DE69125579T2

DE69125579T2 - Verfahren zur Katalyse von stromloser Metallplattierung auf Kunststoffmaterial

Info

Publication number: DE69125579T2
Application number: DE69125579T
Authority: DE
Inventors: Raymond E Bailey; James Duff; Joan R Ewing; Thomas E Orlowski; Joseph A Swift
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1990-12-03
Filing date: 1991-12-03
Publication date: 1997-07-17
Anticipated expiration: 2011-12-04
Also published as: US5153023A; JPH04289177A; EP0489411B1; EP0489411A1; JP3169186B2; DE69125579D1

Description

Verweis auf verwandte Anmeldungen

Es wird auf ein reguläres US-Patent Nr. 4,970,553 hingewiesen, das auf den Namen Thomas E. Orlowski et al. eingetragen ist und dessen Titel lautet "Electrical Component With Conductive Path"

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindund betrifft allgemein elektrische Bauteile, Verfahren zur Herstellung von elektrischen Bauteilen und Maschinen, in denen elektrische Bauteile verwendet werden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung elektrische Bauteile, die eine elektrisch leitende Bahn in einem thermoplastischen Substrat aufweisen, das durch stromlose Ablagerung eines leitenden Metalls auf der Bahn oder Verankern von Ketten bzw. Mustern von Keimzellen von Katalysatoren fur die stromlose Ablagerung von leitfähigen Metallen in dem Thermoplasten ausgebildet ist. Genauer gesagt, kann das elektrische Bauteil ein ebenes Bauteil, eine doppelseitige Leiterplatte oder ein Rahmen oder ein Strukturbauteil in einer Maschine, wie beispielweise einer reprographischen Maschine einschließlich Bürokopierern, Duplikatoren und Druckern, sein. In typischen elektrostatographischen Reproduziermaschinen wird ein lichtleitendes isolierendes Bauteil gleichmäßig aufgeladen und einem Lichtbild ausgesetzt, welches die ausgesetzten oder Hintergrund-Bereiche entlädt und ein elektrostatisch gebundenes Bild auf dem Bauteil erzeugt, welches dem in dem Vorlagedokument enthaltenen Bild entspricht. Alternativ kann ein Lichtstrahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl, moduliert und zur selektiven Entladung von Bereichen der lichtleitenden Oberfläche verwendet werden, um die darauf enthaltene Information aufzuzeichnen. Das elektrostatisch gebundene Bild wird sichtbar gemacht, indem das Bild mit einem Entwicklungspulver, das in Fachkreisen als Toner bezeichnet wird, entwickelt wird, wobei der Toner nachfolgend auf einer unterlagenfläche, wie beispielsweise ein Papier gefördert wird und auf dieser durch die Anwendung von Wärme und Druck dauerhaft befestigt wird.
Bei der kommerziellen Anwendung derartiger Produkte ist es notwendig, die Leistung und/oder die logischen Signale an verschiedene Plätze innerhalb der Maschine zu verteilen. Traditionell wird dies durch die Verwendung von konventionellen Drähten und Kabelbäumen in jeder Maschine erzielt, um die Stromversorgung und die logischen Signale an verschiedene funktionale Bauteile in einer automatisierten Maschine zu verteilen. Während der konventionelle Ansatz sehr wirkungsvoll bei der Herstellung von bedienungsfreundlichen Produkten ist, haben die zunehmende Beachtung der Herstellungskosten und das Bedürfnis einer automatisierten Fertigung zu unterschiedlichen Ansätzen geführt. So eignen sich beispielsweise einzelne Kabel und Kabelbäume trotz ihrer hohen systemeigenen Flexibilität nicht zu einer automatisierten Fertigung, bei der beispielsweise Roboter verwendet werden. Darüber hinaus müssen Kabelbäume oftmals gehandhabt oder bewegt werden, um alle erforderlichen Verbindungen herzustellen. Dies wiederum ist eine sehr arbeitsintensive Aufgabe, bei der es teilweise erforderlich ist, mehrere Kabelbäume durch Kanäle und an Komponenten vorbei manuell zu führen, wobei die fertigen Verbindungen ebenso mit den Händen hergestellt werden müssen, was die Möglichkeit von menschlichen Fehlern bei der Herstellung mit sich bringt. Die Möglichkeit von menschlichen Fehlern wird durch eine automatisierte Fertigung und insbesondere durch eine Roboterfertigung verringert. Zusätzlich sollte im Lichte der relativ hohen Kosten für eine Arbeitskraft, die mit einer Kabelbaumkonstruktion und der Installation von elektrischen Kabelbäumen einhergeht, beachtet werden, daß diese weitaus weniger als vollkommen verläßlich beim Ausführen der beabsichtigten Funktionen ist. Außerdem wird mit zunehmender Ausstattung bzw. einer Erweiterung der Möglichkeiten derartiger Produkte eine Vielzahl von Kabelbäumen in jeder einzelnen Maschine notwendig, was zu einem großen Platzbedarf führen kann, wodurch die Gesamtabmessungen der Maschine ansteigen. Demgemäß besteht ein Bedürfnis, eine Alternative zu den konventionellen Drähten und Kabelbäumen bereitzustellen, durch die die oben beschriebenen Schwierigkeiten überwunden werden können.

Stand der Technik

In dem US-Patent Nr. 4,841,099 von Epstein et al. wurde vor kurzem vorgeschlagen, elektrische Bauteile und Trageteile für eine Maschine mit durchgängigen elektrisch leitenden Bahnen zwischen den elektrischen Komponenten zu versehen, die mittels in situ Umwandlung durch Wärme eines elektrisch isolierenden faserförmigen Füllmaterials gebildet werden, das innerhalb einer elektrisch isolierenden strukturellen Polymermatrix gehalten wird. Die elektrisch leitenden Bahnen können ausgebildet werden, indem die Komponente oder das Trageteil einem Laserstrahl durch eine das gewünschte Muster enthaltende Maske ausgesetzt wird oder aber einem Laser ausgesetzt wird, der bewegt wird bzw. in dem das Trageteil entsprechend bewegt wird, um das gewünschte Muster zu erhalten. Nachfolgend zu der Ausbildung der elektrisch leitenden Spur oder der elektrisch leitenden Bahn können die Muster elektroplattiert werden, sofern eine metallische Leitfähigkeit erzielt werden soll.
Bei einer weiteren jüngeren Entwicklung werden organometallische Palladiumbauteile mit einem Argon-Ionen-Laser einer Laserbestrahlung ausgesetzt, um selektiv katalytische Anteile an Palladium auf Polyimid anzulagern. Das nachfolgende Eintauchen der bestrahlten Proben in einer stromlosen Kupferlösung führt zu einer Kupferablagerung. Da lediglich einige Monolagen von Palladium zur Katalyse ausreichen, kann das Verfahren, bei dem ein schneller Schreiblaser für eine stromlose Kupferbeschichtung verwendet wird, auf eine Leistung von einigen Zentimetern pro Sekunde beschleunigt werden. Für weitere Informationen zu der oben beschriebenen Technik wird auf den Artikel "Laser Direct Write Copper on Polyimide for High Speed Interconnections" von Cole et al., G.E. Research and Development Center, Power Electronics Laboratory, 88CRD323, Februar 1989 verwiesen. Weiterhin wird verwiesen auf: "Laser-Induced Selective Copper Deposition on Polyimide" von Cole et al., Applied Physics Letters 53(21), 21. November 1988, Seiten 2111-2113.
"LASER PROCESSING FOR INTERCONNECT TECHNOLOGY" von Cole et al., SPIE, Band 877, Micro-Optoelectronic Materials, 1988, Seiten 92-96.
"Laser Activated Copper Deposition on Polyimide" Abstrakt #445, The Electrical Chemical Society, für das Treffen 18.23. Oktober 1987. Extended Abstracts, Band 87-2.
Ein Vorteil dieses Verfahrens, der auf Seite 2112, linke Spalte diskutiert wird, ist, daß da das Polyimid bis zu einer Temperatur von mehr als 400ºC thermisch stabil ist, wohingegen die Palladiumbestandteile sich bei einer Temperatur von 225ºC zersetzen, ein weites Verarbeitungsfenster zur Verfügung steht, in dem eine Zersetzung zu Palladiummetalll stattfindet, ohne daß das darunterliegende Polyimid beschädigt wird.
Ein besonders schwieriges Problem bei diesem Verfahren ist die schlechte Haftung zwischen den Metallen und dem Polyimidsubstrat. Diese schlechte Haftung läßt sich auf einfache Weise durch die Verwendung eines haftenden Klebestreifens bestimmen, indem der beschichtete Bereich des Kunststoffs mit einem Stück des Klebestreifens in Kontakt gebracht wird, welches beim Entfernen das Metall von dem Plastik mitnimmt, wodurch die Durchgängigkeit der leitenden Bahn unterbrochen wird. Konventionelle Maßnahmen zur Beseitigung dieser Probleme umfassen mechanische Aufrauhung der Oberfläche der Kunststoffe, beispielsweise mit Sand- oder Glasstrahlbehandlung, Plasmaätzen der Oberfläche oder chemische Behandlung unter Zuhilfenahme von Wärme, wie beispielsweise mit einer Chromsäure, um die Kunststoffoberfläche auf zurauhen. Die meisten dieser Techniken machen mehrere Schritte zur Herstellung des fertigen Endprodukts erforderlich.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Bauteile, ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Bauteilen und Maschinen, bei denen derartige elektrische Bauteile verwendet werden. Gemäß einem bestimmten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Oberfläche eines thermoplastischen Substrates verändert, um die Adhäsion von Metall an der Oberfläche zu verbessern. Genauer gesagt wird die Oberfläche des thermoplastischen Substrats mittels Erwärmung verändert, um die Zersetzung eines Katalysator-Zwischenstoffs bzw. eines Vorgängers eines Katalysators zu dem Katalysator einhergehend mit einer ausreichenden Erweichung der thermoplastischen Oberfläche zu ermöglichen, um zu bewirken, daß der Katalysator die Oberfläche des erweichten Kunststoffs durchdringt und vor Ort durch den Thermoplasten verankert wird.
Gemäß einem wesentlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein thermoplastisches Substrat mit einem Schmelzpunkt unterhalb von 325ºC mit einem Zwischenstoff eines Katalysators zur stromlosen Ablagerung des leitenden Metalls beschichtet, wobei der Zwischenstoff eine Zersetzungstemperatur von unterhalb dem Schmelzpunkt des Thermoplasten und innerhalb des Temperaturbereichs, in dem der Thermoplast erweicht, aufweist und ein Teil des beschichteten Thermoplastsubstrates, das der leitenden Bahn entspricht, auf eine Temperatur erhitzt wird, die ausreichend ist, um den Katalysator-Zwischenstoff zu einem Katalystor zu zersetzen und das thermoplastische Substrat zu erweichen, um teilweise ohne wesentliche Zersetzung zu schmelzen und dabei den Katalysator in dem Substrat zu verankern, um Keimstellen für die stromlose Ablagerung eines leitenden Metalls zur Ausbildung der leitenden Bahn vorzubereiten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das beschichtete Kunststoffsubstrat durch einen direkten Laserstrahl erhitzt, vorzugsweise einem gebündelten Kohlendioxidlaser, und zwar der Teil des Substrates, der der leitenden Bahn entspricht.
In einem weiterem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der beschichtete Katalysator-Zwischenstoff von den nicht erhitzten Bereichen des beschichteten thermoplastischen Substrates vor dem Schritt, bei dem das stromlose Ablagern durchgeführt wird, entfernt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt der Schmelzpunkt des thermoplastichen Substrates unterhalb von 300ºC und innerhalb 50ºC, vorzugsweise 30ºC, der Zersetzungstemperatur des Katalystor-Zwischenstoffes
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das thermoplastische Substrat ein Polyamid, vorzugsweise Nylon 66 oder Nylon 6.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Katalysator-Zwischenstoff auf das thermoplastische Substrat über eine Lösungsmittelflüssigkeit aufgebracht, deren Lösungsmittel den Thermoplasten zwar benetzt, aber diesen nicht angreift bzw. löst.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Zwischenstoff-Katalysator ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Kupferacetat, Kupferoxalat, Kupfercarbonat, Kupersalicin, Kupferbutyl, Palladiumdiaminhydroxid, Palladiumacetat, Palladiumacetylacetat und Palladiumhexafluoracetat.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Laserstrahl auf ein beschichtetes thermoplastisches Substrat in einem vorbestimmten Muster, das eine Vielzahl von Bahnen umfaßt, gerichtet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das thermoplastische Substrat ein dreidimensionales Bauteil, welches relativ zu dem Laser bewegt wird, um das Muster eines Katalysators zu schaffen, das der gewünschten leitenden Bahn entspricht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das thermoplastische Substrat wenigstens eine darin in einem Muster, das der leitenden Bahn entspricht, ausgebildete strukturelle Nut auf.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und aus der Bezugnahme auf die Zeichungen.

Kurze Beuchreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine isometrische Ansicht teilweise einer Explosionsdarstellung eines Teils eines mit einem Rahmen versehenen Bereiches eines elektrostatographischen Druckgerätes mit einer repräsentativen Darstellung eines Umlaufmusters, das bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung ausgebildet wird.
Die Fig. 2A-2E zeigen Querschnittsansichten eines thermoplastischen Substrates während verschiedener Stadien des Verfahrens zur Ausbildung einer leitenden Bahn.
Fig.3 ist eine isometrische Ansicht eines dreidimensionalen Bauteils mit einer vergrößerten Schnittansicht 3A, die die mit einem Durchgang verbundenen Ausnehmungen auf beiden Seiten darstellt und eine vergrößerte Schnittansicht 38, die ein stromloses Muster in einer Ausnehmung darstellt.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems&sub1; das die Ausgestaltung einer elektrischen Bahn in einem strukturellen bzw. tragenden Bauteil durchführt.

Beschreibung des bevorzugten Äusführungsbeispiels

Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Beispiel eines elektrischen Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisches Bauteil mit einer erheblich verbesserten Adhäsion der leitenden Metallbahn, Muster oder Schaltbahn auf dem Substrat bereitgestellt. Das Bauteil wird hergestellt über Erwärmen eines thermoplastischen Substrates mit einem Schmelzpunkt von unterhalb 325ºC, welches mit einem Zwischenstoff eines Katalysators zur stromlosen Abscheidung von leitenden Metallen beschichtet worden ist, auf eine Temperatur zur Zersetzung des Katalysator-Zwischenstoffs zu einem Katalysator, Erweichen und zumindest teilweise Aufschmelzen ohne wesentliche Zersetzung des thermoplastischen Substrates, um dem Katalysator eine Durchdringung der Oberfläche des Substrates zu ermöglichen und diesen vor Ort fest zu verankern nachdem der Kunststoff abgekühlt ist. Das Bauteil kann ein strukturelles oder ein nicht tragendes Bauteil sein und kann eine einzige leitende Bahn oder einen Schaltkreis bzw. Schaltbahnen aufweisen.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 wird nun das wesentliche Merkmal der vorliegenden Erfindung verdeutlicht. Gemäß der Darstellung in Fig. 1 sind ein tragender Rahmen 10 zusammen mit einem Antriebsmodul 12 und einer Antriebsmodulplatte 14 als Teile eines elektrostatographischen Reproduktionsapparates dargestellt. Bezüglich weiterer Einzelheiten der Maschinenelemente und der Betriebsweise wird auf die US-Patentschrift 4,563,078 verwiesen. Außerdem sind elektrisch leitende Bahnen oder Spuren 20 dargestellt, die mit der erfindungsgemäßen Technik direkt auf dem Maschinenrahmen 10 ausgebildet sein können. Außerdem sind leitende Spuren bzw. Wege 21 in einem Durchgang 24 dargestellt.
Die Fig. 2A bis 2E sind vergrößerte Querschnittsdarstellungen des elektrischen Bauteils während verschiedener Schritte seiner Herstellung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Technik. In Fig. 2A ist das Substrat 26 auf der Oberfläche mit einem Katalysator-Zwischenstoff 28 beschichtet worden.
Fig. 28 verdeutlicht den Zustand des Substrates nachdem dieser einem Hitzemuster ausgesetzt worden ist, wie beispielsweie durch Einwirkung von Laserstrahlen, um den Katalysator- Zwischenstoff in flüchtige Gase und Katalysatorpartikel 30 zu zersetzen, die die Oberfläche des thermoplastischen Substrates 26 durchdringen und mit diesen verankert werden, wenn das Substrat sich abkühlt.
Fig. 2C verdeutlicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Katalysator-Zwischenstoff von den unerhitzten Bereichen des thermoplastischen Substrates entfernt worden ist.
Fig. 2D verdeutlicht den Aufbau, der eine leitende Metallschicht 32 umfaßt, die stromlos auf dem ausgesetzten Katalysator 30 abgelagert worden ist, der thermisch an dem Substrat 26 anhaftet.
Fig. 2E verdeutlicht ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem der Katalysator-Zwischenstoff 28 nicht von den nicht erwärmten Bereichen entfernt worden ist.
Jedes beliebige thermoplastische Substratmaterial kann bei der Verwirklichung der vorliegenden Erfindung verwendet werden, welches einen Schmelzpunkt von unterhalb von 325ºC und vorzugsweise einen Schmelzpunkt von unterhalb von 300ºC aufweist. Die Katalysator-Zwischenstoffe, die bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, weisen übli cherweise eine Zersetzungstemperatur von unterhalb von 260ºC und grundsätzlich in einem Bereich von 200ºC bis 260ºC auf. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, daß eine optimale Haftung bewirkt wird, indem ein Thermoplast ausgewählt wird, dessen Schmelzpunkt innerhalb von 500 der Zersetzungstemperatur des Katalysator-Zwischenstoffs und vorzugsweise innerhalb von 300 der Zersetzung des Katalysator- Zwischenstoffs liegt. Dies ermöglicht die Zersetzung des Katalysator-Zwischenstoffs in flüchtige Materialien und Katalysator bei ungefähr der gleichen Temperatur, bei der der Thermoplast merklich erweicht und dabei teilweise jedoch nicht wesentlich schmilzt und nicht zersetzt wird. Dadurch wird es möglich, daß Katalysatorpartikel in die Oberfläche des Thermoplasten eindringen und dort verankert werden, wenn der Thermoplast sich abkühlt. Typische Thermoplasten umfassen die ingenieurmäßig verwendeten Kunststoffe, wie beispielsweise Polyvinylchloride, Polyphenyloxide, wie beispielsweise Noryl, Polycarbonate, ABS, Mischungen aus ABS mit Polycarbonaten und anderen Kunststoffen und Polyamid. Die Polyamide Nylon 66 und Nylon 6 sind aufgrund ihrer hervorragenden Haftungseigenschaften besonders zu bevorzugen. Sofern gewünscht kann der Thermoplast in reiner Form vorliegen oder aber mit konventionellen Füllern, wie beispielsweise Glasfasern oder Mineralien gefüllt sein, oder aber zur Verringerung des Gewichts in herkömmlicher Weise geschäumt sein. Bei einer alternativen Ausführungsform können Substrate verwendet werden, die aus vernetzenden Kunststoffen hergestellt sind, wenn diese mit einem geeigneten thermoplastischen Belag beschichtet worden sind.
Der Katalysator wird üblicherweise so ausgewählt, daß er durch Ausbildung von Keimzellen für die Metalle an der stromlosen Ablagerung bzw. Abscheidung der leitenden Metalle teilnimmt. Typische Katalysator-Zwischenstoffe weisen Zersetzungstemperaturen in einem Bereich zwischen 2000 und 260ºC auf und umfassen Kupferacetat, Kuperoxalat, Kupfercarbonat, Kupfersalicylat, Kupferbutyrat, Palladiumdiarninhydroxid, Palladiurnacetat, Palladiumacetylacetat, Palladiumhexafluoracetylacetat, Bis (acetonitril) palladium(II) chlorid, Bis (benzonitril) palladium (II) chlorid, Allylpalladiumchloriddimer und die Platinanaloge von den obengenannten Palladiumbestandteilen. Palladiumacetat wird allgemein bevorzugt, da es sich kommerziell erwerben läßt und sich sauber und vorhersagbar bei einer der geringeren zersetzungstemperaturen von 220ºC zu Kohlendioxid und Essigsäure zersetzt. Darüber hinaus läßt es sich in Lösungsmitteln, wie beispielsweise Aceton und Alkoholen, lösen, die sich nicht aggresiv gegenüber Thermoplasten verhalten.
Der Katalysator-Zwischenstoff kann in jeder beliebigen Art auf das thermoplastische Substrat entweder in einem gewünschten, der fertigen leitenden Bahn entsprechenden Muster oder auf der gesamten Oberfläche des thermoplastischen Substrates als Schicht aufgebracht werden. Üblicherweise wird er als flüssige Lösung in einer Konzentration von 1 bis ungefähr 5 Prozent in Wasser oder einem organischen Lösungsmittel, wie beispielsweise Aceton, Methylethylketon, Ethylalkohol, Methylalkohol, Isopropylalkohol, Butylalkohol, Methylisobutylketon, Toluen, Ammoniak, Chlorbenzol und Methylenchlorid. Das Lösungsmittel sollte derart ausgewählt werden, daß es den Katalysator- Zwischenstoff auflöst jedoch nicht das thermoplastische Substrat auflöst bzw. in irgendeiner Weise angreift. Die flüssige Lösung kann mittels Bürsten, Spinnenbeschichten oder Tauchbeschichten aufgebracht werden, um eine im wesentlichen gleichförmige Beschichtung auf der Oberfläche des thermoplastischen Substrates auf dem mittels Zersetzung die Keimstellen zu schaffen, die in dem erweichten thermoplastischen Substrat für die nachfolgende Metallbeschichtung verankert werden. Nach Aufbringen der flüssigen Lösung auf das thermoplastische Substrat läßt man das Lösungsmittel üblicherweise ohne Einwirkung von zusätzlicher Wärme verdampfen.
Üblicherweise wird das beschichtete Kunststoffsubstrat durch Einwirkung eines Laserstrahles in einem dem gewünschten leitenden Weg entsprechenden Muster erwärmt. Der Laser wird derart ausgewählt, daß er eine Wellenlänge aufweist, die von dem thermoplastischen Substrat absorbiert werden kann. Der Kohlendioxidlaser wird insbesondere bevorzugt, da alle obengenannten ingenieurmäßig verwendeten Thermoplasten dessen Wellenlänge von 10,6 µm absorbieren. Üblicherweise können gebündelte Kohlendioxid-Laser mit einer geringen Leistung von 20-25 Watt/cm², die auf 1 mm fokussiert sind, über die Kunststoffoberfläche mit einer Geschwindigkeit von 0,5 mm pro Sekunde bis 5 cm pro Sekunde geführt werden, um den Katalysator- Zwischenstoff auf eine Temperatur oberhalb der thermischen Zersetzungstemperatur zu erwärmen, bei der sich der Zwischenstoff unter Abgabe von abdampfenden Gasen zersetzt und der abgeschiedene bzw. abgelagerte metallische Katalysator verbleibt, so daß dieser in die erweichte und teilweise geschmolzene thermoplastische Oberfläche eindringen kann und in der thermoplastischen Oberfläche verankert werden kann, wenn sich diese abkühlt. Wie bereits oben beschrieben worden ist, kann eine bestmögliche Haftung erzielt werden, falls die Differenz zwischen dem Schmelzpunkt des Thermoplasten und der Zersetzungstemperatur des Katalysator-Zwischenstoffs weniger als 50&sup0;c, vorzugsweise weniger als 30ºC beträgt. Nachfolgend zu der Einwirkung des Laserstrahls und der Ausbildung eines verankerten Katalysatorweges in der thermoplastischen Oberfläche kann derjenige Katalysator-Zwischenstoff der nicht behandelten bzw. nicht erwärmten Bereiche mit einem Lösungsmittel, wie beispielsweise dem Lösungsmittel, mit dem der Katalysator- Zwischenstoff ursprünglich aufgetragen worden war, entfernt werden.
Der letzte Schritt bei der Herstellung der elektrischen Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung ist das stromlose Beschichten eines leitenden Metalls, wie beispielsweise Kupfer oder Nickel auf den Katalysator-Keimstellen, die in dem thermoplastischen Substrat verankert sind.
Standardverfahren zur stromlosen Abscheidung aus einem Bad, beispielsweise Kupfersulfat, zur Beschichtung der katalysierten Bahnen mit Kupfer führen zu der folgenden, allgemein anerkannten Wirkung:
CuSO&sub4;.5H&sub2;O 250 g/l
Sodiumgluconat 60 g/l
NaOH 20 g/l
Formaldehyd 15 m/l (37%ige Lösung)
Temperatur 23,9ºC (75ºF)
Kupferablagerungen mit einer Dicke von 0,76 mm (30 Mikroinch) werden üblicherweise bei einer Behandlungszeit von 30 Minuten ausgebildet. Für Anwendungen mit einem geringen Strom kann dies als ausreichend erachtet werden. Jedoch kann es bei vielen Anwendungen notwendig sein, eine Dicke von bis zu 25,4 mm (1000 Mikroinch) auszubilden. Die zusätzliche Kupferdicke kann sehr wirkungsvoll durch ein zusätzliches elektrolytisches Beschichten in einer sauren Kupfersulfatlösung unter den folgenden Bedingungen geschaffen werden:
CuSO&sub4;.5H&sub2;O 250 g/l
H&sub2;SO&sub4; 75 g/l
CL- 40 ppm
Gelatine 40 ppm
Temperatur 54,4ºC (130ºF)
Stromdichte 1 zu 10 Amp/m²
Im nachfolgenden sollen die Fig. 3 und 4 beschrieben werden. Fig. 3 zeigt ein dreidimensionales Bauteil mit einer durchgehenden stromlosen Bahn auf mehreren Oberflächen, die durch die Bezugszeichen 35 und 36 als zu einer Ecke abfallend dargestellt sind. Die Bahn erstreckt sich abwärts und ist dargestellt wie sie durch vertikale Wände, von denen eine in der vergrößerten Schnittansicht 3A mit Durchgang 34 gezeigt ist, hindurchgeht. Der Durchgang gemäß Fig. 3A weist abgeschrägte
Wandausgestaltungen von einer Seite zu der anderen Seite mit stetig verändertem Querschnitt der Durchgangsbahn auf, wobei die Durchgangsbahn sich von einem maximalen Querschnitt auf einer Seite zu einem minimalen Querschnitt auf der anderen Seite verjüngen kann. Alternativ kann sie sich von einem maximalen Querschnitt auf beiden Seiten zu einem minimalen Querschnitt zwischen der ersten und der zweiten Seite verjüngen. Bei dieser Art der geometrischen Ausgestaltung können die Wände des Durchgangs von der Seite, die den größten Querschnitt hat oder alternativ von beiden Seiten beschichtet werden, um eine Katalysatorbahn von einer Seite zu der anderen auszubilden, so daß das leitende Metall während des nachfolgenden stromlosen Beschichtens in dem Durchgang eingelagert wird. Die vergrößerte Schnittansicht gemäß Fig. 38 verdeutlicht außerdem die Verwendung von Ausnehmungen 37 in dem thermoplastischen Substrat, in denen die leitende Bahn in dem thermoplastischen Substrat angeordnet wird, die mit dem Katalysator- Zwischenstoff beschichtet werden, von dem Laserstrahl behandelt werden und nachfolgend stromlos beschichtet werden, um ein durchgehendes stromloses Muster zu bilden, wobei hierdurch ein zusätzlicher Schutz des beschichteten Musters gegen Beschädigung aufgrund von Abrieb geschaffen wird.
Es wird nun auf Fig. 4 verwiesen, die ein Vorgehen schematisch darstellt, mit dem eine Vielzahl von leitenden Bahnen, die Umlaufbahnen darstellen, in einem Bauteil ausgebildet werden können. Das Teil 40 ist an einem Tisch 42 befestigt, der drehbar um eine mittlere Achse 43 einer Motorwelle (nicht dargestellt) in einem Motorgehäuse 44 befestigt ist. Außerdem läßt sich der Tisch über die Bewegung einer Spindel 46 mittels eines weiteren Motors (nicht dargestellt) in dem Motorgehäuse 44 bewegen. Der Laser-Abtastschlitten 48 weist drei Laserauslässe 50,52,54 auf, von denen jeweils eine in die jeweilige Richtung, in die der Schlitten in vertikaler Richtung durch die Spindel 56 und den Motor 58 und in horizontaler Richtung durch die Spindel 60 und den Motor 62 bewegbar ist. Die Bewegung des Tisches 42 und des Abtastschlittens 48 wird mittels einer programmierbaren Kontrolleinrichtung 64 gesteuert, um ein ausgewähltes Muster von leitenden Bahnen in dem Teil 40 auszubilden. Falls gewünscht kann eine Maske 66, die das vorbestimmte Muster aufweist, auf dem Teil angeordnet sein. Der Abtastbetrieb des Lasers kann in einem Einlaßkanal zur Spülung des Bauteils mit Inertgas, wie beispielsweise Stickstoff, oder in einer Vakuumkammer durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Entgasungsrohr in der Nähe des Teiles an einer Stelle angeordnet sein, an dem dieses markiert wird, um sämtliche schädlichen Materialien, die während der Erwärmung erzeugt werden, abzuführen.

Beispiel I

Ein thermoplastisches Substrat aus Polyvinylchlorid wurde dünn mit einer Lösung (weniger als 50 mg pro ml) aus Palladium(II)acetat als Katalysator-Zwischenstoff in Aceton beschichtet. Im Anschluß an diese Beschichtung des Substrates konnte das Aceton abdampfen. Das beschichtete Substrat wurde mit einer Rate von 5 mm pro Sekunde mit einem gebündelten Kohlendioxidlaserstrahl mit einem Brennkegeldurchmesser von 1 mm und 20-25 Watt/m² abgetastet, um das thermoplastische Substrat auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Palladiumacetats von 220ºC zu erhitzen, wodurch Zersetzungsgase, wie beispielsweise Kohlendioxid und Essigsäure, freigesetzt wurden, wohingegen das reduzierte Palladiummetall auf der erweichten Kunststoffoberfläche verblieb. Das thermoplastische Substrat wurde dann in Aceton gespült, um das Palladiumacetat auf den unbehandelten Flächen zu entfernen. Das nachfolgende Eintauchen des Kunststoffs in einer üblichen kommerziellen stromlosen Kupferbeschichtungslösung führte zu einer dicken haltbaren Kupferschicht von 25 µm in lediglich 15 Stunden in denjenigen Bereichen, die dem Laser ausgesetzt waren. Die Adhäsion des sich ergebenden leitenden Musters wurde unter Verwendung eines IPC-L-108 Testverfahrens untersucht. Demgemäß wurde druckempfindliches Klebeband (F.S. A-A-113) in Streifen von 12,7 mm (1/2 Inch) Breite x 50,8 mm (2 Inch) Länge fest auf der Oberfläche der Schaltbahnen aufgebracht. Das Klebeband wurde dann durch plötzliches Aufbringen einer Handkraft im wesentlichen senkrecht zu den Schaltbahnen entfernt. Dieser Versuch wurde zweimal wiederholt. Bei visueller Untersuchung sowohl des Schaltkreises als auch der Klebebandprobe konnte eine gute Bindung des aufgebrachten Schaltkreises mit dem thermoplastischen Substrat aufgrund fehlender Nachweise für Haftungsfehler festgestellt werden.

Beispiel II und III

Das Vorgehen gemäß Beispiel I wurde wiederholt für Nylon 66und Nylon 6-Substrate unter denselben Bedingungen, jedoch wurde eine Laserleistung von 30-35 Watt/cm² verwendet. Sowohl Nylon 66 als auch Nylon 6 wurden dem oben beschriebenen Test unter Verwendung eines Klebebandes unterzogen. Die Haftung für beide Proben war besser als diejenige die bei Beispiel I festgestellt werden konnte und zwar insofern, als daß die stromlos abgeschiedenen Bahnen nur schwer durch physikalisches Kratzen mit einer Metallkante entfernt werden konnten, ohne dabei das Substrat zu entfernen.

Beispiel IV

Das Vorgehen gemäß Beispiel I wurde wiederholt für ein Polyimidsubstrat, jedoch wurde eine Laserleistung von 40-45 Watt/cm³ angewendet. Stromlose Bahnen wurden auf dem Polyimid ausgebildet, jedoch haben diese den Klebebandtest nicht überstanden, da die Bahnen unmittelbar mit der Entfernung des Klebebandes von dem Substrat abgelöst wurden. Da dieses Polyimid sich bei einer Temperatur von mehr als 800ºC zersetzt, war die Laserbehandlung nicht geeignet das Substrat zu erweichen, um den Katalysator in die Oberfläche eindringen zu lassen und sich an dieser anzuhaften.
Gemäß den obigen Ausführungen wird mit der vorliegenden Erfindung eine einfache wirtschaftliche Alternative für die konven tionelle Verdrahtung und die Konstruktion von elektrischen Komponenten geschaffen. Die vorliegende Erfindung führt außerdem zu einer verbesserten Haftung zwischen einem Substrat und einer stromlos abgeschiedenen Metallbahn. Die elektrische Komponente wird in einem sehr einfachen Verfahren mit nur wenigen Schritten hergestellt werden, das darüber hinaus sehr wirtschaftlich ist, da der Katalysator-zwischenstoff von den nicht behandelten Flächen des Substrates wiedergewonnen und wiederbenutzt werden kann. Außerdem ist keine weitere Oberflächenbehandlung notwendig als die einfache Beschichtung, wobei die Breite der Bahnen leicht mittels entsprechender Einstellung des Brennpunktes des Lasers oder der Ausgestaltung der Maske angepaßt werden kann. Schließlich ist das Herstellungsverfahren einer Automatisierung zugänglich und kann in einer programmierbaren kontrollierbaren Weise durchgeführt werden.
Die Offenbarungen von Patenten und anderen Druckschriften sowie die ebenfalls anhängigen Anmeldungen, auf die sich die vorliegende Anmeldung bezieht, werden in diese bewußt und in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingefügt.
Während die Erfindung im Hinblick auf einen elektrostatographischen Kopierer und Drucker genau beschrieben worden ist, ergibt sich aufgrund der Beschreibung, daß die Erfindung bei einer Vielzahl von Maschinen mit elektrischen Komponenten angewendet werden kann. Demgemäß ist mit der vorliegenden Erfindung beabsichtigt, auch solche Alternativen und Abwandlungen zu umfassen, die in den durch die beigefügten Schutzansprüche gegebenen Schutzumfang fallen.

Claims

1. Verfahren zur Ausbildung zumindest einer elektrisch leitenden Bahn in einem Kunststoff substrat bei dem ein thermoplastisches Substrat mit einem Schmelzpunkt von unterhalb von 325ºC bereitgestellt wird, bei dem das Substrat mit einem Katalysator-zwischenstoff für die stromlose Abscheidung von leitenden Metallen beschichtet wird, wobei der Katalysator-Zwischenstoff eine Zersetzungstemperatur aufweist, die unterhalb des Schmelzpunktes des Thermoplasten und innerhalb des Temperturbereiches, in dem der Thermoplast erweicht, liegt, bei dem der Teil des beschichteten thermoplastischen Substrats, der der leitenden Bahn entspricht, auf eine Temperatur erwärmt wird, die ausreicht, um den Katalysator-Zwischenstoff zu dem Katalysator zu zersetzen und den Thermoplasten zu erweichen, wobei das Substrat, der Katalysator- Zwischenstoff und die Temperatur derart ausgewählt werden, daß sich beim Aufwärmen auf die Temperatur der Zwischenstoff zu dem Katalysator zersetzt, der Thermoplast sich erweicht und wenigstens teilweise schmilzt ohne sich jedoch wesentlich zu zersetzen, um zu ermöglichen, daß der Katalysator in die Oberfläche des Thermoplasten eindringt und dort verankert wird, um Keimstellen für die nachfolgende stromlose Ablagerung von leitendem Metall zu schaffen und das leitende Metall mittels stromloser Abscheidung auf dem erwärmten Bereich abzuscheiden, um eine leitende Bahn auszubilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schritt vorgesehen ist, bei dem der aufgetragene Katalysator-Zwischenstoff von den nicht erwärmten Flächen

des thermoplastischen Substrates vor der stromlosen Ablagerung entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erwärmen ein Laserstrahl auf den Bereich des Substrates gerichtet wird, der der leitenden Bahn entspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl ein gebündelter Kohlendioxidlaser ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzpunkt des thermoplastischen Substrates unterhalb von 300ºC liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzpunkt des thermoplastischen Substrates innerhalb von 50ºC der Zersetzungstemperatur des Katalysator- Zwischenstoffes liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzpunkt des thermoplastischen Substrates innerhalb von 30ºC der Zersetzungstemperatur des Katalysator- Zwischenstoffes liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Substrat ein Polyamid ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyamid aus einer Gruppe, bestehend aus Nylon 66 und Nylon 6, ausgewählt ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator-Zwischenstoff mittels einer flüssigen Lösung, dessen Lösungsmittel den Thermoplasten benetzt jedoch nicht zersetzt, auf den Thermoplasten aufgetragen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator-Zwischenstoff von den nicht erwärmten Flächen des thermoplastischen Substrates mittels Waschen mit einer Lösung entfernt wird, um den Katalysator-Zwischenstoff aufzulösen, wobei das Lösungsmittel den Thermoplasten benetzt jedoch nicht zersetzt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator-Zwischenstoff aus einer Gruppe bestehend aus Kupferacetat, Kupferoxalat, Kupf ercarbonat, Kupfersalicylat, Kupferbutyrat, Palladiumdiaminhydroxid, Palladiumacetat, Palladiumacetylacetat, Palladiumhexafluoracetat und Palladiumnitrat ausgewählt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator-Zwischenstoff Palladiumacetat ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Palladiumacetat auf das Substrat aus einer daraus gebildeten Acetonlösung aufgetragen wird und daß das leitende Metall Kupfer ist.

15. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl in einem vorbestimmten Muster auf das beschichtete thermoplastische Substrat gerichet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das vorbestimmte Muster eine Vielzahl von Bahnen umfaßt.

17. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das beschichtete thermoplastische Substrat ein dreidimensionales Bauteil ist und daß das Substrat und der Laserstrahl relativ zueinander bewegt werden, um ein Muster eines Katalysators, das der leitenden Bahn entspricht, zu erz eugen.

18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Substrat zumindest eine strukturelle Ausnehmung in einem Muster, das der leitenden Bahn entspricht, aufweist.

19. Eine elektrische Komponente mit einem thermoplastischen Substrat mit einem Schmelzpunkt unterhalb von 325ºC, einer elektrisch leitenden Bahn in dem Substrat und mit einer durchgängigen stromlos abgeschiedenen leitenden metallischen Bahn, die an stromlos abgeschiedenen, mit starker Bindung in dem thermoplastischen Substrat verankerten Katalysator-Keimstellen haften, wobei der Katalysator durch Erwärmen einer Beschichtung eines Katalysator-Zwischenstoffes mit einer Zersetzungstemperatur, die unterhalb des Schmelzpunktes des Thermoplasten und innerhalb des Temperaturbereiches liegt, in dem der Thermoplast erweicht, auf dem thermoplastischen Substrat gebildet wird, wobei das Substrat, der Katalysator-Zwischenstoff und die Temperatur derart ausgewählt sind, daß beim Erwärmen auf die Temperatur, bei der sich der Zwischenstoff zu dem Katalysator zersetzt, der Thermoplast erweicht und teilweise schmilzt, ohne sich jedoch wesentlich zu zersetzen, und den Katalysator verankert, wodurch Keimstellen geschaffen werden.

20. Apparat mit mehreren elektrischen Komponenten, wobei bei jeder für den Betrieb die elektrischen Komponenten versorgt werden müssen, wobei die Maschine umfaßt wenigstens eine Komponente, die ein thermoplastisches Substrat mit einem Schmelzpunkt von unterhalb von 325ºC aufweist, eine elektrisch leitende Bahn in dem Substrat mit einer durchgängigen elektrisch abgeschiedenen leitenden metallischen Bahn, die an stromlos abgeschiedenen Keimplätzen eines fest in dem thermoplastischen Substrat verankerten Katalysators haften, wobei der Katalysator durch Erwärmen einer Beschichtung eines Katalysator-Zwischenstoffes mit einer Zersetzungstemperatur, die unterhalb des Schmelzpunktes des Thermoplasten und innerhalb des Temperaturbereiches liegt, in dem der Thermoplast erweicht, auf dem thermoplastischen Substrat gebildet wird, wobei das Substrat, der Katalysator-Zwischenstoff und die Temperatur derart ausgewählt sind, daß beim Erwärmen auf die Temperatur, bei der sich der Zwischenstoff zu dem Katalysator zersetzt, der Thermoplast erweicht und teilweise schmilzt ohne sich jedoch wesentlich zu zersetzen und den Katalysator verankert, wodurch Keimstellen geschaffen werden.