DE102013003542B4 - Process for producing a functionalized and formed thermoplastic film and plastic film processed according to this process - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer funktionalisierten und umgeformten thermoplastischen Kunststofffolie, gekennzeichnet durch die Abfolge folgender Verfahrensschritte in folgender Reihenfolge:
a) Vorkonditionierung einer Kunststofffolie aus einem thermoplastischen Polymer durch Erwärmung der Folie bis an die Glasübertragungstemperatur des eingesetzten thermoplastischen Polymers,
b) Ausbildung einer Struktur durch Applikation einer nichtleitenden Palladium-Polymer-Paste im Siebdruckverfahren auf die Kunststofffolie,
c) Aushärtung der applizierten Paste,
d) Tiefziehen des thermoplastischen Polymers und Aktivierung der Oberfläche mit einer anschließenden außenstromlose galvanische Verkupferung der Struktur in einem chemisch-reduktiven Kupferbad oder Aktivierung der Oberfläche mit einer anschließenden außenstromlose galvanischen Verkupferung der Struktur in einem chemisch-reduktiven Kupferbad und Tiefziehen des thermoplastischen Polymers,
e) Vereinzelung und Hinterspritzung der geformten Kunststofffolie in einer Spritzgussanlage.

Figure DE102013003542B4_0000
Process for producing a functionalized and formed thermoplastic film, characterized by the sequence of the following process steps in the following order:
a) Preconditioning of a plastic film made of a thermoplastic polymer by heating the film to the glass transition temperature of the thermoplastic polymer used,
b) Formation of a structure by applying a non-conductive palladium polymer paste to the plastic film using a screen printing process,
c) Curing of the applied paste,
d) deep drawing of the thermoplastic polymer and activation of the surface with subsequent electroless galvanic copper plating of the structure in a chemical-reductive copper bath or activation of the surface with subsequent electroless galvanic copper plating of the structure in a chemical-reductive copper bath and deep drawing of the thermoplastic polymer,
e) Separation and back-injection of the formed plastic film in an injection moulding system.
Figure DE102013003542B4_0000

Description

Als funktionalisierte Kunststofffolien werden Folien aus thermoplastischen Polymeren bezeichnet, auf die elektrisch wirksame metallische Strukturen, wie Leiterbahnen, Sensorflächen oder ähnliches, aufgebracht sind.Functionalized plastic films are films made of thermoplastic polymers onto which electrically active metallic structures, such as conductor tracks, sensor surfaces or similar, are applied.

Ein Kunststoffformteil und eine flexible Folie mit einer geschützten Leiterbahn ist aus DE 198 12 880 A1 bekannt. Das Kunststoffformteil oder die flexible Folie besteht aus einer Kunststofffolie als Trägerschicht, einer darauf angebrachten, metallisierbaren Primerschicht, einer auf der Primerschicht aufgebrachten strukturierten, metallischen, elektrisch leitenden Schicht und einer zusätzlichen Deckfolie, wobei die Deckfolie mit dem Verbund aus Trägerschicht, Primerschicht und leitender Schicht fest verbunden ist. Damit ist die leitende Schicht wenigstens teilweise durch diese Deckfolie abgedeckt. Die flexible Folie kann zum Beispiel als Platine oder elektromagnetische Abschirmung für elektronische Baugruppen eingesetzt werden.A plastic molded part and a flexible film with a protected conductor track is made of DE 198 12 880 A1 known. The plastic molded part or the flexible film consists of a plastic film as a carrier layer, a metallizable primer layer applied to it, a structured, metallic, electrically conductive layer applied to the primer layer and an additional cover film, whereby the cover film is firmly connected to the composite of carrier layer, primer layer and conductive layer. The conductive layer is thus at least partially covered by this cover film. The flexible film can be used, for example, as a circuit board or electromagnetic shield for electronic assemblies.

Die Verwendung von umgeformten funktionalisierten Folien nimmt besonders im Automobilbereich zur Gestaltung von Bedienoberflächen immer weiter zu. Üblich dabei ist die Verwendung von Silberleitpasten, mit denen leitende Strukturen auf thermoplastischen Polymeren realisiert werden. Mit zunehmenden Rohstoffkosten, insbesondere für Edelmetalle, wird die Herstellung derartiger Folien jedoch immer kostenaufwendiger.The use of reshaped, functionalized films is becoming increasingly common, particularly in the automotive sector, for designing user interfaces. The usual method is to use silver conductive pastes to create conductive structures on thermoplastic polymers. However, with increasing raw material costs, especially for precious metals, the production of such films is becoming increasingly expensive.

Der Versuch, Silberleitpasten durch kostengünstigere Kupferstrukturen zu ersetzen, stößt auf Schwierigkeiten, wenn die Folie in einem Tiefziehprozess zu einem dreidimensionalen Körper geformt werden soll und Leiterstrukturen in den umgeformten Bereichen der Folie vorgesehen sind.The attempt to replace silver conductive pastes with more cost-effective copper structures encounters difficulties when the foil is to be formed into a three-dimensional body in a deep-drawing process and conductor structures are planned in the formed areas of the foil.

Die Anwendung eines entsprechenden Tiefziehprozesses bei einem thermoplastischen Kunststoff wird beispielsweise in der Patentschrift DE 38 40 542 C1 offenbart. Hierin wird zur Herstellung eines tiefgezogenen Kunststoff-Formteils ein kalt-reckbares Folienmaterial bei einer Arbeitstemperatur unterhalb der Erweichungstemperatur des Folienmaterials mit Hilfe eines fluiden Druckmittels beaufschlagt und innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne isostatisch umgeformt.
Das Tiefziehen von thermoplastischen Polymeren mit leitenden Strukturen aus Silberleitpasten ist ein bekannter Prozess, der zur Herstellung funktionalisierter Folien bereits erfolgreich eingesetzt wird. Der Ansatz, diese leitenden Strukturen als Kupferbahnen zu realisieren führt aber unweigerlich zu einem Problem beim Tiefziehen. Das Kupfer ist nicht duktil genug, um den Umformgeometrien standzuhalten.
The application of a corresponding deep-drawing process for a thermoplastic material is described, for example, in the patent specification DE 38 40 542 C1 In this document, in order to produce a deep-drawn plastic molded part, a cold-stretchable film material is subjected to a fluid pressure medium at a working temperature below the softening temperature of the film material and isostatically formed within a predetermined period of time.
Deep drawing of thermoplastic polymers with conductive structures made of silver conductive pastes is a well-known process that has already been used successfully to produce functionalized films. However, the approach of realizing these conductive structures as copper tracks inevitably leads to a problem during deep drawing. The copper is not ductile enough to withstand the forming geometries.

Es ergab sich die Aufgabe, ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung funktionalisierter und umgeformter Folien zu schaffen und ein verfahrensgemäß hergestelltes Produkt zur Verfügung zu stellen.The task arose to create a cost-effective process for the production of functionalized and formed films and to provide a product manufactured according to the process.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren und das im Anspruch 3 genannte Verfahrensprodukt gelöst.This object is achieved by the method described in claim 1 and the method product mentioned in claim 3.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, Kupferstrukturen nicht in Pastenform auf eine Folie aufzubringen, sondern zunächst eine in einem Tiefziehverfahren formbare Paste aufzubringen, welche anschließend verkupfert wird. Nach dem Applizieren und Trocknen einer solchen Paste oder eines entsprechenden Systems aus mehreren Pasten, wird die Folie mit der aufgebrachten Paste in ein chemisch-reduktives Kupferbad gebracht und dort in einem außenstromlosen galvanischen Prozess mit Kupfer beschichtet.The solution according to the invention does not provide for applying copper structures to a foil in paste form, but rather first applying a paste that can be formed in a deep-drawing process, which is then copper-plated. After applying and drying such a paste or a corresponding system of several pastes, the foil with the applied paste is placed in a chemical-reductive copper bath and coated with copper in an electroplating process without external current.

Die außenstromlose galvanische Verkupferung kann dabei vor oder nach dem Umformen der Folie vorgesehen werden. Sollen durch den Umformprozess Leiterstrukturen mit sehr engen Radien erzeugt werden, so ist es vorteilhaft, die Folie zunächst mit der aufgebrachten Paste zu formen und erst nach dem Umformprozess die galvanische Verkupferung vorzunehmen, da so die Kupferbeschichtung keinen mechanischen Belastungen durch den Tiefziehprozess ausgesetzt wird.The electroless copper plating can be carried out before or after the foil is formed. If the forming process is intended to produce conductor structures with very tight radii, it is advantageous to first form the foil with the applied paste and only carry out the electrolytic copper plating after the forming process, as this means that the copper coating is not exposed to any mechanical stresses caused by the deep-drawing process.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der einzigen Figur in einem Flussdiagramm dargestellt und besteht aus der Abfolge folgender Verfahrensschritte in folgender Reihenfolge:

  1. a) Vorkonditionierung einer Kunststofffolie aus einem thermoplastischen Polymer durch Erwärmung der Folie bis an die Glasübertragungstemperatur des eingesetzten thermoplastischen Polymers,
  2. b) Ausbildung einer Struktur durch Applikation einer nichtleitenden Palladium-Polymer-Paste im Siebdruckverfahren auf die Kunststofffolie,
  3. c) Aushärtung der applizierten Paste,
  4. d) Tiefziehen des thermoplastischen Polymers und Aktivierung der Oberfläche mit einer anschließenden stromlose galvanische Verkupferung der Struktur in einem chemisch-reduktiven Kupferbad oder Aktivierung der Oberfläche mit einer anschließenden stromlose galvanische Verkupferung der Struktur in einem chemisch-reduktiven Kupferbad und Tiefziehen des thermoplastischen Polymers,
  5. e) Vereinzelung und Hinterspritzung der geformten Kunststofffolie in einer Spritzgussanlage.
The method according to the invention is shown in the single figure in a flow chart and consists of the sequence of the following method steps in the following order:
  1. a) Preconditioning of a plastic film made of a thermoplastic polymer by heating the film to the glass transition temperature of the thermoplastic polymer used,
  2. b) Formation of a structure by applying a non-conductive palladium polymer paste to the plastic film using a screen printing process,
  3. c) Curing of the applied paste,
  4. d) deep drawing of the thermoplastic polymer and activation of the surface with subsequent electroless galvanic copper plating of the structure in a chemical-reductive copper bath or activation of the surface with subsequent electroless galvanic copper plating of the structure in a chemical-reductive copper bath and deep drawing of the thermoplastic polymer,
  5. e) Separation and back-injection of the formed plastic film in an injection moulding system.

Die Vorkonditionierung der Kunststofffolie im Verfahrensschritt a) findet vorzugsweise in einem Umluftofen, einem IR-Ofen oder in deren Kombination statt. Die Temperaturen müssen bis an die Glasübergangstemperatur des eingesetzten thermoplastischen Polymers gehen, um Eigenspannungen des Halbzeuges und damit das Schwindungsverhalten zu vermindern.The preconditioning of the plastic film in process step a) preferably takes place in a circulating air oven, an IR oven or a combination of these. The temperatures must reach the glass transition temperature of the thermoplastic polymer used in order to reduce the internal stresses of the semi-finished product and thus the shrinkage behavior.

Im Verfahrensschritt b) wird die vorkonditionierte Folie einem Siebdrucker samt Carrier zugeführt. Bevor die Bedruckung beginnt, muss die zu verarbeitende Palladium-Polymer-Paste zuerst homogenisiert werden, bevor sie darauffolgend auf ein Sieb aufgetragen werden. Die eingestellten Siebdruckparameter müssen an die eingesetzte Paste angepasst werden.In process step b), the preconditioned film is fed to a screen printer including carrier. Before printing begins, the palladium polymer paste to be processed must first be homogenized before it is then applied to a screen. The set screen printing parameters must be adapted to the paste used.

Um beispielsweise nach dem Trocknen eine Schichtdicke von 4 bis 6 µm zu erreichen, muss eine Nass-Schichtdicke von 15 bis 18 µm aufgebracht werden. Die nassbedruckte Folie wird anschließend in einem Umluftofen oder einem IR-Ofen getrocknet, um die Paste auszuhärten.
Der Verfahrensschritt d) sieht vor, dass die nichtleitende zweidimensionale Pastenstruktur aktiviert und damit für die elektrochemische Kupferabscheidung vorbereitet wird. Danach erfolgt eine Kupferabscheidung bis eine Schichtdicke von beispielsweise 1 µm bis 3 µm erreicht ist. Die galvanische Abscheidung erfolgt in einem chemisch-reduktiven Kupferbad ohne Verwendung einer äußeren Stromquelle.
For example, to achieve a layer thickness of 4 to 6 µm after drying, a wet layer thickness of 15 to 18 µm must be applied. The wet-printed film is then dried in a convection oven or an IR oven to harden the paste.
Process step d) involves activating the non-conductive two-dimensional paste structure and thus preparing it for electrochemical copper deposition. Copper is then deposited until a layer thickness of, for example, 1 µm to 3 µm is reached. The electroplating takes place in a chemical-reductive copper bath without the use of an external power source.

Die Wahl der Prozessparameter wird in Abhängigkeit der eingesetzten Kunststofffolie getroffen. Die Parameter Badtemperatur, Abscheiderate, Expositionszeit und die daraus resultierende Schichtdicke sind variabel und können den Anforderungen angepasst werden.The choice of process parameters depends on the plastic film used. The parameters bath temperature, deposition rate, exposure time and the resulting layer thickness are variable and can be adapted to requirements.

Im Anschluss wird die Kunststofffolie, durch einen Tiefziehprozess, vorzugsweise Thermoformen oder High-Pressure-Forming, in die Endgeometrie umgeformt. Die Reihenfolge der Prozessschritte Aktivierung/Verkupferung und Thermoformung kann auch umgekehrt werden. The plastic film is then formed into the final geometry using a deep-drawing process, preferably thermoforming or high-pressure forming. The order of the activation/copper plating and thermoforming process steps can also be reversed.

Im Verfahrensschritt e) wird die umgeformte Kunststofffolie mittels einer Laservorrichtung ausgeschnitten oder durch eine Stanzprozess vereinzelt und anschließend in einer Spritzgussanlage hinterspritzt.In process step e), the formed plastic film is cut out using a laser device or separated by a punching process and then back-injected in an injection molding system.

Die nach dem beschriebenen Verfahren gefertigte Kunststofffolie kann als Bestandteil einer Bedienoberfläche oder eines elektronischen Gerätes zur Anwendung kommen und insbesondere in einem Kraftfahrzeug verwendet werden.The plastic film produced according to the described process can be used as a component of a user interface or an electronic device and can be used in particular in a motor vehicle.

Claims (4)

Verfahren zur Herstellung einer funktionalisierten und umgeformten thermoplastischen Kunststofffolie, gekennzeichnet durch die Abfolge folgender Verfahrensschritte in folgender Reihenfolge: a) Vorkonditionierung einer Kunststofffolie aus einem thermoplastischen Polymer durch Erwärmung der Folie bis an die Glasübertragungstemperatur des eingesetzten thermoplastischen Polymers, b) Ausbildung einer Struktur durch Applikation einer nichtleitenden Palladium-Polymer-Paste im Siebdruckverfahren auf die Kunststofffolie, c) Aushärtung der applizierten Paste, d) Tiefziehen des thermoplastischen Polymers und Aktivierung der Oberfläche mit einer anschließenden außenstromlose galvanische Verkupferung der Struktur in einem chemisch-reduktiven Kupferbad oder Aktivierung der Oberfläche mit einer anschließenden außenstromlose galvanischen Verkupferung der Struktur in einem chemisch-reduktiven Kupferbad und Tiefziehen des thermoplastischen Polymers, e) Vereinzelung und Hinterspritzung der geformten Kunststofffolie in einer Spritzgussanlage. Process for producing a functionalized and formed thermoplastic plastic film, characterized by the sequence of the following process steps in the following order: a) preconditioning a plastic film made of a thermoplastic polymer by heating the film up to the glass transfer temperature of the thermoplastic polymer used, b) forming a structure by applying a non-conductive palladium polymer paste to the plastic film using a screen printing process, c) curing the applied paste, d) deep drawing of the thermoplastic polymer and activation of the surface with subsequent electroless galvanic copper plating of the structure in a chemical-reductive copper bath or activation of the surface with subsequent electroless galvanic copper plating of the structure in a chemical-reductive copper bath and deep drawing of the thermoplastic polymer, e) separating and back-injecting the formed plastic film in an injection molding system. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tiefziehen durch Thermoformen oder High-Pressure-Forming erfolgt.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the deep drawing is carried out by thermoforming or high-pressure forming. Funktionalisierte thermoplastische Kunststofffolie, dadurch gekennzeichnet dass, die Kunststofffolie nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 bearbeitet ist.Functionalized thermoplastic film, characterized in that the plastic film is prepared by the process according to Claim 1 is edited. Funktionalisierte thermoplastische Kunststofffolie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffolie Bestandteil einer Bedienoberfläche oder eines elektronischen Gerätes ist.Functionalized thermoplastic film according to Claim 3 , characterized in that the plastic film is part of a user interface or an electronic device.
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