La métallisation de surface polymère par procédés plasmas : étude de l’adhésion à l’interface métal/polymère

Metallization of polymer surfaces by plasma processes : study of the adhesion at themetal/polymer interface

• Auteur / Autrice : Charlène Lambaré
• Direction : Pierre-Yves Tessier, Dominique Debarnot, Fabienne Poncin-Epaillard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux - Plasmas froids, couches minces et polymères
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : École polytechnique de l'Université de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Agnès Granier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Yves Tessier, Dominique Debarnot, Fabienne Poncin-Epaillard, Agnès Granier, Vincent Roucoules, Philippe Supiot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Roucoules, Philippe Supiot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cuivre

Métallisation

Polymères

Mots clés libres

Peek

Plasma

Titane

Résumé

La métallisation des matières plastiques concerne aujourd’hui un grand nombre d’applications industrielles (automobile, électronique, etc. ). Actuellement, la métallisation des polymères consiste à déposer un film métallique conducteur à partir de gamme chimique et/ou électrochimique. L’attaque chimique de la surface utilise notamment du chrome hexavalent (CrVI), une espèce cancérigène, mutagène et toxique pour la reproduction. Ce projet a permis d’étudier une technologie plasma innovante visant à s’affranchir du CrVI. Cette technologie est basée sur l’utilisation de procédés plasmas froids générés à basse pression. Elle doit permettre d’effectuer à la fois le traitement préalable de la surface du polymère puis sa métallisation. L’étude s’est portée sur les polymères ABS, ABS/PC et PEEK utilisés par les partenaires industriels du projet. Les polymères ont été revêtus par une couche mince métallique de cuivre. La métallisation a été réalisée en deux étapes. La première phase de fonctionnalisation plasma permet d’améliorer à la fois la mouillabilité de surface et d’augmenter sa rugosité. Cette étape conduit à une augmentation de l’adhérence de la couche métallique sur les polymères. La deuxième étape consiste à déposer la couche métallique par pulvérisation cathodique magnétron. La modification des paramètres tels que la polarisation ou la température du porte substrat au cours du dépôt ont été étudiés en vue d’une amélioration de l’adhérence de la couche métallique sur les polymères. De plus, l’utilisation d’une première couche mince d’accroche de titane, avant le dépôt de cuivre, a permis une augmentation de l’adhérence métal/polymère.

Today, the metallization of plastics materials deals with a lot of industrial applications in the field of automotive, electronic, etc. Nowadays, for industrial applications, the metallization of polymers is generally performed by a chemical and/or electrochemical process. These chemicals routes require the use of hexavalent chromium (CrVI), a specie which is carcinogenic, mutagenic and toxic for the reproduction, during the surface etching before metal deposition. This project aims at studying an innovative plasma process free of CrVI. This process is based on cold plasma generated at low pressure which allows both the surface treatment and the metal coating. The study was focused on ABS, ABS/PC and PEEK polymers used by industrial partners. A copper metallic layer was deposited on the polymer surface. Metallization is done in two steps. The first step is the plasma functionnalization allowing to improve the surface wettability and surface roughness. These two parameters lead to an increase of the adhesion of the copper layer on polymers. The second step is the deposition of the metallic layer by cathodic magnetron sputtering. The modification of deposition parameters such as bias voltage or temperature substrate holder during the deposition was studied in order to improve the metallic layer adhesion on polymers. Moreover, the use of a titanium layer as a primary layer, before copper deposition, has led to an increase of the metal/polymer adhesion.