halogeniertem Polyäthylen unter Anordnung einer Haftzwischenschicht bekannt, bei dem als Haftschicht eine Metalloxidschicht durch Kathodenzerstäubung aufgebracht wird. Das in dieser DT-AS beschriebene Verfahren wurde speziell für die bei der Herstellung von vakuumbedampften Unterlagen aus halogeniertem Polyäthylen (z. B. Poly-tetrafluor-äthylen) auftretenden Probleme entwickelt
Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung ist es daher, ein technologisch einfacheres Verfahren zu finden, bei dem im Hochvakuum auf Kunststoffoberflächen aufgedampfte Kupferschichten eine ähnlich gute Haftung zeigen wie bisher und keine Löcher aufweisen.
Vorzugsweise sollte ein Oberflächenwiderstand unterhalb 105OhIn erreicht werden. Bei stromlos abgeschiedenen Kupferschichten werden Oberflächenwiderstände zwischen 1 und 100 Ohm besonders bevorzugt
Auch die aus einem Reduktionsmittel enthaltenden Kupfersalzbad abgeschiedenen Kupferschichten müssen abwisch- und abriebfest auf der Kunststoff-Oberfläche haften, wenn die auf sie aufgedampften Kupferschichten sich nicht mit den stromlos abgeschiedenen Kupferschichten entfernen lassen sollen.
Als Kunststoffe sind z. B. Polyester, Polypropylen, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Mischpolymerisate oder Polyimide geeignet. Zu den Polyestern gehören die Polykondensationsprodukte aus Äthylenglykol und Terephthalsäure oder Isophthalsäure, zu den Polyimiden die Kondensaticnsprodukte aus aromatischen Diaminen, z. B. Benzidin, und Pyromellithsäuredianhydrid.
Die auf den Kunststoff-Oberflächen niedergeschlagenen Kupferschichten mit einem Oberflächenwiderstand zwischen 1012 und 1 Ohm sind sehr dünn, d. h. im allgemeinen nicht stärker als 0,2 μηι. Ihr Oberflächenwiderstand ist wesentlich höher als der einer kompakten Kupferfolie mit einem Oberflächenwiderstand von etwa 0,017 Ohm.
Die Erzeugung der dünnen Kupferschichten aus einem stromlosen, reduktionsmittelhaltigen Kupfersalz-Bad auf Kunststoffoberflächen ist z. B. in der US-PS 3142581, in der DT-AS 1264921 oder der DT-OS 18 05 282 beschrieben. Ein besonders vorteilhaftes Verfahren ist in der DT-OS 20 62 215 beschrieben. Die Abscheidung geschieht auf den entfetteten Kunststoff-Oberflächen, nachdem sie aktiviert und sensibilisiert, d.h. mit Edelmetallkeimen versehen, worden· sind. Damit man die Ausbildung dieser dünnen Kupferschichten in der Hand hat, darf das Kupferbad nur sehr langsam arbeiten, d.h., das Kupfer soll sich an der aktivierten und sensibilisierten Kunststoff-Oberfläche nur sehr langsam abscheiden.
Ein für den Erfindungszweck brauchbares stromloses Kupferbad enthält Kupfersulfat und Formaldehyd als Reduktionsmittel, der Gehalt des Bades an Kupfersulfat liegt bei 5-8 g/Liter, das Verhältnis Kupfersulfat: Formaldehyd beträgt 1 : 1 bis 1 :0,7, vorzugsweise 1 :0,8. Das Bad enthält einen Komplexbildner für das Kupfersalz und einen Glättungszusatz: es hat ein pH von etwa 12—13.
Die zu metallisierenden Kunststoff-Oberflächen werden zweckmäßig vor dem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens einer Reinigung und bzw. oder einer oberflächlichen Hydrolyse unterworfen, um eine
gleichmäßige Benetzung durch die nachfolgenden Behandlungslösungen zu erreichen. Die Reinigung kann •in bekannter Weise mit organischen Lösungsmitteln oder mit Säuren oder Alkalien geschehen, z. B. durch ein heißes wäßriges Chromsäure-Phosphorsäure-Schwefelsäure-Gemisch oder durch 30%ige heiße Natronlauge.
Nach der Reinigung wird die Kunststoff-Oberfläche in bekannter Weise mit der Lösung eines Edelmetallsalzes, z. B. des Pd, des Pt, des Au oder Ag, sensibilisiert und mit der Lösung eines Reduktionsmittels, z. B. von Zinndichlorid oder Hydrazinhydrat, aktiviert Die Aktivierung kann auch vor der Sensibilisierung geschehen. Bei der Aktivierung wird das Edelmetall aus einem Salz abgeschieden. Der Edelmetalisalz-Gehalt der Sensibilisierungsbäder liegt bei 0,005 bis 5%, der Gehalt der Aktivierungs-Bäder an Reduktionsmittel liegt bei 0,1 —10%. Beide Bäder werden gewöhnlich bei Zimmertemperatur abgewandt Silber, Palladium und Platin werden im allgemeinen in ammoniakalischer Lösung eingesetzt. Palladium, Platin und Gold auch in salzsaurer Lösung.
Nach der Aktivierung und Sensibilisierung wird die Kunststoff-Oberfläche in das Kupferbad gebracht. In ihm läßt man die Kunststoff-Oberfläche so lange verweilen, bis die gewünschte, unter 1012 Ohm liegende Oberflächenleitfähigkeit erreicht ist. Das dauert in dem Kupferbad etwa 4-6 Minuten.
Man wendet das Kupferbad gewöhnlich bei Zimmertemperatur an, es kann jedoch auch zunächst kurze Zeit bei erhöhter Temperatur, beispielsweise bei 30-500C, und dann erst bei Zimmertemperatur angewandt werden.
Wenn die Kunststoff-Oberfläche in das Kupferbad gebracht wird, nimmt sie meistens eine grüne Farbe an, die allmählich nach Grün-Blau und dann nach Blau-Braun umschlägt. Schließlich nimmt die Kunststoff-Oberfläche einen metallischen Kupferglanz an, der sich nach und nach verstärkt. Beim ersten Auftreten des metallischen Kupferglanzes ist die Kunststoff-Oberfläche, wenn es sich um eine durchsichtige Folie handelt, durchsichtig. In dem Maße, in dem sich dar metallische Oberflächenglanz verstärkt, nimmt die Durchsichtigkeit ab. Schließlich hat sich eine geschlossene, undurchsichtige Kupferschicht auf der Kunststoff-Oberfläche abgeschieden; das ist nach etwa 10—15 Minuten im stromlosen Kupferbad der Fall.
Verfolgt man den Oberflächenwiderstand während der Verweilzeit der Kunststoff-Oberflächen im stromlosen Kupferbad, so beobachtet man, daß in dem Augenblick, in dem der erste metallische Kupferglanz auftritt, der Oberflächenwiderstand sprunghaft von etwa 1012 Ohm auf Werte unter 1012 Ohm absinkt.
Es wurde gefunden, daß sowohl auf Kunststoff-Oberflächen mit einem Oberflächenwiderstand von 1012 Ohm und mehr als auch auf Kunststoff-Oberflächen mit einem Oberflächenwiderstand unter 1 Ohm im Hochvakuum aufgedampfte Kupferschichten nicht oder viel schlechter haften als auf Kunststoff-Oberflächen mit einem Oberflächenwiderstand unter 1012. Am besten ist die Haftung bei Werten zwischen 102 und I Ohm, insbesondere zwischen 10 und 1 Ohm.
Der Oberflächenwiderstand wird gemessen nach VDE 0303, Teil 3, mit Federzungenelektroden an einer Pontavi-Wheatstone-Meßbrücke bei 23°C und 50% relativer Luftfeuchtigkeit. Die Federzungen sind 10 cm lang, ihr Abstand beträgt 1 cm.
Die Bedampfung der Kunststoff-Oberflächen mit im stromlosen Kupferbad abgeschiedenem Kupfer geschieht im Hochvakuum, im allgemeinen bei 10~3 bis 10-5,z.B.beil0-«Torr.
Bedampft wird so lange, bis sich wenigstens etwa 2 g Kupfer je Quadratmeter Kunststoff-Oberfläche abgeschieden haben, das entspricht einer wenigstens 0,22 pjn dicken Kupferschicht Dann ist die aufgedampfte Kupferschicht optisch vollkommen geschlossen und dicht Sie haftet untrennbar auf der Unterlage, d h„ sie läßt sich, wenn ein Kreuzmuster in die Kupferschicht
■ο geritzt und dieses mit einem druckempfindlichen Klebstreifen überklebt wird, bei ruckartigem Abziehen des Klebstreifens von der Unterlage nicht ablösen.
Wenn Kunststoff-Oberflächen ohne im stromlosen Kupferbad abgeschiedene Kupferschicht im Hochvaku-
is um mit Kupfer bedampft werden, dann läßt sich die aufgedampfte Kupferschicht leicht abziehen. Diese aufgedampften Kupferschichten sind nicht dicht, sondern von vielen winzigtn Löchern durchsetzt
Die erfindungsgemäß erhaltenen Kupferschichten
lassen sich in einem galvanischen Kupferbad verstärken, z. B. auf 2 bis 20 μΐπ. Auch diese Kupferschichten haften im Klebstreifen-Test untrennbar. Wenn Hochvakuum-Kupferschichten, die unmittelbar auf Kunststoff-Oberflächen ohne dünne stromlos abgeschiedene Kupfer- schicht aufgedampft worden sind, galvanisch verstärkt werden, lassen sich die galvanischen Verstärkungen mitsamt der aufgedampften Kupferschicht leicht von der Kunststoff-Oberfläche abziehen.
Die erimdungsgemäß erhaltenen, galvanisch ver-
stärkton Kupferschichten behalten auch dann ihre gute Haftung, wenn sie wochenlang bei Zimmertemperatur in wasserdampfgesättigter Luft gelagert werden.
Die folgenden Beispiele erläutern Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Prozentwerte sind, wenn nichts anderes angegeben ist, Gewichtsprozente.
Beispiel 1
Eine biaxial gereckte und thermofixierte Folie aus Polyethylenterephthalat wurde 1 Minute bei 700C in 30%iger Natronlauge, die 0,8% Saponin als Netzmittel enthielt, gebadet, 1 Minute mit Wasser abgespült und 1 Minute in 10%iger wäßriger Trichloressigsäure-Lösung, die 0,4% dodecylbenzolsulfonsaures Natrium als Netzmittel enthielt, zur Entfernung der letzten Laugenreste gebadet. Die noch feuchte Folie wurde 30 Sekunden in ein Bad gebracht, das in 1 Liter wäßriger Lösung die folgenden Bestandteile enthielt:
130 g Trichloressigsäure 4 g dodecylbenzol-sulfonsaures Natrium 1,5 g PdCI2 + 15 ml konzentrierte Salzsäure 5 g Polyvinylalkohol mit dem K-Wert 30 und 12% Restacetylgruppengehalt
Nach dem Bad wurde die Folie 2 Minuten bei 1300C getrocknet. Dann wurde sie 30 Sekunden lang in einer wäßrigen Lösung von 0,6% Hydrazinhydrat und 1,25% NaOH aktiviert.
Nach dem Aktivator-Bad wurde die Folie kurz mit
Wasser abgespült und noch feucht in ein stromloses Kupferbad folgender Zusammensetzung gebracht:
7,6 g CuSo4 χ 5H2O 6,3 g Formaldehyd
fts 9,1 g Äthylendiamintetraessigsäure 1000,0 g Wasser 0,5 g Saccharin 5,0 g NaOH
In diesem Bad wurde die Folie jeweils 20 Sekunden bei 4£°C und dann verschieden lange Zeit bei 20° C belassen. Die folgende Tabelle zeigt die nach verschieden langer Badezeit aufgezogenen Kupfermengen und den Oberflächenwiderstand der Folien.
Badezeit 20° C g Cu/nv Cu-Dicke Oberfläcnen- Haftung der im
Min. in μπι widerstand Hochvakuum
40° C 1 in Ohm aufgedampften
Sek. 2 Kupferschicht
20 3 0,083 0,0094 1 χ 1014 +
20 4 0,16 0,018 3,5 XlO'2
20 5 035 0,039 1,5 χ 1012 + +
20 6 0,64 0,072 IxIO'2
20 7 0,67 0,075 5,9 + + +
20 8 0,70 0,080 4,5 + + +
20 9 0,84 0,094 1,5 + + -Ι
20 10 0,90 0,10 0,32 Ο
20 11-12 0,98 0,11 0,45 0
20 1,05 0,12 0,27 0
20 1,50-1,8 0,17-0,20 0,17 0
Haftung im Klebstreifenversuch 0 = keine Haftung + = schlechte Haftung + + = mäßige Haftung + + + = untrennbare Haftung
Zum Vergleich hatte die nicht vorbehandelte Polyesterfolie einen Oberflächenwiderstand von 7 χ 1014 Ohm. Eine auf diese Folie unmittelbar aufgedampfte Kupferschicht haftete schlecht.
Alle Folien wurden in einer Hochvakuum-Apparatur bei 10~4 Torr mit Kupfer bedampft, bis sich 2,7 g Cu/m2 Folienoberfläche niedergeschlagen hatten. Die Kupferschichten waren dann optisch geschlossen, sie wiesen keine Löcher auf. Bei den erfindungsgemäß vorbehandelten Folien mit einem Oberflächenwiderstand zwischen 1012 und 1 Ohm war die Haftung der aufgedampften Kupferschichten besser als bei der unpräparierten Folie. Untrennbare Haftung wiesen die drei Folien mit Oberflächenwiderstand zwischen 5,9 und 1,5 Ohm auf.
Beispiel 2
Eine Polyimid-Folie aus dem Kondensationsprodukt von Diamino-diphenyläther und Pyromellithsäuredianhydrid wurde 7 Minuten lang in einer 70°C warmen Lösung aus 30 g Chromsäure, 160 g Wasser, 475 ml 85%iger Phosphorsäure, 365 ml 98%iger Schwefelsäure und 0,05 g Perfluoroctancarbonsäure gebadet, mit Wasser abgespült, 5 Minuten in einer 40°C warmen wäßrigen Lösung von 3% NaOH und 1% Natrium-thiosulfat von den letzten Chormsäurespuren befreit, mit Wasser abgespült, 5 Minuten in einer 25°C warmen wäßrigen Lösung von 0,5% Zinn(II)-chlorid und 0,7Vo HCl aktiviert, mit Wasser abgespült, zur Sensibilisierung 5 Minuten bei 250C in einer wäßrigen Lösung von 0,05% Palladiumchlorid und 1,8% HCI gebadet, mit Wasser abgespült, zunächst 20 Sekunden bei 4O0C, dann 5 Minuten bei 25° C in das stromlose Kupferbad des Beispiels 2 gebracht. Der Oberflächenwiderstand der Folie betrug 5,9 Ohm.
Die Folie wurde wie im Beispiel 1 im Hochvakuum bei 10 -4 Torr mit 2,7 g Cu/m2 bedampft. Die aufgedampfte Kupferschicht haftete untrennbar auf der Unterlage.
Beispiel 3
Eine 3 mm dicke Spritzgußplatte aus Polypropylen entfettet, aktiviert, sensibilisiert und 5 Minuten in das stromlose Kupferbad gebracht. Der Oberflächenwiderstand der Platte betrug 4 Ohm. Die Platte wurde 1 Minute im Hochvakuum bei 10~4 Torr mit Kupfer bedampft. Die aufgedampfte Kupferschicht haftete untrennbar, auch nach 4 Wochen langer Lagerung der bedampften Platte und in wasserdampfgesättigter Luft.
Die aufgedampfte Kupferschicht wurde 4 Stunden bei einer Stromdichte von 0,08 A/dm2 in einem galvanischen Kupferbad folgender Zusammensetzung verstärkt:
auf
230 g CuSO4 x H2O
56 g Schwefelsäure (98%)
0,15 g Thioharnstoff
0,05 g Polyoxyäthylenoctylphenoläther
2,3 g Dextrin
0,23 g Wasserstoffperoxid (30%)
1 1 mit Wasser aufgefüllt.
Es waren 35 g Cu/m2, entsprechend einer Kupferschicht-Dicke von 3,8 μπι, aufgezogen. Auch diese verstärkte Kupferschicht haftete im Klebstreifen-Test untrennbar auf der Polypropylenplatte.
Wenn die unpräparierte Polypropylen-Platte im Hochvakuum mit Kupfer bedampft und auf einem Teil der Platte im galvanischen Bad auf 3,8 μηι verstärkt wurde, ließ sich sowohl die im Hochvakuum aufgedampfte als auch die galvanisch verstärkte Kupferschicht mit dem Klebstreifen leicht von der Polypropylen-Platte abziehen.
cucPiSO
WlC UIC
1 OiyiiTiiu-i'GilC 1ΓΠ uCiSpiCl
Beispiel 4
Eine 5 mm starke Platte aus einem Mischpolymerisat von Acrylnitril, Butadien und Styrol wurde mil einem 700C warmen Gemisch von 30 g Chromsäure, 365 ml Schwefelsäure (98%), 475 ml Phosphorsäure (75%), 0,05 g Perfiuoroctancarbonsäure und 160 ml Wasser 10 Minuten lang geätzt. Die Platte wurde wie in Beispiel 3 aktiviert, sensibilisiert und 20 Sekunden bei 400C dann 5 Minuten bei 200C in das stromlose Küpfcrbad des
7 8
Beispiels 1 gebracht. Der Oberflächenwiderstand der auf der Unterlage, auch nachdem sie im galvani;
Platte betrug 5 Ohm. Bad auf 3,8 μιη verstärkt worden war.
Die Platte wurde wie im Beispiel 1 im Hochvakuum Wenn die unpräparierte Platte im Hochvakuun
bei 10-4Torrmit2,7 gCu/m2bedampft. Kupfer bedampft wurde, ließ sich die Kupferschicl·
Die aufgedampfte Kupferschicht haftete untrennbar 5 dem Klebstreifen leicht von der Unterlage abtrennt

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Kupferüberzügen auf geformten Körpern aus Kunststoff durch s Aufdampfen im Hochvakuum, wobei die Kunststoffoberfläche vorbehandelt wird, indem man auf der zu bedampfenden Oberfläche eine Schicht aus einem leitfähigen Stoff erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß man als Vorbehandlung auf der ι ο Kunststoffoberfläche durch Sensibilisieren mit einem Edelmetallsalz und Aktivieren mit einem Reduktionsmittel Edelmetallkeime erzeugt und an diesen stromlos Kupfer abscheidet, wobei das Kupfer in solcher Menge abgeschieden wird, daß der ι s Oberflächen widerstand 1 bis unterhalb 10l2Ohm beträgt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man auf der zu bedampfenden Oberfläche eine Schicht mit einem Oberflächenwiderstand unterhalb 105 Ohm erzeugt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man geformte Körper aus Polyester, Polyolefin, Polyimid oder Acrylnitril-Butadien-StyroI-Mischpolymerisat verwendet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine leitfähige Schicht durch Erzeugen von Edelmetallkeimen und stromlose Kupferabscheidung herstellt, die einen Oberflächenwiderstand zwischen I und 100 Ohm hat.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den vorbehandelten Formkörper so lange bedampft, bis sich mindestens 2 g Kupfer je m2 Oberfläche abgeschieden haben.
35
DE19712160822 1971-12-08 1971-12-08 Verfahren zur Herstellung von Kupferüberzügen auf geformten Körpern aus Kunststoff durch Aufdampfen im Hochvakuum Expired DE2160822C3 (de)

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