Forbedret vedhæftning og mønsterdannelse af belagt metal tynd film ved lysbestråling

Forskere fra National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) har fundet ud af, at når en tynd metalfilm dannet ved strømløs plettering på et plastiksubstrat bestråles i meget kort tid med højintensitets pulserende lys, vedhæftningen af ​​den belagte film til substratet forbedres dramatisk uden beskadigelse af substratet. Denne teknologi giver også en simpel mønsterteknik af pletteringsfilmen.

Elektrofri plettering er blevet brugt i vid udstrækning i industrier til fremstilling af tynde metalfilm på isoleringsmaterialer såsom plastprodukter med komplekse former til elektroniske dele og autodele. Generelt, i metalfilmdannelse, overfladen af ​​substratet skal forbehandles for at frembringe ruhed (f.eks. ved plasmabehandling eller kemisk ætsning) for at forbedre vedhæftningen til substratet. Ved elektroløs belægning, i særdeleshed, det er vanskeligt at sikre tilstrækkelig vedhæftning uden en sådan forbehandling.

I den udviklede teknologi, en belagt film dannet uden overfladebehandling af substratet bestråles med højintensitets pulserende lys i meget kort tid (adskillige hundrede mikrosekunder), forårsager øjeblikkelig opvarmning af metalfilmen til en høj temperatur. Som resultat, kun grænsefladen mellem den belagte film og plastsubstratet kan opvarmes, hvilket øger filmvedhæftningen uden at beskadige underlaget. En stor (A4-størrelse) pletteringsfilm kan behandles på meget kort tid (størrelsesorden af ​​mikrosekunder). Ud over, bestrålingen af ​​det pulserende lys gennem en fotomaske giver os mulighed for at producere metalmønstre på plastikfilm. Det er, det maskerede område forbliver dårligt i vedhæftning og kan let pilles af med klæbende tape.

Elektrofri plettering er en våd kemisk filmdannende proces til at danne metalfilm på isoleringsmaterialer, såsom plastik, glas og keramik, og er blevet brugt i forskellige industrier, herunder elektronik (f.eks. printkort) og bilindustrien (f.eks. hjulkapsler og rat). I modsætning til fysiske tørfilmdannende processer såsom sputtering, som kræver et dyrt vakuumsystem, strømløs plettering er en billig proces og er derfor blevet brugt i en lang række applikationer til at danne film af kobber, nikkel, guld, og andre metaller.

Konventionel strømløs plettering kræver overflade ru for at forbedre vedhæftningen. Overfladen gøres ru ved at bruge en fysisk proces, såsom plasmabehandling, som bruger et vakuumsystem eller en kemisk ætsningsproces ved hjælp af farlige oxiderende kemikalier. Imidlertid, disse processer har nogle problemer. For eksempel, hvis overfladen af ​​underlaget er ru, den tynde metalfilm, der dannes på overfladen, er ikke glat, og filmens elektriske og optiske egenskaber påvirkes negativt. I øvrigt, for at danne et fint ledende mønster, metalbelægningsfilmen dannes over hele overfladen af ​​substratet, et maskemønster dannes på filmen med en fotoresist, og derefter ætses metalfilmen. Denne proces omfatter flere trin, som producerer en stor mængde affald, der forårsager en høj miljøbelastning, ligesom ætseprocessen.

AIST har opdaget en teknik til immobilisering, på en plastoverflade, nanopartikler af ædelmetaller som palladium og platin, som fungerer som katalysatorer for strømløs plettering. AIST udvikler en ætsningsfri strømløs pletteringsproces, der sikrer høj vedhæftning uden at ru overfladen af ​​underlaget. I samarbejde med Satoru Shimada (seniorforsker) og andre fra Mesoscopic System Group, Electronics and Photonics Research Institute (direktør:Satoshi Haraichi), AIST, forskerne studerer filmdannelsesprocesser, der bruger højintensivt pulseret lys. I den nuværende forskning, forskerne har integreret ovennævnte forskningsaktiviteter for at forbedre vedhæftningen af ​​belægningsfilm og udvikle simpel mønster af belægningsfilm ved hjælp af en fotomaske.

Resultaterne af denne forskning er opnået som en del af "Research on an Advanced High-Adhesion Etchingless Electroless Plating Process", et projekt af Adaptive and Seamless Technology Transfer Program gennem Target-driven R&D (A-STEP) fra Japan Science and Technology Agency.

Ved strømløs plettering, en tynd metalfilm dannes ved kemisk reduktion af metalioner i opløsningen efter immobilisering af katalysatoren på overfladen af ​​substratet. I denne forskning, platinkolloid, ensartede 3-nm polymerdækkede platinnanopartikler stabilt fordelt i vand, bruges som katalysator. Når et substrat såsom plast nedsænkes i platinkolloidet, platinnanopartiklerne er ensartet immobiliseret på overfladen af ​​substratet. Derefter, når substratet er nedsænket i en blandet vandig opløsning af lavkoncentreret hydrogenperoxid og tetrachloraurinsyre (III) katalyse af platinnanopartiklerne får hydrogenperoxid til at reducere tetrac _h loroaurin (III) syre (se formlen nedenfor), og en guldbelægningsfilm omkring 100 nm tyk dannes:

2HAuCl ₄ +3H ₂ O ₂ ? ^pt 2Au+3O ₂ +8HCl

Konventionelt, substratet udglødes i ca. 30 minutter ved 100 til 250 µm. efter plettering. (Temperaturen varierer afhængigt af substratets egenskaber.) Som følge heraf, vedhæftningen af ​​pletteringsfilmen forbedres, og der dannes en guldbelægningsfilm, der ikke skaller af i en "Scotch-Tape test" i overensstemmelse med JIS K5600-5-6. I denne proces, overfladen er ikke ru, og vedhæftningen af ​​pletteringsfilmen forbedres ved udglødning efter plettering. Kobber, nikkel, og platinplettering kan udføres på lignende måde under anvendelse af palladiumkolloid som katalysator. Imidlertid, udglødning efter plettering kan forårsage problemer såsom vridning og deformation af underlaget, og tager 10 til 30 minutter.

Forskerne undersøgte en efterpletteringsproces, der anvender højintensivt pulserende lys som et alternativ til den konventionelle glødningsproces. Når en pletteringsfilm dannet på et plastiksubstrat bestråles med flere hundrede mikrosekunder pulserende lys, kun grænsefladen mellem pletteringsfilmen og plastsubstratet opvarmes øjeblikkeligt. Følgelig, vedhæftningen af ​​pletteringsfilmen forbedres, og ændringer såsom vridning og deformation forekommer ikke på underlaget. Figur 1 viser betingelserne for pulserende lysbestråling og betingelser efter bestråling (adhæsion, fjernelse, afskalning) af en guldbelægningsfilm på en polyethylenterephthalat (PET) film. Når filmen blev bestrålet én gang med 300 µs og 1,21 J/cm ² af pulserende lys, adhæsionen blev forbedret, så filmen ikke skallede af i en tape-peeling-test. Når det blev bestrålet én gang med pulserende lys med højere energi (f.eks. 300 µs og 2,06 J/cm ² ), pletteringsfilmen blev fjernet (ætset). Når filmen blev bestrålet med pulserende lys med lavere energi (blå i fig. 1), adhæsionen blev ikke forbedret, og filmen pillede let af i en tape-peeling-test.

For at bestemme, om et metalmønster, såsom et ledningsmønster, kunne dannes ved bestråling med pulserende lys, en fotomaske med et specificeret mønster printet på en PET-film med en laserprinter blev placeret på en guldbelægningsfilm, og filmen blev bestrålet én gang med 300 µs og 1,21 J/cm ² af pulserende lys. Vedhæftningen af ​​pletteringsfilmen var dårlig i de områder, der var maskeret og ikke udsat for lys. Selvklæbende tape blev fastgjort til disse områder og pillet af. Filmen pillede af med tapen, efterlader guldmetalmønsteret på underlaget. Da energien i det pulserende lys blev forøget, de eksponerede områder af filmen blev ætset, og et omvendt mønster blev dannet. Det blev bekræftet, at adhæsionsforbedring og ætsning med pulserende lys er mulig på forskellige plastsubstrater. Et metalmikromønster (fig. 2) kan dannes ved at bruge en fotomaske med mikromønsteret.

Den udviklede strømløse pletteringsproces kan anvendes på andre metalbelægningsfilm og forskellige plastsubstrater. AIST er i færd med at overføre denne strømløse pletteringsteknologi til virksomheder i områder, der er berørt af det store østlige Japans jordskælv. Forskerne vil indsamle data om de pulserende lysbestrålingsforhold, der er effektive for forskellige kombinationer af metaller og plastik og vil udvikle anvendelser af denne teknologi, under hensyntagen til jordskælvsramte virksomheders behov. Fordi dette fænomen er specifikt for pletteringsfilm, og dets virkninger på metalfilm dannet af andre processer såsom sputtering er ikke de samme, forskerne har til hensigt at undersøge mekanismen bag.