Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbringung einer metallischen Beschichtung auf eine Oberfläche eines Substrates, wie z.B. eines Kunststoff- oder Keramiksubstrats sowie eine Tinte zur Verwendung in einem solchen Verfahren oder einer solchen Vorrichtung, wobei die Aufbringung insbesondere zur Herstellung von Leiterbahnen dienen kann.

Um die Metallisierung von Kunststoffoberflächen zu ermöglichen, müssen diese Oberflächen in der Regel verändert bzw. aktiviert werden, um die Ablage und Anhaftung von metallischen Partikeln / Beschichtungen auf der Oberfläche zu ermöglichen. Die Technologie der Laser-Direkt-Strukturierung (LDS- Technologie) hat sich insbesondere für die Metallisierung und damit Funktionalisierung von nicht-ebenen Bauteilen bewährt. Bei diesen Verfahren werden Kunststoffe, die nicht unmittelbar zur galvanischen Abscheidung von Metallen geeignet sind, mittels eines Primers beschichtungsfähig gemacht. Dem Kunststoff, der zur Herstellung von gewünschten Bauteilen im Spritzgießprozess verwendet wird, wird ein Additiv zugesetzt. Bei diesem Additiv kann es sich beispielsweise um kupferhaltige Mineralien oder um eine auf Palladium basierende Verbindung handeln. Um nach der Formgebung das Material galvanisieren zu können, wird mittels eines Lasers die Oberfläche des Bauteils gezielt dort geschädigt, wo die metallische Abscheidung durchgeführt werden soll. Durch die Schädigung der Oberfläche werden Palladium-Keime bzw. das im Mineral enthaltene Kupfer freigesetzt, die jeweils im späteren galvanischen Prozess Kristallisationskeime bilden, an denen die Abscheidung stattfindet. Ein Nachteil des LDS-Verfahrens ist jedoch, dass es relativ fehleranfällig ist.

Die DE 102008027461 B4 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Mikro-Strukturierung einer Kunststofffolie mittels einer Walze unter Verwendung eines Plasmas. Dabei werden mikrostrukturierte Vertiefungen auf der Oberfläche erzeugt, die anschließend nasschemisch metallisiert werden, um Leiterbahnen herzustellen.

Aus der EP 2674223 B1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Leiterbahnen mittels eines Pulvergemisches bekannt. Dabei wird ein Plasma zum Aufschmelzen eines Matrixmaterials verwendet, in welchem eine Substanz eingebettet ist, die auf einem Substrat haften soll.

Auch die EP 2711441 B1 offenbart ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats mittels eines Plasmas. Auch dabei wird als Ausgangsmaterial ein Pulver verwendet.

Aus der DE 19958473 A1 ist bekannt, ein Plasma zu benutzen, um Precursor-Materialien zu modifizieren und danach auf einem Substrat abzuscheiden. Bei den Precursor-Materialien kann es sich um Flüssigkeiten handeln, insbesondere um eine Suspension, die auch nanoskalige Partikel aus Metallen enthalten kann. Die Precursor-Materialien werden jedoch direkt der Plasmastrahlquelle zugeführt. Ausserdem ist nicht offenbart, die Oberfläche des Substrats zu verändern, insbesondere nicht, eine Veränderung dort vorzunehmen, wo das metallische Precursor-Material aufgebracht werden soll. Es wird nicht die Herstellung von Leiterbahnen auf Oberflächen beschrieben. Die JP 2020004648 A beschreibt ein Verfahren zur Leiterbahnerzeugung mittels einer Tinte, die Kupferoxide enthält und die durch eine Plasmabehandlung unter reduzierender Atmosphäre zu Kupfer reduziert werden. Weiterhin wird bei diesem Verfahren Sauerstoff in hoher Konzentration verwendet, um die Tinte soweit abzutragen, dass die Metallpartikel übrigbleiben.

In der CN 107148154 A ist ein Verfahren zur Herstellung von Leiterbahnen auf Substraten beschrieben, die mittels eines Plasmas vorbehandelt werden. Anschließend wird eine Tinte mit einem katalytischen Salz aufgetragen. Nach Aushärtung der Tinte werden die exponierten Metallionen reduziert und bilden die Grundlage für eine chemische Kupferabscheidung in einem klassischen Bad, wobei Formaldehyd als Reduktionsmittel verwendet wird.

Aus der WO 2008077608 A2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufspritzen einer Leiterbahn mittels einer Lanze, die ein kaltes Plasma erzeugt und ein Pulver abgibt, bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der oben genannten Art zur Verfügung zu stellen, durch welches eine vereinfachte Beschichtung einer Oberfläche mit einem Metall ermöglicht wird. Insbesondere soll ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden, bei dem keine Additivierung des Substrates wie eines Kunststoffrohmaterials erforderlich ist und das es erlaubt, eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien wie z.B. Kunststoffe oder auch Keramiken zu metallisieren. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Druckkopf für eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen. Schließlich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Substanz vorzuschlagen, die insbesondere in einem solchen Verfahren und einer solchen Vorrichtung verwendet werden kann und sich im speziellen besonders gut eignet, um eine Kunststoff- oder Keramikoberfläche mit einem Metall zu beschichten.

Die Aufgabe betreffend das Verfahren wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Hierfür wird eine Tinte auf eine zu beschichtende Stelle der Oberfläche aufgebracht. Das Aufbringen kann aus einer Düse erfolgen, indem die Tinte in Richtung der Oberfläche ausgestoßen wird. Alternativ kann die Tinte z.B. auch auf die zu beschichtende Stelle beziehungsweise die Oberfläche aufgebracht werden, indem das Substrat in die Tinte getaucht wird und / oder die Tinte auf das Substrat gepinselt oder pipettiert wird. Selbstverständlich kann das erfindungsgemässe Verfahren auch an mehreren Stellen der zu beschichtenden Oberfläche durchgeführt werden.

Die Tinte enthält mindestens ein Metallsalz einer organischen Säure. Das Metallkation oder bei mehreren Salzen die Metallkationen sind so ausgewählt bzw. dazu vorgesehen, dass sie die aufzutragende metallische Beschichtung bilden werden. Insbesondere kann sich die Beschichtung in Form von metallischen Partikeln bilden. Bevorzugt bildet sich jedoch eine durchgehende und / oder homogene Beschichtung. Ein weiterer Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die Tinte dadurch zu zersetzen, dass ihr Energie zugeführt wird. Durch die Zersetzung der Tinte findet insbesondere eine Zersetzung des mindestens einen Salzes statt, wodurch das mindestens eine Metall die metallische Beschichtung auf der Oberfläche bildet.

Bei der Zersetzung zerfällt das Metallsalz der organischen Säure insbesondere in leicht entfernbare Zersetzungsprodukte wie Wasser und Kohlenstoffdioxid, wobei Metallkationen zu einem elementaren Metall reduziert werden, welches auf der zu beschichtenden Stelle und somit auf der Oberfläche verbleibt. Da die Zersetzungsprodukte leicht entfernbar sind, wird eine vereinfachte Aufbringung einer Metallschicht ermöglicht, ohne dass ein aufwendiges Entfernen von Zersetzungsprodukten notwendig ist.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat ein Kunststoff- und/oder Keramiksubstrat. Dabei wird die mit der Metallbeschichtung zu versehende Oberfläche bevorzugt vorbereitet, indem die Oberfläche an der zu beschichtenden Stelle aufgeraut wird, sofern diese Stelle nicht schon von vornherein eine Rauigkeit aufweist. Diese Vorbehandlung bzw. die bereits vorhandene Rauigkeit sorgt dafür, dass die Metallbeschichtung an der Oberfläche haften wird. Eine ausreichende Rauigkeit ist erreicht, sobald die die Metallbeschichtung an der Oberfläche haftet.

Das Substrat ist jedoch nicht auf ein Kunststoff- und/oder Keramiksubstrat beschränkt und könnte zum Beispiel auch ein Metall umfassen. Ausserdem könnte das Substrat ein Metallsubstrat oder ein Cermet (also ein Verbundwerkstoff aus keramischen Werkstoffen in einer metallischen Matrix) sein, sodass eine Vorbereitung (also Aufrauung oder auch eine Reinigung) der zu-beschichtenden Stellen nicht notwendig ist. Eine Rauigkeit ist nicht bei allen Arten von Substraten vorteilhaft, da auch andere Wechselwirkungen zu einer ausreichenden Anhaftung der Beschichtung an der Oberfläche führen können.

Der Ausdruck „Tinte“ beschreibt in der vorliegenden Erfindung eine Flüssigkeit, welche mindestens ein Metallsalz enthält. Die Flüssigkeit kann dabei abhängig von dem Metallsalz und einem möglicherweise zusätzlich enthaltenen Lösungsmittel dünnflüssig bis pastös sein. Der Ausdruck „Rauigkeit“ beschreibt insbesondere Unebenheit in einer Oberflächenhöhe der Oberfläche und kann unter anderem mittels Rugotest, Tastschnittverfahren, Konfokalmikroskopie, Konoskopische Holografie, Fokusvariation oder Weißlichtinterferometrie bestimmt werden. Die flächenhafte Rauheitsmessung ist in der ISO 256178 beschrieben.

Ein Vorteil einer Ausführung der Erfindung liegt darin, dass viele verschiedene Kunststoffmaterialien, wie z.B. Polyethylen, Polyester oder Epoxidharze, für das Kunststoffsubstrat verwendet werden können, und insbesondere nicht eine kostenaufwendige Additivierung des Kunststoffrohmaterials erforderlich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich prinzipiell für jedes Metallsalz einer organischen Säure, das durch Energiezufuhr zu der Beschichtung des elementaren Metalls zersetzbar ist. Deshalb kann eine Reihe verschiedener Metallbeschichtungen oder auch Metallpartikel auf unterschiedliche Oberflächen wie z.B. Kunststoffoberflächen aufgebracht werden.

Die Rauigkeit der Oberfläche sorgt insbesondere dafür, dass diese beschichtet werden kann. Das Aufrauen kann vor dem Ausstößen der Tinte erfolgen. Insbesondere kann dabei das Aufrauen mittels Sand- oder Glasstrahlen oder durch Ätzen geschehen. Auch andere Methoden sind möglich. Durch das Aufrauen wird die zu behandelnde Oberfläche mit Vertiefungen (Kavitäten) versehen, in denen im späteren Beschichtungsprozess eine metallische Schicht erzeugt wird, die sich mechanisch mit dem Kunststoff- oder Keramiksubstrat verhakt bzw. sich in diesem verankert.

Das Aufrauen kann aber auch während des Ausstoßens der Tinte erfolgen, also unmittelbar vor dem Zeitpunkt des Auftreffens der Tinte auf der Oberfläche. In diesem Fall wird der Oberfläche Energie zugeführt.

Dies kann zum Beispiel mittels eines Lasers erfolgen. Der Laser erzeugt in der Oberfläche Kavitäten, in denen sich die im anschließenden Prozess erzeugte Metallbeschichtung anlagern, die in einem möglicherweise vorgesehenen weiteren Schichtverstärkungsprozess als Kristallisationskeim dienen kann (insbesondere metallische Partikel in der Beschichtung). Diese Kavitäten haben einen Durchmesser von wenigen Mikrometern, so dass die in einem nachfolgenden galvanischen Prozess aufwachsende Schicht die Kavitäten verschließt und somit eine geschlossene Oberfläche bilden kann. Die Kavitäten können mittels der Strahlrichtung des Lasers so angeordnet werden, dass sich Hinterschneidungen oder Materialbrücken bilden, die die mechanische Haftung (mechanische Adhäsion) der abzuscheidenden Schicht bzw. Schichten an dem Bauteil mit der zu beschichtenden Oberfläche, vergrößern.

Die Energiezufuhr kann auch dadurch erfolgen, dass ein Plasma erzeugt wird, welches gleichzeitig die Oberfläche chemisch aktiviert. Die Erzeugung des Plasmas bedeutet, dass ein ionisiertes, energetisch hoch geladenes Gas über die Oberfläche wandert bzw. mit der Oberfläche in Kontakt ist. Dabei findet eine Vielzahl chemischer Reaktionen statt, welche aus der Kunststoffoberfläche verschiedene Atome, Atom- oder Molekülgruppen heraustrennen und dadurch reaktive Spezies zurücklassen und die Oberflächenspannung herabsetzen, was zu einer verbesserten Benetzung der Oberfläche mit der Tinte führt.

Die Energiezufuhr kann auch mittels einer Flamme, insbesondere einer Knallgasflamme, erfolgen. Dabei wird die zu bearbeitende Oberfläche kurz abgeflammt. In Experimenten hat sich herausgestellt, dass dadurch eine Aufrauung der Oberfläche stattfindet. Ungeklärt ist jedoch noch der dabei zugrunde liegende Mechanismus.

Die Tinte kann in verdünnter Form ausgestoßen werden, wobei die Düse eine feine Zerstäubung der Tinte bewirkt oder die Tinte in Form von Tröpfchen von der Düse ausgegeben wird. Geeignete Lösungsmittel sind unpolare oder nur schwach polare organische Lösungsmittel wie z.B. Alkane, aromatische Lösungsmittel, Aceton oder Isopropanol, die das organische Anion der verwendeten Tinte gut lösen. Vorzugsweise kann Isopropanol verwendet werden, da es die verwendeten Tinten gut löst und nur ein geringes oder gar kein Gefährdungspotential für Mensch, Umwelt und Anlagentechnik aufweist. Wenn eine verdünnte Tinte verwendet wird, weist die zu behandelnde Oberfläche während des Tintenausstoßes vorzugsweise eine Temperatur von 50 °C bis 60 °C auf. Die Oberfläche kann somit speziell auf diese Temperatur erwärmt werden. Bei Verwendung einer Flamme zur Aufrauung kann als ein weiteres Ziel auch eine solche Erwärmung vorgesehen sein. Eine solche Temperatur der Oberfläche ermöglicht ein schnelles Verdampfen des Lösungsmittels. Eine feine Zerstäubung der verdünnten Tinte durch eine entsprechende Düse wird mittels eines unter Überdruck stehenden Prozessgases, beispielsweise Druckluft oder trockenem Stickstoff, erreicht. Die Tinte muss dafür eine geeignete Viskosität aufweisen.

Wenn die abzuscheidende Metallschicht hauptsächlich durch eine galvanische Nachbehandlung erfolgen soll, kann mit starkverdünnten Tinten gearbeitet werden, also mit Tinten, bei denen das Verhältnis von Tinte zu Lösungsmittel kleiner als 1/100 beträgt. Denn in diesem Fall ist es nicht das Ziel, allein durch die Zersetzung der Tinte eine geschlossene Metallschicht auf der Oberfläche zu erreichen, sondern nur die Abscheidung von Kristallisationskeimen für einen nachfolgenden Schichtaufbau durch Galvanisieren.

Alternativ kann die Tinte auch in unverdünnter Form ausgestoßen werden, wobei die Viskosität der Tinte an die Düse angepasst sein muss oder der Ausstoß aus der Düse unter Hochdruck geschehen muss. Zur Anpassung der Viskosität der Tinte an die Düse kann die Tinte so erwärmt werden, dass ihre Temperatur etwas unterhalb ihrer Zersetzungstemperatur liegt. Insbesondere kann die Erwärmung auf 10 °C bis 15 °C unterhalb der Zersetzungstemperatur erfolgen.

Das Zersetzen der Tinte zur Erzeugung der metallischen Beschichtung auf der Oberfläche erfolgt wie gesagt grundsätzlich durch Energiezufuhr. Das Zersetzen kann zwischen dem Ausstößen der Tinte aus der Düse und dem Auftreffen auf der Oberfläche stattfinden. Es kann aber auch nach dem Auftreffen der Tinte auf der Oberfläche erfolgen. Die Zersetzungstemperatur beträgt ca. 250 °C. Diese Temperatur ist für viele Kunststoffe höher als die Schmelz- bzw. Zersetzungstemperatur des verwendeten Kunststoffs. Es ist daher vorteilhaft, die Energie in geringstmöglichen Dosen bei möglichst hoher Energiedichte zuzuführen. Hierdurch wird erreicht, dass die Kunststoffoberfläche möglichst wenig geschädigt wird, es sei denn, man will zur Verankerung der metallischen Beschichtung im Kunststoff bewusst eine Schädigung bewirken.

Die Energiezufuhr für die Zersetzung der Tinte kann mittels einer Flamme erfolgen. Dabei zersetzt die Hitze der Flamme die Tinte, sodass auf der Oberfläche eine metallische Schicht zurückbleibt. Hierbei hat sich gezeigt, dass eine Knallgasflamme, die aus einer Flammdüse mit einem Durchmesser von weniger als 2 mm austritt, gute Ergebnisse liefert. Eine solche Flammdüse kann leicht in einen Druckkopf, der die Tinte ausstößt, integriert werden und dem Tintenauftrag nachlaufen. Es hat sich gezeigt, dass der Winkel, den die Flamme zur Oberfläche einnimmt, einen nicht geringen Einfluss auf das Beschichtungsergebnis hat. Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn die Flamme einen spitzen Winkel mit der Oberfläche einnimmt.

Das Zersetzen der Tinte kann auch durch Energiezufuhr mittels elektromagnetischer Strahlung erfolgen. Die Strahlung sollte hierbei an das Absorptionsspektrum der verwendeten Tinte angepasst werden. Im Fall der Verwendung von Kupferneodecanoat als Tinte sollte die Strahlung vorzugsweise eine Wellenlänge von 620 nm bis 850 nm aufweisen, da die genannte Tinte in diesem Bereich eine nennenswerte Absorption aufweist. Durch eine auf diese Weise angepasste Strahlung kann eine Tintenzersetzung stattfinden, während die zu beschichtende Oberfläche praktisch keinen Schaden erleidet.

Eine weitere Möglichkeit der Energiezufuhr zur Tintenzersetzung ist die Erzeugung eines Plasmas. Ein Plasma ist insbesondere dann zur Zersetzung der Tinte geeignet, wenn diese in einer sehr dünnen Schichtdicke auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht worden ist. Denn nach einer Zersetzung der Tinte in einem Niederdruck-Plasma bleiben von der Tinte Kristallisationskeime zurück, die sich in einem möglichen anschließenden galvanischen Prozess gut metallisieren lassen. Auch die Verwendung eines atmosphärischen Plasmas, nämlich eines Lichtbogen-Plasmas oder eines DBD-Plasmas (Dielectric Barrier Discharge Plasma), auch als „stille elektrische Entladung“ bezeichnet, ist möglich und bietet den Vorteil einer relativ sanften Energiezufuhr. Dabei wird zunächst die Viskosität der Tinte stark verringert, sodass diese zu fließen beginnt, weshalb es vorteilhaft sein kann, Schablonen zu verwenden, um die erforderliche Konturenschärfe zu erreichen.

Ferner kann auch erhitztes Prozessgas verwendet werden, um die Tinte zu zersetzen. Hierbei kann ein beliebiges Prozessgas verwendet werden, insbesondere auch Heißluft.

Vorzugsweise weist die verwendete Düse eine Auftragslanze mit einer beweglichen Düsenspitze auf. Eine solche Auftragslanze kann insbesondere bei der Verwendung von verdünnter Tinte eingesetzt werden. Mit einer solchen Auftragslanze kann beispielsweise der Innenraum einer Hohlkugel durch eine kleine, leicht zu verschließende Öffnung hindurch beschichtet werden. Hierzu wird die Auftragslanze zunächst durch die Öffnung in die Hohlkugel eingeführt und dann die Düsenspitze entsprechend abgewinkelt, um alle Stellen der Hohlkugel erreichen zu können. Je nach Größe der Kugel bzw. des Hohlraumes kann ein Abwinkeln bzw. ein Knicken der Lanze an mehreren Stellen erforderlich sein, um eine komplette Erreichbarkeit der Kugelinnenfläche sicherzustellen.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem das aufzutragende Metall enthaltende Salz um ein Metallsalz einer Carbonsäure oder Metallsalze einer Mischung von Carbonsäuren. Die Carbonsäuren weisen dabei vorzugsweise 2 bis 20 Kohlenstoffatome, insbesondere 4 bis 16 Kohlenstoffatome, noch bevorzugter e bis 14 Kohlenstoffatome, insbesondere 8 bis 12 Kohlenstoffatome und am meisten bevorzugt 10 Kohlenstoffatome auf und können unverzweigt oder verzweigt sein, wie z.B. Dialkyl- oder Trialkylcarbonsäuren. Bei den Carbonsäuren handelt es sich vorzugsweise um Monocarbonsäuren, aber auch Di- oder Tricarbonsäuren können eingesetzt werden. Weiterhin können die Carbonsäuren gesättigt oder ungesättigt sein, wobei ungesättigte Carbonsäuren bevorzugt sind.

Noch bevorzugter handelt es sich um ein Metallsalz der Neodecansäure. Bei Neodecansäure handelt es sich um eine Mischung von verzweigten gesättigten Monocarbonsäuren mit jeweils 10 Kohlenstoffatomen unterschiedlicher Struktur insbesondere um eine Mischung von 2, 2,3,5- Tetramethylhexansäure, 2,4-Dimethyl-2-isopropylpentansäure, 2,5-Dimethyl-2- ethylhexansäure, 2,2-Dimethyloctansäure und 2,2-Diethylhexansäure, Ein solches Salz zersetzt sich besonders gut durch Energiezufuhr. Durch die Zersetzung der Tinte zerfällt diese in das jeweilige Metall sowie die weiteren Zersetzungsprodukte Wasser und Kohlendioxid bzw. in deren Vorstufen in Abhängigkeit von der umgebenden Atmosphäre. Vorzugsweise handelt es sich bei dem in den Metallsalzen enthaltenen Metall um ein üblicherweise in der Elektronikindustrie verwendetes Metall wie Kupfer, Mangan, Nickel, Niob, Molybdän oder Yttrium. Auch Gold-, Silber- oder Palladiumsalze können eingesetzt werden.

Als besonders geeignet hat sich das Kupfersalz der Neodecansäure, also Kupferneodecanoat, herausgestellt. Es können aber auch gut andere Metallsalze der Neodecansäure verwendet werden, wie beispielsweise deren Mangan- oder Nickelsalz.

Die Wahl der Tintenzusammensetzung ist wichtig in Hinsicht auf die abzuscheidende Schichtstärke auf der Oberfläche während eines kompletten Austragszyklus der Tinte und in Hinsicht auf die abzuscheidende Schichtzusammensetzung. Beide Parameter werden in der Regel gleichzeitig für die jeweilige Auftragsanwendung modifiziert.

Die gewünschte Stärke der abzuscheidenden Schicht sollte in Bezug auf die Zusammensetzung der Tinte berücksichtigt werden. Hierbei ist in Betrachtung zu ziehen, ob die metallische Schicht entweder allein durch die Zersetzung der Tinte oder mit einer galvanischen Nachverstärkung erfolgen soll. Die Wahl der Methode ist vom jeweiligen Anwendungsfall abhängig und stellt einen Kompromiss zwischen Produktionsgeschwindigkeit und Produktionsmenge dar.

Wenn die abzuscheidende Schicht allein durch die Zersetzung der Tinte erfolgen soll, ist die Konzentration der Tinte entsprechend so zu wählen, dass die durch den Ausstoß der Tinte aus der Düse erzeugte Tintenschicht auf der Oberfläche aus dicht beieinander liegenden Partikeln besteht oder aus einer homogenen Beschichtung besteht, oder aber, dass die Tinte nach Verdampfen eines eventuell vorhandenen Lösungsmittels als ein geschlossener Film auf der Oberfläche vorliegt. Bei der Zersetzung der Tinte wird in Abhängigkeit vom verwendeten Metall bzw. Kation nur ein bestimmter Anteil des vorhandenen Metallsalzes in verbleibendes Metall umgesetzt. Im Fall der Verwendung von Kupferneodecanoat beträgt dieser Anteil nur circa 15 %. Dies ergibt sich aus der Relation der Molmassen von Kupfer und Kupferneodecanoat, wobei auch die Ladung des Ions des abzuscheidenden Metalls eingeht.

Möglich ist bei der gleichzeitigen Verwendung verschiedener Metallsalze auch eine Abscheidung von Legierungen, wie z.B. von Konstantan, einer Kupfer- Nickel-Mangan-Legierung. Insbesondere können also Mischungen der Metallsalze verwendet werden, also zum Beispiel eine Mischung von Kupferneodecanoat, Nickelneodecanoat und Manganneodecanoat, um die Metallschicht als Legierung zu erzeugen. Die Zusammensetzung der Legierung lässt sich dann einfach über die Zusammensetzung der Tinte steuern. Auch Schichtkombinationen können durch abwechselndes Aufträgen verschiedener Metallsalze erzeugt werden.

Die auf der Oberfläche erzeugten metallischen Schichten werden je nach Anwendungssituation eine bestimmte Dicke erreichen. Sollte diese Dicke unterhalb der gewünschten Dicke liegen, kann eine Verstärkung der vorhandenen Schicht erfolgen. Dies kann dadurch geschehen, dass eine Wiederholung der vorgenommenen Verfahrensschritte erfolgt. Es kann auch vorgesehen sein, dass ein weiteres Metall aus einem entsprechenden außenstromlosen galvanischen Bad auf der vorhandenen Schicht abgeschieden wird, wobei die bereits aufgebrachte metallische Beschichtung als Kristallisationskeim dient. Die Dicke der metallischen Schicht kann durch Anpassung einer Menge der Metallsalz der organischen Säure oder durch Änderung einer Konzentration des Metallsalzes der organischen Säure erfolgen.

Es ist auch möglich, im Anschluss an die Aufbringung der metallischen Beschichtung eine galvanische Abscheidung eines weiteren Metalls aus einem entsprechenden galvanischen Bad vorzunehmen, wobei die aufgebrachte metallische Beschichtung als Kristallisationskeim dient (insbesondere Unregelmäßigkeiten auf der Beschichtung).

Die oben genannte Aufgabe hinsichtlich des Druckkopfes wird durch die Merkmale des Anspruchs 27 gelöst. Ein solcher Druckkopf ist für eine Gesamtvorrichtung vorgesehen, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann. Der Druckkopf weist eine Düse auf, die zum Ausstößen der Tinte in Richtung der Substratoberfläche vorgesehen ist. Zur Gesamtvorrichtung gehört neben dem Druckkopf ein Tintenreservoir, aus dem der Druckkopf mit Tinte versorgt wird. Die Tinte enthält ein Metallsalz einer organischen Säure, welches als Bestandteil das aufzutragende Metall aufweist. Ferner kann der Druckkopf Mittel aufweisen, mit denen die Oberfläche des Kunststoff- oder Keramiksubstrats aufgeraut werden kann. Darüber hinaus enthält der Druckkopf auch Mittel, mit denen der Tinte Energie zugeführt werden kann, und zwar so, dass dadurch eine Zersetzung der Tinte erfolgt. Durch Zersetzung wird die metallische Beschichtung erzeugt, die dazu bestimmt sind, auf der, insbesondere aufgerauten, Oberfläche zur Herstellung der Beschichtung der Oberfläche zu haften.

Bei dem Druckkopf ergeben sich die gleichen Vorteile, wie sie zuvor im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben worden sind. Dies gilt auch für die im Folgenden beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen des Druckkopfes. Die Mittel zur Aufrauung der Oberfläche können einen Laser und/oder eine Plasmastrahlquelle und/oder eine Brenngaszuführung zur Erzeugung einer Flamme, die Kontakt mit der Oberfläche hat, aufweisen. Die zugrunde liegenden Aufrauungsmechanismen sind oben im Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert worden.

Vorzugsweise weist der Druckkopf eine Heizeinheit auf, mit der die Oberfläche des Kunststoffsubstrats erwärmt werden kann. Damit kann ein schnelles Verdampfen eines verwendeten Lösungsmittels erreicht werden. Die vorgesehene Temperatur der Substratoberfläche kann insbesondere 50 °C bis 60 °C betragen.

Die Energiezufuhrmittel zur Zersetzung der Tinte können so angeordnet sein, dass die Tinte die Energie nach dem Ausstößen aus der Düse, aber noch vor dem Auftreffen auf der Oberfläche aufnimmt. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Energiezufuhrmittel so angeordnet sind, dass die Tinte die Energie erst nach dem Auftreffen auf der Oberfläche erhält.

Die Energiezufuhrmittel können eine Brenngaszuführung in Verbindung mit einer Brenngasdüse aufweisen. Dabei ist vorgesehen, dass aus der Brenngasdüse ein Flammenkegel austritt und mit der Tinte entweder auf dem Weg zur Oberfläche oder auf der Oberfläche in Berührung kommt. Es wurde festgestellt, dass die Beschichtungsergebnisse besonders gut sind, wenn die Flamme bzw. der Flammenkegel spitzwinkelig zur Substratoberfläche ausgerichtet ist.

Die Energiezufuhrmittel können auch einen Laser aufweisen. Ein Vorteil dabei ist, dass der Wellenlängenbereich des ausgestrahlten Lichts gut an das Absorptionsspektrum der Tinte angepasst werden kann. Bei Verwendung eines Lasers zur Zersetzung der Tinte oder auch, wie oben beschrieben, zur Aufrauung der Oberfläche, muss dieser nicht in den Druckkopf integriert sein, sondern die eigentliche Laserquelle kann Teil der Gesamtvorrichtung sein und der Druckkopf ein Spiegelsystem oder einen Lichtwellenleiter enthalten, mit dem das Laserlicht der Oberfläche bzw. der Tinte zugeführt wird.

Eine weitere Möglichkeit für die Energiezufuhr besteht darin, eine Plasmastrahlquelle vorzusehen. Ferner kann auch eine Quelle für erhitztes Prozessgas vorgesehen sein, mit dem der Tinte Energie zugeführt wird, um sie zu zersetzen.

Vorzugsweise weist die Düse eine Auftragslanze auf, die eine bewegliche Düsenspitze besitzt. Die Vorteile sind oben im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben.

Die oben genannte Aufgabe hinsichtlich der Verwendung einer bestimmten Substanz zum Beschichten wird durch die Merkmale des Anspruchs 42 gelöst. Das Metallkation des Metallsalzes wird dabei durch Energiezufuhr zu dem elementaren Metall umgewandelt und in Form von der Beschichtung auf der Oberfläche abgeschieden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Tinte bzw. der Verwendung der Tinte sind in den Ansprüchen 43 und 44 aufgeführt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei auf die Figuren Bezug genommen wird. Es zeigen: Fig. 1 einen Tintenstrahldruckkopf mit einem Laser und einer Plasmastrahlquelle,

Fig. 2 einen Tintenstrahldruckkopf mit zwei Lasern,

Fig. 3 einen Tintenstrahldruckkopf mit einem Laser und einer Brenngaszuführung,

Fig. 4 einen Tintenstrahldruckkopf mit einer Plasmadüse und einem Laser,

Fig. 5 einen Tintenstrahldruckkopf mit einer Plasmadüse und einer Brenngaszuführung,

Fig. 6 eine Düse mit einer beweglichen Düsenspitze als Teil eines Tintenstrahldruckkopfes.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der in Fig. 1 gezeigte Tintenstrahldruckkopf ist mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet und ein zu bedruckendes Bauteil mit 2. Bei dem Bauteil 2, welches auch in den Fig. 2 bis 5 gezeigt ist, kann es sich zum Beispiel um eine Leiterplatte handeln. Das Bauteil 2 weist eine zu bearbeitende Oberfläche 8 aus Kunststoff auf und stellt das Kunststoffsubstrat dar.

Der Druckkopf 1 weist eine nur sehr schematisch dargestellte Halterungseinrichtung 4 auf, bei der es sich zum Beispiel um einen Montageflansch handeln kann. Die Halterungseinrichtung 4 ist auch jeweils in den Fig. 2 bis 6 dargestellt. An der Halterungseinrichtung 4 sind mehrere Bauteile des Druckkopfes 1 befestigt. Hierbei handelt es sich um einen Laser 6 zur Vorbehandlung der Oberfläche 8. Der Laser 6 dient speziell dazu, die Oberfläche 8 aufzurauen, indem ein Lichtstrahl 10 des Lasers 6 entlang der Linien bzw. Bereiche der Oberfläche 8 geführt wird, die mit einem Metall beschichtet werden sollen. Im Nachgang dazu wird ein Sprühkopf 12 mit einer Düse 13, aus der Tinte in Form eines Tintenstrahles 13' ausgestoßen wird, über die aufgerauten Bereiche geführt. Die Tinte enthält ein Salz einer organischen Säure, das wiederum das aufzutragende Metall, zum Beispiel Kupfer, enthält. Zur Erwärmung der Tinte weist der Sprühkopf 12 einen Heizmantel 14 auf.

Ferner weist der Druckkopf 1 eine Plasmadüse 15 auf, mit der ein Plasma 16 auf die mit Tinte versehenen Bereiche gerichtet werden kann. Dadurch findet eine Zersetzung der Tinte, insbesondere des Salzes statt, so dass die Metallbeschichtung bzw. die Kupferbeschichtung auf der Oberfläche 8 aufgrund der Aufrauung haften bleiben.

Es ist vorgesehen, dass der Laser 6, der Sprühkopf 12 und die Plasmadüse 15 mittels der Haltevorrichtung 4 entsprechend über die Oberfläche 8 bewegt werden. Alternativ wäre es auch möglich, das Bauteil 2 entsprechend relativ zu der Haltevorrichtung 4 und den genannten Bauteilen zu bewegen.

Der Tintenstrahldruckkopf gemäß Fig. 2 ist mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet. Er unterscheidet sich von dem Tintenstrahldruckkopf 1 folgendermaßen: Statt einer Plasmadüse 15 weist der Druckkopf 20 einen weiteren Laser 21 auf. Dieser dient wie die Plasmadüse 15 dazu, der auf die Oberfläche 8 bereits mittels des Sprühkopfes 12 aufgetragenen Tinte Energie zuzuführen. Dazu kann ein Lichtstrahl 22 schräg, möglich wäre aber auch senkrecht, auf die mit Tinte versehenen Bereiche der Oberfläche 8 geführt werden, so dass auch hier eine Zersetzung der Tinte bzw. des Salzes stattfindet. Der Tintenstrahldruckkopf gemäß Fig. 3 ist mit dem Bezugszeichen 25 bezeichnet. Er unterscheidet sich von dem Tintenstrahldruckkopf 1 folgendermaßen: Statt der Plasmadüse 15 weist der Druckkopf 25 eine Brenngaszuführung 26 mit einer Brenngasdüse 27 auf. Auch sie dienen dazu, der auf die Oberfläche 8 aufgebrachten Tinte Energie zuzuführen, um sie zu zersetzen.

Der Tintenstrahldruckkopf gemäß Fig. 4 ist mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet. Er unterscheidet sich von dem Tintenstrahldruckkopf 20 folgendermaßen: Statt des Lasers 6 ist zur Aufrauung der Oberfläche 8 des Bauteils 2 eine Plasmadüse 31 vorgesehen, durch die ein Plasma 32 mit der Oberfläche 8 in Kontakt gebracht werden kann. Zudem weist der Tintenstrahldruckkopf 30 eine Heizeinheit 33 zur Erwärmung des Kunststoffsubstrats 2 auf.

Der Tintenstrahldruckkopf gemäß Fig. 5 ist mit dem Bezugszeichen 35 bezeichnet. Er unterscheidet sich von dem Tintenstrahldruckkopf 30 folgendermaßen: Statt des Lasers 21 ist eine Brenngaszuführung 26 mit einer Brenngasdüse 27 vorgesehen, durch die eine Flamme auf die Tinte gerichtet werden kann, um ihr Energie zuzuführen und dadurch ihre Zersetzung zu erreichen.

In Fig. 6 ist eine Hohlkugel 2‘ gezeigt. Sie besitzt eine Innenfläche 8‘, die beschichtet werden soll. Dazu ist als Teil eines Tintenstrahldruckkopfes eine Auftragslanze 12' vorgesehen. Die Auftragslanze 12' kann unmittelbar an einer Halterungseinrichtung 4 befestigt sein oder Teil eines an der dieser befestigten Sprühkopfes sein. Die Auftragslanze 12' kann an mehreren Stellen abgeknickt werden und besitzt dadurch eine bewegliche Spitze, die eine Düse 38 darstellt, aus der Tinte in Form eines Tintenstrahles 13' ausgestoßen werden kann. Somit ist es mit der Auftragslanze 12‘, die durch eine später zu verschließende Öffnung 39 der Hohlkugel 2‘ eingeführt worden ist, möglich, die gesamte Innenfläche zwecks Beschichtung mit der beweglichen Düse 38 zu erreichen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird ein Kunststoffbauteil aus Polyamid (PA66) mit einem Glasfasergehalt von 35% zunächst mittels eines geeigneten Lasers aufgeraut, so dass eine Mikrostruktur entsteht, die Materialbrücken enthält. Dann wird Tinte über eine Auftragsdüse in verdünnter Form (5% Kupferneodecanoat (p. a.), 95% Isopropanol (p. a.) auf die entstandene Rauheit appliziert. Zunächst wird so die Struktur vollständig mit der Tinte versehen und in einem zweiten Durchlauf wird durch Energiezufuhr, wiederum mittels eines Lasers, die Tinte zersetzt. Anschließend kann das Bauteil in Bezug auf die Mikrostruktur chemisch verkupfert werden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird eine Platte glasfaserverstärkten Polyesterharzes mit einer Wasserstoffflamme schräg, also in einem spitzen Winkel zur Oberfläche, zur Aufrauung von zu beschichtenden Stellen überfahren. Direkt im Anschluss wird die Tinte auf diese Stellen appliziert (65% Kupferneodecanoat, 35% Isopropanol) und sofort mittels einer zweiten Wasserstoffflamme zersetzt, wobei sich eine geschlossene metallische Schicht einer Stärke von 2-3 pm Kupfer abscheidet. Die hierbei erzielten Leitfähigkeiten erreichen zwischen 85% und 100% der Leitfähigkeit nicht chemisch und nicht galvanisch abgeschiedenen, metallischen Kupfers.

Bezugszeichenliste:

1 Tintenstrahldruckkopf

2, 2‘ zu bedruckendes Bauteil

4 Halterungseinrichtung Laser Oberfläche von 2 ‘ Innenfläche von 2‘0 Lichtstrahl von 6 2 Sprühkopf 2‘ Auftragslanze 3 Düse 3‘ Tintenstrahl 4 Heizmantel 5 Plasmadüse 6 Plasma 0 Tintenstrahldruckkopf1 Laser 2 Lichtstrahl von 21 5 Tintenstrahldruckkopf6 Brenngaszuführung7 Brenngasdüse 0 Tintenstrahldruckkopf1 Plasmadüse 2 Plasma 3 Heizeinheit 5 Tintenstrahldruckkopf8 bewegliche Düse 9 Öffnung von 2‘