IST
Stand der Technik  
Aktivierung
Metallisierung
Strukturierung
Aktivierung

AFM-Aufnahmen plasmavorbehandelter Kunststoffoberflächen
AFM-Aufnahmen plasmavorbe-
handelter Kunststoffoberflächen
Die Aktivierung spielt eine grosse Rolle bei der Metallisierung von Kunststoffen. Zur Zeit werden überwiegend konventionelle nasschemische Verfahren eingesetzt. Dabei werden zur Vorbe-
handlung die Kunststoffe mit aggressiven Oxidationsmittel (meistens Chromschwefelsäure) gebeizt, um eine Aktivierung zu erreichen. Teilweise ist vorab noch ein Quellen der Kunst-
stoffe unter Verwendung organischer Lösungsmittel (chlorierte Kohlenwasserstoffe) notwendig.

Der grösste Nachteil der hier aufgeführten nasschemischen Prozessierung ist die aufwendige Reinigung und Entsorgung sowie die gesundheitliche Belastung des Personals. So muss ein hoher Anteil der verwendeten Chemikalien durch Abwasser-
aufbearbeitungsanlagen entfernt werden. Daneben müssen für die verschiedenen Kunststoffe auch unterschiedliche Beizlö-
sungen verwendet werden (z.B. Naphthylnatrium in Tetrahydro-
furan für PTFE, Flusssäure für Polyimid). Ein weiteres Problem ist die teilweise zu starke Aufrauhung der Oberfläche durch das Beizen, so dass manche Kunststoffe für dekorative Anwendun-
gen nicht eingesetzt werden können und die Einschränkung auf wenige Kunststoffe.

Als alternatives Verfahren wird am Fraunhofer IST eine Aktivie-
rung der Kunststoffe durch eine Hochfrequenz-Plasmavorbe-
handlung im Hochvakuum eingesetzt. Vorteil dieses Prozesses ist die Möglichkeit neben den herkömmlichen Kunststoffen, auch solche Kunststoffe zu aktivieren, die nasschemisch nicht oder nicht wirtschaftlich zugänglich sind.

Die Vorbehandlungen werden in einer Hochfrequenz-Plasma-
anlage
durchgeführt. Während des Plasmaprozessen werden die Gase (z.B. Argon, Sauerstoff, Stickstoff) durch die angelegte Hochfrequenz angeregt und die entstandenen Ionen, Radikale, Neutralteilchen prallen auf die Substratoberfläche. Dadurch können Kontaminationen entfernt werden, die Oberflächen auf-
geraut
und chemisch modifiziert werden. Es zeigt sich, dass die Plasmabehandlung zu einer Beeinflussung der Oberflächen-
energie
führt.

Neben der Aktivierung können damit die Plasmaprozesse auch zur Entfernung von Oxiden und organischen Substanzen sowie im entgegengesetzten Fall zur Oxidation der Oberfläche einge-
setzt werden.


Metallisierung

Vollflächig metallisiertes MID-Bauteil
Detailansicht des Steckerbereichs
eines vollflächig metallisierten
MID-Bauteils
Im Anschluß an die Aktivierung wird in den häufigsten Fällen eine nasschemische Bekeimung der vorbehandelten Kunst-
stoffoberfläche mit Palladium durchgeführt. Danach erfolgt eine stromlose chemische Grundmetallisierung. Die so erhaltene Schichtdicke beträgt 40 - 80 nm und wird im letzten Schritt elektrolytisch auf die jeweils geforderte Schichtdicke verstärkt. Diese liegt in der Leiterbahnenindustrie typischerweise im Bereich von 25 - 35 µm. Auch hier liegen die Nachteile in der hohen Anzahl an Prozeßschritten und der damit verbundenen aufwendigen Entsorgung.

Alternativ zur nasschemischen Metallisierung werden heutzu-
tage auch PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition), wie Sputtern oder Verdampfen im Vakuum eingesetzt, bei denen Schichtdicken von einigen 100 nm bis zu einigen µm erzeugt werden. Die Vorteile dieses Verfahrens liegen zum einen darin, dass nur zwei Prozeßschritte, Aktivierung und Metallisierung, notwendig sind, die in einer Anlage direkt hintereinander durch-
geführt werden können. Zum anderen entfallen die Kosten für die Entsorgung der Chemikalien. Außerdem erhält man sehr homogene Schichten. Die Nachteile dieses Verfahrens sind die hohen Pumpzeiten der Vakuumanlage und die hohen Investi-
tionskosten. Die PVD-Verfahren werden zum grössten Teil für EMV-Abschirmung, ESD-Schutz sowie als optische und dekora-
tive Schichten eingesetzt, da hier Schichtdicken < 5 µm notwen-
dig sind. Für die MID-Anwendungen besteht die Möglichkeit, dass diese Schichten galvanisch verstärkt werden.


Strukturierung

Strukturiert metallisierter MID-Demonstrator
Strukturiert metallisierter MID-
Demonstrator
Bei der Strukturierung unterscheidet man zwischen Subtraktiv-, Semiadditiv- und Additivprozeß, je nach der Vorgehensweise bei der Metallisierung. Beim Subtraktivprozeß wird zuerst eine Metallschicht über die gesamte Fläche bis zur gewünschten Schichtstärke abgeschieden und im Anschluß strukturiert. Wird die Leiterstruktur bereits auf der chemisch aufgebauten Metall-
schicht festgelegt und diese selektiv bis zur gewünschten Schichtdicke verstärkt, spricht man von einem Semiadditivpro-
zeß. Liegt die Leiterstruktur bereits vor der Metallisierung fest, so wird der folgende selektive Metallaufbau als Additivprozeß bezeichnet.

Laser- und Maskenstrukturierung
Bei der subtraktiven Laserstrukturierung wird das Formteil zu-
nächst vollflächig chemogalvanisch metallisiert und mit einem Ätzresist beschichtet. Mit einem Laser wird der Ätzresist im Be-
reich zwischen den Leiterbahnen abgetragen und das freige-
legte Kupfer weggeätzt. Im Anschluß wird der verbleibende Ätz-
resist entfernt und die Kupferoberfläche durch eine Metallisie-
rung gegen Oxidation geschützt. Die Laserstrukturierung ist besonders zur Erzeugung sehr feiner Leiterbahnstrukturen mit bis zu 50 µm Leiterbahnabstand geeignet.

Weitere Varianten dieses Verfahrens sind ein Semiadditivprozeß, bei dem die chemisch abgeschiedene Metallschicht strukturiert wird und ein Additivprozeß, bei dem ein Haftvermittler oder die Kunststoffoberfläche direkt strukturiert wird. Dadurch wird das Metall nur auf den Leiterbahnen abgeschieden. Im Bereich der additiven Metallisierung sind Füllstoffsysteme entwickelt wor-
den, die in den Kunststoff eincompoundiert werden und über den Laser für die chemische Metallabscheidung aktiviert wer-
den können.

Ein weiteres semiadditives Verfahren aus diesem Bereich ist die Maskenbelichtung. Hier wird das vollflächig chemisch me-
tallisierte Kunststoffformteil mit einem Photoresist beschichtet, der durch eine dreidimensionale Maske mit UV-Strahlung be-
lichtet wird. Die nicht belichteten Bereiche werden entfernt und die freiliegende Kupferschicht bis zur gewünschten Leiterstärke galvanisch verstärkt. In Anschluß werden der verbliebende Pho-
toresist sowie chemische Kupferschicht entfernt.

Zweikomponentenspritzgießen
Beim Zweikomponentenspritzgießen zur MID-Herstellung gibt es zwei gängige Varianten. Der Unterschied liegt in der Prozeß-
folge beim Spritzgießen und Metallisieren. In beiden Verfahren wird zunächst die metallisierbare Kunststoffkomponente vorge-
spritzt. Beim ersten Verfahren wird anschließend dieses Teil mit einer nicht metallisierbaren zweiten Komponente umspritzt. Die chemische Metallisierung erfolgt nur auf der metallisierbaren Komponente (Leiterbahnstruktur). Beim zweiten Verfahren wird der Vorspritzling zunächst vollflächig chemisch vorbehandelt und anschließend mit der zweiten Kunststoffkomponente um-
spritzt. Dadurch findet die chemische Metallabscheidung nur auf den vorbehandelten Oberfläche statt. Die folgende Metallisie-
rung bis zur gewünschten Schichtstärke wird in beiden Fällen zumeist chemisch durchgeführt, da für die galvanische Verstär-
kung eine elektrische Kontaktierung der einzelnen Leiterbahnen erforderlich ist.

Heißprägen
Im Gegensatz zu den anderen Verfahren wird das Kunststoff-
substrat beim Heißprägen in einem Schritt metallisiert und strukturiert. Dabei wird mit einem Prägestempel, auf dem das Leiterbahnbild erhaben ist, unter Druck und Wärmezufuhr eine Kupferprägefolie mit haftvermittelnder Schicht auf das Substrat gepreßt. Die Wärmezufuhr bewirkt ein Anschmelzen bzw. Erwei-
chen der Kunststoffoberfläche. Dadurch werden die Leiterbah-
nen aus der Kupferfolie ausgeschert und mit dem Substrat verbunden. Vorteil dieses Verfahrens ist, dass auch solche Kunststoffe metallisiert werden können, die chemogalvanisch nur schwer zugänglich sind.

PVD-Verfahren
Bei den angegebenen Strukturierungsverfahren findet die Metallisierung heutzutage fast ausschließlich über den chemo-
galvanischen Weg statt. Im Bereich Kunststoff-Metallisierung am Fraunhofer-IST werden Verfahren entwickelt bei denen die chemische Aktivierung, Bekeimung und Metallisierung umgan-
gen wird und durch im wesentlichen zwei Verfahrensschritte (Plasmaaktivierung und strukturierte Metallisierung mittels Sputtern oder Aufdampfen) ersetzt werden soll.


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Fraunhofer-Gesellschaft