专利名称：在塑料模制件表面敷设导体带的方法及得到的模制件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种方法，其中借助于有选择性的磨蚀加工工艺在塑料表面上敷设导电的导体带。
背景技术：
集成有导电层或导体带的、由塑料制成的模制件例如在电气和电子工业中是已知的。
目前经常使用复杂的线缆束来向负担着电气机组的元件供电，这些元件例如应用在机动车辆领域或家用电器中。
此外还可以通过热冲压方法将导体带敷设到塑料表面上。在这种方法中，使用加热过的冲压版将例如由铜、金或镍构成的、厚度通常为18至150微米的金属薄膜印制到塑料基底上。
另外一组方法中，使用了可以金属化的塑料，在多步骤的方法中这样来设置这些塑料通过局部的金属化得到导体带。
目前已知的由集成有导体带的塑料制造模制件的方法成本非常高，而且需要复杂的设备来实现，因此希望找到替代的方案。
众所周知，通过添加导电微粒可以使塑料具有导电性。通过填充剂的种类及其大小、形状、分布和数量可以影响这种导电性的程度。
还已知塑料的导电性与所使用的微粒的数量有关，这种相关性的曲线形状为所谓的“渗滤曲线(percolation curve)”。因此，在填充剂含量很低的情况下塑料表现为电绝缘体。填充剂到达一定的量之后，导电性急剧增加，因为在模制件内形成了导电材料的连接桥。
同样，生产带有起泡的内芯和密致外皮的发泡塑料也是已知的。这种类型的发泡塑料被称为整体泡沫材料或结构泡沫材料(参照Rmpp，Lexikon Chemie，Stichwort“Schaumkunststoffe”[Rmpp，化学百科全书，关键词“发泡塑料”]，第3952页，G.Thieme出版社，斯图加特，纽约，1997年)。这类发泡塑料的特征是结构中的属性(如密度)分布非常不一致(参照J.L.Throne in Journal of CellularPlastics，July/August 1972，第208至210页，以及Encyclopedia ofPolymer Science and Engineering，第15卷，“Structural Foams”，第771至773页，John Wiley & Sons，1985)。
发明内容
从现有技术出发，本发明提供了一种可以在塑料表面上敷设导电的导体带的方法，它可以通过简单的方式非常廉价地实现。
本发明是基于这样的发现具有电绝缘内芯的结构泡沫材料的导电表面能够以可控制的方式加以改变，使得在这些区域内生成表面不导电的部分，从而可以形成导体带。
本发明涉及一种在塑料模制件的表面上敷设导体带的方法，包括以下步骤a)提供具有至少一个塑料表面的模制件作为初始材料，其中该模制件由具有密致外皮和多孔内芯的结构泡沫材料构成，还包含有导电微粒，导电微粒的数量使得内芯电绝缘，而使外皮导电，并且b)借助于有选择性的磨蚀加工工艺，磨蚀掉塑料表面上那些不希望敷设导体带的部分，使得在塑料表面上处理过的区域内形成不导电部分的预定图样，从而在表面上未经处理的区域内生成导体带。
对于本发明所述的方法，可以使用任意有选择性的磨蚀加工工艺，例如机械、化学或热处理工艺，利用这些方法可以去除模制件表面的预定部位，以使位于其下面的不导电的泡沫材料暴露出来。有选择性的磨蚀加工工艺例如为机械磨蚀工艺，如铣削、刨削、冲压或喷射工艺，如喷水工艺或喷沙工艺，机电磨蚀加工工艺，如电火花腐蚀，或者特别地通过由表面所吸收的电磁射线对表面进行处理。
电磁射线例如为X射线，或者最好是红外线、可见光或紫外线。
特别具有优点的是采用激光射线，因为激光可以具有很高的能量密度。所用的激光器例如为激发物激光器、YAG激光器或CO2激光器。
在本说明书的范围内“电绝缘”是指单位体积电阻大于106欧姆*厘米，和/或单位表面电阻大于107欧姆。
在本说明书的范围内“导电”是指单位体积电阻小于106欧姆*厘米，和/或单位表面电阻小于107欧姆。
根据本发明所使用的结构泡沫材料具有密致外皮和多孔的内芯，这两者都包含有导电微粒。这里这样来选择导电微粒的数量，使得内芯是电绝缘的，而外皮是导电的。在塑料的基础上，在内芯和外皮中包含的导电微粒的数量通常没有差别，或者没有很大的差别。模制件的这两个部分的导电性差异主要是由内芯的多孔构造和外皮的密致构造而导致的。密致外皮的典型厚度为50至1000微米，最好为100至400微米，多孔内芯的厚度为200至10000微米，最好为1000至4000微米。
根据本发明所使用的带有密致外皮和多孔内芯的结构泡沫材料可以以任意的方式来制造。例如，可以利用化学起泡工艺来制造，即通过一种发泡剂的分解释放出气体，释放出的气体使塑料产生泡沫，或者利用物理起泡方法，即在高压下将一种惰性气体作为发泡剂注入到已经熔化的、将要起泡的塑料中。
结构泡沫材料最好通过泡沫压铸方法来制造。
根据本发明的多孔内芯所使用的结构泡沫材料可以具有任意的类型、大小和孔的数目。例如这种泡沫材料可以具有开放孔(＝彼此互连的孔)或闭合孔(＝在孔之间没有彼此互连)。当然，泡沫材料还可以具有混合类型的孔，即泡沫材料带有开放和闭合的孔。
在根据本发明的外皮中所使用的结构泡沫材料至少在孔的数目上明显比多孔内芯少。这里孔的数目不能超过一个特定的数量级，以使得外皮在所考虑的应用中具有足够高的导电性。
根据本发明所使用的结构泡沫材料中孔的大小在0.1至500微米之间的范围内变化。
在根据本发明的多孔内芯中所使用的结构泡沫材料中，每cm3的孔的数目在105至1012之间的范围内变化。这只是典型的值，个别情况下的取值可以比上述值更低或更高。
根据本发明的多孔内芯中所使用的结构泡沫材料的典型内表面积(根据B.E.T.方法测量得到)在0.1至400m2/g的范围内变化。
最好采用多孔内芯为微孔泡沫的结构泡沫材料。其中泡沫材料的孔的大小在1至20微米的范围内变化，最好为1至10微米。特别地，最好采用闭合孔的微孔泡沫，具有无孔或几乎无孔的边缘区域。
根据本发明所使用的导电微粒可以从任意的材料中选出。例如金属或金属合金、碳黑、石墨和/或导电塑料。最好使用具有良好导电性的金属。
所使用的微粒可以具有不同的形状和材料组合。举例来说，所使用的材料具有粉末或纤维的形状，并且这里的微粒可以用导电材料来涂层。
优选使用的微粒例如为导电碳黑、石墨粉末、用金属涂层的石墨粉末、例如用镍涂层的石墨粉末、碳纤维、金属纤维、例如不锈钢纤维、用金属涂层的碳纤维、以及金属粉末。
选择适当的微粒类型和数量不仅在导电性方面、而且在其他属性方面也可产生有利的效果，如收缩性能(各向同性或各向异性)、强度、断裂延展性、弹性系数、磁特性、以及对电磁辐射的屏蔽性。
在根据本发明的方法中，可以在塑料表面上生成外形完全不同的导体带图样。表面的绝缘部分在有选择性地磨蚀过的区域处形成，而导体带在没有磨蚀过的区域处形成。
本发明还涉及按照上述方法获得的模制件。
模制件具有至少一个塑料表面，其中该模制件由具有密致外皮和多孔内芯的结构泡沫材料构成，还包含有导电微粒，导电微粒的数量使得内芯电绝缘而外皮导电，其中外皮的预定部位具有导体带图样的形状，塑料表面的外皮的其他部位以这样的方式被磨蚀使得在这些部位处形成塑料表面不导电部分的预定图样。
举例来说，承载着导电结构的模制件可以是应用在电气和电子工业中的元件，或者也可以是在特定区域内具有导电单元的、或大或小的任何其他塑料元件。
根据本发明加工出的模制件也可以是与其他材料相连接的连接体的组成部分，和/或可以包括在表面上的组件。
由于导体结构或承载导体的组件被敷设到塑料模制件的表面上，通过本发明所述的方法，可以在许多元件中省去复杂的线缆束以及与插头连接器之间的连接。同样，用本方法也可以节省对导体带进行热冲压或者通过金属化生成导体带而产生的高额成本，包括高额的设备开销。
要敷设导体带的模制件可以由任何塑料来制造。
原理上，任何可以起泡的塑料都可以用于本发明所述的方法。
如果表面处理过程是通过电磁辐射来进行的，则已经起泡的塑料必须能够足够吸收用于构造表面而施加的电磁射线。这可以通过加入添加剂来实现。
这里的塑料例如为聚苯乙烯和苯乙烯共聚物、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚酯，如液晶聚酯(LCP)、或者聚丁烯对苯二甲酸盐(PBT)、或者聚缩醛均聚合物或聚缩醛共聚合物(POM)、聚苯硫化物、聚烯烃、聚氨酯、聚异氰脲酸酯、聚碳化二亚胺、聚甲基丙酸烯胺、聚酰胺、丙烯氰-丁二烯-苯乙烯块状共聚物(ABS)、酚醛树脂、以及脲醛树脂。
最好采用液晶聚酯、聚丁烯对苯二甲酸盐、聚缩醛均聚合物或聚缩醛共聚合物，或者采用聚苯硫化物。
这些塑料也可以包含常规的辅助剂、添加剂、填充剂以及加固剂，只要它们的使用不会对构造表面所需的整体特性产生负面的影响。
也可以采用均质或非均质的塑料混合物。如果使用电磁辐射来构造表面，则射线的波长和密度要与所使用的塑料类型相匹配。所需的照射时间以及可达到的处理速率尤其取决于这些因素。透明的塑料或者吸收剂组份含量不多的塑料可以含有添加剂，如碳黑、填充剂或色素，当导电微粒的存在本身没有为射线提供足够的吸收率时，这些添加剂可以为射线提供足够的吸收率。
透明的塑料例如为乙烯-降冰片烯共聚物、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、以及其他的丙烯酸基塑料。
可使用的辐射源是用于电磁辐射的常规辐射源。例如激光类型的辐射源，如二氧化碳激光器、YAG(钇铝石榴石)激光器或激发物激光器。
本发明所述的方法可以应用在多种工业领域中。例如应用在汽车工业中，用以生产组装部件，如仪表组、门锁、或者引擎控制器；或者应用在电子工业中，以生产印刷电路板，例如生产电信设备、计算机或Hi-Fi设备。
本发明还涉及包含有导电微粒的结构泡沫材料的应用，用于生产在表面的预定部位上形成导体带的元件。
权利要求
1.用于在塑料模制件表面敷设导体带的方法，包括以下步骤a)提供具有至少一个塑料表面的模制件作为初始材料，其中该模制件由具有密致外皮和多孔内芯的结构泡沫材料构成，还包含有导电微粒，导电微粒的数量使得内芯电绝缘，而使外皮导电，并且b)借助于有选择性的磨蚀加工工艺，磨蚀掉塑料表面上那些不希望敷设导体带的部分，使得在塑料表面上处理过的区域内形成不导电部分的预定图样，从而在表面上未经处理的区域内生成导体带。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，有选择性的磨蚀加工工艺从机械磨蚀工艺、喷射工艺、机电磨蚀工艺、或者用由表面吸收的电磁射线来处理表面的方法构成的组中选出。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，电磁射线从X射线、红外线、可见光或紫外线构成的组中选出。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，电磁射线为激光射线。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用具有密致外皮和多孔内芯的结构泡沫材料作为模制件，其密致外皮的厚度为50至1000微米，其多孔内芯的厚度为200至10000微米。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用具有密致外皮和多孔内芯的结构泡沫材料作为模制件，其多孔内芯为孔的大小在1至20微米范围内的微孔泡沫。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，内芯的单位体积电阻大于107欧姆*厘米，而外皮的单位体积电阻小于106欧姆*厘米。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，导电微粒为导电碳黑、石墨粉末、由金属涂层的石墨粉末、碳纤维、金属纤维、由金属涂层的碳纤维、金属粉末，或者由这些成分中的一种或多种组合而成。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，塑料从液晶聚酯、聚丁烯对苯二甲酸盐、聚缩醛均聚合物或聚缩醛共聚合物、聚苯硫化物构成的组中选出，或者是这些成分中的一种或多种的混合物。
10.通过权利要求1所述方法获得的具有至少一个塑料表面的模制件，其中该模制件由具有密致外皮和多孔内芯的结构泡沫材料构成，还包含有导电微粒，导电微粒的数量使得内芯电绝缘，而使外皮导电，其中外皮的预定部位具有导体带图样的形状，塑料表面的外皮的其他部位以这样的方式被磨蚀使得在这些部位处形成塑料表面不导电部分的预定图样。
11.包含有导电微粒的结构泡沫材料的应用，用于生产在表面的预定部位上形成导体带的元件。
全文摘要
描述了一种方法，其中借助于有选择性的磨蚀加工工艺在发泡塑料的表面上敷设导电的导体带。该方法可以以低成本由在表面上集成有导体带的塑料来生产模制件。该方法的产品例如可以应用在电气和电子工业。
文档编号H05K3/04GK1531388SQ20041000284
公开日2004年9月22日 申请日期2004年1月17日 优先权日2003年1月17日
发明者弗兰克·瑞尔, 斯蒂芬·戴尔, 戴尔, 弗兰克 瑞尔 申请人:提克纳有限公司