DE2725775A1 - Verfahren zur vorbereitung eines substrats aus kunststoffmaterial auf seine metallisierung - Google Patents

Verfahren zur vorbereitung eines substrats aus kunststoffmaterial auf seine metallisierung

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DE2725775A1
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Description

PATENTANWÄLTE L 7 2 5 7 7 5
D-I BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE 08 D-8 MÜNCHEN 23 · WIDENMAYERSTRASSE 40
BERLIN: DIPL.-IN3. R. MÜLLER-BÖRNER
MÜNCHEN: DIPL. INQ. HANS-HEINRICH WEY
EEAUCHES S.A. dipl.-ing.ekkehard körner
Ut.-.in, den o.3. Juni 1977
Verfahren zur Vorbereitung eines Substrats aus Kunst-
stoffmaterial auf seine Metallisierung
(Schweiz, Nr. I.S87/77 vom 16. lebruar 1977)
8 Seiten Beschreibung
h Patentansprüche
1 Blatt Zeichnung
Chr/m - 27 169
809833/0654
BERLIN: TELEFON (O3O) 8312O88 MÜNCHEN: TELEFON (08β> 995585
KABEL: PROPINDUS -TELEX 01 84O57 KABEL: PROPINDUS -TELEX 05 24 244
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbereitung eines Substrats aus Kunststoffmaterial auf seine Metallisierung.
Die Notwendigkeit der Metallisierung von Substraten aus Kunststoffmaterial hat sich durch die Entwicklung der Elektronik ergeben. In der Vergangenheit sind viele Versuche unternommen worden, um, wenn möglich in selektiver Weise, eine Metallschicht, vorzugsweise aus Kupfer, auf ein metallisches Substrat aufzubringen. Die chemische Ablagerung von Kupfer, der eine ebenfalls chemische Vorbehandlung des Substrats vorherging, ist seit mehreren Jahren geläufig und Gegenstand bekannter Techniken. Eine große zu überwindende Schwierigkeit bei der Metallisierung eines organischen Substrats stellt das Erzielen der Haftung zwischen dem letzteren und der Metallschicht dar.
Das Ergebnis der bisherigen Bemühungen ist, daß akzeptierbare Verbindungen nur für bestimmte Substrate erzielt werden können wie solche aus Acronitril-butadien-styrenharzen (auch ABS benannt) oder bei der Metallisierung von Löchern in Substraten bei gedruckten Schaltungen, welche oftmals aus Glasfaser-Epoxydharzen bestehen. Verschiedene Verfahren, die entweder relativ kompliziert und kostenaufwendig sind oder bei denen extrem giftige chemische Elemente zur Verwendung kommen, wie beispielsweise Phosphor oder Arsen, ermöglichen es, eine erweiterte Skala von organischen Substraten mit einer Metallschicht zu versehen. Es ist bereits einmal die Idee aufgetaucht, Plastikmaterial durch Entladung zu behandeln, aber es handelte sich dabei um Entladungen einer sehr kleinen Größenordnung, die als Reinigung im Hinblick auf eine nachfolgende Anwendung von Farbe oder Lack vorgenommen wurde, oder auch für eine Metallisierung durch Verdampfen im Vakuum. Eine Metallisierung im Vakuum ermöglicht es aber nicht, eine haftfähige Kupferschicht aufzubringen, auch wenn eine Behandlung mit Entladungen vorausging . Diese Technik gestattet
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haftfähige Schichten nur dann, wenn die erste Metallschicht aus Chrom oder Chromnickel gebildet wird, wie es in der JA-AS 29 396/69 beschrieben ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das zwischen einer chemisch aufqetragenen Metallschicht und einem organischen Substrat eine Verbindung mit großer Festigkeit ermöglicht, ohne daß ein Eingriff mit toxischen Chemikalien erforderlich ist. Darüber hinaus soll eine Metallisierung eines großen Bereichs von Polymeren möglich sein, wobei auch einen selektive Metallisierung, die sich nur auf einen Teil der Oberfläche erstreckt, erzielbar sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Oberfläche des zu metallisierenden Substrats mittels Entladungen bearbeitet wird, in der Weise, daß die Entladungen durch Corona-Entladungen gebildet werden, die bei aufeinanderfolgenden Durchläufen mit einer Stromdichte aufgebracht werden, die größer ist als 0,5 mA/cm2, wobei die Spannung unterhalb der Durchschlagsspannung des Substrats liegt, um eine Beschädigung zu vermeiden, und die gesamte Ladungsdichte der auf diese Weise aufgebrachten Energie größer als 20 mC/cm2 ist, um die Oberfläche für eine Metallisierung auf chemischem Wege geeignet zu machen.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist in der einzigen Figur, die eine Einrichtung zeigt, welche die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht, schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.
Eine Möglichkeit, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Teil aus Kunststoffmaterial chemisch zu metallisieren, läuft in folgender Weise ab:
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Die betreffenden Teile oder Filme aus Kunststoffmaterial werden zunächst in einer handelsüblichen wäßrigen alkalischen Lösung für eine Dauer von ungefähr fünf Minuten bei einer Temperatur von ca. 500C gereinigt. Dazu werden Natriumcarbonat, Natriummetasilikat, anionische oder nichtionische Netzmittel oder auch Reinigungsmittel, wie sie zur Reinigung von Metallstücken unter mechanischer Einwirkung, wie beispielsweise Bürsten, verwendet werden, benutzt.
Anschließend erfolgt eine Spülung in fließendem Wasser und dann für eine Minute eine Neutralisation in in einem Verhältnis von 1 zu 3 verdünnter Salzsäure bei Zimmertemperatur.
Anschließend erfolgt ein erneutes Spülen in fließendem Wasser, dann in deionisiertem oder demineralisiertem Wasser und anschließend ein Trocknen in warmer Luft.
Nun folgt der Vorgang des Behandeins mit Corona-Entladungen mittels der in der Zeichnung dargestellten Einrichtung:
Das zu bearbeitende Werkstück, hier ein Film 1 aus Polyäthylen von 5x13 cm ist auf einer Metallplatte 2 fest, die beispielsweise aus Aluminium besteht und eine Elektrode bildet, welche mit einem, beispielsweise dem negativen, Pol eines Generators verbunden ist.
Der andere Pol ist mit einem eine Elektrode bildenden Metallzylinder 3 verbunden, der aus Sicherheitsgründen mit einer Isolierschicht 4 versehen ist. Der Zylinder wird in einer Hin- und Herbewegung im Sinne der Pfeile 5 parallel zu dem behandelnden Film 1 in einem Abstand von wenigen Millimetern, beispielsweise drei Millimetern,von der Metallplatte 2 geführt. Es werden ungefähr 60 Durchgänge innerhalb von ein bis zwei Minuten in Längsrichtung ausgeführt. Jeder Punkt der Oberfläche des Films 1 wird auf die™
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se Weise angegriffen und damit aktiviert.
Die Entladungsbehandlung erzeugt einen starken Temperaturanstieg/ der dazu führen könnte, daß das Material des Substrats sich verflüssigt, oder im Falle des Films durchlöchert wird. Aus diesem Grund wird die Elektrode 3 nach zwei Durchgängen entfernt, um dem Polymer Gelegenheit zur Abkühlung zu geben. Aus dem selben Grund wird die an die Elektroden angelegte Spannung, obwohl weit über den Spannungswerten, welche für Anwendungen bei Entladungen, die nur zur Reinigung des Substrates dienen, unterhalb der Durchschlagsspannung des Substrats gehalten. Diese Spannung beträgt beispielsweise 13 kV. Die Dichte des angelegten Stroms muß größer sein als 0,5 rnA/cm* bei einer Ladungsdichte von 30 bis 60 mC/cm2.
Es wird weiterhin darauf hingewiesen, daß der Abstand von einigen Millimetern zwischen der Elektrode und der Oberfläche des zu behandelnden Teils im Vergleich zu dem üblicherweise bei Entladungsanwendungen unter Abschluß im Vakuum benutzten Abstand wesentlich kleiner ist.
Nach einer derartigen Vorbereitung kann der eigentliche Metallisierungsvorgang beginnen:
Unmittelbar nach der Entladungsbehandlung wird das Polyäthylenteil in eine reduzierende Lösung getaucht, welche die erste Phase der Metallisierung bildet. Das erfolgt unter Verwendung kommerzieller Produkte, die beispielsweise von der amerikanischen Firma McDermid oder der deutschen Firma Schering hergestellt werden.
Der Metallisierungsvorgang besteht darin, daß das Teil in ein Aktivierungsbad getaucht wird, welches aus einer re-
+ 2 +2 duzierenden Lösung besteht, welche Sn -,Pb -Ionen, sowie kolloidales Palladium enthält, das von der Oberfläche des
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Polymers absorbiert wird. Die Verweildauer im Aktivierungsbad beträgt ungefähr zehn Minuten und wird von einem Abspülen in fließendem Wasser gefolgt.
Anschließend gelangt das Teil in ein Beschleunigungsbad, das aus einer kommerziellen Lösung besteht, welche die Oberfläche für die Ablagerung von Metall vorbereitet, in der es für ca. eine Minute bei Zimmertemperatur verbleibt.
Nach einem erneuten Spülen unter fließendem Wasser wird das Teil für zwanzig Minuten in ein chemisches Kupferbad von Zimmertemperatur getaucht. Es wird ein industriell verwendetes Bad benutzt mit einem Kupfersalz in alkalischem Milieu, das durch Formol eine Reduzierung bewirkt.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die chemische Verkupferung mit einer vorbestimmten Bildungsgeschwindigkeit erfolgen muß, wenn nicht, trotz der vorhergehenden Entladungen die Haftung des Niederschlags ungenügend sein soll. Die Steuerung der Geschwindigkeit der Ablagerung erfolgt durch Variation des pH-Wert des chemischen Kupferbades, wobei die Geschwindigkeit mit steigendem pH-Wert zunimmt. Der pH-Wert muß auf eine Größe von 12 - 0,2 Einheiten eingestellt werden. Es wurde festgestellt, daß wenn der pH-Wert zu gering ist, die Ablagerung zu langsam erfolgt und die Aktivierungsschicht aus Palladium zum Teil angegriffen wird. Wenn der pH-Wert zu groß ist, erfolgt die Ablagerung zu schnell um hinreichend kristallisieren zu können. Als Folge von großen inneren Spannungen ist die Haftfähigkeit des Metalls auf dem Polymer- hier Polyäthylen-, vermindert.
Nachdem die gewünschte Dicke der Kupferablagerung erreicht ist, wird das Teil aus Polyäthylen einem Strahl fließendem Wassers ausgesetzt, anschließend mit deionisier-
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tem oder demineralisiertem Wasser gewaschen und schließlich in warmer Luft getrocknet.
Die Erfahrung hat gezeigt, daß durch die Entladungsbehandlung unter den angegebenen Bedingungen sehr verschiedene Kunststoffmaterialien auf chemischem Wege bei einer zufriedenstellenden Haftung der Metallschicht metallisiert werden können. Zufriedenstellende Ergebnisse wurden beispielsweise auch mit Materialien aus der Familie der Polyimide, der Polyhydantoine, der Ionomere und der Spoxyde erzielt. Dieses Ergebnis ist besonders eindrucksvoll für die Verwendung von Polyäthylen, da es sich um ein Material handelt, welches sich als sehr widerspenstig bezüglich des Anhaftens erweist.
Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, ein metallisiertes Motiv auf einem Substrat aus Kunststoffmaterial herzustellen (selektive Metallisierung). Das wird dadurch bewirkt, daß Entladungen nach dem selben Motiv erzeugt werden unter Benutzung einer Metallschablone, welche während der Entladungsbehandlung auf das Kunststoffteil aufgebracht wird. Die Maske kann auch unterhalb in Form der festen Elektrode angebracht werden, was jedoch die Klarheit des Motivs beeinträchtigt, wofür ohne Zweifel das sich bildende Ozon verantwortlich ist, das sich während der Behandlung bildet und zwischen die Maske und das zu behandelnde Teil dringt.
Nach dem Metallisierungsvorgang wird das Verfahren mit einem Abspülen unter fließendem Wasser fortgesetzt. Durch die Verbesserung der Haftfähigkeit infolge der Entladung wird die Kupferablagerung bei kräftigerem Abspülen in denjenigen Zonen entfernt, welche von den Entladungen nicht betroffen waren, während sie auf der übrigen Oberfläche erhalten bleibt.
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Bei einer anderen Verfahrensvariante wird mit weniger starken Entladungen im Bereich der Oberfläche begonnen, welche man mit einem Druckverfahren wie Offset oder Seriegraphie mit einer Lackschicht versieht. Diese Schicht muß überall dort vorhanden sein, wo keine Metallablagerung gewünscht wird. Andererseits müssen diejenigen Teile des Motivs, welche man metallisiert haben möchte, von Lack frei sein.
Wenn der Lack in einer Trockeneinrichtung getrocknet ist, wird die Entladungsbehandlung nach der Aktivierung und der Beschleunigung wie oben beschrieben ausgeführt. Direkt anschließend wird ohne Trocknung des Substrats die Lackschicht mit einem geeigneten Lösungsmittel beseitigt, das Substrat unter fließendem Wasser abgespült und die Metallisierung im chemischen Kupferbad ausgeführt. Es bildet sich nur auf denjenigen Teilen der Oberfläche eine Ablagerung, welche nicht mit Lack bedeckt waren.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht nicht nur die Vorbereitung von Oberflächen von Kunststoffteilen im Hinblick auf eine Ablagerung von Kupfer auf chemischem Wege, sondern auch die Verwendung verschiedener anderer Metalle, wie Nickel, Silber oder Gold.
Es ist bemerkenswert, daß das beschriebene Verfahren sich besonders gut für die Herstellung kleiner Serien eignet. Im Falle der industriellen Fertigung ist es anzustreben, kontinuierlich zu arbeiten, wobei im Falle einer Fertigungsstraße verschiedene Entladungsstationen hinter einander angeordnet sein können und die verschiedenen Stufen der chemischen Behandlung sich ohne weiteres in den Produktionsgang einfUgen lassen.
Chr/m -27 169 8Q9833/0654
Patentansprüche:

Claims (4)

  1. Patentansprüche
    j1. Verfahren zur Vorbereitung eines Substrats aus Kunststoffmaterial auf seine Metallisierung, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberfläche des zu metallisierenden Substrats (Film 1) durch Entladungen bearbeitet wird, in der Weise, daß die Entladungen durch Corona-Entladungen gebildet werden, die bei aufeinanderfolgenden Durchlaufen mit einer Stromdichte aufgebracht werden, die größer ist als 0,5 mA/cir,2 , wobei die Spannung unterhalb der Durchschlagsspannung des Substrats liegt, um eine Beschädigung zu vermeiden und die gesamte Ladungsdichte der auf diese Weise aufgebrachten Energie größer als 20 iaC/cm2 ist, um die Oberfläche für eine Metallisierung auf chemischem Wege geeignet zu machen.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Entladungen in 20 bis 100 aufeinanderfolgenden Durchläufen innerhalb einer Zeit von größenordnungsmäßig fünf Minuten vorgenommen werden.
  3. 3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf das zu metallisierende Substrat eine Metallschablone aufgelegt wird, welche eine Maske bildet und während der Entladungen eine der Elektroden darstellt, in der Weise, daß nur die durch die Maske abgedeckten Teile einer Metallisierung auf chemischem Wege zugänglich sind.
  4. 4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a ■ durch gekennzeichnet, daß vor der Entladungsbehandlung vorbestimmte Teile des Substrats,
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    ORIGINAL INSPEfTTFP
    welche nicht metallisiert werden sollen, mittels Lack ausgespart werden, in der Weise, daß diese Teile nicht einer Metallisierung auf chemischem Wege zugänglich sind.
    27 169 /Chr
    809833/0654
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