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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Modifizierung
von Oberflächen
in einem organischen Material, insbesondere ein Polymermaterial.
Das Verfahren betrifft insbesondere die Modifizierung von nichtleitenden
Oberflächen,
um die Anordnung einer Metallschicht in distinkten Mustern auf den
genannten Oberflächen
zu ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung umfasst ebenfalls Verfahren zum Herstellen
von Produkten mit einer Metallschicht in distinkten Mustern, sowie
Produkte, die durch eins dieser Verfahren hergestellt werden.
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Stand der Technik
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In
vielen verschiedenen Bereichen besteht der Bedarf, dünne Schichten
aus einem leitenden Material auf einem nichtleitenden Substrat anzuordnen.
Bei der Herstellung von elektronischen Komponenten ist dieser Bedarf
offensichtlich. Leiterplatten sind Beispiele von Produkten, bei
denen Materialien mit verschiedenen Leiteigenschaften mit hoher
Präzision
und Auflösung
kombiniert werden müssen. Heutzutage
werden ständig zunehmende
Ansprüche sowohl
an die Produktionsverfahren als auch an die Produkte gestellt. Die
heute hauptsächlich
angewendeten Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten sind subtraktiv.
Dies bedeutet, dass man von einem Substrat mit einem Leiter ausgeht,
von dem das leitende Material in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten
von den Oberflächen
entfernt wird, wo eine elektrische Leitfähigkeit nicht erwünscht wird.
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Bei
der herkömmlichen
Herstellung von Leiterplatten geht man von einem Substrat oder einem einfachen
Laminat aus, in welches ein Lochbild gebohrt wird, um die Anordnung
von Komponenten und/oder den Anschluss von Leitschichten an den gegenüberliegenden
Seiten des Substrats zu ermöglichen.
Auf dem Substrat wird darauffolgend ein leitendes Material in den
Löchern,
normalerweise Kupfer, abgeschieden. Danach wird ein dünner, lichtempfindlicher
Film auf dem Substrat angebracht, oft unter hohem Druck und hoher
Temperatur. Auf diesem Film wird ein fotografisches Werkzeug in
Form eines Negativs des erwünschten
Leitmusters angebracht, wobei das fotografische Werkzeug mit UV-Licht
belichtet wird und der Film dadurch in den belichteten Bereichen
polymerisiert wird. Der belichtete, lichtempfindliche Film wird
entwickelt und die nicht-polymerisierten Bereiche werden durch eine
geeignete Base weggewaschen. Das erwünschte Leitmuster wird dadurch
von dem restlichen Film eingeschlossen. Danach wird ein Metall,
zum Beispiel Kupfer, nach diesem Muster elektrolytisch aufgebracht. Über dieses Muster
wird Zinn oder Blei aufgebracht, wonach der Film in einem Bad, zum
Beispiel durch eine starke Base, entfernt wird. Danach wird die
Zinn- oder Bleischicht abgeätzt,
wonach eine Flüssiglötmaske,
zum Beispiel in Form einer Epoxidfarbe mit zwei Komponenten, aufgetragen.
Die Lötmaske
wird belichtet und entwickelt, und zum Schluss wird eine Schutzschicht
aus Nickel oder Gold aufgetragen, um eine Oxidation zu vermeiden.
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Dieses
Verfahren ist mit einigen Nachteilen verbunden. Erstens ist das
Herstellungsverfahren sehr arbeitsintensiv, was dazu führt, dass
die Herstellung von Leiterplatten zum größten Teil in Länder mit niedrigeren
Lohnkosten verlegt wird. Zweitens werden große Mengen an umweltschädlichen
Reststoffen gebildet, hauptsächlich
in der Form von Ätzflüssigkeiten
mit hohen Metallanteilen, zum Beispiel Kupfer, Blei, Zinn, etc.
Drittens entsprechen die bestehenden Herstellungsverfahren nicht
den wachsenden technischen Anforderungen. Die herkömmlichen
Verfahren erreichen ihre innewohnenden Begrenzungen, insbesondere
in Bezug auf Leitungsbreite.
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Daher
besteht ein offensichtlicher Bedarf, die Herstellungsverfahren zu
vereinfachen, um die Automatisierung zu erhöhen und gleichzeitig die Umweltprobleme
zu beseitigen, die mit der derzeitigen Anwendung von reaktiven Chemikalien
und Metallen in Lösung
in Verbindung stehen. Gleichzeitig zielt eine Vielzahl von Forschungen
und Entwicklungsbemühungen
darauf ab, sowohl elektronische Komponenten als auch Leiterplatten
weniger material- und raumaufwendig zu machen. Die Herstellung von
Leiterplatten wird nachfolgend als ein Beispiel vielerlei Anwendungen
dargestellt, bei welchen diese Erfindung Anwendung findet.
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Stand der Technik
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Es
ist bereits bekannt, Polymeroberflächen zu modifizieren, um die
Haftkapazität
zwischen diesen zu verbessern. Wan-Tai Yang beschreibt in seiner
Doktorarbeit 'Laminieren
durch Fototransplantation' (KTH,
Institut für
Polymertechnologie, Stockholm 1996), wie dünne Polymerschichten unter
Anwendung von Fotoinitiatoren und Bestrahlung mit UV-Licht zusammengefügt werden
können.
Der Vorteil der Fotolaminierung ist, dass dieses Verfahren wenig
Energie verbraucht, keinen Abfall erzeugt, der entsorgt werden muss,
nur kurze Aushärtungszeiten hat
und ausgezeichnete Produktmerkmale aufweist, wie zum Beispiel keine
Schrumpfung und das Vermeiden von eingeschlossenen Lösungsmitteln.
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US-A-4,006,269 beschreibt
ein Verfahren, um die Oberfläche
eines Substrats in einem nichtleitenden Material empfindlicher gegenüber einer
Substanz zu machen, die ein Wasserstoffatom aus einem Protonenspender
in Anwesenheit eines geeigneten Lösungsmittels photochemisch
entfernt und ein Ketonradikal bereitstellt, wonach das Substrat
in eine Metallione enthaltende Plattierlösung eingetaucht wird. Danach
wird das Substrat in die Plattierlösung eingetaucht mit einer
UV-Strahlung im Intervall zwischen 200 und 400 μm bestrahlt, damit das genannte Ketonradikal
die Metallionen zum Metall reduziert. Als Sensibilisierungsverbindungen
sind Benzophenon, Mono- oder Di-para-substituiertes Halogen-, Methyl-,
Methoxi- und Sulfonatbenzophenon geeignet. Als Protonenspender wird
ein sekundärer
Alkohol verwendet, wie zum Beispiel Bezoehydrol. Als Beispiel für Lösungsmittel
sind Isopropylalkohol, Ethylenglykol und Polyethylenglykol genannt.
Als Beispiel für
Metallisierungsmetalle sind Nickel und Kupfer genannt.
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Das
IBM Technische Merkblatt, Ausgabe 30, Nr. 6, 1. November 1987, Seite
414, stellt kurz ein Verfahren zur Verbesserung der Metallhaftung
an Polyimiden vor, umfassend das Reinigen der Oberfläche mit
einer milden Alkalibehandlung, wie zum Beispiel einer verdünnten Kaliumhydroxidlösung. Das
Dokument erwähnt
die Behandlung zur Haftung von Stromleitungen, die eine Breite von
weniger als ein Mil aufweisen.
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US-A-5 225 495 betrifft
ein Verfahren zum Bilden von Filmen aus leitenden Polymeren, wie
zum Beispiel Polyanilinfilmen, auf einem Substrat, sowie zur Herstellung
von Artikeln durch das genannte Verfahren. Im ersten Schritt dieses
Verfahrens wird ein Substrat mit einem Initiator kontaktiert. In
einem zweiten Schritt wird eine Monomer enthaltende Lösung mit
dem Substrat kontaktiert, um eine Polymerschicht zu bilden. Das
Substrat kann stark variieren, solange der Initiator in der Lage
ist, das genannte Substrat zu absorbieren oder adsorbieren. Bei
bevorzugten Ausführungsformen
sind geeignete Substrate organische Polymermateralien. Ein Initiator
kann einheitlich oder in einem Muster beispielsweise durch die Anwendung
von Verfahren aufgetragen werden, die dem Siebdruck, der Tiefdruckgravur
und zugehörigen
Druckverfahren ähneln.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zum Modifizieren
von Oberflächen
nach den beigefügten
Ansprüchen.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein neues Verfahren zur Anordnung
einer Metallschicht in distinkten Mustern auf einem Substrat aus
einem Polymermaterial oder einem Substrat, das zumindest eine Oberfläche mit
einer Oberflächenschicht
aus einem organischen Material gemäß den beigefügten Ansprüchen enthält. Die
vorliegende Erfindung umfasst ebenfalls Produkte, die durch das
neue Verfahren hergestellt worden sind.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Schema der verschiedenen Verfahrensschritte gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung in Form eines Blockdiagramms,
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2 zeigt
ein Schema der verschiedenen Verfahrensschritte zur Oberflächenmodifizierung
und zur Anordnung eines Leiters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung,
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3 ist
ein FTIR-Spektrogramm, das die IR-Absorption einer Epoxidlaminatoberfläche zeigt, die
gemäß der Erfindung
modifiziert worden ist (man beachte die Absorption bei 1718 cm–1)
und
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4 ist
ein FTIR-Spektrogramm, das die IR-Absorption einer unbehandelten Oberfläche zeigt.
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Beschreibung der Erfindung und ihrer bevorzugten Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Modifizierung
von Oberflächen
aus einem organischen Material, bevorzugt einem Polymermaterial,
wobei das Verfahren eine chemische Modifizierung der genannten Oberfläche, und
genauer gesagt der Außenseite
der genannten Oberfläche, umfasst,
um distinkte Bereiche für
eine Haftung gemäß einem
gewünschten
Muster zu erreichen. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren,
bei dem die Oberfläche
eines Substrats durch Fixierung geeigneter funktioneller Gruppen
gemäß einem
gewünschten
Muster modifiziert wird, wonach ein leitendes Material an diesen
Gruppen angeordnet wird. Bevorzugt werden geladene Moleküle einer
Funktionssubstanz, bevorzugt Ionen einer leitenden Substanz, besonders
bevorzugt Metallionen, durch Adsorption auf der modifizierten Oberfläche bereitgestellt,
wonach die genannten Ionen thermisch oder fotochemisch in einen
atomaren Zustand reduziert werden. Dieses leitende Material stellt
dann die Basis zur Bildung einer Metallschicht mit der gewünschten Dicke
gemäß dem spezifischen
gewünschten
Muster dar. Dieses Aufbringen einer dickeren Schicht kann durch
Verwenden herkömmlicher
autokatalytischer Bäder
zur Metallbeschichtung oder durch andere geeignete Verfahren erreicht
werden, wie zum Beispiel der Atomisierung in einer inerten Atmosphäre.
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Bevorzugt
wird die genannte Modifizierung derart durchgeführt, dass die Oberflächenschicht
zuerst mit einer chemischen Verbindung behandelt wird, welche über die
Kapazität
verfügt,
Wasserstoffatome aus der Oberflächenschicht
während
der Initiierung mit fokussierter Strahlenenergie zu entfernen, wie
zum Beispiel mit Ultraviolettbestrahlung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist die genannte chemische Verbindung weiterhin die
Kapazität
auf, eine kovalente Bindung zwischen der Oberflächenschicht und den in der
Verbindung enthaltenen Gruppen zu erzielen. Diese Gruppen sind geeigneterweise
polymerisierbare Kohlenwasserstoffketten. Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung sind diese Gruppen ausgewählt aus aromatischen Ketonen
und aromatischen aliphatischen Ketonen oder anderen geeigneten Verbindungen
mit einer starken UV- Absorption
im praktisch verwendbaren Intervall von zwischen 20 und 400 nm.
Es können natürlich auch
andere Gruppen verwendet werden, die mit Bestrahlung in einem wählbaren,
praktisch verwendbaren Intervall initiiert werden können. Alternativ
wird eine Mischung aus einem Fotoinitiator und einem geeigneten
Monomer oder geeigneten Monomeren verwendet.
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Der
Ausdruck „Substrat" bezeichnet nachstehend
jedes geeignete nichtleitende Substrat. Beispiele von geeigneten
Substraten gemäß der Erfindung
sind ebene Scheiben in einem Polymermaterial oder mit zumindest
einer Oberfläche
aus einem Polymermaterial. Sämtliche
Materialien, die entfernbare Wasserstoffatome umfassen, sind zur
Verwendung gemäß der vorliegenden
Erfindung geeignet. Besonders geeignete Polymermaterialien sind
zum Beispiel Epoxidharze und Polyimide.
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Im
Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist es jedoch wichtig,
dass die in Frage kommende Oberfläche sekundäre und/oder tertiäre Kohlenwasserstoffverbindungen
umfasst. Normalerweise haben Substrate die Form von ebenen Scheiben, zum
Beispiel glasfaserverstärkte
Scheiben in einem Epoxidharz oder in einem entsprechend geeigneten Polymermaterial.
Andere geeignete Substratmaterialien sind Glas und Keramik, die
auf geeignete Weise vorbehandelt sind, wie zum Beispiel silanisiert.
Es versteht sich für
den Fachmann, dass das Substrat sogar mehrere Scheiben umfassen
könnte,
die aufeinander angeordnet sind. Auf ähnliche Weise könnten neue
Substratschichten auf einer Lage angeordnet sein, die eine modifizierte
Oberfläche
umfasst und darauf könnten
ein oder mehrere Materialien angeordnet sein. Eine Oberfläche mit
einem distinkten Muster aus einem leitenden Material könnte zum
Beispiel gemäß der Erfindung
angeordnet sein, mit einer Polymerschicht beschichtet sein, wonach
weitere leitende Materialien in einem distinkten Muster auf dieser
Lage angeordnet sein können.
Diese Oberfläche kann
wiederum mit einer Polymerlage beschichtet sein und das Verfahren
kann wiederholt werden. Es versteht sich für den Fachmann, dass geeignete
Anschlüsse
zwischen den Schichten angeordnet sein könnten.
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Der
Begriff „Initiator" bezeichnet nachfolgend jede
geeignete chemische Verbindung, die in der Lage ist, wenn sie mit
einer Bestrahlungsquelle belichtet wird, eine chemische Reaktion
auf der Substratoberfläche
zu initiieren. Bevorzugt ist der Initiator eine Verbindung mit der
Fähigkeit,
Radikale zu bilden. Bevorzugt ist der Initiator ein Photoinitiator,
noch stärker
bevorzugt eine Verbindung mit dem Merkmal, keiner Photospleißung, jedoch
anstatt dessen bevorzugt einer Photoreduzierung durch das Entfernen
eines Wasserstoffs ausgesetzt zu sein.
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Beispiele
geeigneter Photoinitiatoren sind Verbindungen, die Carbonylgruppen
enthalten, vorzugsweise aromatische. Aromatische Ketone und aromatische
aliphatische Ketone absorbieren UV-Strahlung, besonders im Intervall
von zwischen 200 und 300 nm, wodurch diese Verbindungen als Initiatoren
gemäß der Erfindung
brauchbar gemacht werden. Es könnten
sogar aliphatische Ketone und Aldehyde verwendet werden. Der Photoinitiator
gemäß der vorliegenden
Erfindung kann ausgewählt sein
aus der Gruppe umfassend aromatische Ketone, wie zum Beispiel Benzophenon,
4-Chlorbenzophenon, 4,4'-Dichlorbenzophenon,
4-Benzyl-benzophenon, Benzoylnaphthalen, Xanthon, Anthraquinon, 9-Fluorenon,
Benzopinacol, optional amino aromatische Ketone und Mischungen von
diesen. Der Photoinitiator gemäß der vorliegenden
Erfindung kann ebenfalls ausgewählt
sein aus der Gruppe, umfassend aromatische aliphatische Ketone,
wie zum Beispiel Acetophenon, Benzoyldimethylketal (BDK), Hydroxycyclohexyl-acetophenon
und Mischungen von diesen. Der Photoinitiator gemäß der vorliegenden Erfindung
kann ebenfalls ausgewählt
sein aus der Gruppe, umfassend Diketone, wie zum Beispiel Biacetyl,
3,4-Hexan-di-on, 2,3-Pentan-di-on, 1-Phenyl-1,2-Propan-di-on, Benzol,
Benzoylameisensäure und
Mischungen von diesen. Der Photoinitiator gemäß der vorliegenden Erfindung
könnte
ebenfalls ausgewählt
sein aus der Gruppe, umfassend aliphatische Carbonylverbindungen,
wie zum Beispiel Formaldehyd, Acetaldehyd, Aceton, 2-Pentanon, 3-Pentanon,
Cyclohexanon und Mischungen von diesen. Neben den oben genannten
optionalen Mischungen aus den oben genannten Verbindungen in geeigneten
Proportionen sind auch methanolische Sulphonatester von Benzophenon
gemäß der Erfindung
verwendbar.
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Weiterhin
ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung wünschenswert,
dass der in Frage kommende Initiator hauptsächlich nur tertiäre oder
tertiäre und
sekundäre
Wasserstoffatome von den Substratoberflächen entfernt, wenn diese belichtet
wird. Dieses Belichten könnte
durch die Verwendung einer fokussierten Bestrahlungsquelle, einem
Muster, das direkt auf das Substrat aufgezeichnet wird oder durch Verwendung
einer Maske bereitgestellt werden, wobei das Muster auf die Maske
gezeichnet und die Maske zwischen dem Substrat und der Bestrahlungsquelle
mit nachfolgender Belichtung angewendet wird.
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In
Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung umfasst der Ausdruck „Bestrahlungsquelle" jede geeignete Bestrahlungsquelle,
die die Fähigkeit aufweist,
eine chemische Reaktion auf der Substratoberfläche zu initiieren. Falls das
Muster direkt auf die Substratoberfläche gezeichnet wird, ist es
notwendig, eine fokussierte Bestrahlungsquelle zu verwenden, wobei
die Bestrahlungsquelle derart fokussiert ist, dass die gewünschte Auflösung erreicht
werden kann. Bevorzugt wird eine fokussierbare Bestrahlungsquelle
verwendet, die in der xy-Ebene kontrollierbar ist, zum Beispiel
ein UV-Laser-Kurvenschreiber.
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Der
Ausdruck „leitendes
Material" wird hierin als
eine gewöhnliche
Bezeichnung für
Materialien verwendet, die in der Lage sind, Signale zu übertragen,
wie zum Beispiel elektrische Takte oder Lichttakte. Daher übertragen
Substrate mit der Kennzeichnung „nicht leitend" keine Signale, oder
beeinträchtigen
Signale nicht, die sich in dem/den auf dem Substrat aufgetragenen
leitenden Material/ien propagieren. Geeignete leitende Materialien
sind Metalle, zum Beispiel in der Elektronikbranche üblicherweise
verwendete Metalle, wie Gold, Silber, Kupfer, Nickel oder Palladium.
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Es
versteht sich für
den Fachmann, dass der Ausdruck „distinktes Muster" sich auf eine physikalische
Beschränkung
eines Materials mit einem in diesem Zusammenhang erwünschten
Merkmal bezieht, zum Beispiel die elektrische Leitfähigkeit,
im Vergleich zu einem anderen Material, das dieses Merkmal nicht
besitzt oder zu einem weit geringeren Ausmaß besitzt. Beim Beispiel der
Leiterplatten, das in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird,
um die Erfindung zu veranschaulichen, betrifft das Muster die Leiterkonstruktion
in zwei oder drei Dimensionen und möglicherweise die Komponenten,
die in der Leiterplatte eingebaut sind.
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Geeignete
Monomere sind Monomere, die in der Lage sind, sich kovalent an die
Substratoberflächenlage
zu binden. Beispiele dafür
sind organische Moleküle
mit einer Doppelbindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
weisen diese Monomere leitende Gruppen auf, oder können leicht
derart modifiziert werden, um leitende Gruppen einzubeziehen. Die Monomere
gemäß der vorliegenden
Erfindung können
ausgewählt
sein aus: Acrylsäure,
Methacrylsäure,
Butylacrylat, Glycidylacrylat, Glycidylmethacrylat, Methyl-meth-acrylat,
Vinylpyridin-Isomere, Acrylonitril, Vinylacetat, N-vinyl-2-pyrrolidon,
4-Vinylpyrridin, 1,4-Butanedioldimeth-acrylat,
Styrol und Mischungen davon.
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Die
Mischung aus einem Initiator und Alken kann auf verschiedene Weise
auf die Substratoberfläche
aufgetragen werden. Eine Lösung,
die den Initiator und das Alken umfasst, kann verbreitet, aufgesprüht oder
verdampft werden und dazu gebracht werden, sich auf der Substratoberfläche zu kondensieren.
Praktisch kann dies durch Auflösen
des Initiators und des Monomers erreicht werden, zum Beispiel einem
geeigneten Alken, in einem geeigneten Lösungsmittel, wie zum Beispiel
Azeton. In bestimmten Fällen
kann das Alken selbst das Lösungsmittel sein,
zum Beispiel bei der Verwendung solcher Alkene, die bei der Bearbeitungstemperatur
flüssig
sind. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird der Initiator als ein feiner Nebel oder als ein
Aerosol auf die Substratoberfläche
aufgetragen. Das Aerosol besteht geeigneterweise aus fein dispergierten
flüssigen
Tropfen des Initiators, der schließlich in ein geeignetes Lösungsmittel
aufgelöst und
in einem partikelfreiem Gas dispergiert wird. Um das Auftragen einer
gleichmäßigen Schicht
des Initiators auf das Substrat zu ermöglichen, ist das Substrat geeigneterweise
geerdet und den flüssigen Schwebstofftropfen
wird eine leichte elektrische Ladung verliehen. Die modifizierte
Oberfläche
wird mit einer Lösung
aus einem geeigneten Metallion behandelt, wie zum Beispiel Pd(II),
Pt(II), Cu(II), Ni(II) oder Ag(I). Durch die Auswahl geeigneter
funktioneller Gruppen auf dem zuvor auf die Oberfläche aufgetragenen
Alken können
diese Metallionen dazu gebracht werden, stark auf der Oberfläche absorbiert
zu werden. Dann werden die Metallione in einen atomaren Zustand
reduziert. Die Reduktion kann durch eine chemische Reaktion in einer
Lösung
oder durch eine photochemische Reaktion durchgeführt werden. Der Reduktionsschritt
kann auch eine Wärmebehandlung umfassen.
Werden Reduktionsmittel verwendet, könnten diese extern aufgetragen
werden oder die auf die Oberfläche
aufgeimpften Polymere können bei
richtiger Auswahl der Monomere als Reduktionsmittel fungieren.
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Auf
diese Weise wird eine dünne,
einheitlich leitende Schicht, bevorzugt eine Metallschicht, selektiv
auf die modifizierten Bereiche der Substratoberfläche aufgetragen.
Diese Schicht ist jedoch zu dünn, um
praktisch für
derzeit bekannte elektronische Anwendungen benutzt werden zu können und
muss daher dicker gemacht werden. Dies wird auf geeignete Weise
durch eine Behandlung mit einer Lösung erreicht, die Metallione,
Komplexbildner und Reduktionsmittel enthält. Für diesen Zweck sind mehrere handelsübliche Reagenzsysteme erhältlich.
Alternativ kann das auf die erste dünne Schicht aufzutragende Metall
in einer Vakuumkammer oder in einer inerten Gasatmosphäre atomisiert
und gleichzeitig eine niedrige Polarität auf der ersten dünnen Schicht
bereitgestellt werden.
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1 stellt
schematisch die verschiedenen Verfahrensschritte gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung in Form eines Blockdiagramms dar. In der Praxis können Schritte
4, 5 und 6 als ein einziger Aktivierungsschritt ausgeführt werden.
Weiterhin ist Schritt 8, die Metallbeschichtung, nur ein Beispiel. Selbstverständlich kann
der Aufbau der Metallschicht durch andere Verfahren erreicht werden,
wie zum Beispiel durch Sprühen.
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2 stellt
schematisch dar, wie die Substratoberfläche modifiziert ist und wie
die modifizierte Oberfläche
in Kontakt mit geeigneten Monomeren (A) gebracht wird, wobei die
Monomere an die Oberfläche
anhaften und ein Polymer durch geeignete Monomere mit möglichen
funktionellen Gruppen (B) aufgebaut wird, wobei leitende Materialien
an die Polymere (C) bereitgestellt werden und die leitende Schicht
durch Bereitstellung weiterer leitender Materialien (D) verstärkt wird.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: Bereitstellen
eines Initiators an die Substratoberfläche, UV-Bestrahlung, eine Waschung,
Zusatz von Metall sowie eines Reagens zu der Oberfläche, UV-Bestrahlung,
weitere Waschung und Metallbeschichtung (1).
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann das Verfahren eine direkte Anordnung aus einem leitenden
Material an der Oberfläche umfassen,
d. h. Monomere mit leitenden Gruppen, gefolgt zum Beispiel von einer
Atomisierung des Metalls und dem Galvanisieren.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung besteht das Verfahren aus einem vollständig additiven Verfahren zur
Herstellung von Leiterplatten, wobei die Karte oder die Substratoberfläche selektiv
mit einem Metall beschichtet und das leitende Muster direkt ohne
jeglichen Schritte erzielt wird, die erforderlich wären, um
einen Metallüberschluss
durch Ätzen
zu entfernen. Bevorzugt besteht das Substrat aus einer faserverstärkten Polymermischung,
wobei der Photoinitiator ein Benzophenon ist und Acrylmonomere als
Zusatz zum Photoinitiator bereitgestellt werden.
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Wird
das Verfahren gemäß der Erfindung verwendet,
können
funktionelle, zum Beispiel leitende Strukturen an nichtleitende
Substrate mit einer sehr hohen Auflösung bereitgestellt werden.
Das neue Verfahren gemäß der Erfindung
entbehrt der den bekannten Verfahren innewohnenden Einschränkungen
und ermöglicht
theoretisch Leitungsbreiten in einer Größenordnung von 1 bis 10 Angström (0,1–1 nm).
In der Praxis ist die Auflösung durch
die Auflösung
der fokussierten Lichtquelle beschränkt sowie deren Kontrolle und
der Größe des verwendeten
Polymers und Metallatoms. Eine praktisch verwendbare Leitungsbreite,
die möglicherweise
unter Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung erreicht werden
kann, jedoch durch herkömmliche
Verfahren unmöglich
zu erreichen ist, liegt bei einem Intervall von zwischen 1 und 5 μm. Das Verfahren
gemäß der Erfindung
ermöglicht
daher die Herstellung von aktiven Komponenten direkt auf dem nichtleitenden
Substrat. Es ist zum Beispiel möglich,
unter Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung Kondensatoren,
Widerstände
und sogar Prozessoren direkt auf einem Substrat herzustellen, zum
Beispiel als integrierte Teile einer Leiterplatte. Das Verfahren
gemäß der Erfindung
stellt ebenfalls die Möglichkeit
bereit, Sensoren, zum Beispiel mechanische oder biologische Sensoren,
direkt auf einer Leiterplatte herzustellen. Bei der Auswahl der Merkmale
des Funktionsmaterials, das auf die Substratoberfläche gemäß der Erfindung
aufgetragen wird, ist es möglich,
Produkte mit der Fähigkeit
herzustellen, Veränderungen
in mechanischen, elektromagnetischen, chemischen oder biochemischen
Zuständen und
Reaktionen anzuzeigen. Beispiele der für die Herstellung gemäß der Erfindung
geeigneten Sensoren sind dynamische Sensoren, zum Beispiel Beschleunigungs-
oder Bremssensoren, chemische Sensoren, zum Beispiel Gastaster,
biomedizinische Sensoren, zum Beispiel Sensoren zu Blutanalyse. Die
Möglichkeit,
distinkte Muster auswählbarer
Moleküle
auf einem Substrat zu erzielen, öffnet
sogar die Möglichkeit,
synthetische Nervenwege oder Kontaktflächen zwischen einem menschlichen
und einem synthetischen Gewebe zu entwickeln, zum Beispiel Schnittstellen
zur Kontrolle von künstlichen
Gliedmaßen.
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Weiterhin
wird die vorliegende Erfindung durch die nachfolgenden Ausführungsbeispiele
illustriert, die nicht so verstanden werden dürfen, als ob sie den Schutzbereich
der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen festgelegt ist, einschränken.
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Beispiele
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Vergleichsbeispiel 1:
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Epoxidlaminat-Oberflächen wurden
mit Acrylsäure-Monomeren
in Anwesenheit von Benzophenon behandelt. Aceton wurde als Lösungsmittel verwendet.
Die Reagenzmischung wurde auf die Substratoberfläche verbreitet. Um eine ausreichend dünne Reagenzschicht
zu erzielen, wurde während der
Bestrahlung mit UV-Licht eine Scheibe aus Quarzglas über die
Probe gepresst. Das Ergebnis war eine visuell deutliche Veränderung
der Oberfläche.
Messungen mit FTIR-Spektroskopie (Fourier-Transform Infrared Spectroscopy)
zeigten an, dass Oberflächen,
die gemäß der Erfindung
behandelt wurden, mit Carbonylgruppen beschichtet waren. Dies wird
besonders sichtbar durch die bei 1718 cm–1 stattfindende
Absorption (siehe 3), die bei einer oberflächenbeimpften
Probe stärker
ist, als die anderen Absorptionen im Vergleich zu einer unbehandelten
Oberfläche
(siehe 4).
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Vergleichsbeispiel 2:
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Epoxidlaminat-Oberflächen wurden
mit Acrylsäure-Monomeren in Anwesenheit
des oben genannten Benzophenons behandelt. Danach wurde eine Palladiumchloridlösung auf
die Oberfläche
aufgetragen, wonach die Oberfläche
mit UV-Licht bestrahlt
wurde. Mit einem SEM (Rasterelektronenmikroskop) aufgenommene Mikrographien
zeigen an, dass eine kristalline Struktur, d. h. ein Metallfilm,
gebildet wurde. Eine entsprechende Struktur konnte auf unbehandelten
Oberflächen
nicht beobachtet werden.
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Herstellungsbeispiel 1:
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Ein
Substrat in Form einer glasfaserverstärkten Epoxidscheibe wurde mit
einer dünnen
Schicht (weniger als etwa 10 μm)
Benzophenon, aufgelöst
in Acrylsäure
(5 g/10 g), beschichtet. Ein lithographischer Film wurde auf die
Oberfläche
aufgetragen, wonach diese mit UV-Licht innerhalb eines Wellenlängenbereichs
von 200 bis 400 nm bestrahlt wurde. Nach dem Belichten wurde der
lithographische Film entfernt. Homopolymere wurde durch eine Extraktion in
heißem
sauberem Wasser (mit einer Temperatur von etwa 50 bis 70°C) über drei
Stunden hinweg entfernt. Danach wurde das Substrat mit einer Lösung aus
Palladiumchlorid (1 g PdCl2, 1 g HCl) 1
bis 10 Minuten lang behandelt. Danach wurde das Substrat rasch mit
Wasser abgespült
und 5 Sekunden lang in eine Lösung
aus Dinatrium Anthraquinon-Disulfonsäure und Glycol getaucht. Nach
dem Trocknen wurde die Oberfläche
30 Sekunden lang mit UV-Licht (200 bis 400 nm) bestrahlt. Nach dem
30 Sekunden langen Waschen in sauberen Wasser wurde das Substrat
einer autokatalytischen Metallbeschichtung ausgesetzt, um die aktiven
Oberflächen
auf die gewünschte
Dicke aufzubauen.
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Herstellungsbeispiel 2:
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Das
Substrat wurde auf die gleiche Weise behandelt, wie im Herstellungsbeispiel
1, mit der Ausnahme, dass kein lithographischer Film angeordnet
wurde. Stattdessen wurde das Substrat mit einer fokussierten UV-Lichtquelle
bestrahlt, die in der xy-Ebene kontrollierbar ist, einem sogenannten UV-Laser-Kurvenschreiber,
wonach das gewünschte distinkte
Muster auf die Oberfläche
aufgezeichnet wurde.
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Obwohl
die Erfindung unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen
und Beispiele beschrieben worden ist, die dem Erfinder derzeit bekannt
sind, versteht es sich, dass verschiedene Änderungen und Modifizierungen,
die dem Fachmann geläufig
sind, ausgeführt
werden können,
ohne vom Schutzbereich der Erfindung, wie er in den Ansprüchen festgelegt
ist, abzuweichen.