DE69400546T2 - Stromlose Metallisierung von optischen Fasern für undurchlässige Verpackung - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft die Metallisierung von Lichtleitfasern durch außenstromloses Plattieren.
Hintergrund der Erfindung
• Bei vielen Anwendungen in der Lichtleitfasertechnologie müssen Lichtleitfasern verlötbar sein, um sie entweder zu optischen Bauelementen, wie z.B. Lasern und Photodetektoren, ausrichten zu können oder aber für eine hermetische Verkapselung. Bei einem gegenwartig verwendeten Verfahren wird diese Anforderung dadurch erfüllt, daß Metall auf die Lichtleitfasern aufgesputtert wird. Auf Lichtleitfasern aufgesputterte Metallisierungen, die z.B. aus Titan, Platin oder Gold bestehen, werden sowohl bei Seekabellichtwellenleitern oder erdverlegte Lichtwellenleitern als auch bei Kabelfernsehprojekten verwendet (siehe z.B. EP-A 497 489). Diese Vorgehensweise ist nicht nur sehr teuer, sondern führt auch zu einer nichtgleichmäßigen Beschichtung, bewirkt eine schwächung der Lichtleitfaser und führt zu Einschränkungen bei der Art der verwendbaren Polymerummantelung, die in dem Vakuum einer Sputterkammer einsetzbar ist. Andere Verfahren für ein hermetisches Bonden oder Kontaktieren von Lichtleitfasern machen eine Hochtemperaturverarbeitung erforderlich, wie z.B. das Englehard-Platin-Markierungsverfahren (670ºC), oder aber ein niedrig schmelzendes Glas, wie es von Schott Faseroptik hergestellt wird (480ºC). Ein Verfahren zum Abscheiden von Metall auf Lichtleitfasern bei niedrigen Temperaturen und ohne die Anwendung eines Hochvakuums wäre mit technischen und wirtschaftlichen Vorteilen verbunden. In der Vergangenheit wurde ein Abscheidungsverfahren eingesetzt, um dielektrische Oberflächen, wie z.B. Glasoberflächen, durch außenstromlose Abscheidung von Nickel zu Metallisieren. Bei diesem Verfahren wird eine Glasoberfläche durch Aufbringen eines Sensibilisierungsmittels für die außenstromlose Abscheidung von Nickel präpariert, wobei durch das Sensibilisierungsmittel ein Katalysator für die Nickelreduktion aus einer außenstromlosen Vernickelungslösung abgeschieden wird. Durch Aufbringen einer wäßrigen Lösung aus Zinndichlorid (SnCl&sub2;) auf eine Glasoberfläche, wie z.B. ein Objektträger, wird die Oberfläche beispielsweise mit Sn²&spplus;-Ionen beschichtet. Wenn die sensibilisierte Oberfläche einer Lösung aus Pd²&spplus;-Ionen ausgesetzt wird, findet eine Oxidations-Reduktions-Reaktion statt, bei der die Zinnionen zu Sn&sup4;&spplus;-Ionen aufoxidiert und die Palladiumionen zu Palladiummetall (Pd&sup0;) reduziert werden. Wenn diese aktivierte Oberfläche anschließend einer Lösung aus Ni²&spplus; und einem Reduktionsmittel, wie z.B. Natriumhypophosphit, ausgesetzt wird, wirkt das Palladium (Pd&sup0;) als Katalysator für die Reduktion von Nickelionen zu Nickelmetall (Ni&sup0;), das selbst wiederum als Katalysator für seine eigene Reduktion wirkt (siehe z.B. FR-A-2 486 064). Es wurde auch eine Verfahrensvariante vorgeschlagen bei der anstelle von SnCl&sub2; SnF&sub2; verwendet wird (siehe FR-A-1 562 392).
• Obgleich SnCl&sub2; und SnF&sub2; hinreichend gut als Sensibilisierungsmittel für Glasoberflächen wirken, ist es unglücklicherweise nicht möglich, unter Verwendung dieser Standardverfahren eine reproduzierbare gleichmäßige Plattierung von Nickel auf Quarzglas- oder Silikafasern zu erhalten. Es besteht daher ein Bedarf an einem zuverlässigen Verfahren für die außenstromlose Metallisierung von Lichtleitfasern.
Zusammenfassung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein außenstromloses Verfahren zum aufeinanderfolgenden Abscheiden von Nickel und Gold auf Lichtleitfasern unter Verwendung von wäßrigen Lösungen. Der Schlüssel für diese Verfahren bildet die Sensibilisierung der Oberfläche von Lichtleitfasern bei Abwesenheit von Sauerstoff unter Verwendung einer wäßrigen Zinndifluoridlösung, die durch Auflösen von kristallinem SnF&sub2; in entionisiertem Wasser vorbereitet wird. Die anschließende Behandlung umfaßt das Eintauchen der sensibilisierten Lichtleitfaser in eine wäßrige Lösung aus Palladiumdichlorid/HCl und das anschließende außenstromlose Plattieren in kommerziell erhältlichen außenstromlosen Nickel- und Goldlösungen. Das Verfahren ist kompatibel mit chemischen Verfahren oder mit Fusionsverfahren zur Bildung von Linsen, da eine abstreifbare Polymerbeschichtung verwendet wird, um Teile der Faseroberfläche des Lichtleitfaserendes selektiv abzudecken oder zu maskieren. Lötverbindungen mit der metallisierten Faser sind hermetisch dicht, wie durch eine Dichtigkeitsprüfung mittels Helium festgestellt wurde. Die Festigkeit des Lötmittels bei Zugproben liegt in Abhängigkeit von der Art des verwendeten Lötmittels typischerweise im Bereich zwischen 3 und 5 Pound (1,36-2,27 kg).
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Lichtleitfaser, wobei ein Teil dieser Faser erfindungsgemäß metallisiert ist.
• Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Lichtleitfaser, wobei ein Teil dieser Faser mit einer dünnen Beschichtung aus einem katalytischen Metall versehen ist, und wobei das Ende der Faser mit einer wahlweise aufbringbaren, schützenden Polymerbeschichtung versehen ist.
• Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem die Dicke einer Nickelplattierung als Funktion der Plattierungszeit einer Lichtleitfaser dargestellt ist, wobei die Unterlage einmal aus SnF&sub2;/Pb besteht und einmal aus Nickel, das mittels eines chemischen Gasphasenabscheidungsverfahrens abgeschieden wurde.
• Fig. 4 zeigt ein Diagramm, in dem die Dicke einer auf einer außenstromlos abgeschiedenen Nickelplattierung außenstromlos abgeschiedenen Goldplattierung als Funktion der Plattierungszeit dargestellt ist.
Ausführliche Beschreibung
• Die vorliegende Erfindung schafft ein einfaches, reproduzierbares außenstromloses Verfahren zur selektiven Metallisierung von Lichtleitfasern. Die Festigkeit der so metallisierten Fasern ist höher als bei gegenwärtig verwendeten Produkten, die durch Aufsputtern von Ti/Pt/Au hergestellt werden. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schaffung von Lichtleitfasern mit Metallisierungen, die mit anderen Oberflächen verlötbar sind. Das Verfahren umfaßt die folgenden Verfahrensschritte: Eintauchen der entblößten Abschnitte einer zu metallisierenden Lichtleitfaser in eine Lösung aus 0,5 bis 3 g/l, vorzugsweise von 1 g/l, SnF&sub2; in entionisiertem Wasser; Spülen in Wasser; Eintauchen der sensibilisierten Abschnitte in eine wäßrige Aktivierungslösung aus 2 g/l bis 10 g/l, vorzugsweise 6 g/l, PdCl&sub2; in verdünnter Salzsäure (eine 0,01 molare bis 0,1 molare, vorzugsweise eine 0,02 molare Salzsäure), wobei der pH-Wert dieser Lösung zwischen 1,6 und 1,7 liegt; Spülen in Wasser; Eintauchen des aktivierten Bereichs in ein außenstromloses Vernickelungsbad für eine Zeitspanne, die ausreicht, um eine 1 bis 20 µm dicke und vorzugsweise eine 3 bis 5 µm dicke Schicht aus Nickel abzuscheiden und Spülen in Wasser. Die SnF&sub2;-Lösung, das Spülbad für die Zwischenspülung und die PdCl&sub2;/HCl-Lösungen befinden sich in einer nichtoxidierenden Umgebung, wie z.B. einer Stickstoffatmosphäre. Das Verfahren umfaßt wahlweise die Bildung einer dünnen Schutzschicht aus Metall, wie z.B. Gold, auf der Nickelschicht. Die Goldschicht wird dadurch gebildet, daß der mit Nickel plattierte Teil für eine Zeitspanne, die lang genug ist, um auf der Nickelschicht eine 0,1 bis 1 µm dicke und vorzugweise eine 0,7 µm dicke Goldschicht auszubilden, in ein außenstromloses Vergoldungsbad eingetaucht wird.
• Das Metallisieren kann entweder durch Einzelbehandlung der Lichtleitfasern erfolgen oder aber dadurch, daß mehrere Lichtleitfasern, von deren Endteilen jeweils der Polymermantel entfernt wurde, in Halteeinrichtungen befestigt werden, die nacheinander von einem Behälter mit einer geeigneten Lösung oder mit Spülwasser zu einem anderen bewegt werden. Die Fasern sind in den Halteeinrichtungen so angeordnet, daß ihre Endabschnitte jeweils lediglich bis zu einer gewünschten Tiefe in die Behandlungslösung eingetaucht werden, wobei das Ende des Polymermantels lediglich minimal bedeckt wird.
• Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer metallisierten Lichtleitfaser 10, die eine Lichtleitfaser 11, eine Metallisierung 12, einen nicht metallisierten Endabschnitt 13 und einen Polymermantel 14 umfaßt.
• Bei der Lichtleitfaser des Ausführungsbeispiels handelt es sich um einen Monomoden-Unterwasserlichtwellenleiter (submarine lightguide = SL) mit einem Urethan-Acrylat- Polymermantel. In einem ersten Verfahrensschritt wird der Urethan-Acrylat-Polymermantel über eine vorbestimmte Länge von der Lichtleitfaser entfernt. Der Polymermantel läßt sich durch Eintauchen in heiße konzentrierte Schwefelsäure einfach auflösen (Zersetzen). Die Zeit für die Entnahme verändert sich mit der Temperatur der Säure, sie beträgt bei 160ºC jedoch typischerweise etwa 5 s. Um eine vollständige Beseitigung des Polymermantels zu gewährleisten, muß die Lichtleitfaser für 15 s in der Säure verbleiben. Längere Verweilzeiten in der Säure führen zwar zu keiner Beschädigung der Lichtleitfaser, der in dem Meniskus der Säure verbleibende Polymermantel wird jedoch teilweise hydrolisiert und damit hydrophiler. Dieser hydrophile Bereich führt dazu, daß der Polymermantel in Wasser stark anschwillt. Obwohl sich das Wasser durch Trocknen beseitigen läßt, ist es empfehlenswert, die Ablösezeit in der Säure auf das zum Reinigen der zu metallisierenden Oberfläche notwendige Maß zu begrenzen. Die Lichtleitfasern werden nun zum Abspülen für ein paar Minuten in Wasser eingetaucht.
• Nach dem Ablösen werden die entblößten Teile der Lichtleitfasern mit einer Lösung aus 1 g/l (6,4 x 10&supmin;³ M) Zinndichlorid behandelt, in das sie für 5 bis 10 min. unter Stickstoff eingetaucht werden. Die Lösung wird hierbei leicht umgerührt. Das Zinndichlorid haftet hierbei an der Oberfläche der Lichtleitfaser an, ohne daß hierbei ein Abrieb der Faseroberfläche auftritt. Eine Zinndichloridlösung mit einer Konzentration von 1 g/l wird wie folgt hergestellt: In 300 ml 18 MΩ Wasser wird, nachdem durch ein 30 bis 45 minütiges Einperlenlassen von Stickstoff aus einem Gasdiffusionsrohr in einer Stickstoffbox der Sauerstoff entfernt wurde, 300 mg kristallines SnF&sub2; hinzugefügt, wobei für etwa 3 min. gerührt wird. Hierdurch entsteht eine klare farblose Lösung, die bis zu 2 Std. verwendbar ist oder aber solange, bis eine Trübung auftritt. Das SnF&sub2;, ein Zinn (II)-Fluorid, das in kristalliner Form unter der Katalognummer S2887 von der Sigma Chemical Co., erhältlich ist, wird hierbei ohne nochmalige Reinigung verwendet. Die SnF&sub2;-Lösung wird vor ihrer Verwendung unter Stickstoff gelagert. Das entionisierte Wasser (DI) wird hergestellt, indem man Leitungswasser durch eine Barnstead NANO Pure II Filtereinheit laufen läßt.
• SnF&sub2; ist in Wasser nicht unbegrenzt stabil und oxidiert leicht bei Kontakt mit Luft. Wenn die Lösung einer Umgebungsatmosphäre ausgesetzt ist, entwickelt sich ein Kolloid, wobei die Teilchengröße dieses Kolloids mit zunehmender Konzentration von SnF&sub2; rasch zunimmt. Obgleich das Plattieren durch das Kolloid nicht verhindert wird, werden einige Kolloidpartikel auf der Faseroberfläche adsorbiert, was zu Unebenheiten auf der Oberfläche führt. Diese Unebenheiten können zwar vorteilhaft sein, sie können jedoch möglicherweise auch ein Ausgangspunkt für ein Versagen der Metall-Silika-Grenzschicht sein. Vom praktischen Standpunkt aus gesehen, ist es vernünftiger, die Bedingungen zu meiden, bei denen dieses Kolloid entsteht. Wenn man die wäßrige SnF&sub2;-Lösung unter Stickstoff aufbewahrt, wird die Bildung des Kolloids stark verringert. Wenn die Konzentration der SnF&sub2;-Lösung 1 g/l oder weniger beträgt und bei Vermeidung von Sauerstoff, ist für einige Stunden keine merkliche Kolloidbildung zu beobachten.
• Die sensibilisierten Fasern werden nun abgespült, indem sie einmal in entionisiertes Wasser eingetaucht und für 1 min. in eine Aktivierungslösung mit 6 g/l Palladiumdichlorid (3,4 x 10&supmin;² M) und 0,02 molarer Salzsäure in Wasser gegeben werden, wobei die Lösung leicht umgerührt wird. Eine Lösung mit einer Konzentration von 6 g/l Palladiumdichlorid in 0,02 molarer Salzsäure wird dadurch hergestellt, daß 1,8 g PdCl&sub2; in 300 ml gerührte Säure gegeben und für etwa 30 min. auf 60 bis 70ºC erhitzt wird. Diese Lösung wird nun auf Zimmertemperatur abgekühlt und die entstehende dunkle gelbbraune Lösung wird unter Verwendung einer Nalgene Media-Plus Filtereinheit gefiltert. Der pH-Wert dieser Lösung beträgt etwa 1,65. Bei dem PdCl&sub2; handelt es sich um 99,9 %iges Palladium-(II)-Chlorid, das ohne zusätzliche Reinigung verwendet wird und unter der Katalognummer 11034 von Johnson Mathey erhältlich ist. Bei der Salzsäure handelt es sich um eine 0,1 molare Säure, die unter der Katalognummer 31,896-5 von Aldrich erhältlich ist und in entionisiertem Wasser bis zur gewünschten Konzentration verdünnt wird. Die Lösung ist zwar nicht luftempfindlich, sie wird jedoch zusammen mit der SnF&sub2;-Lösung in der Stickstoffbox aufgewahrt, um während des übergangs von dem Spülbad zu dem PdCl&sub2;/HCl-Bad eine Oxidation der SnF&sub2;-Schicht zu verhindern. Die SnF&sub2;- und die PdCl&sub2;- Lösungen wurden unter Verwendung von Magnetrührern, die unter der Stickstoffbox angebracht waren, leicht gerührt.
• Um die Bedingungen zur Sensibilisierung der Faseroberfläche zu optimieren, wurde der Einfluß der Konzentration von PdCl&sub2; und von HCl untersucht. Es hat sich gezeigt, daß es um so günstiger ist, je höher die PdCl&sub2;-Konzentration ist, wobei die HCl-Konzentration unter Beibehaltung der Löslichkeit von PdCl&sub2; so gering wie möglich gehalten werden sollte. Die PdCl&sub2;-Lösungen können so hergestellt werden, daß der Gehalt an Pd zwischen 2 g/l und 10 g/l liegt, wobei 6 g/l der optimale Wert ist. Das SnF&sub2; kann auf der Faseroberfläche oxidieren oder aber desorbiert werden, wenn die Lichtleitfaser erst einmal in das PdCl&sub2;-Bad überführt wurde, so daß diese unerwünschten Reaktionen mit der gewünschten Redöxreaktion konkurieren. Von diesem Standpunkt aus gesehen, ist eine hohe PdCl&sub2;-Konzentration wünschenswert. Bei einer Konzentration von 6 g/l PdCl&sub2; und bei einer 0,02 bis 0,05 molaren Salzsäure findet eine gute Vernickelung statt, während bei einer 0,1 molaren Salzsäure lediglich eine teilweise Vernickelung stattfindet. Wenn die an der Oberfläche gebundenen Zinnteilchen F&supmin;¹ vor der Umwandlung von Palladium (II) in Pd(0) durch Cl&supmin;¹ ersetzt werden könnten, könnte die Menge der mit dem PdCl&sub2; verwendeten Salzsäure dadurch minimiert werden, daß man ihre Konzentration in der Nähe der Konzentration hält, bei der es nicht möglich ist, das gesamte PdCl&sub2; aufzulösen. Eine 0,01 molare Salzsäure wäre beispielsweise nicht konzentriert genug, während eine 0,02 molare Salzsäure empfehlenswert wäre.
• Aufgrund der Sensitivität von Zinndifluorid gegenüber Sauerstoff wird das Verfahren bis zu diesem Punkt in Stickstoffatmosphäre durchgeführt. Nach dem Entnehmen der Lichtleitfasern aus der Palladiumdichloridlösung werden die Fasern wiederum in Wasser abgespült. In diesem Verfahrensstadium sind die Fasern mit einer katalytischen Schicht aus Palladium versehen und nicht länger sensitiv gegenüber Sauerstoff, so daß sie aus der schützenden Stickstoffatmosphäre entnommen werden können.
• Zu diesem Zeitpunkt ist das Ende des Polymermantels teilweise durch Wasser angeschwollen, so daß es vor dem Eintauchen der Faser in das außenstromlose Vernickelungsbad getrocknet werden muß, um eine glatte metallische Zwischenschicht zu gewährleisten. Das Trocknen kann für etwa 10 min. bei 75ºC in einem Umluftofen durchgeführt werden. Bei längeren Trocknungszeiten bis zu einem Tag wird zwar die katalytische Oberfläche nicht desaktiviert, diese Zeiten können jedoch durch Teilchen in der Luft möglicherweise mit Nachteilen verbunden sein.
• Um eine Metallplattierung an dem Ende der Lichtleitfaser zu vermeiden, z.B. auf einer gespaltenen Endfläche der Faser oder an einem Faserende, das entweder bereits mit einer Linse versehen ist oder aber an dem noch eine Linse auszubilden ist, kann das Ende mittels eines ablösbaren Polymeren geschützt werden. Das ablösbare Polymer wird nach dem Abscheiden der dünnen Beschichtung 17 aus SnF&sub2;/Pd auf dem entblößten Faserende aufgebracht. Dies wird dadurch erreicht, daß das Faserende zum Beschichten des nicht zu plattierenden Bereichs in eine Lösung aus einem einfach ablösbaren Polymeren eingetaucht wird. Das Aufbringen des ablösbaren Polymeren auf die Faser vor dem Aufbringen der Beschichtung 17 kann zu der Bildung einer SnF&sub2;/Pd- Beschichtung auf diesem Polymeren führen und möglicherweise dazu, daß auf dieser Schicht eine Metallplattierung abgeschieden wird, was zu vermeiden ist. Fig. 2 zeigt eine Lichtleitfaser 10 mit einem Polymermantel 14, einem entblößten Bereich 16 der Faser 11, einer dünnen Beschichtung 17 aus SnF&sub2;/Pd auf diesem Bereich und einer ablösbaren Polymerschicht 18 auf dem sich verjüngenden Ende der Faser. Die Lösung für diese ablösbare Polymerbeschichtung umfaßt eine Lösung aus dem KEL-F 800 Kunstharz , das von der 3M Corporation erhältlich ist, in Amylazetat. Die Polymerbeschichtung wird durch Eintauchen des Faserendes in eine Lösung aufgebracht, die 30 bis 35 Gew.-% KEL-F 800 Kunstharz in Amylazetat umfaßt. Das Trocknen der Beschichtung erfolgt für etwa 10 min. bei 75ºC in einem Umluftofen. Das Trocknen kann jedoch auch bei Umgebungsbedingungen in einem Umluftofen durchgeführt werden. Das Polymer kann von den Faserenden entfernt werden, indem man diese etwa 1 min. lang mit gerührten Azeton abspült.
• Nach dem Trocknen des durch Wasser angeschwollenen Endes des Polymermantels und nach dem bedarfsweisen Aufbringen einer Polymerschutzschicht auf die Faser wird diese zu einem außenstromlosen Vernickelungsbad überführt. Bei der außenstromlosen Vernickelungslösung handelt es sich um eine kommerziell erhältliche Lösung, die aus zwei Teilen, Teil A und Teil B, besteht, die vor der Verwendung zusammengebracht werden. Teil A ist eine Quelle für Nickelionen, wie z.B. Nickelchlorid, Nickelsulfat und Nickelazetat, und Teil B ist eine Quelle für Hypophosphidionen (ein Reduzierungsmittel), wie z.B. Natriumhypophosphid. Eine Vernickelungslösung ist von der Fidelity Chemical Products Corporation, Newark, New Jersey, unter der Bezeichnung 4865 erhältlich, wobei Teil A Nickelsulfat enthält und Teil B Natriumhypophosphid, Natriumhydroxid und Essigsäure. Die Vernickelungslösung wird durch Vermischen der Teile A und B mit Wasser vorbereitet, wobei der pH-Wert der Lösung zwischen 4,5 und 5,2 liegt. Die bei dem vorliegenden Metallisierungsverfahren verwendete Nickellösung wurde durch Vermischen der Teile A und B mit 18 MΩ Wasser im Verhältnis 1:3:16 und durch Filtern dieser Lösung in einer Halgne Media-Plus Filtereinheit (Nylon Porengröße 0,2 µm) vorbereitet. Der pH-Wert dieser Lösung beträgt etwa 4,85.
• Die Vernickelungslösung wird bei 85±1ºC verwendet. Die Lösung wird nicht gerührt und es ist auch kein Rühren erforderlich. Eine gute Temperatursteuerung ist wichtig, da an den Wänden des Plattierungsbehälters bei höheren Temperaturen ein spontanes Plattieren mit Nickel auftreten kann, während die Nickelplattierungsgeschwindigkeit bei tieferen Temperaturen rasch abnimmt. Ein Temperaturunterschied von mehr als 1 bis 2ºC, z.B. bis zu 10ºC oder mehr, zwischen dem Boden und der Oberseite des Plattierungsbehälters würde zu einer spontanen Plattierung mit Nickel führen. Durch das autokatalytische Wesen des Nickelplattierungsprozesses kann es zu einer raschen Ansammlung von Nickel und zur Entwicklung von Wasserstoff kommen. Durch die durch die Wasserstoffblasen hervorgerufene Konvektionsströmung werden kleine Nickelteilchen mittransportiert, die an der Faseroberfläche anhaften und das Abscheiden der Plattierungsschicht beeinträchtigen können. Eine gute Temperatursteuerung läßt sich dadurch erreichen, daß der Behälter mit der Nickellösung in einen größeren Behälter mit Wasser eingetaucht wird, wobei sich unter dem Behälter mit der Nickellösung ein Gehäuse (fluoroware cage) mit einem Rührstab befindet. Das Wasserbad um die Nickellösung ermöglcht eine genaue Steuerung des Temperaturgradienten, so daß die Lösung auf der geeigneten Temperatur gehalten wird. Bei diesem Verfahren ist die spontane Plattierung mit Nickel nach 6 Std. nur sehr schwach ausgebildet, falls überhaupt eine solche zu beobachten ist.
• Wie in Kurve A in Fig. 3 zu erkennen ist, ist die Nickeldicke nach einer kurzen Induktionsperiode proportional zu der im Bad verbrachten Zeit. Die zu Beginn des Plattierungsprozesses zu beobachtende Nichtlinearität in der Kurve ist wahrscheinlich auf das Aufwachsen des Nickels um die Palladiumatome zurückzuführen, das sowohl parallel als auch senkrecht zu der Faseroberfläche erfolgt. Wenn erst einmal eine gleichmäßige Unterlage aus Nickel vorhanden ist, erfolgt das Wachstum lediglich in eine Richtung und die Dicke wird direkt proportional zur Zeit. Als Vergleich hierzu zeigt Kurve B in Fig. 3 die Dicke einer außenstromlos abgeschiedenen Nickeischicht, die auf einer mittels eines chemischen Gasphasenabscheidungsverfahrens (chemical vapor deposition process = CVD-Verfahren) abgeschiedenen Ni- Schicht aufgewachsen ist. Bei dieser Kurve verändert sich die Dicke mit der gleichen Abscheidungsgeschwindigkeit (etwa 0,275 µm/min.) linear mit der Zeit, wobei jedoch keine Induktionsperiode zu beobachten ist, und wobei die Kurve bei t=0 der Dicke des mittels des CVD-Verfahrens abgeschiedenen Nickels entspricht (etwa 0,2 bis 0,285 µm). Eine Nickeldicke von etwa 3 µm ist ausreichend für ein Verlöten mit einem Lötmittel, das 3% Silber und 97% Zinn umfaßt und von den üblicherweise am meisten verwendeten Lötmitteln die größte Löslichkeit für Nickel aufweist. Eine 20 minütige Verweilzeit in dem Nickelbad, bei der eine 5 µm dicke Nickelschicht abgeschieden wird, wurde daher für alle möglichen Lötmittel einen geeigneten Kompromiss darstellen. Wenn der Bestandteil B der Nickellösung Hydrophosphidionen (H&sub2;PO&sub2;&supmin;¹) als Reduktionsmittel umfaßt, wird als katalytische Oberfläche Phosphor abgeschieden, das in das Nickel eingebaut wird, so daß eine Nickelphosphorlegierung entsteht. Das aus der obengenannten Lösung abgeschiedene Nickel umfaßt zwischen 7 und 10 Gew.-% Phosphor.
• Nach dem Abspülen der mit Nickel plattierten Fasern durch einmaliges Eintauchen in Wasser, werden sie in das außenstromlose Vergoldungsbad eingetaucht, das einen pH-Wert von etwa 5,72 aufweist und eine Temperatur von etwa 70ºC. Durch ein 10 minütiges Eintauchen in das leicht gerührte Vergoldungsbad wird eine Goldschicht mit einer Dicke von etwa 0,18 µm abgeschieden. Die mit Gold plattierten Fasern werden nun durch Eintauchen in Wasser abgespült. Die kommerziell erhältlichen außenstromlose Vergoldungslösungen werden unter Verwendung einer Halgne Media-Plus Filtereinheit vor ihrer Verwendung gefiltert. Die außenstromlose Vergoldungslösung ist unter der Bezeichnung Oromense "N" von der Technic Inc., Cranston, Rhode Island, erhältlich, wobei die Lösung pro Quart (0,946353 l) 0,125 Troy-Unzen (3,89 g) Gold enthält und der pH-Wert zwischen 5 und 6 liegt.
• Zu diesem Zeitpunkt ist das Ende des Polymermantels infolge des Eintauchens in die wäßrigen Nickel- und Goldlösungen wiederum teilweise geschwollen und sollte daher getrocknet werden. Die Fasern werden bei 75ºC bei etwa 10 min. in einem Umluftofen getrocknet. Die Fasern können zwar auch bei Umgebungsbedingungen getrocknet werden, dies erfordert jedoch eine übermäßig lange Trocknungszeit.
• Nach dem Plattieren mit Gold, dem Spülen und dem Trocknen wird die ablösbare Polymerbeschichtung an den Faserenden, die in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 18 versehen ist, durch Eintauchen der Enden in gerührtes Azeton entfernt.
• Ein spezielles Ausführungsbeispiel des obengenannten Verfahrens läßt sich anhand eines Flußdiagramms wie folgt zusammenfassen:
• a) Ein Behälter mit einem wäßrigen SnF&sub2;-Bad, ein Behälter mit entionisiertem Spülwasser und ein Behälter mit einem wäßrigen PdCl&sub2;- und HCl-Bad werden in Stickstoffatmosphäre angeordnet;
• b) der Polymermantel wird von einem vorbestimmten Abschnitt der Lichtleitfaser durch ein 5 bis 15 sekündiges Eintauchen in konzentrierte heiße (160ºC) Schwefelsäure und anschließendes mehrminütiges Abspülen in Wasser abgelöst;
• c) die entblößte Faser wird 5 bis 10 min. bei Raumtemperatur in eine wäßrige Sensibilisierungslösung eingetaucht, die 1 g/l SnF&sub2; enthält, und anschließend zumindest ein Mal in dem entionisierten Wasser abgespült;
• d) die sensibilisierte Faser wird in Stickstoffatmosphäre bei Raumtemperatur für etwa 1 min. in eine wäßrige Aktivierungslösung eingetaucht, die 6 g/l PdCl&sub2; und 0,02 molare Salzsäure enthält, und anschließend zumindest zwei Mal in Wasser abgespült;
• e) die aktivierte Faser, die zumindest einen benachbarten Abschnitt des Polymermanteis und eine eventuell vorhandene Schutzbeschichtung umfaßt, wird für etwa 5 bis 10 min. bei 75ºC in einem Umlauftofen getrocknet;
• f) ein Ende der getrockneten Faser wird wahlweise in eine Lösung aus einem ablösbaren Polymer eingetaucht, um an dem Faserende eine Schutzschicht gegen die Metallisierung zu bilden, und anschließend für 5 bis 10 min. bei 75ºC in einem Umluftofen getrocknet;
• g) die aktivierte Faser wird für etwa 20 min. in eine außenstromlose Vernickelungslösung eingetaucht, die nicht gerührt wird und deren Temperatur bei 85±1ºC gehalten wird, und anschließend in entionisiertem Wasser abgespült,
• h) die mit Nickel beschichtete Faser wird für etwa 10 min. in ein außenstromloses Vergoldungsbad eingetaucht, das umgerührt wird und dessen Temperatur etwa 70ºC beträgt, und anschließend in entionisiertem Wasser abgespült;
• i) das Ende des Polymermantels wird, falls dies erforderlich sein sollte, für etwa 10 min. bei etwa 75ºC in einem Umluftofen getrocknet; und
• j) eine eventuell vorhandene ablösbare Schutzbeschichtung wird durch Eintauchen in ein geeignetes Lösungsmittel entfernt.
• Die Metalldicke wurde durch SEM-Aufnahmen (rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Oberflächen) der Querschnitte von metallisierten Fasern bestimmt. Die Dicke der Metallbeschichtung wurde durch direkte Messung aus den Aufnahmen bestimmt. Die Fasern werden unter Verwendung eines York -Faserspalters gespalten, während die Aufnahmen unter Verwendung eines JOEL 840 SEM aufgenommen werden. Durch eine Beschränkung der Beschleunigungsspannung auf 3 bis 4 KV mußten die Proben nicht beschichtet werden.
• Die SEM-Aufnahmen zeigen eine anfängliche Korngröße der Ni- P-Legierung im Bereich zwischen 0,1 und 0,2 µm, wenn das Metall eine Dicke von etwa 0,4 µm aufweist. Bei Metalldicken von 0,9 µm und 12,5 µm nimmt die Korngröße auf 0,15-0,35 µm bzw. 0,25-0,5 µm zu. Im Vergleich hierzu liegt die Korngröße eines durch ein CVD-Verfahren abgeschiedenen Nickelfilms (mit einer Dicke von 0,2 µm) im Bereich zwischen 0,05 und 0,1 µm. Beim außenstromlosen Abscheiden von Nickel in Form einer Ni-P-Legierung auf einer mittels eines CVD-Verfahrens abgeschiedenen Nickelunterlage läßt sich mit zunehmender Metalldicke die gleiche Vergrößerung der Korngröße beobachten. Dies deutet darauf hin, daß die Vergröberung der morphologischen Struktur mit zunehmender Metalldicke eine Eigenschaft des Wachstumsprozesses in dem Plattierungsbad ist und nicht in der Natur des Substrats liegt.
• Eine SEM-Analyse wurde auch bei den Querschnitten von gebrochenen Fasern durchgeführt, die mehrfach in einem außenstromlosen Vergoldungsbad behandelt worden waren. Eine genaue überprüfung der Vergrößerung der Goldschicht auf der Oberseiteeiner dicken Unterlage aus außenstromlos abgeschiedenem Nickel ergab, daß sich die Goldschicht tatsächlich aus zwei Bereichen zusammensetzt: einem oberen strukturlosen Bereich und einem unteren "säulenartigen" Bereich. In Fig. 4 ist die Dicke dieser zwei Bereiche als Funktion der Verweilzeit in einem außenstromlosen Vergoldungsbad dargestellt. Es zeigt sich, daß sich der obere Bereich (Kurve C), der hauptsächlich Gold enthält, einem Sättigungswert von etwa 0,2 µm nähert, während der untere "säulenartige" Bereich (Kurve D), der sowohl Gold als auch Nickel enthält, mit der Verweilzeit im Bad anwächst. Da die Aufgabe des Goldes lediglich darin besteht, das Nickel vor dem Verlöten zu schützen, ist eine Behandlungszeit von 10 min. beim außenstromlosen Vergolden ausreichend, um eine Schicht abzuscheiden, die auf einer Dicke von etwa 0,18 µm Gold und auf einer Dicke von 0,5 µm Gold und Nickel umfaßt.
• Lötmittelzugversuche und Dichtigkeitstest an plattierten Fasern deuten selbst nach Temperaturwechselbeanspruchungen auf hermetische Lötverbindungen hin (basierend auf Heliumdichtigkeitsprüfungen bis etwa 10&supmin;&sup9; atm cm³/s). Die Zugfestigkeiten verändern sich zwar mit dem verwendeten Lötmittel, sie liegen jedoch für ein 80 %-iges Au/20% Sn- Lötmittel typischerweise im Bereich zwischen 2,5 und 3,5 Pound, während sie für ein 3% Ag/97% Sn-Lötmittel zwischen 3 und 5 Pound betragen. Die Veränderung der Zugfestigkeit mit der Zusammensetzung des Lötmittels steht wahrscheinlich mit der Verformbarkeit des Lötmittels in Zusammenhang. Ein Au- Sn-Lötmittel, das beispielsweise bei hoch zuverlässigen Produkten, wie einem Unterwasser-Lichtwellenleiterkabel (submarine lightguide cable = SL-Kabel) verwendet wird, wird beispielsweise wegen seiner Festigkeit ausgewählt, es entwickelt jedoch wahrscheinlich auch höhere Spännungskonzentrationen an den Rändern der Lötverbindungen.
• Für Fachleute auf diesem Gebiet ergeben sich auch andere Vorteile und Modifikationen. Die vorliegende Erfindung ist im weitren Sinn nicht auf die dargestellten und beschriebenen speziellen Details die repräsentativen Bauelemente der Vorrichtungen und auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Es können demgemäß zahlreiche Modifikationen durchgeführt werden, ohne hierbei den durch dei zugehörigen Ansprüche und ihre Äquivalente festgelegten allgemeinen Erfindungsgedanken zu verlassen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Metallisieren einer optischen Faser, umfassend:

Behandeln einer nackten Oberfläche eines Abschnitts einer optischen Faser in Abwesenheit von Sauerstoff mit einer verdünnten wäßrigen Sensibilisierungslösung von SnF&sub2;, um so Sn²&spplus;-Ionen an der nackten Oberfläche abzuscheiden,

Behandeln der Sn²&spplus;-sensibilisierten Oberfläche in Abwesenheit von Sauerstoff mit einer wäßrigen Aktivierungslösung von Pd²&spplus;-Ionen, um eine katalytische Schicht an der sensibilisierten Oberfläche abzuscheiden, und

Behandeln der aktivierten Oberfläche durch Eintauchen in eine außenstromlose Beschichtungslösung, um eine Schicht mit Nickel abzuscheiden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Behandelns der Nickel-plattierten Oberfläche mit einer Goldplattierungslösung, um eine Schicht mit Gold in einer ausreichenden Dicke zum Schutz der Nickelabscheidung gegen Oxidierung abzuscheiden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die SnF&sub2; enthaltende Sensibilisierungslösung in einer Stickstoffatmosphäre vor und nach der Abscheidung der Sn²&spplus;-Ionen an der Oberfläche der Faser gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Sensibilisierungslösung, die Sn²&spplus;-sensibilisierte Oberfläche der Faser und die Aktivierungslösung unter einer Stickstoffatmosphäre vor und nach der Abscheidung der katalytischen Pd-Beschichtung an der Sn²&spplus;- sensibilisierten Oberfläche gehalten werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Sensibilisierungslösung durch Lösen von kristallinem SnF&sub2; in deionisiertem Wasser prapariert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Sensibilisierungslösung von 0,5 bis 3 g/l SnF&sub2; enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem die Sensibilisierungslösung 1 g/l SnF&sub2; enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Aktivierungslösung von 2 bis 10 g/l PdCl&sub2; und von mehr als 0,01 bis weniger als 0,1 M HCl in Wasser umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem die HCl- Konzentration von der Menge reicht, die gerade oberhalb der Menge von HCl liegt, die nicht ausreicht, um mit dem gesamten PdCl&sub2; in der Lösung zu kombinieren, bis zu der Menge, die der doppelten PdCl&sub2;-Konzentration in der Lösung entspricht.

10. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem die Lösung 6 g/l PdCl&sub2; und von 0,02 bis 0,05 M HCl in Wasser umfaßt.