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Die
Erfindung betrifft eine Leiterplatten-Anordnung, umfassend mindestens
eine Leiterplatte mit mindestens einer elektrisch leitfähigen
Leiterbahn und mindestens einem elektronischen Bauelement, wobei
die Leiterplatte einen Polymerformkörper mit 0,1–10
Gew.-% Carbon Nanotubes (CNT), bezogen auf die Masse der Polymerphase/n,
aufweist, und wobei das mindestens eine elektronische Bauelement
durch eine organische Klebstoff-Zusammensetzung enthaltend 0,05–10
Gew.-% Carbon-Nanotubes (CNT), bezogen auf die Masse der Klebstoff-Zusammensetzung,
mit mindestens einer elektrisch leitfähigen Leiterbahn
der Leiterplatte verbunden ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung
eine erfindungsgemäß geeignete Klebstoff-Zusammensetzung
und deren Verwendung, sowie ein Verfahren zum Aufbringen mindestens
eines Bauelements auf eine Leiterplatte.
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Des
Weiteren betrifft die Erfindung Leiterplatten-Anordnungen die Leiterplatten
aus Polymerformkörpern umfassen, wobei die Leiterbahnen
eine Kupferschicht aufweisen. Die Erfindung be trifft auch Verfahren zur
Herstellung der erfindungsgemäßen Leiterplatten-Anordnungen.
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Elektrisch
leitfähige Kunststoffe sind seit langem bekannt.
US 4,404,125 beschreibt
die Herstellung derartiger Kunststoffe durch Beimengung von Kohlenstofffasern,
gegebenenfalls zusammen mit leitfähigen Rußen,
in einen thermoplastischen Kunststoff. In
US 4,664,971 werden an Stelle der
Kohlenstofffasern elektrisch leitfähige Metallfasern eingesetzt.
In all diesen Kunststoffmischungen sind große Mengen an
elektrisch leitfähigen Zusatzstoffen erforderlich, die
im Regelfall in einem Bereich von 10–30 Gew.-% liegen.
Dennoch ist die elektrische Leitfähigkeit dieser Kunststoffe,
insbesondere an der Oberfläche, noch nicht ausreichend
für viele technische Anwendungen.
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WO 02/19346 beschreibt
den Einsatz metallbeschichteter Carbonfasern zur Herstellung elektrisch
leitfähiger Kunststoffe. Hierbei wird z. B. ein energiereicher
Laser eingesetzt, um den an der Oberfläche befindlichen
Kunststoff zu verdampfen und die darunterliegenden Schichten der
elektrisch leitfähigen Zusatzstoffe freizulegen. Ein Nachteil
ist die dabei häufig auftretende Leitfähigkeit über
das ganze Volumen des Kunststoffes, auch quer zur und über
die laserbehandelte Bahn hinaus, und die resultierenden Probleme
bei der Anordnung von nebeneinander liegenden Leiterbahnen.
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Ein
anderes Verfahren zur Erzeugung elektrisch leitfähiger
Strukturen auf beliebigen Substratmaterialien wird in der
DD 263 179 beschrieben, wobei
die Substratmaterialien mit einem elektrisch leitfähigen
Zusatzstoff und Vernetzungsinitiatoren enthaltendem Prepolymer beschichtet,
das Prepolymer durch Einwirken energiereicher Strahlen gezielt vernetzt
und die nicht vernetzten Anteile der Kunststoffmischung mit Hilfe
geeigneter Lösungsmittel wieder entfernt werden. Dieses
Verfahren ist sehr aufwendig und mit nicht unerheblichen Problemen hinsichtlich
einer ausreichenden Haftung der Strukturen auf der Substratoberfläche
verbunden.
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Die
DE 102 59 498 beschreibt
elektrisch leitfähige Thermoplaste, in denen neben teilchenförmigen Kohlenstoffmodifikationen
wie Ruß oder Graphit auch Carbon Nanotubes (CNT) eingesetzt
werden. Durch Zusatz von derartigen Kohlenstoff-Modifikationen lässt
sich die elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu Metallfasern
schon bei geringen Zusatzmengen realisieren. Die elektrische Leitfähigkeit
verteilt sich dabei mehr oder weniger gleichmäßig über
das gesamte Kunststoffvolumen und die Oberfläche. Dabei
tritt die elektrische Leitfähigkeit in der Regel erst oberhalb
einer gewissen Mindestzusatzmenge an elektrisch leitfähigen
Zusatzstoffen auf. Unterhalb dieser Konzentration ist die Leitfähigkeit
nahezu auf dem Ausgangsniveau der nicht leitfähigen Kunststoffe.
Die Grenze, ab der Leitfähigkeit zu beobachten ist, richtet
sich im Wesentlichen nach dem Kunststoff selbst, dem zugesetzten
Füllstoff bzw. der zugesetzten Füllstoffmischung
sowie nach den Misch- und Verarbeitungsbedingungen, denen die Kunststoffmischung
unterzogen worden ist.
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Um
eine gute elektrische Leitfähigkeit zu erzielen, sind bei
all diesen Verfahren ausreichende Mengen an Zusatzstoffen erforderlich
und die Leitfähigkeit ist weitgehend gleichmäßig über
das Volumen der Kunststoffformteils verteilt. Mit dem steigenden
Füllgrad ist aber im Regelfall eine Verschlechterung der
mechanischen Eigenschaften verbunden, so dass bei hohen Füllgraden
beispielsweise die Zähigkeit sowie Zug- und Reißfestigkeit
deutlich reduziert sind.
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Eine
weitere Möglichkeit zur Erzeugung elektrisch leitfähiger
Strukturen auf Oberflächen wurde von T. Dekker
(Carbon-Nanotubes as Molecular Quantum Wires, Physics Today, S.
22-28, 1999) beschrieben. Hierbei werden Carbon Nanotubes
aus der Gasphase auf einem Substrat abgeschieden. Dieses Verfahren
ist ebenfalls mit einem hohen technischen Aufwand verbunden.
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Elektronische
Schaltkreise werden in der Regel durch Aufbringen einer Kupferschicht
auf ein Substrat hergestellt, wobei die für den Schaltkreis
nicht benötigten Teile der Kupferschicht durch chemische
Prozesse weggeätzt werden. Die Herstellung solcher Schaltkreise
ist in der Regel sehr aufwändig und umfasst viele Verfahrensschritte.
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Bei
der Erzeugung von leitfähigen Strukturen kann insbesondere
das Galvanisierverfahren eingesetzt werden. Um dieses Verfahren
auch für Kunststoffoberflächen verwenden zu können,
muss auf der Kunststoffoberfläche zuerst eine leitende
Schicht aufgebracht werden, bevor auf galvanischem Wege eine metallische Schicht
abgeschieden werden kann. Hierzu geeignete Verfahren sind bekannt
und umfassen mehrere einzelne Behandlungsschritte, die aufwändig
und umständlich sind. Es wäre daher vorteilhaft,
wenn die Kunststoffoberflächen direkt galvanisiert werden
könnten.
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Eine
Variante von Kunststoffbauteilen, die unter Verwendung des Galvanisierverfahrens
erzeugt werden können sind Molded Interconnect Devices
(MIDs). Bei diesen spritzgegossenen Bauteilen werden metallische
Leiterbahnen auf Kunststoffträger aufgebracht. Diese MIDs
können auf unterschiedliche Arten hergestellt werden. Eine
Möglichkeit besteht darin, den Schaltungsträger
im Zweikomponentenspritzguss herzustellen. Ein Kunststoff bildet
hierbei den Grundkörper, ein weiterer ist metallisierbar
und bildet das Leiterbahnlayout ab. In dem SKW-Verfahren wird zunächst
die Leiterbahnstruktur als Vertiefung aus der nicht-metallisierbaren Komponente
gespritzt. Anschließend werden diese Bereiche mit der metallisierbaren
Komponente aufgefüllt. In den nachfolgenden Schritten werden
die entsprechenden Metalle auf den metallisierbaren Kunststoff aufgebracht.
Hierbei wird zu nächst die Oberfläche des metallisierbaren
Kunststoffs aktiviert. Auf diese Oberfläche wird galvanisch
Kupfer bis zur gewünschten Stärke aufgebracht.
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Ein
weiteres Problem in der Technik stellt das Befestigen der elektronischen
Bauteile auf den Leiterplatten dar. Die Bauteile müssen
hierbei auf einfache Weise so befestigt werden, dass optimale elektrische
Eigenschaften erzielt werden können. Hierzu geeignete Klebstoffe
sind beispielsweise aus der
EP
0 914 027 oder
EP 0
870 418 bekannt. Um eine elektrisch leitfähige
Verbindung zwischen den Leiterbahnen und den elektronischen Bauelementen
zu erzeugen werden den Kunststoffen hierbei elektrisch leitfähige
Stoffe zugesetzt. Allerdings erreichen diese Klebeverbindungen oftmals
nicht die gewünschte Leitfähigkeit und Festigkeit und
es besteht insbesondere eine Bedarf an neuen Klebstoff-Zusammensetzungen
die optimal mit den Eigenschaften der Leiterplatten zusammenwirken.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher Leiterplatten-Anordnungen
bereitzustellen, wobei die Leiterplatten Polymerformkörper
umfassen, die elektrisch leitfähige Strukturen aufweisen,
wobei die elektrisch leitfähigen Strukturen gegebenenfalls
Kupfer enthalten. Zudem soll ein einfaches Verfahren zum Verbinden
von elektronischen Bauteilen mit den Leiterplatten zur Verfügung
gestellt werden.
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In
einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung daher einen Polymerformkörper
mit leitfähigen, insbesondere elektrisch leitfähigen,
Strukturen auf der Oberfläche, sowie ein Verfahren zur
Herstellung dieser Polymerformkörper.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die bekannten Verfahren
zur Erzeugung von leitfähigen Strukturen auf Polymerformkörpern
zu vereinfachen und zu verbessern und insbe sondere Polymerformkörper
mit besonders guten Eigenschaften zur Verfügung zu stellen.
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Die
oben beschriebene Aufgabe wird durch die hierin definierten Polymerformkörper
und das Verfahren zu deren Herstellung gelöst.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise
festgestellt, dass das partielle Anschmelzen der Oberfläche
eines Polymerformkörpers, der Carbon Nanotubes enthält,
zu einer Migration der CNT an die Oberfläche des Polymerformkörpers
führt. Durch gezieltes Anschmelzen der Oberfläche
in definierten Bereichen ist es somit auf vorteilhafte Weise möglich,
die Konzentration der CNT in diesen Bereichen zu erhöhen
und die elektrische und thermische Leitfähigkeit dieser
Bereiche zu erhöhen. Ein Nachweis für die höhere
Konzentration der CNT in den elektrisch leitfähigen (thermisch
behandelten) Bereichen kann z. B. über lichtmikroskopische
oder elektronenmikroskopische Aufnahmen geliefert werden. Hierbei
erscheinen beispielsweise bei einem Polymerformkörper aus
Polycarbonat und CNT im Lichtmikroskop die Stellen mit hoher CNT-Dichte
in schwarzer Farbe, wohingegen die Stellen mit geringer CNT-Dichte
weiß sind.
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Im
Gegensatz dazu wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung überraschenderweise
festgestellt, dass die Verwendung von Polymerformkörpern
mit anderen elektrisch leitenden Zusatzstoffen nicht zu einer Migration
der leitfähigen Stoffe an die Oberfläche führt.
Beispielsweise führte das Anschmelzen von Polymerformkörpern
mit leitfähigen Fasersystemen, wie z. B. Aluflakes (Hersteller
Alufllakes der Fa. Silverline, GB; verwendete Polymermischung Polycarbonat/Polypropylen,
siehe Beispiel) oder Stahlfasern nicht zu einer Migration der leitfähigen
Fasern an die Oberfläche. Bei diesen Polymerformkörpern
ist daher nur das oben beschriebene Verfahren aus
WO 02/19346 anwendbar. Im erfindungsgemäßen
Verfahren ist jedoch vorteilhafterweise kein Verdampfen des Polymers
auf der Oberfläche des Polymerformkörpers notwendig.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Geschwindigkeit
der Migration sowohl von der Viskosität der Polymerphasen,
durch die sich die CNT bewegen müssen, als auch von der
jeweilige Kompatibilität der Oberflächen der CNT
und der Polymerphasen, und von der Behandlungsdauer, d. h. der Zeit,
die den CNT zur Verfügung steht, um durch das aufgeschmolzene
Polymer an die Oberfläche vorzudringen, abhängig.
Je länger die Anschmelzung erfolgt, desto besser können
die CNT an die Oberfläche wandern, und desto besser ist auch
die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit in
den thermisch behandelten Bereichen.
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Des
Weiteren wurde überraschenderweise festgestellt, dass sich
durch Dehnen oder Verbiegen des Polymerformkörpers der
Oberflächenwiderstand desselben ändert. Insbesondere
wird der Oberflächenwiderstand größer
je mehr der Polymerformkörper gedehnt wird. Dies ermöglicht
die Anwendung der erfindungsgemäßen Polymerformkörper
in Dehnungsmessstreifen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft daher nach einem Aspekt Polymerformkörper
mit leitfähigen, insbesondere elektrisch leitfähigen,
Strukturen auf der Oberfläche, sowie ein Verfahren zur
Herstellung dieser Polymerformkörper.
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Ein
Polymerformkörper im Sinne der vorliegenden Erfindung ist
ein beliebig geformter dreidimensionaler Körper oder eine
Polymerschicht aus einem oder mehreren verschiedenen Polymeren,
die nachfolgend sowohl für das erfindungsgemäße
Verfahren als auch für die erfindungsgemäßen
Polymerformkörper beschrieben werden.
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Erfindungsgemäß geeignete
Polymere sind Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere sowie anorganische
Polymere und Mischung daraus, bevorzugt werden Thermoplaste und
Duroplaste verwendet. Bevorzugte Polymere sind Polycarbonat, Acrylnitril-Butadien-Styrol
(ABS), Polyamide wie Polyamid 6 (PA 6), Polyamid 6.6 (PA 6.6), Polyamid
6.4 (PA 6.4)), Polyamid 12 (PA 12), aromatisches Polyamid, Polyvinylchlorid,
Nylon 6,6, Polyvinylfluorid, Polyvinylidenfluorid, Polyphenylenether,
Polystyrol, Polyolefine wie Polypropylen oder Polyethylen, Polysulfon,
thermoplastisches Polyurethan, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat,
thermoplastische Elastomerlegierungen, Acetal, Styrol-Maleinsäureanhydrid,
Butadien-Styrol, Polyetheretherketon, Polyethersulfon, Polytetrafluorethen,
Polyalkylacrylate, Polymethylmethacrylat, ungesättigte
Polyester, Polylactone, Polyepoxide, Polyimide, Polybutadiene, Polyphosphazene,
Styrolmaleinsäureanhydrid (SMA), Styrolmethylmethacrylat
(SMMA), Polysulfon, Polyvinylacetat und Polyacrylamid. Des Weiteren
kann Phenolharz, Polyesterharz, natürlicher oder synthetischer
Kautschuk oder Silikonkautschuk verwendet werden. Spezielle Beispiele
anorganischer Polymere umfassen Phosphor basierte Verbindungen und
Silikone. Die vorstehend aufgezählten Polymere können
auf dem Fachmann bekannte Weise hergestellt und verarbeitet werden.
Bevorzugterweise werden mindestens zwei, weiter bevorzugt mindestens
drei, verschiedene Polymere zur Herstellung des Polymerformkörpers
verwendet.
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Bevorzugte
Polymerblends sind: Polycarbonat/Polyolefin (insbesondere Polypropylen
oder Polyethylen), Polyethylenterephthalate (PET)/Polyvinylidenfluorid,
PET/Nylon 6,6, PET/Polypropylen, PET/Polyethylenmischungen mit hoher
Dichte, Polyamid 6 (PA6)/Acrylonitril-Butadiene-Styrol und Polycarbonat/Polyolefine (bevorzugt
Polypropylen), Polyamid 6 (PA6)/Polyamid 12 (PA12), Polyamid 6.6
(PA 6.6)/Polyamid 12 (PA 12), aromatisches Polyamid/Polyamid 12
(PA 12), Polybutylenterephthalat/thermoplastisches Polyester, und
Polyethylen terephthalat/thermoplastisches Polyester. Geeignete Polymerblends
wurden beispielsweise von Wu et al. (Journal of applied
polymer science, 2006, vol. 99, no2, pp. 477-488) im Zusammenhang
mit CNT beschrieben. Bei Verwendung mehrerer verschiedener Polymere
kann, je nach Eigenschaft der Polymere, ein einphasiges oder mehrphasiges
System entstehen.
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Erfindungsgemäß besteht
der Polymerformkörper bevorzugt aus mindestens zwei miteinander
im Wesentlichen nicht mischbaren (phasenunverträglichen)
Polymeren. Werden zwei oder mehr phasenunverträgliche Polymere
verwendet, so können diese selbst nach dem Anschmelzen
des Polymerformkörpers ein zwei- oder mehrphasiges System
ausbilden. Phasenunverträgliche Systeme sind dem Fachmann
bekannt. Werden die beiden Polymersorte vermengt, liegen sie in
getrennten Phasen nebeneinander vor. Wird eine derartige Mischung über
einen längeren Zeitraum in der Schmelze gehalten, koaleszieren
die aus jeweils einer Polymersorte gebildeten Domänen,
d. h. es findet eine Phasenseparierung statt.
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Beispielsweise
sind Polymere, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus
Polystyrol (PS), Polymethylmetacrylat (PMMA) und Acrylnitrit-Butadien-Styrol
(ABS), sowie thermoplastischen Polyestern, wie Polyethylenterephthalat
(PET) oder Polybutylenterephthalat (PBT), und Polycarbonate nicht
mischbar mit Polypropylen und/oder Polypropylencopolymeren. Des
Weiteren sind Polystyrol und Polyamid-6 nicht mit Polyethylen oder
Polypropylen mischbar. Kombinationen aus zwei oder mehr der vorstehend
genannten Polymere sind erfindungsgemäß bevorzugt,
wobei die Verwendung von Polycarbonat in Kombination mit Polypropylen
besonders bevorzugt ist.
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Bei
Verwendung von Polypropylen und/oder einem Polypropylencopolymer
in einem Gemisch mit dazu phasenunverträglichen Polymeren
ist es bevorzugt, jeweils bezogen auf die gesamte Masse des Polymergemisches
(inklusive der eventuell verwendeten Hilfsstoffe und Carbon Nanotubes),
mindestens 40 Gew.-%, weiter bevorzugt mindestens 60 Gew.-%, noch
weiter bevorzugt mindestens 80 Gew.-%, weiter bevorzugt mindestens
90 Gew.-%, und am meisten bevorzugt mindestens 99 Gew.-%, Polypropylen
und/oder Polypropylencopolymer zu verwenden. Weitere bevorzugte
Mengenbereich sind: 40 bis 99 Gew.-%, weiter bevorzugt 60 bis 95
Gew.-%, noch weiter bevorzugt 70 bis 95 Gew.-%, Polypropylen und/oder
Polypropylencopolymer.
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Carbon
Nanotubes (CNT), auch Kohlenstoffnanoröhrchen oder Kohlenstoffnanotubes
genannt, sind aus Kohlenstoffatomen in bestimmter molekularer Anordnung
ausgebildete, faserartige Strukturen. CNT bestehen aus Wandabschnitten,
die Hohlräume umschließen. Die Wände
sind hierbei aus Kohlenstoffatomen mit jeweils drei Bindungspartnern
aufgebaut, die eine wabenartige Struktur aus Sechsecken bilden.
Je nach Anordnung der Wandstrukturen spricht man von einlagigen
Kohlenstoffnanotubes (single wall carbon nanotubes, SWCNT), die
aus einzelnen Röhren aufgebaut sind und einen Innendurchmesser
von 1–3 nm aufweisen, oder von mehrlagigen Kohlenstoffnanotubes
(multi wall carbon nanotubes, MWCNT), die aus mehreren konzentrisch
ineinander geschachtelten Röhren bestehen. Die Außendurchmesser
der Carbon Nanotubes betragen zwischen 1 nm und 400 nm, wobei Carbon
Nanotubes mit einem Außendurchmesser zwischen 10 und 400
nm häufig als Kohlenstoffnanofaser (Carbon Nano Fibre,
CNF) bezeichnet werden.
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Die
Herstellung von Carbon Nanotubes ist dem Fachmann bekannt und kann
beispielsweise im Lichtbogenverfahren (
Iijima, Nature 354,
1991, 56-8) oder mittels Abscheideverfahren aus der Gasphase
(Chemical Vapor Deposition, CVD) erfolgen (
P. M. Ajayan,
Nanotubes from Carbon, Chem. Rev. 99, S. 1787-1799, 1999). Ein
weiteres Verfahren ist in der
WO
99/13127 ,
DE 19946182 und
WO 98/39250 beschrieben.
Hierbei dienen gepulste Laser zur Verdampfung von kohlenstoffhaltigen
Materialien, die in einer Vakuumkammer angeordnet sind. Ein Teil
der verdampften Kohlenstoffmoleküle kondensiert auf sogenannten
Auffängern, deren Temperatur durch externe Heizung und
Kühlung gesteuert wird wodurch das Wachstum von Nanoröhren
bewirkt wird. Weitere Herstellungsmethoden umfassen beispielsweise
Lichtbogen-, Laserablations und katalytische Verfahren.
WO 86/03455 und
WO 2006/050903 beschreiben
Herstellungsverfahren, worin aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe
in Gegenwart eines Eisen enthaltenden Katalysators bei Temperaturen
von 800–900°C zersetzt werden. Bei den bekannten
Verfahren werden oft Ruß, amorpher Kohlenstoff und Fasern mit
hohen Durchmessern als Nebenprodukte gebildet. Bei der katalytische
Abscheidung von Kohlenstoff aus gasförmigen Kohlenwasserstoffen
(Catalytic Carbon Vapour Deposition) können beispielsweise
Acetylen, Methan, Ethan, Ethylen, Butan, Buten, Butadien, oder Benzol
verwendet werden. Als Katalysatoren können z. B. Metalle
wie Fe oder Ni oder auch Metalloxide verwendet werden. Die unter
Verwendung der vorstehenden Verfahren hergestellten Carbon Nanotubes
fallen meist als CNT-Pulver an und können direkt mit den
Polymeren vermischt werden.
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Erfindungsgemäß werden
bevorzugt CNT mit einem mittleren Durchmesser von 2 bis 100 nm,
weiter bevorzugt 5 bis 80 nm, und besonders bevorzugt 6 bis 50 nm
verwendet. Bevorzugt werden MWCNT verwendet. Des Weiteren ist dem
Fachmann bekannt, dass die Carbon Nanotubes je nach Symmetrie bzw.
Anordnung der Kohlenstoffsechsecke in den Röhrenwänden
unterschiedliche Elektronenzustände aufweisen und somit
Eigenschaften von Metallen oder Halbleitern aufweisen können.
Je nach Anwendung wird der Fachmann daher die geeigneten, in der
Literatur beschriebenen, Carbon Nanotubes auswählen können.
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Erfindungsgemäß können
auch „funktionalisierte Carbon Nanotubes” verwendet
werden, solange diese Carbon Nanotubes sich nicht derart mit den
Polymeren verbinden, dass eine Migration verhindert wird. „funktionalisierte
Carbon Nanotubes” weisen eine modifizierte Oberfläche
auf und sind beispielsweise in
US 6,203,814 und
US 08/812,856 beschrieben.
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Anstelle
von oder zusätzlich zu den Carbon Nanotubes können
nach einer möglichen erfindungsgemäßen
Ausführungsform auch Graphene anstelle der CNTs oder zusammen
mit diesen eingesetzt werden. Graphene und Verfahren zu deren Herstellung
sind dem Fachmann bekannt. Graphene sind einatomare Graphitschichten,
die beispielsweise durch epitaktisches Aufwachsen auf einem Siliziumoxid-Substrat
hergestellt werden können. CNTs sind erfindungsgemäß jedoch
bevorzugt.
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Erfindungsgemäß bevorzugt
werden Carbon Nanotubes in einem Mengenanteil (bezogen auf die Gesamtmasse
der Polymerphase/n des Polymerformkörpers) verwendet, so
dass der Polymerformkörper ohne die erfindungsgemäßen
leitfähigen Strukturen nicht oder nur gering leitfähig
ist. Bei reinen Polycarbonatwerkstoffen können daher beispielsweise
insgesamt nur weniger als etwa 5 Gew.-% an CNT eingesetzt werden. Für
Polypropylen können maximal etwa 8–10 Gew.-% CNT
verwendet werden. Ein Fachmann wird je nach Anwendung des erfindungsgemäßen
Polymerformkörpers die geeignete Gesamtmenge an CNT durch
Testversuche bestimmen.
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Zusätzlich
bevorzugt können im erfindungsgemäßen
Verfahren bzw. in den erfindungsgemäßen Polymerformkörpern
Nanocomposits verwendet werden. Derartige Stoffe und deren Anwendung
sind dem Fachmann bekannt und beispielsweise in der
EP 1 776 418 beschrieben. Bevorzugt
werden hierbei Nano-Schichtsilikate, wie beispielsweise Aluminiumschichtsilikat,
verwendet. Bevorzugterweise werden Nanocomposits in einem Anteil,
bezogen auf die Gesamtmasse der Polymerphase/n im Poly merformkörper,
von 0,1 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise von 0,5 bis 5 Gew.-%, insbesondere
bevorzugt von 0,5 bis 2 Gew.-% eingesetzt.
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Zusätzlich
bevorzugt kann/können die Polymerphase/n des Polymerformkörpers
weitere Stoffe enthalten, die die elektrische Leitfähigkeit
des Polymerformkörpers erhöhen können.
Beispielsweise können metallbeschichtete Carbonfaser oder ähnliches
enthalten sein.
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Zusätzlich
bevorzugt enthält der Polymerformkörper außer
polymeren Bestandteilen, CNT und Nanocomposits maximal 20 Gew.-%,
weiter bevorzugt maximal 10 Gew.-%, an weiteren Stoffen wie Verarbeitungshilfsmittel,
Dispergierhilfsmittel, Haft- und Verträglichkeitsvermittler,
Licht- und Alterungsschutzmittel, Farbstoffe etc.
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Der
Ausdruck „elektrisch leitfähig”, so wie
hier verwendet, bezeichnet einen Körper mit einem Oberflächenwiderstand
von weniger als 109, bevorzugt weniger als
10 Ohm, weiter bevorzugt weniger als 105,
und besonders bevorzugt weniger als 104 Ohm.
Dementsprechend betreffen die Ausdrücke „nicht
elektrisch leitfähig” und „gering elektrisch
leitfähig”, so wie hier verwendet, einen Körper
mit einem Oberflächenwiderstand von mehr als 109 Ohm, bevorzugt mehr als 107 Ohm,
weiter bevorzugt mehr als 105, und besonders
bevorzugt mehr als 104 Ohm. Durch das erfindungsgemäße
Verfahren ist es möglich, den Oberflächenwiderstand
in definierten Bereichen um den Faktor 10, insbesondere 100, insbesondere
1000 oder mehr zu verringern, um elektrisch leitfähige
Strukturen zu erzeugen.
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Eine
elektrisch leitfähige Struktur im Sinne der vorliegenden
Erfindung ist eine geometrische Anordnung von elektrisch leitfähigen
Bereichen auf der Oberfläche eines Polymerformkörpers,
wobei die elektrisch leitfähigen Bereiche an elektrisch
nicht leitfähige Bereiche auf der Oberfläche angrenzen.
Insbesondere können die elektrisch leitfähigen
Strukturen für elektronische Anwendungen ausgebildet sein.
Die elektrisch leitfähigen Strukturen können daher
beliebige geometrische Formen aufweisen, insbesondere die Form von
Linien, Flächen oder Mustern, vorzugsweise immer abgegrenzt
durch nicht behandelte (und somit nicht elektrisch leitfähige)
Bereiche.
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Zusätzlich
zu der elektrischen Leitfähigkeit erhöht sich
auch die thermische Leitfähigkeit der thermisch behandelten
Bereiche der Oberfläche des Polymerformkörpers.
Dies ermöglicht weitere technische Anwendungsmöglichkeiten.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren umfasst in einem ersten
Schritt das Bereitstellen eines Polymerformkörpers aus
mindestens einer Polymerphase, die Carbon Nanotubes (CNT) enthält.
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Hierbei
wird/werden ein oder mehrere der oben aufgeführten Polymere,
unter Schmelzen der Polymere, mit den Carbon Nanotubes vermischt.
Die Vermischung der einzelnen Bestandteile kann in an sich beliebiger
Weise erfolgen. Bekannte Verfahren zur Herstellung von Polymeren
mit CNT bestehen darin, das synthetisierte Polymer, welches regelmäßig
als Granulat, Pulver oder auch in Blockform vorliegt, durch Wärmezufuhr aufzuschmelzen
und so in einen flüssig-viskosen Zustand zu überführen.
Dadurch kann die Viskosität des Polymers abgesenkt, und
die CNT in das Polymer eingemischt werden. Ein solches Verfahren
kann der
US 4,157,325 entnommen
werden. Aus der kanadischen Offenlegungsschrift
CA 2,324,353 A1 ist bekannt,
Füllstoffe in ein Monomer einzumischen, eine in-situ-Polymerisation
zu starten und den so synthetisierten Thermoplast nachfolgend aufzuschmelzen,
um weitere Füllstoffe darin einzubringen. Hierbei können
die Carbon Nanotubes vor oder während dem Schmelzvorgang
zugeben werden.
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Zum
Einmischen von Stoffen in niederviskose Kunststoffvorprodukte können
beispielsweise die bekannten Dispergierverfahren unter Verwendung
einer Perlmühle, Ultraschallsonde, einem Dreirollenwalzwerk oder
einem Hochdruckdispergator eingesetzt werden. Zum Einmischen in
hochviskose Kunststoffschmelzen finden die bekannten Verfahren wie
z. B. der Einsatz von gleichlaufenden Doppelschneckenextrudern z.
B. von der Fa. Coperion (DE) oder Fa. Leistritz (DE), von gegenläufigen
Doppelschneckenextrudern Fa. Pomini (IT) und Fa. Farell (US) oder
der von der Fa. Buss (CH) hergestellte Ko-Kneter Verwendung.
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Diese
Verfahren können auch eingesetzt werden, wenn phasenunverträgliche
Polymere verwendet werden. Beispielsweise können Polypropylen
und/oder Polypropylencopolymer mit phasenunverträglichen
Polymeren auf diese Weise vermischt und dann gemeinsam aufgeschmolzen
und vermengt werden. Bei Verwendung von Nanocomposits können
diese ebenfalls vor oder während dem Aufschmelzen zugegeben
werden.
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Bevorzugterweise
wird/werden die Polymerphase/n durch Vermischen von geschmolzenem
Polymer mit 0,1–10 Gew.-% Carbon Nanotubes, bezogen auf
die Gesamtmasse der Polymerphase/n des Polymerformkörpers,
hergestellt.
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Zudem
ist es möglich, das Vermischen aller Bestandteile in mehreren,
aufeinander folgenden Arbeitsschritten durchzuführen. Beispielsweise
kann zunächst ein Polymer mit den Carbon Nanotubes unter
Schmelzen vermischt und das so erhaltene Masterbatch in einem nachfolgenden
Schritt, beispielsweise nach dem Abkühlen und Granulieren,
mit den übrigen Polymeren vermischt und geschmolzen werden.
Die Herstellung derartiger Masterbatches ist z. B. in
US 5,643,502 beschrieben. Durch den
Einsatz derartiger Masterbatches kann die Verteilung der Carbon
Nanotubes in der Kunststoffmasse verbessert werden.
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Hierbei
ist es zusätzlich bevorzugt, dass der Polymerformkörper
durch Verschmelzen mindestens einer Polymerphase, die Carbon Nanotubes
(CNT) in einem Anteil (bezogen auf die Polymerphase) zwischen 1 und
40 Gew.-%, weiter bevorzugt zwischen 5 und 30 Gew.-%, weiter bevorzugt
15 und 30 Gew.-%, enthält, mit mindestens einer weiteren
Polymerphase mit geringerem Carbon Nanotubes (CNT)-Anteil, erhalten
wird. Hierbei sollte der Gesamtgehalt an CNT dennoch nicht so hoch
sein, dass der Polymerformkörper bereits ohne die erfindungsgemäßen
leitfähigen Strukturen leitfähig ist. Die Polymerphasen
mit unterschiedlichen Carbon Nanotubes (CNT)-Anteilen können
hierbei, wie oben beschrieben, unter Verschmelzen der Polymere oder
Polymergemische mit den Carbon Nanotubes erhalten werden. Weiter
bevorzugt wird die Polymerphase mit dem höheren Carbon
Nanotubes-Anteil in geringeren Gewichtsanteilen als die Polymerphasen
mit niedrigeren Carbon Nanotubes-Anteilen verwendet. Bevorzugt weisen
die Polymerphasen mit niedrigeren Carbon Nanotubes-Anteilen zwischen
0 und 10 Gew.-% CNT (bezogen auf die Polymerphase), weiter bevorzugt
zwischen 0 und 5 Gew.-% CNT, auf. Bevorzugterweise wird die Polymerphase
mit dem höheren Carbon Nanotubes-Anteil in einem Anteil
zwischen 0,5 und 40 Gew.-%, weiter bevorzugt zwischen 1 und 40 Gew.-%,
weiter bevorzugt zwischen 1 und 30 Gew.-%, weiter bevorzugt zwischen
1 und 20 Gew.-%, und am meisten bevorzugt zwischen 1 und 10 Gew.-%,
bezogen auf die Gesamtmasse der Polymerphasen des Polymerformkörpers,
enthalten sein.
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Es
hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die Verwendung
von zwei phasenunverträglichen Polymerphasen, von denen
eine Polymerphase einen hohen Carbon Nanotubes-Anteil aufweist,
eine besonders hohe Leitfähigkeit der erzeugten Strukturen
ermöglicht. Es hat sich hierbei gezeigt, dass die Polymerphasen auch
nach dem Schmelzen (bei der Herstellung des Polymerformkörpers)
noch unterschiedliche Carbon Nanotubes-Anteile aufweisen. Im Gegensatz
dazu führt die bekannte Verwendung von Masterbatches mit
erhöhtem Ruß-Anteil, beispielsweise bei Verfahren
zur Einfärbung von Polymerformkörpern, zu einer
gleichmäßigen Verteilung der Rußpartikel
auf die Polymerphasen.
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Weiter
bevorzugt wird hierbei die Polymerphase, die Carbon Nanotubes (CNT)
in einem höheren Anteil enthält, aus einem oder
mehreren Polymeren, ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus Polycarbonat, Polystryrol, Acrylnitrit-Butadien-Styrol (ABS),
Styrolmaleinsäureanhydrid (SMA), Styrolmethylmethacrylat
(SMMA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polybutylenterephthalat (PBT),
Polyethylenterephthalat (PET), Polyamid 6 (PA6), Polyamid 6.6 (PA
6.6), Polyamid 6.4 (PA6.4), Polyamid 12 (PA 12), aromatischem Polyamid,
Polysulfon, hergestellt. Bevorzugterweise besteht diese Polymerphase
zu mindestens 50 Gew.-%, weiter bevorzugt zu mindestens 60 Gew.-%,
weiter bevorzugt zu mindestens 70 Gew.-%, noch weiter bevorzugt
zu mindestens 80 Gew.-%, und am meisten bevorzugt zu mindestens
90 Gew.-% aus Polycarbonat.
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Die
gewünschten Polymerformkörper können
dann auf übliche Weise durch Extrusions- oder Spritzgussverfahren
aus den Polymergemischen erhalten werden.
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In
einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfolgt eine thermische Behandlung mindestens einer Oberfläche
des Polymerformkörpers zur Erzeugung der leitfähigen,
insbesondere der elektrisch leitfähigen, Strukturen auf
der Oberfläche des Polymerformkörpers, wobei die
thermische Behandlung das Erhitzen des Bereichs der Oberfläche
auf eine Temperatur umfasst, die mindestens der Schmelztemperatur
der mindestens einen Polymerphase entspricht. Nach einer bevorzugten
Ausführungsform erfolgt nach dem Abkühlen der
thermisch behandelten Bereiche (bis sich die Polymerphasen wieder
verfestigt haben), eine (oder auch mehrere) weitere thermische Behandlung
derselben Bereiche.
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Bevorzugterweise
erfolgt die thermische Behandlung der Oberfläche/n des
Polymerformkörpers durch Kontakt mit einem erhitzten Körper,
Gas (z. B. Heißluft) oder Flüssigkeit, oder durch
elektromagnetische Strahlung oder unter Verwendung des erfindungsgemäßen
Geräts (das unten beschrieben wird). Ein Fachmann kann
das jeweils geeignete Mittel auswählen, um einen definierter
Bereich der Oberfläche anzuschmelzen.
-
Hierbei
ist es möglich, die thermische Behandlung entweder nach
vorhergehender Erzeugung des Polymerformkörpers, d. h.
nachdem der Polymerformkörper das „Formwerkzeug” verlassen
hat, oder bereits bei der Herstellung eines solchen Formkörpers
im Formwerkzeug, durchzuführen. Es sind bereits Werkzeuge
bekannt, bei denen einzelne Teile eines Formkörpers im
Werkzeug gezielt erhitzt oder länger heiß gehalten
werden können.
-
Bevorzugterweise
wird jedoch elektromagnetische Strahlung zur thermischen Behandlung
der Oberfläche des Polymerformkörpers verwendet.
Weiter bevorzugt ist es hierbei, Laserstrahlung oder IR-Strahlung, weiter
bevorzugt Laserstrahlung, zu verwenden. Hierbei können
bekannte Lithographieverfahren zur gezielten Bestrahlung von definierten
Bereichen von Substratoberflächen eingesetzt werden. Verfahren
zur gezielten Bestrahlung von Oberflächen sind dem Fachmann
bekannt und beispielsweise in der
EP 0 847 329 A oder
WO 02/079881 A offenbart.
-
Geeignete
Laser für das erfindungsgemäße Verfahren
sind: He-Ne-Laser, Nd:YAG-Laser, Kohlendioxidlaser (CO2-Laser),
Kohlenmonoxidlaser (CO-Laser), Stickstofflaser (N2-Laser),
Argon-Ionen-Laser, Helium-Cadmium-Laser (HeCd-Laser), Krypton-Ionen-Laser,
Sauerstoff-Ionen-Laser, Xenon-Ionen-Laser, Mischgas-Laser (beispielsweise
mit Argon und Krypton), Excimerlaser, Metalldampflaser (beispielsweise
Kupferdampflaser) und Metallhalogenid-Laser (beispielsweise Kupferbromid-Laser),
bevorzugt sind Kohlendioxidlaser (CO2-Laser)
und Nd:YAG-Laser.
-
Bevorzugterweise
wird eine Stelle der Oberfläche des Polymerformkörpers
für 0,001 bis 1 Sekunde erhitzt. Die Zeitdauer des Erhitzens
bezieht sich hierbei auf die Zeitdauer, in der sich die Oberfläche
des Polymerformkörpers in geschmolzenem Zustand befindet.
Diese Zeitdauer kann vom Fachmann für die gewünschte
Anwendung und die verwendeten Polymere leicht gewählt werden.
Insbesondere ist es möglich, durch die Zeitdauer des Erhitzens,
in der die Oberfläche angeschmolzen ist, den Oberflächenwiderstand
einzustellen. Je länger die Oberfläche angeschmolzen
wird und umso tiefer sich der angeschmolzene Bereich in die Oberfläche
hinein erstreckt, desto mehr Carbon Nanotubes migrieren an die Oberfläche,
wodurch die elektrische Leitfähigkeit der Struktur erhöht
wird.
-
Es
ist zusätzlich bevorzugt, dass die Oberfläche
des Polymerformkörpers auf eine Temperatur erhitzt wird,
die zum Schmelzen der Polymerphase/n ausreicht, jedoch nicht zu
einem merklichen Verdampfen der Polymerphase/n führt. Der
Ausdruck „merkliches Verdampfen” bedeutet hierbei,
dass die erzeugte leitfähige Struktur weniger als 1 Mikrometer,
weiter bevorzugt weniger als 500 nm, tief in der Oberfläche
des Polymerformkörpers liegt.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere zur
Herstellung von elektronischen Schaltkreisen auf der Oberfläche
des Polymerformkörpers verwendet werden. Somit können
auf einfache Weise insbesondere sehr kleine Bauteile, beispielsweise
als MIDs (moulded interconnected devices) hergestellt werden. Hierbei
werden die Polymerformkörper erfindungsgemäß beispielsweise
in einem Standard-Spritzgießverfahren als belie bige Formteile
hergestellt und anschließend die elektrisch leitfähigen
Strukturen erzeugt.
-
Des
Weiteren betrifft die Erfindung einen Polymerformkörper,
umfassend mindestens eine Polymerphase und zwischen 0,01 und 10
Gew.-%, bevorzugt zwischen 0,1 und 10 Gew.-%, weiter bevorzugt zwischen 0,1
und 10 Gew.-%, weiter bevorzugt zwischen 0,1 und 8 Gew.-%, und am
meisten bevorzugt zwischen 0,1 und 6 Gew.-%. Carbon Nanotubes (CNT)
(bezogen auf die Gesamtmasse der Polymerphase/n des Polymerformkörpers),
wobei der Polymerformkörper auf der Oberfläche
elektrisch oder thermisch, bevorzugt elektrisch, leitfähige
Strukturen aufweist, wobei die Konzentration der CNT in den Bereichen
der leitfähigen Oberflächenstrukturen höher
ist als in den nicht leitfähigen Oberflächenbereichen.
-
Bevorzugterweise
besteht der Polymerformkörper aus den im Vorangegangenen
beschriebenen, insbesondere als bevorzugt erwähnten, Polymeren.
Insbesondere bevorzugt enthält der Polymerformkörper
mindestens eine Polymerphase die ein Polymer enthält, ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus: Polycarbonat, Polystryrol, Acrylnitrit-Butadien-Styrol
(ABS), Styrolmaleinsäureanhydrid (SMA), Styrolmethylmethacrylat (SMMA),
Polymethylmethacrylat (PMMA), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethylenterephthalat
(PET), Polyamid 6 (PA 6), Polyamid 6.6 (PA 6.6), Polyamid 6.4 (PA6.4),
Polyamid 12 (PA 12), aromatischem Polyamid und Polysulfon, Polypropylen.
-
Zusätzlich
bevorzugt enthält der Polymerformkörper Nanocomposits.
Geeignete Nanocomposits und geeignete Mengen wurden im Vorangegangenen
beschrieben.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
weist der Polymerformkörper mindestens zwei getrennte Polymerphasen
auf. Besonders bevorzugt enthält der Polymerformkör per
mindestens zwei, weiter bevorzugt zwei, Polymerphasen, wobei die
eine Polymerphase aus Polymeren besteht, ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Polystyrol (PS), Polymethylmetacrylat (PMMA)
und Acrylnitrit-Butadien-Styrol (ABS), sowie thermoplastischen Polyestern,
wie Polyethylenterephthalat (PET) oder Polybutylenterephthalat (PBT),
und Polycarbonat, sowie Mischungen daraus. Die zweite Polymerphase
besteht aus Polypropylen und/oder Polypropylencopolymeren. Alternativ
dazu können die beiden Polymerphasen aus Polystyrol und/oder
Polyamid-6 in Kombination mit Polyethylen und/oder Polypropylen
bestehen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Polycarbonat
in Kombination mit Polyolefinen, insbesondere Polypropylen. Die bevorzugten
Mengenanteile der Polypropylen und/oder Polypropylencopolymere sind
im Vorangegangenen beschrieben.
-
Die
Analyse des fertig gestellten Polymerformkörpers hinsichtlich
der vorhandenen Polymerphase/n ist im Methodenteil beschrieben.
Die leitfähigen Strukturen (mit erhöhtem CNT Anteil)
auf der Oberfläche des Polymerformkörpers können,
wie bereits erwähnt, mit üblichen optischen Messmethoden
nachgewiesen werden. Weiter bevorzugt enthält eine der
Polymerphasen einen höheren Anteil an Carbon Nanotubes
(CNT) als die andere/n Phasen.
-
Es
ist zudem bevorzugt, dass die elektrisch leitfähigen Strukturen
des Polymerformkörpers maximal bis 10 μm, bevorzugt
maximal bis 1 μm, weiter bevorzugt maximal bis 100 nm in
das Innere des Polymerformkörpers (von der äußeren
Oberfläche an gerechnet) hineinreichen.
-
In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
enthält der Polymerformkörper eine Polypropylenphase
und eine Polycarbonatphase, wobei bevorzugterweise zwischen 50 und
80 Gew.-%, weiter bevorzugt zwischen 60 und 80 Gew.-%, und noch weiter
bevorzugt zwischen 70 und 80 Gew.-% Polypropylen, bezogen auf die
gesamte Masse des Polymergemisches, verwendet werden. Besonders
geeignete Polycarbonate können, wie beispielsweise in
DE 13 002 66 oder
DE 14 957 30 beschrieben,
hergestellt werden.
-
Der
erfindungsgemäße Polymerformkörper kann
insbesondere so ausgestaltet sein, dass dessen elektrisch leitfähigen
Oberflächenstrukturen Leiterbahnen bzw. elektronische Schaltkreise
darstellen. Damit kann der Polymerformkörper als Platine
in einem elektronischen Bauteil verwendet werden. Auf diese Platine können
nach herkömmlichen Verfahren, wie beispielsweise Löten,
Schweißen oder Ultraschall-Schweißen, beliebige
Bauteile oder (elektronische) Bauelemente aufgebracht werden.
-
Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Gerät zur oben
beschriebenen thermischen Behandlung mindestens einer Oberfläche
des Polymerformkörpers zur Erzeugung der leitfähigen,
insbesondere der elektrisch leitfähigen, Strukturen auf
der Oberfläche des Polymerformkörpers.
-
Dieses
Gerät zum Erzeugen einer Struktur an einem zu bearbeitenden
Körper weist eine Energiequelle auf. Die Energiequelle
weist mindestens eine Elektrode auf, über die Energie abgegeben
werden kann. Diese abgegebene Energie erwärmt zumindest
teilweise den zu bearbeitenden Körper und ermöglicht
das oben beschriebene Aufschmelzen des Polymerformkörpers,
um die gewünschten leitfähigen Strukturen zu erzeugen.
-
Die
Erfindung ist besonders geeignet, wenn der Körper ein Polymerformkörper
aus mindestens einer Polymerphase ist, die Carbon-Nanotubes enthält,
da in diesem Körper durch Anlegen einer Energie an ganz spezifischen
Positionen die Leitfähigkeit verändert werden
kann. Somit lassen sich Leiterbahnen auf einem zu bearbeitenden
Körper ohne Aufbringen einer leitfähigen Material schicht
und anschließendem Wegätzen der nicht-benötigten
Bereiche der leitfähigen Materialschicht herstellen. Auf
diese Weise werden Arbeitsschritte eingespart, die Produktion der
Leiterplatte beschleunigt und so die Wirtschaftlichkeit der Produktion
erhöht.
-
Der
zu bearbeitende Körper lässt sich besonders effektiv
erzeugen, wenn die Energiequelle mindestens zwei Elektroden aufweist,
die an den zu bearbeitenden Körper anlegbar sind, wobei
mit den zwei Elektroden ein Strom durch den zu bearbeitenden Körper
leitbar ist bzw. eine Spannung anlegbar ist, der den zu bearbeitenden
Körper aufwärmt und, wie weiter unten näher
beschrieben, vorzugsweise in definierten Bereichen z. B. an der
Oberfläche aufgeschmolzen. Durch diese einfache technische
Maßnahme lassen sich am zu bearbeitenden Körper
nach einer möglichen Ausführungsform auch dreidimensionale
Strukturen erstellen, da die beiden Elektroden beispielsweise an
der Vorderseite und an der Rückseite des zu bearbeitenden
Körpers anlegbar sind. Beispielsweise lassen sich so auf
einfache Weise Löcher in den zu bearbeitenden Körper
einbrennen oder, im Falle der zuvor beschriebenen Leiterplatte,
Kontaktierungen zwischen zwei Ebenen herstellen. Somit lassen sich
mit dem Gerät der vorliegenden Erfindung kostengünstig
Multilager-Leiterplatten herstellen.
-
Zum
Herstellen einfacher Leiterbahnen in einer Ebene des zu bearbeitenden
Körpers kann eine Elektrode der Energiequelle an einem
Punkt fixiert werden, wobei die andere Elektrode auf dem Körper
beliebig bewegt wird, wodurch insbesondere im Falle einer Leiterplatte
die elektrischen Leiterbahnen erzeugt werden. Alternativ können
aber auch beide oder mehrere Elektroden gleichzeitig bewegt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können
die beiden Elektroden auch mit einem Abstandshalter auf einem vorbestimmten
Abstand zueinander gehalten werden, so dass beide Elektroden gemeinsam über
den zu bearbeiten den Körper bei der Erzeugung der Struktur
bewegt werden. Die Elektroden bzw. die dem Polymerformkörper
zugewandten Teile davon, z. B. in Stiftform, können grundsätzlich
jede beliebige Form aufweisen, wobei die Form in Hinblick auf die
Form der gewünschten zu erzeugenden Leiterbahnen vom Fachmann
frei wählbar ist. Auch die angelegte Spannung bzw. der
Strom können frei gewählt werden, wobei der Fachmann
in Abhängigkeit von dem verwendeten Polymerformkörper,
dessen Zusammensetzung sowie dem Grad und Bereich der gewünschten
Erwärmung des Formkörpermaterials die geeigneten
Werte einfach empirisch ermitteln kann. In vielen Fällen
wird z. B. eine Spannung von mehr als 500 V, insbesondere von 1000
V oder mehr günstig sein.
-
Nach
einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird eine erste Elektrode in einem ersten Bereich des Polymerformkörpers
(bzw. seiner Oberfläche) an dem bereits eine Leitfähigkeit
besteht bzw. erzeugt wurde, angelegt, während eine zweite
Elektrode ausgehend von einem Punkt auf dem Polymerformkörpers
(bzw. seiner Oberfläche), der in dem gleichen leitfähigen
Bereich liegt, oder der mit diesem Bereich über einen leitfähigen
Bereich (z. B. eine Leiterbahn) verbunden ist, über den
Polymerformkörpers (bzw. seiner Oberfläche) bewegt,
um eine (neue) Leiterbahn zu erzeugen, den leitfähigen
Bereich zu vergrößern oder zwei bestehende leitfähige
Bereiche (z. B. Leiterbahnen) zu verbinden. Diese Vorgehensweise
ermöglicht eine große Flexibilität bei
der Erzeugung bzw. Gestaltung der leitfähigen Strukturen
auf dem Polymerformkörper.
-
Das
Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung
kann nach einer möglichen Ausführungsform besonders effektiv
in einen Plotter, in einen Matrixdrucker oder in einen Stift eingebaut
werden. In einem Verfahren zum Erzeugen einer Struktur auf einem
zu bearbeitenden Körper wird der zu bearbeitende Körper
durch eine Energiequelle mit mindestens einer Elektrode, die zum
Abgeben einer Energie vorgesehen ist, wenigstens teilweise erwärmt.
-
In
dem Verfahren gemäß der Erfindung lassen sich
die zuvor genannten Vorrichtungsmerkmale wirkungsgleich anwenden.
-
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand zweier nicht einschränkender
Ausführungsbeispiele näher beschrieben. In den
Zeichnungen zeigen:
-
1 eine
Vorrichtung mit einem Gerät gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
-
2 eine
Vorrichtung mit einem Gerät gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
-
3 das
Gerät gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung; und
-
4 das
Gerät gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
-
In
den Figuren werden folgende Bezugszeichen verwendet:
-
- 10
- Gerät
- 12,
14
- Stifte
- 16,
18
- Kontakt
Stift
- 20,
22
- Kontakt
Stecker
- 24
- Stecker
- 26
- Polymerkörper
- 28
- Leiterbahn
- 30
- Umgebungsbereich
- 32
- Gezeichnete
Linien
- 34
- Kontaktstelle
- 36
- Unterseite
- 38
- Gerät
- 40
- Stift
- 42
- Heizspirale
- 44
- Schutzkörper
- 46
- Stecker
-
In
einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in
den 1 und 4 gezeigt ist, weist das Gerät 10 einen
ersten Stift 12 und einen zweiten Stift 14 auf.
Beide Stifte weisen jeweils an ihrer Unterseite einen Kontakt 16, 18 auf,
die jeweils mit einem Kontakt 20, 22 eines Steckers 24 elektrisch
verbunden sind.
-
Beim
Anlegen der Kontakte 16, 18 der Stifte 12, 14 an
einen Polymerkörper 26 aus mindestens einer Polymerphase
mit Carbonnanotubes lässt sich, wenn die Kontakte 16, 18 der
Stifte 12, 14 voneinander beabstandet sind und
einen Strom durch den Polymerkörper 26 leiten,
der Polymerkörper 26 gezielt erwärmen. Durch
die gezielte Erwärmung des Polymerkörpers 26 lassen
sich auf diesem Leiterbahnen 28 aufbringen, die den Strom
aus den Kontakten 16, 18 der Stifte 12, 14 ebenfalls
führen können. Wird beispielsweise der erste Stift 12 mit
dem ersten Kontakt 20 an einer Position fest fixiert und
nur der zweite Stift 14 mit dem zweiten Kontakt 18 auf
der Leiterplatte bewegt, so ist der Abstand zwischen der bereits
erzeugten Leiterbahn und der aktuellen Position des zweiten Kontaktes 18 abhängig
von der Bewegungsgeschwindigkeit sehr gering. Aus diesem geringen
Abstand folgt ein geringer Widerstand zwischen der Leiterbahn 28 und
dem zweiten Kontakt 18, wodurch die Leiterbahn 26 in
einem Umgebungsbereich 30 um den zweiten Kontakt 18 des
zweiten Stiftes 14 erwärmt wird, und sich so die
Leiterbahn 28 fortsetzt.
-
Auf
praktische Weise können nach einer möglichen Ausführungsform
die zu erzeugenden Leiterbahnen auf dem Polymerkörper 26 mit vorgezeichneten
Linien 32 angedeutet werden, um den Herstellungsprozess
der Leiterplatte zu unterstützen. Weiter können
am Polymerkörper 26 Kontaktstellen 34 hergestellt
werden, die den Polymerkörper 26 durchdringen.
Dazu muss lediglich der zweite Stift 12 von dem Polymerkörper 26 entfernt
werden, und an der Unterseite 36 des Polymerkörpers 26 in
etwa unter der bereits erzeugten Leiterbahn 28 angebracht
werden. Dadurch wird wieder über die Leiterbahn 28 ein
Strom zwischen den beiden Kontakten 16, 18 der
beiden Stifte 12, 14 geleitet, der die Kontaktstelle 34 durch
den Polymerkörper 26 erzeugt.
-
In
den 2 und 3 ist ein Gerät gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Danach
umfasst das Gerät 38 einen Stift 40,
an dessen Unterseite sich eine Heizspirale 42 anschließt.
Diese Heizspirale ist vorzugsweise von einem Schutzkörper 44 umgeben.
Der Schutzkörper kann dazu vorgesehen sein, die Erwärmung
zu regulieren, oder aber auch um die Heizspirale 42 vor
Verschmutzung oder anderen äußeren Einflüssen
zu schützen. Weiter weist das Gerät 38 gemäß dem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Stecker 46 auf,
mit dem die Heizspirale 42 mit elektrischer Energie versorgbar
ist.
-
Im
Einsatz wird das Gerät 38, wie im ersten Ausführungsbeispiel
gezeigt, über die vorgezeichneten Linien 32 gezogen,
so dass die bereits diskutierten Leiterbahnen 28 entstehen.
In der vorliegenden Ausführungsform ist es nicht notwendig,
einen ersten Stift an einer vorbestimmten Stelle des Polymerkörpers 26 zu positionieren.
-
Mit
der Erfindung lassen sich auf einfache Weise Strukturen auf einem
Körper erzeugen, ohne dass es dem Auftragen eines Grundmaterials
und dem Entfernen der nicht benötigten Stellen des Grundmaterials bedarf.
Dadurch werden Prozessschritte bei der Herstellung gespart, so dass
die Produktion des zu bearbeitenden Körpers wirtschaftlicher
wird. Demnach betrifft ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung
die Verwendung der vorstehend beschriebenen Geräte, Vorrichtungen
und Verfahren zur Erzeugung von (leitfähigen) Strukturen
auf Polymerformkörpern.
-
Die
vorstehenden Geräte, Vorrichtungen und Verfahren bieten
besondere Vorteile bei der Verwendung der erfindungsgemäßen
Polymerformkörper mit leitfähigen Strukturen auf
der Oberfläche, wobei auch Verfahren zu dessen Herstellung
beschrieben werden.
-
Für
technische Anwendungen müssen elektronische Bauteile auf
den leitfähigen Strukturen der erfindungsgemäßen
Polymerformkörpern aufgebracht werden. Hierzu ist es einerseits
notwendig, dass eine ausreichende Stabilität der Bauteile
auf den Leiterplatten gewährleistet und andererseits eine
elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den Leiterbahnen
und den elektronischen Bauteilen hergestellt wird.
-
Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschend festgestellt,
dass besonders vorteilhafte Leiterplatten-Anordnungen hergestellt
werden können, wenn Polymerformkörper mit CNTs
als Leiterplatten verwendet werden und auf die durch thermische
Behandlung erzeugten leitfähigen Strukturen bzw. Leiterbahnen
unter Verwendung einer erfindungsgemäßen organischen
Klebstoff-Zusammensetzung, die ebenfalls CNTs enthält,
elektronische Bauelemente aufgebracht werden. Überraschenderweise
ermöglicht die Verwendung eines CNT-haltigen Klebstoffes
auf einer CNT-haltigen Leiterplatte eine besonders gute Fixierung
der elektronischen Bauteile. Hingegen führt die Verwendung
von Klebstoffen mit leitfähigen Stoffen wie beispielweise
Silberpartikeln zu einer schlechten Adhäsion auf CNT-haltigen
Substraten.
-
Hierbei
hat sich gezeigt, dass besonders gute elektrische Eigenschaften
durch die kombinierte Verwendung eines CNT-haltigen Klebstoffs und
einer CNT-haltigen Leiterplatte erzielt werden.
-
Eine
bevorzugte Leiterplatten-Anordnung umfasst daher mindestens eine
Leiterplatte mit mindestens einer elektrisch leitfähigen
Leiterbahn und mindestens einem elektronischen Bauelement, wobei
die Leiterplatte einen Polymerformkörper mit 0,1–10
Gew.-%, weiter bevorzugt 1–10 Gew.-%, und noch weiter bevorzugt 5–10
Gew.-%, Carbon Nanotubes (CNT), bezogen auf die Masse der Polymerphase/n,
umfasst, und wobei das mindestens eine elektronische Bauelement
durch eine organische Klebstoff-Zusammensetzung enthaltend 0,05–10
Gew.-%, weiter bevorzugt 0,1–10 Gew.-%, weiter bevorzugt
1–10 Gew.-%, und am meisten bevorzugt 5–10 Gew.-%,
Carbon-Nanotubes (CNT), bezogen auf die Masse der Klebstoff-Zusammensetzung,
mit mindestens einer elektrisch leitfähigen Leiterbahn
der Leiterplatte verbunden ist. Die elektrisch leitfähigen
Leiterbahnen werden hierbei durch Bereiche der Oberfläche
des Polymerformkörpers gebildet, die eine erhöhte CNT-Konzentration
aufweisen.
-
Für
die Leiterplatten-Anordnung können alle erfindungsgemäßen
Klebstoff-Zusammensetzungen, die hier beschrieben sind, verwendet
werden. Besonders bevorzugt wird ein Urethanacrylat-Klebstoff verwendet. Weiter
bevorzugt weist die Verbindung zwischen der mindestens einen elektrisch
leitfähigen Leiterbahn und dem mindestens einen elektronischen
Bauelement einen elektrischen Widerstand von weniger als 50 Ohm
auf.
-
Des
Weiteren betrifft die Erfindung eine Klebstoff-Zusammensetzung enthaltend
0,05–10 Gew.-% Carbon-Nanotubes (CNT). Die Klebstoff-Zusammensetzung
kann durch Vermischen der CNTs mit den Klebstoff-Komponenten erfolgen.
Hierzu geeignete Verfahren sind dem Fachmann bekannt.
-
Bevorzugterweise
kommen hierbei solche Klebstoffe zum Einsatz, welche eine Substanz
enthalten, die unter Einfluss von Strahlung oder Wärme
reagieren oder eine Substanz freisetzen, die mit den reaktiven Bestandteilen
des Klebstoffs reagieren oder deren Po lymerisation auslösen
oder katalysieren. Bevorzugt enthält die Klebstoff-Zusammensetzung
Acrylat-Klebstoffe, Phenol-Formaldehydharz-Klebstoffe, Silicon-Klebstoffe,
oder Polyurethan-Klebstoffe, bevorzugt Acrylat-Klebstoffe. Weiter
bevorzugt ist die Klebstoffzusammensetzung ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Cyanacrylat-Klebstoffen, Methylmethacrylat-Klebstoffen, Urethanacrylat-Klebstoff,
Butylacrylat, und strahlenhärtbaren Acrylat-Klebstoffen,
insbesondere wird ein Urethanacrylat-Klebstoff verwendet. Besonders
bevorzugt besteht die erfindungsgemäße Klebstoffzusammensetzung
nur aus CNTs und den vorgenannten Klebstoffen oder Gemischen davon.
-
Bevorzugterweise
beträgt der elektrische Widerstand der Klebstoff-Zusammensetzung
weniger als 100, insbesondere weniger als 50 Ohm.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft zudem die Verwendung einer erfindungsgemäßen
Klebstoff-Zusammensetzung zum elektrisch leitfähigen Verbinden
eines elektronischen Bauelements mit einem anderen elektrisch leitfähigen
Bauteil oder Formteil, insbesondere einer elektrisch leitfähigen
Leiterbahn oder einem elektrisch leitfähigen Bereich auf
einer Leiterbahn.
-
Des
Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen mindestens
eines elektronischen Bauelements auf eine Leiterplatte umfassend
die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen einer
Leiterplatte mit mindestens einer elektrisch leitfähigen
Leiterbahn oder mindestens einem elektrisch leitfähigen
Bereich, wobei die Leiterplatte einen Polymerformkörper
mit 0,1–10 Gew.-% Carbon Nanotubes (CNT), bezogen auf die
Masse der Polymerphase/n, darstellt,
- b) Bereitstellen mindestens eines elektronischen Bauelements,
und
- c) Verbinden des elektronischen Bauelements mit der elektrisch
leitfähigen Leiterbahn unter Verwendung der erfindungsgemäßen
Klebstoff-Zusammensetzung gemäß.
-
Bevorzugterweise
wird in Schritt a) des Verfahrens der Polymerformkörper
mit elektrisch leitfähigen Strukturen mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren, wie im Vorangegangenen beschrieben, hergestellt. Bevorzugterweise
wird hierbei mit dem erfindungsgemäßen Gerät
eine leitfähige Struktur erzeugt.
-
Geeignete
elektronische Bauteile, die auf Leiterplatten aufgebracht werden
können, sind dem Fachmann bekannt. Diese Bauteile weisen üblicherweise „metallische
Beinchen” auf, die in Kontakt mit der Leiterplatte bzw.
den hierauf befindlichen leitfähigen Strukturen gebracht
werden müssen. Da die erfindungsgemäße Klebstoffzusammensetzung
leitfähig ist, kann sich auch Klebstoff zwischen den Beinchen
und der leitfähigen Struktur befinden. Um die Bauteile
auf die Leiterplatte aufzubringen, können die Beinchen
der Bauteile beispielsweise in die Klebstoff-Zusammensetzung eingetaucht
werden und anschließend auf die Leiterplatte aufgesetzt
werden. Dabei muss die Menge an Klebstoff so gewählt werden,
dass eine ausreichende Stabilität zwischen dem Bauteil
und der Leiterplatte erzeugt wird, jedoch keine benachbarten Leiterbahnen
mit Klebstoff in Kontakt kommen. Das Aushärten der Klebstoff-Zusammensetzung
kann dann auf übliche Weise, beispielsweise unter Verwendung
einer UV-Lampe, erfolgen.
-
Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Leiterplatten-Anordnung,
wobei die Leiterplatte einen erfindungsgemäßen
Polymerformkörper umfasst. Der erfindungsgemäße
Polymerformkörper kann, wie oben beschrieben, hergestellt
und mit elektrisch leitfähigen Strukturen bzw. Leiterbahnen
versehen werden. Um die elektrische Leitfähigkeit der Strukturen
mit erhöhter CNT-Konzentration weiter zu erhöhen
ist es bevorzugt, eine Kupferschicht aufzubringen.
-
Überraschenderweise
wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass die
Polymerformkörper mit den elektrisch leitfähigen
Strukturen direkt in einem Galvanisierverfahren verwendet werden können
und eine Kupferschicht direkt gezielt auf die Polymerformkörper
aufgebracht werden kann. Im Vergleich zu bisher verwendeten Galvanisierverfahren
für Polymerformkörper entfallen daher die bislang
notwendigen folgenden Schritte: Beizen, Aktivieren und Erzeugung
einer Zwischenschicht (siehe beispielsweise
"Kunststoffgalvanisierung",
LPW-Taschenbuch für Galvanotechnik, Band 1, Verfahrenstechnik,
13. Ausgabe 1988, Seiten 443 bis 449). Erfindungsgemäß kann
daher beispielsweise nach der Reinigung der Oberfläche des
Polymerformkörpers der Schichtaufbau direkt erfolgen.
-
Überraschenderweise
ist es auch möglich, die erfindungsgemäßen
Polymerformkörper mittels badfreier Galvanisierung mit
einem Metall zu beschichten. Hier kann auf das übliche
Eintauchen der zu beschichtenden Werkstücke in elektrolytgefüllte
Behälter, die so genannten Galvanisierbäder, verzichtet
werden. Stattdessen werden die benötigten Elektrolyte von
saugfähigen Materialien aufgenommen, die wiederum von Beschichtungswerkzeugen
gehalten werden. Durch Anpressen der Werkzeuge an die zu beschichtende
Bauteiloberfläche wird die Abscheidung ermöglicht,
wobei der benötigte Gleichstrom ebenfalls vom Werkzeug übertragen
wird.
-
Hierbei
wird die Leiterplatte mit den leitfähigen Strukturen auf übliche
Weise in ein elektrolytisches Galvanisierungsbad eingebracht (siehe
beispielsweise
"Kunststoffgalvanisierung",
LPW-Taschenbuch für Galvanotechnik, Band 1, Verfahrenstechnik,
13. Ausgabe 1988, Seiten 443 bis 449). Das Galvanisierbad
enthält beispielsweise eine Kupfer(II)-sulfat-Lösung
mit einer Anode. Durch das Anlegen einer negativen Spannung (Kathode)
an die elektrisch leitfähigen Strukturen auf der Oberfläche
der Polymerformkörpern sowie an die Gegenelektrode aus
Kupfer kann ge zielt Kupfer aus der Lösung auf den Strukturen
abgeschieden werden und eine metallische Schicht bilden. Die hierzu
geeigneten Elektrolytlösungen, das elektrische Spannungspotential sowie
die geeignete Dauer der Abscheidung kann vom Fachmann je nach Anwendung
und gewünschter Eigenschaft der Leiterbahnen gewählt
werden. Überraschenderweise führt die Verwendung
der erfindungsgemäßen CNT-Mengen zu einer gezielten
Abscheidung des Kupfers auf den bereits vorhandenen leitfähigen Strukturen
mit erhöhter CNT-Konzentration auf der Oberfläche
des Polymerformkörpers. Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen
CNT-Anteile in dem Polymerformkörpern entsteht an den Stellen
der Oberfläche des Polymerformkörpers, die nicht
thermisch behandelt wurden und daher keine leitfähigen
Strukturen enthalten, kein zur Abscheidung von Kupfer ausreichend
hohes Spannungspotential. Demgegenüber kann es bei Verwendung
höherer CNT-Anteile in den Polymerformkörpern
zu einer ungezielten Abscheidung von Kupfer auf der gesamten Oberfläche
des Polymerformkörpers kommen. Andererseits ist die erfindungsgemäße
Mindestmenge an CNT im Polymerformkörper notwendig, um
leitfähige Strukturen zu erzeugen, die ein ausreichend hohes
Spannungspotential zur Abscheidung des Kupfers auf den leitfähigen
Strukturen ermöglichen.
-
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es auf einfache
Weise möglich, leitfähige Strukturen auf einer
Leiterplatte zu erzeugen, ohne dass beispielsweise das Abdecken
von Bereichen, die nicht mit Kupfer beschichtet werden sollen, notwendig
ist. Da das Kupfer gezielt auf die bereits vorhandenen leitfähigen
Strukturen aufgebracht wird, muss zudem anschließend auch
kein Ätzprozess zum Entfernen von überschüssigem Kupfer
durchgeführt werden.
-
Eine
erfindungsgemäß bevorzugte Leiterplatten-Anordnung
umfasst mindestens eine Leiterplatte mit mindestens einer elektrisch
leitfähigen Leiterbahn, wobei die Leiterplatte einen Polymer formkörper
mit 0,1–10 Gew.-% Carbon Nanotubes (CNT), bezogen auf die
Masse der Polymerphase/n, aufweist, und die mindestens eine elektrisch
leitfähige Leiterbahn eine Kupferschicht aufweist.
-
Des
Weiteren ist es bevorzugt, dass die Leiterplatten-Anordnung mindestens
ein elektronisches Bauelement aufweist, das durch eine erfindungsgemäße
organische Klebstoff-Zusammensetzung, wie sie nachfolgend beschrieben
wird, mit mindestens einer elektrisch leitfähigen Leiterbahn
der Leiterplatte verbunden ist.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen
Leiterplatten-Anordnung, umfassend die Schritte:
- a)
Bereitstellen eines Polymerformkörpers aus mindestens einer
Polymerphase die Carbon Nanotubes (CNT) enthält,
- b) Thermisches Behandeln mindestens einer Oberfläche
des Polymerformkörpers zur Erzeugung der leitfähigen
Strukturen auf der Oberfläche des Polymerformkörpers,
wobei die thermische Behandlung ein Erhitzen auf eine Temperatur
umfasst, die mindestens der Schmelztemperatur der mindestens einen
Polymerphase entspricht, und
- c) Galvanisieren der elektrisch leitfähigen Strukturen.
-
Zusätzlich
bevorzugt wird in dem Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen
Leiterplatten-Anordnung in einem zusätzlichen Schritt d)
mindestens ein elektronisches Bauteil unter Verwendung einer erfindungsgemäßen
Klebstoffzusammensetzung mit mindestens einer Leiterbahn der Leiterplatte
verbunden.
-
METHODEN
-
Zur
Bestimmung der Parameter der erfindungsgemäßen
Polymerformkörper werden die nachstehenden Methoden eingesetzt:
Die
Bestimmung der elektrischen Oberflächenleitfähigkeit
erfolgte anhand der Messung des Oberflächenwiderstands
mit einem Ohmmeter ”Metra Hit Plus” der Firma
Gossen Metrawatt GmbH nach Angaben des Herstellers. Es wurde sowohl
der Widerstand auf der unbehandelten Oberfläche als auch
jeweils an verschiedenen Stellen der mit dem Laser behandelten Oberflächenausschnitte
mittels zweier Elektroden im Abstand von 2 mm gemessen. Zum Vergleich
wurde die Oberfläche an einer Stelle mechanisch abgetragen
und der elektrische Widerstand im Material gemessen.
-
Die
Analyse ob ein Polymerformkörper getrennte Polymerphasen
aufweist kann unter Verwendung der Differential-Scanning-Calorimetry
(DSC) nach DIN EN ISO 11357 erfolgen. Hierbei kann
die Zahl der Polymerphasen anhand der Phasenübergänge
beim Schmelzen des Polymerformkörpers festgestellt werden.
-
Die
Bestimmung der Schmelztemperatur der Polymerphasen bzw. des Polymerformkörpers
kann gemäß DIN EN ISO 3146 erfolgen.
-
Der
Gesamtgehalt an CNT im Polymerformkörper kann durch das
pyrolytische Messverfahren gemäß DIN EN
ISO 3451 bestimmt werden.
-
BEISPIELE
-
Herstellung eines Polymerformkörpers
mit leitfähigen Strukturen
-
Es
wird eine Polymermischung aus 75 Polypropylen (Repol HP-12 der Firma
Reliance, Indien), 3,75 CNT (Baytubes C 150 P, Fa. Bayer) und 21,25
Gew.-% Polycarbonat (Makrolon 2805, Fa. Bayer) hergestellt.
-
Die
Mischung wird in einem ZSE 27/44D Doppelschneckenextruder der Firma
Leistritz, Nürnberg mit einem Durchmesser von 27 mm und
einem Verhältnis LID von 44 bei einem Durchsatz von 10
kg/h mit einer Leistung von 18 kWh aufgeschmolzen und vermengt.
Im Extruder wurde ein von 200°C auf 260°C ansteigendes
Temperaturprofil eingestellt. Anschließend erfolgte eine
Granulierung.
-
Der
Polymerformkörper wurde im Spritzgussverfahren (Gerätetyp:
Arburg 270) bei einer Temperatur von 220–240°C
in der Form von runden Plattchen mit 4 cm Durchmesser ausgeformt.
Für die thermische Behandlung wurde ein CO
2-Laser
verwendet. Die Messwerte der Oberflächenwiderstände
sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben. Tabelle:
| Messstelle | Oberflächenwiderstand | Mittelwert | Maßeinheit |
| unbehandelt | keine Leitfähigkeit
(< 10 MOhm) | |
| Laserspur
2 | 133 | 122 | 146 | 1,34 | kOhm |
| Laserspur 3 | 64,3 | 58,9 | 69,1 | 64,1 | kOhm |
| Laserspur
4 | 23,2 | 21,2 | 24,4 | 22,9 | kOhm |
| abgeschliffen | keine Leitfähigkeit
(< 10 MOhm) |
-
Herstellung einer Leiterplatten-Anordnung
mit elektronischen Bauteilen
-
Zunächst
wird eine erfindungsgemäße Klebstoff-Zusammensetzung
hergestellt. Diese besteht aus 35 g Photobond PB 437 (Hersteller:
Delo, Deutschland), 0,35 g Nanocyl 7000 (Hersteller: Nanocyl, Belgien).
Die Komponenten der Klebstoff-Zusammensetzung werden für
20 min bei 45°C unter Verwendung einer Heizplatte IKA RH-KT/C
mit einem Rührer (Heidoiph RZ RO/4) bei 300 U/min gerührt.
-
Der
Kleber wurde zur Bestimmung des elektrischen Widerstands auf eine
nicht leitende Oberfläche aufgebracht und unter einer UV-Lampe
(Siemens UV Lampe 6ES5985-1AA11) für 7 min ausgehärtet.
Anschließend wurde mit dem Messgerät Messcontrol
M-860 D ein Widerstand von 57 Ohm/cm gemessen.
-
Um
eine Diode auf eine Leiterplatte aufzubringen, wurden die Metallbeinchen
der Diode in die Klebstoff-Zusammensetzung eingetaucht und die Dioden
in Kontakt mit der Leiterplatte gebracht, so dass der Klebertropfen
eine Verbindung zwischen der Leiterbahn und den Beinchen herstellt.
Durch Aushärten mit der UV-Lampe ergab sich eine feste
Verbindung. Nach Anlegen einer Spannung von 50 V leuchtete die Diode.
-
Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Die erfindungsgemäßen Polymerformkörper
können für die erfindungsgemäßen
Leiterplatten-Anordnungen verwendet werden. Das erfindungsgemäße
Gerät ist zur thermischen Behandlung der Oberfläche
des Polymerformkörpers geeignet (Schritt b des Verfahrens
zur Erzeugung leitfähiger Strukturen).
- 1.
Verfahren zur Erzeugung leitfähiger Strukturen auf der
Oberfläche von nicht oder nur gering leitfähigen Polymerformkörpern,
umfassend die folgenden Schritte:
a) Bereitstellen eines Polymerformkörpers
aus mindestens einer Polymerphase, die Carbon Nanotubes (CNT) enthält;
b)
thermische Behandlung mindestens einer Oberfläche des Polymerformkörpers
zur Erzeugung der leitfähigen Strukturen auf der Oberfläche
des Polymerformkörpers, wobei die thermische Behandlung
ein Erhitzen auf eine Temperatur umfasst, die mindestens der Schmelztemperatur
der mindestens einen Polymerphase entspricht.
-
Verfahren
gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Polymerphase/n durch Vermischen von geschmolzenem Polymer mit
0,1–10 Gew.-% Carbon Nanotubes, bezogen auf die Masse der
Polymerphase/n, erhalten wird/werden.
- 2. Verfahren
gemäß Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Polymerphase/n durch Vermischen von geschmolzenem Polymer mit 0,1–10
Gew.-% Carbon Nanotubes, bezogen auf die Masse der Polymerphase/n,
erhalten wird/werden.
- 3. Verfahren gemäß Punkt 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der Polymerformkörper durch Verschmelzen
mindestens einer Polymerphase, die Carbon Nanotubes (CNT) in einem
Anteil zwischen 1 und 40 Gew.-% enthält, mit mindestens
einer weiteren Polymerphase mit geringerem Carbon Nanotubes (CNT)-Anteil,
erhalten wird.
- 4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden
Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerphase, die Carbon
Nanotubes (CNT) in einem Anteil zwischen 1 und 40 Gew.-% enthält,
ein oder mehrere Polymer/e umfasst, ausgewählt aus der
Gruppe bestehend aus Polycarbonat, Polystryrol, Acrylnitrit-Butadien-Styrol
(ABS), Styrolmaleinsäureanhydrid (SMA), Styrolmethylmethacrylat
(SMMA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polybutylenterephthalat (PBT),
Polyethylenterephthalat (PET), Polyamid 6 (PA 6), Polyamid 6.6 (PA
6.6), Polyamid 6.4 (PA 6.4), Polyamid 12 (PA 12), aromatischem Polyamid
und Polysulfon.
- 5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden
Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung der
Oberfläche/n des Polymerformkörpers durch Kontakt
mit einem erhitzten Körper, Gas oder Flüssigkeit,
oder durch elektromagnetische Strahlung erfolgt.
- 6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden
Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass als elektromagnetische Strahlung
Laserstrahlung oder IR-Strahlung verwendet wird.
- 7. Polymerformkörper, umfassend mindestens eine Polymerphase
mit Carbon Nanotubes (CNT), wobei der Polymerformkörper
auf der Oberfläche elektrisch oder thermisch leitfähige
Strukturen aufweist, wobei die Konzentration der CNT in den Berei chen
der elektrisch leitfähigen Oberflächenstrukturen
höher ist als in den nicht elektrisch leitfähigen
Oberflächenbereichen.
- 8. Polymerformkörper gemäß Punkt
7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Polymerphase ein Polymer
enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:
Polycarbonat, Polystryrol, Acrylnitrit-Butadien-Styrol (ABS), Styrolmaleinsäureanhydrid
(SMA), Styrolmethylmethacrylat (SMMA), Polymethylmethacrylat (PMMA),
Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethylenterephthalat (PET), Polyamid
6 (PA 6), Polyamid 6.6 (PA 6.6), Polyamid 6.4 (PA 6.4), Polyamid
12 (PA 12), aromatischem Polyamid und Polysulfon.
- 9. Polymerformkörper gemäß einem
der Punkte 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 0,01
und 10 Gew.-% CNT, bezogen auf die Gesamtmasse der Polymerphase/n
des Polymerformkörpers, enthalten sind.
- 10. Polymerformkörper gemäß einem
der Punkte 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerformkörper
mindestens zwei getrennte Polymerphasen enthält.
- 11. Polymerformkörper gemäß einem
der Punkte 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Polymerphasen
einen höheren Anteil an Carbon Nanotubes (CNT) als die
andere/n Phasen aufweist.
- 12. Polymerformkörper gemäß einem
der vorstehenden Punkte, wobei für den Polymerformkörper
eine Polymerblend aus Polycarbonat mit Polyolefin, insbesondere
mit Polypropylen oder Polyethylen, verwendet wird.
- 13. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die
die Polymerphase/n durch Vermischen von geschmolzenem Polymer mit
0,1–10 Gew.-% Carbon Nanotubes, bezogen auf die Masse der
Polymerphase/n, erhalten wird/werden.
- 14. Gerät zum Erzeugen einer Struktur an einem zu bearbeitenden
Körper gekennzeichnet durch eine Energiequelle mit mindestens
einer Elektrode, die zum Abgeben einer Energie vorgesehen ist, mit
welcher der zu bearbeitenden Körper wenigstens teilweise
erwärmbar ist. Bevorzugterweise dient das Gerät
zur thermischen Behandlung der Oberfläche von Polymerformkörpern,
wobei an den thermisch behandelten Stellen definierte elektrisch
leitfähige Strukturen entstehen.
- 15. Gerät nach Punkt 14, dadurch gekennzeichnet, dass
der zu bearbeitende Körper ein Polymerformkörper
aus mindestens einer Polymerphase ist, die Carbon-Nanotubes enthält.
- 16. Gerät nach Punkt 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet,
dass die Energiequelle eine elektrische Energiequelle ist.
- 17. Gerät nach Punkt 16, dadurch gekennzeichnet, dass
die Energiequelle mindestens zwei Elektroden aufweist, die an den
zu bearbeitenden Körper anlegbar sind, wobei mit den zwei
Elektroden ein Strom durch den zu bearbeitenden Körper
leitbar ist, der den zu bearbeitenden Körper aufwärmt.
- 18. Gerät nach Punkt 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet,
dass die elektrische Energiequelle eine Spannungsquelle vorzugsweise
mit einer Leerlaufspannung größer als 500 V und
insbesondere mit einer Leerlaufspannung von 1000 V ist.
- 19. Gerät nach einem der vorstehenden Punkte, dadurch
gekennzeichnet, dass die zu erzeugende Struktur ein elektronischer
Schaltkreis ist.
- 20. Gerät nach einem der vorstehenden Punkte, dadurch
gekennzeichnet, dass die erste Elektrode und die zweite Elektrode
in einer Ebene oder in zwei verschiedenen Ebenen des zu bearbeitenden
Körpers angeordnet sind.
- 21. Gerät nach einem der vorstehenden Punkte, dadurch
gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der ersten und zweiten
Elektrode weniger als 1 mm ist.
- 22. Gerät nach einem der vorstehenden Punkte, gekennzeichnet
durch einen Abstandshalter, der die erste und zweite Elektrode miteinander
verbindet.
- 23. Vorrichtung zum Erzeugen einer Struktur auf einem zu bearbeitenden
Körper mit dem zu bearbeitenden Körper und einem
Gerät, nach einem der Ansprüche 1–9,
das den zu bearbeitenden Körper wenigstens teilweise erwärmt.
- 24. Plotter mit einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden
Punkte.
- 25. Matrixdrucker mit einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden
Punkte als Druckmatrix.
- 26. Stift mit einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden
Punkte als Stiftspitze.
- 27. Verfahren zum Erzeugen einer Struktur auf einem zu bearbeitenden
Körper, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei verschiedenen
Punkten des zu bearbeitenden Körpers eine elektrische Energie
geleitet wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- - EP 0870418 [0012]
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