AT512001B1 - Schicht mit einem lichtwellenleiter und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schicht, die gegebenenfalls mindestens einen Lichtwellenleiter aufweist, umfassend folgende Schritte: a) Mischen zumindest eines endständige Hydroxylgruppen aufweisenden Organopolysiloxans mit zumindest einem Alkoxysilan, das eine kovalent gebundene funktionelle Gruppe aufweist, die nicht mit den Hydroxylgruppen reagiert und durch Bestrahlen mit einer identen Gruppe eine Polymerisationsreaktion eingeht, sowie optional eines Fotoinitiators und gegebenenfalls eines Katalysators, um eine flüssige Mischung zu erstellen; b) Behandeln der so erstellten Mischung zur Kondensation des Organopolysiloxans mit dem Alkoxysilan; c) Aufbringen der Mischung auf ein Substrat zur Bildung der Schicht; d) optional Wärmebehandeln der Schicht; e) Bestrahlen der Schicht, um den zumindest einen Lichtwellenleiter auszubilden. Mit einem derartigen Verfahren kann eine gegebenenfalls freistehende Schicht erstellt werden, die eine hohe optische Transparenz, chemische und thermische Stabilität, eine hohe Flexibilität und gute Lagerbarkeit aufweist. Darüber hinaus kann in der Schicht zumindest ein Lichtwellenleiter ausgebildet werden, wobei ein Fotostrom auch nach längerer Lagerung steigt oder zumindest konstant bleibt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schicht sowie ein Substrat mit einer solchen Schicht.

Description

Beschreibung

SCHICHT MIT EINEM LICHTWELLENLEITER UND VERFAHREN ZU DEREN HERSTEL¬LUNG

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schicht, die mindestens einenLichtwellenleiter aufweist.

[0002] Des Weiteren betrifft die Erfindung eine derartige Schicht.

[0003] Schließlich betrifft die Erfindung ein Substrat, insbesondere eine Leiterplatte, mit einersolchen Schicht.

[0004] In der Leiterplattentechnologie ist man bestrebt, einzelne Komponenten kostengünstiger,aber zugleich auch effizienter und leistungsfähiger auszubilden. Insbesondere einer Entwick¬lung von integrierten optischen Signalverbindungen kommt in diesem Zusammenhang einegroße Bedeutung zu. Die derzeit vorherrschende Kupfertechnologie wird voraussichtlich bezüg¬lich der Datenübertragung bald an Grenzen stoßen, weshalb optische Verbindungsstrecken zurHerstellung von hochbitratigen Kurzstreckenverbindungen eine sinnvolle Alternative zu hoch¬frequenten elektrischen Verbindungen darstellen. Es wird erwartet, dass optoelektronischeVerbindungen einen Quantensprung in der Funktionalität von Leiterplatten und die Realisierunghochkomplexer Produktapplikationen, eine weitere Miniaturisierung von Leiterplatten, eineErhöhung der Integrationsdichten von Bauteilen und damit eine höhere Produktwertschöpfungermöglichen. Leiterplatten mit optischen Verbindungen werden voraussichtlich dort zum Einsatzkommen, wo Applikationen höchste Datenströme zwischen Bauelementen, Modulen oder Funk¬tionseinheiten (z. B. Multiprozessor-Boards) oder ein platzsparendes Design von Verbindungs¬strecken (z. B. bei mobilen Anwendungen) benötigen.

[0005] Verbindungen auf Basis diskreter Lichtwellenleiter sind sehr aufwendig in der Herstel¬lung und durch eine komplexe Verbindungstechnik entsprechend kostenintensiv. Es werdendaher neue Möglichkeiten entwickelt, um optische Verbindungsstrecken (E/O-Wandler - Licht¬wellenleiter - O/E-Wandler) vollständig in eine Multilayer-Leiterplatte zu integrieren.

[0006] Eine vielversprechende Methode zur Herstellung vollständig integrierter optischer Ver¬bindungen ist die Verwendung von Schichten, die durch Bestrahlung in einem Zwei-Photonen-Prozess (two photon absorption, kurz TPA; Referenz: H. Sun, S. Kawata, Advances in PolymerScience Vol. 170, 2004, 169 bis 273) eine Änderung des Brechungsindex in bestrahlten Berei¬chen ermöglichen, sodass aufgrund der durch Bestrahlung erzeugten Brechungsindexunter¬schiede zwischen bestrahlten Bereichen und umgebender, nicht bestrahlter Matrix Lichtwellen¬leiter in die Schichten eingeschrieben werden können.

[0007] Eine Strukturierungstechnologie mit TPA benötigt zwingend ein geeignetes optischesMaterial, an das sehr hohe Anforderungen gestellt werden. Zum einen muss das Material einehohe optische Transparenz aufweisen und durch Bestrahlung strukturierbar sein.

[0008] Zum anderen ist auch eine hohe chemische und thermische Stabilität erforderlich, so¬dass die Schicht bzw. das entsprechende Material kompatibel zu einem Standardprozess in derLeiterplattentechnologie ist, wo in verschiedenen Verfahrensschritten durchaus Temperaturenvon 150 °C bis 200 °C erreicht werden. Des Weiteren ist eine hohe mechanische Flexibilitätgefordert, sodass die Schicht bzw. das Material auch mit nunmehr verstärkt am Markt vertrete¬nen sogenannten Rigid-flex-Leiterplatten verwendet werden kann. Darüber hinaus werden auchan eine Lagerbarkeit Anforderungen gestellt, da die Schicht nach längerer Lagerung keineFunktionalitätseinbußen zeigen soll.

[0009] Aus dem Stand der Technik sind unter anderem Verfahren bekannt geworden, mit wel¬chen Schichten erstellt werden können, die durch Bestrahlung ein Einschreiben von Lichtwel¬lenleitern ermöglichen.

[0010] Aus der DE 101 48 894 A1 ist ein fotochemisch und/oder thermisch strukturierbares

Silanharz bekannt geworden, das aus niedermolekularen Ausgangsmaterialien gebildet wird.Ein Nachteil dieses Materials besteht allerdings in der hohen und kosten intensiven Herstellung,da insbesondere ein hoher Aufwand für die Entfernung eines Lösungsmittels zu betreiben ist.Darüber hinaus ergeben sich aufgrund einer Verwendung niedermolekularer Ausgangsmateria¬lien bei der Herstellung niedrige Viskositäten der zu verarbeitenden Mischungen, was ein zu¬sätzlicher Nachteil bei einer Beschichtung eines Substrates ist. Im Übrigen sind entsprechenderstellte Schichten auch wenig flexibel, was ein weiterer großer Nachteil beim Aufbringen einersolchen Schicht auf ein flexibles Leiterplattensubstrat ist. Ferner scheint der Prozess der Bil¬dung des Silanharzes aus niedermolekularen Ausgangsverbindungen in Bezug auf eine homo¬gene Ausbildung einer Schicht schwer kontrollierbar zu sein.

[0011] Aus der JP 2005215500 A ist ein Siliconharz bekannt, das aus mehreren Organopolysi-loxanen gebildet wird. Ein Einschreiben von Lichtwellenleitern erfolgt mittels Laser, wobei aller¬dings der Mechanismus nicht genau geklärt sein zu scheint und kein gesonderter Vernetzer beider Erstellung der Schicht beigemengt wird.

[0012] In der WO 01/96915 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Schicht mit einem Licht¬wellenleiter offenbart, wobei ein Zwei-Photonen- bzw. TPA-Prozess zur Ausbildung des Licht¬wellenleiters angewendet wird. In Bezug auf die Materialien können insbesondere fotostruktu¬rierbare Polyimide eingesetzt werden.

[0013] In der WO 03/037606 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Körperbeschrieben, bei welchem eine Verfestigung eines Organopolysiloxans durch Zwei-Photonen-Strukturierung erzielt wird. Bei der Herstellung des entsprechenden Basismaterials wird vonMonomeren ausgegangen.

[0014] Aus der WO 2006/075849 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Schicht mit einemLichtwellenleiter bekannt geworden, wobei 3-Acryloxypropyltrimethoxysilan mit Diphenylsilandi-ol, Natriumhydroxid und einem fotosensitiven organischen Monomer umgesetzt wird. Aus der soerstellten Lösung wird eine Schicht hergestellt, in welcher ein Lichtwellenleiter durch ortsaufge¬löste Bestrahlung eingeschrieben werden kann.

[0015] Aus der WO 2009/021256 A1 ist eine Schicht mit einem Lichtwellenleiter bekannt ge¬worden, wobei die Schicht auf einer Leiterplatte aufgebracht sein kann. Dabei wird von zumin¬dest einem Organopolysiloxan ausgegangen, wobei wenigstens zwei voneinander verschiede¬ne Initiatoren bzw. Initiatorsysteme sowie gegebenenfalls wenigstens ein Quervernetzer vorge¬sehen sind. Es wird ein Vorpolymerisat aus einer Mischung mit dem Organopolysiloxan gebil¬det, wonach das Vorpolymerisat mittels thermischer oder fotochemischer Polymerisation vorpo¬lymerisiert wird. Anschließend kann beispielsweise mit TPA ein Lichtwellenleiter eingeschriebenwerden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass in den so ausgebildeten Lichtwellenleitern nurein geringer Fotostrom gemessen werden kann, der zudem mit zunehmender Lagerungszeitabnimmt.

[0016] Aus der vorstehenden Darstellung des Standes der Technik ergibt sich, dass die vorge¬schlagenen Schichten, soweit diese bereits zur Ausbildung von Lichtwellenleitern auf Leiterplat¬ten angedacht wurden, die vielfältigen zuvor aufgezählten Anforderungen nicht vollständigerfüllen können.

[0017] Aus der DE 20 2006 018 400 A1 sind weiter UV-vernetzbare Polysiloxane mit acrylamid¬funktionellen Endgruppen bekannt, die nach einem „Dual-Cure“-Verfahren ausgehärtet werden,wobei neben einer radikalischen Härtung bei Kontakt mit (Luft-)Feuchtigkeit eine Silankonden¬sation als zweiter Härtungsschritt folgt.

[0018] Aus der DE 38 87 442 T2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Polysiloxanen mit end¬ständigen Hydroxylgruppen bekannt geworden. In der DE 2 335 118 A1 sind Organopolysiloxa-ne und deren Herstellung offenbart, wobei die Organopolysiloxane funktionelle Acrylatgruppenumfassen, die gegebenenfalls substituiert sein können.

[0019] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem eine hohe optische Transparenz aufweisende Schicht herstellbar ist, die eine beson¬ders gute chemische und thermische Stabilität aufweist, hochflexibel ist, insbesondere als frei¬stehende Schicht, einfach und kostengünstig herstellbar ist und einen hohen Fotostrom in ein¬geschriebenen Lichtwellenleitern ermöglicht, der vorzugsweise nach einer Lagerung noch höherist als unmittelbar nach einer Strukturierung.

[0020] Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Schicht mit entsprechenden Vorteilen anzu¬geben.

[0021] Ferner ist es ein Ziel der Erfindung, ein Leiterplattensubstrat mit einer derartigen Schichtanzugeben.

[0022] Die verfahrensmäßige Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, wenn ein Verfahren dereingangs genannten Art folgende Schritte umfasst: [0023] a) Mischen zumindest eines endständige Hydroxylgruppen aufweisenden Organopolysi- loxans mit zumindest einem Alkoxysilan, das eine kovalent gebundene funktionelleGruppe aufweist, die nicht mit den Hydroxylgruppen reagiert und durch Bestrahlenmit einer identen Gruppe eine Polymerisationsreaktion eingeht, sowie optional einesFotoinitiators und gegebenenfalls eines Katalysators, um eine flüssige Mischung zuerstellen; [0024] b) Behandeln der so erstellten Mischung zur Kondensation des Organopolysiloxans mit dem Alkoxysilan; [0025] c) Aufbringen der Mischung auf ein Substrat zur Bildung der Schicht; [0026] d) optional Wärmebehandeln der Schicht; [0027] e) Bestrahlen der Schicht, um den zumindest einen Lichtwellenleiter auszubilden.

[0028] Ein mit einem erfindungsgemäßen Verfahren erzielter Vorteil ist darin zu sehen, dass aufeinfache und kostengünstige Weise eine Schicht erstellt werden kann, welche eine hohe opti¬sche Transparenz sowie eine gute chemische und thermische Stabilität aufweist. Dies ermög¬licht es, die Schicht auf Leiterplatten aufzubringen, da die Schicht grundsätzlich in Leiterplatten¬prozessen erreichten Temperaturen von 150 °C bis 200 °C standhalten kann. Es ist allerdingsnicht unbedingt erforderlich, dass die Schicht ständig auf einem Substrat angeordnet ist. Viel¬mehr kann die Schicht auch bloß während der Herstellung vorläufig auf einem Substrat erstelltund anschließend abgezogen werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass eine mit einemerfindungsgemäßen Verfahren erstellte Schicht eine hohe Flexibilität aufweist. Selbstverständ¬lich erweist sich dies auch als Vorteil, wenn die Schicht auf einem hochflexiblen Leiterplatten¬substrat aufzubringen ist, da die Schicht allfälligen Verbiegungen des Leiterplattensubstratesfolgen kann, ohne zu brechen bzw. zu reißen.

[0029] Ein anderer Vorteil eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass eineSchicht erstellt werden kann, in welche günstige Eigenschaften aufweisende Lichtwellenleiterdreidimensional vorzugsweise mit TPA eingeschrieben werden können. Insbesondere hat sichgezeigt, dass nach Ausbildung eines Lichtwellenleiters in einer erfindungsgemäß hergestelltenSchicht auch nach einer bestimmten Lagerungszeit ein Fotostrom nicht nur stabil ist, sonderndurchaus höher sein kann. Die Ursachen hierfür sind noch nicht geklärt, es ist allerdings vonVorteil, dass der Fotostrom steigt.

[0030] Ein weiterer großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass es sichbei dem erstellten Material um ein bifunktionales „one-pot“-Material handelt, d. h., es werdenalle Komponenten zusammengefügt und ein Material erhalten, in dem zwei Reaktionen getrenntablaufen können, nämlich einerseits eine matrixvernetzende Kondensationsreaktion und ande¬rerseits eine gegebenenfalls fotochemisch initiierte Polymerisationsreaktion der an die Polymer¬kette kovalent gebundenen funktionellen Gruppen.

[0031] Im Übrigen ist eine erfindungsgemäß hergestellte Schicht monomerfrei, weist oftmalskeine Eigenfärbung auf und hat gegebenenfalls eine gute Adhäsion zu Substraten. Somit kann mit einem erfindungsgemäßen Verfahren eine Schicht hergestellt werden, die zumindest dieeingangs genannten Anforderungen zufriedenstellend erfüllt. Bei einem erfindungsgemäßenVerfahren reagiert das eingesetzte Alkoxysilan mit dem Organopolysiloxan bzw. dessen end¬ständigen Hydroxylgruppen, wodurch eine Vernetzung der eingesetzten Einheiten des Organo-polysiloxans erreicht wird. Die kovalent gebundene funktionelle Gruppe des Alkoxysilans rea¬giert dabei nicht und steht in der Folge für eine nachfolgende fotochemische Polymerisationbzw. eine intensivere Vernetzung des Materials und somit eine Erhöhung des Brechungsindexzur Verfügung, um nach Bildung einer Schicht durch bereichsweises Bestrahlen Lichtwellenlei¬ter auszubilden. Diesbezüglich kann vorgesehen sein, dass der Mischung vor der Bildung derSchicht ein Fotoinitiator beigemengt wird, mit welchem ein späteres Vernetzen unter Ausbildungdes Lichtwellenleiters ermöglicht wird. Als Fotoinitiator für einen „Ein- Photonen-Strukturie-rungsprozess“ kommt beispielsweise der käuflich erwerbbare Fotoinitiator Irgacure 379 zurAnwendung. Als Fotoinitiator für TPA kommen handelsübliche Fotoinitiatoren mit ausreichen¬dem TPA-Wirkungsquerschnitt oder speziell für TPA-Prozesse hergestellte Fotoinitiatoren zumEinsatz. Für die Kondensationsreaktion ist es nicht zwingend, kann aber vorgesehen sein, dassder Mischung ein Katalysator für Kondensationsreaktionen bei Raumtemperatur, beispielsweiseein Zinn-Katalysator wie Dioctylzinndilaurat oder Dibutylzinndiazetat beigemengt wird. Katalysa¬tor und Fotoinitiator sind grundsätzlich in Anteilen von jeweils weniger als 3 Gewichtsprozent(Gew.-%) in der Mischung vorgesehen. Die übrigen Anteile werden vom Organopolysiloxansowie dem Alkoxysilan gebildet. Ein gesondertes Lösungsmittel ist grundsätzlich nicht erforder¬lich, wenn das Organopolysiloxan bei Raumtemperatur flüssig ist, was zumindest bis zu mittle¬ren Molmassen des Organopolysiloxans zutrifft.

[0032] Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Organopolysiloxan ein Molekulargewicht von 200bis 20000 gmol'1, vorzugsweise 500 bis 2000 gmol"1, insbesondere 800 bis 1200 gmol"1, auf¬weist. Bei entsprechenden Molekulargewichten können die eingesetzten Organopolysiloxanenicht nur flüssig sein, sondern ergeben auch im Zusammenspiel mit den weiteren Komponenteneine optimale Viskosität für ein Aufbringen der flüssigen Mischung auf ein Substrat, wobei dieerstellte Mischung vor Aufbringen auf das Substrat noch zur Viskositätseinstellung behandeltwerden kann. Beispielsweise kann die erstellte Mischung bei Raumtemperatur gerührt werden,um das Organopolysiloxan mit dem Alkoxysilan zu kondensieren. In dieser Phase koppelt dasAlkoxysilan an die endständigen Hydroxylgruppen des Organopolysiloxans unter Abspaltungeines Alkohols und Ausbildung eines entsprechenden Derivats. Diese Kondensationsreaktionkann für beispielsweise maximal 100 Minuten durchgeführt werden, um eine Viskosität so ein¬zustellen, dass beispielsweise mittels Dip-Coating oder Spin-Coating ein gutes Aufbringen aufein Substrat möglich ist. Diese Kondensationsreaktion kann wie erwähnt bei Raumtemperaturdurchgeführt werden, wenngleich die Reaktion auch bei höheren Temperaturen durchgeführtwerden kann. Eine besondere Maßnahme betreffend die Atmosphäre ist nicht erforderlich,sodass dieser Schritt auch an Luft durchgeführt werden kann. Aufgrund der vorzugsweisenDurchführung bei Raumtemperatur ist die Kondensationsreaktion so langsam, dass die Einstel¬lung einer Viskosität und damit optimale Bedingungen für ein nachfolgendes Aufbringen auf einSubstrat sehr einfach kontrollierbar sind. Sobald durch die Kondensationsreaktion eine geeigne¬te Viskosität der flüssigen Mischung gegeben ist, kann gegebenenfalls nach einem Entgasenund Filtrieren ohne Schwierigkeiten eine Schicht mit einer Dicke von 100 bis 700 pm, vorzugs¬weise 200 bis 500 pm, auf dem Substrat aufgebracht werden. Durch die Kondensationsreaktionist mit Vorteil auch sichergestellt, dass eine homogene Verteilung der fotochemisch zu vernet¬zenden funktionellen Gruppen in der Mischung und später in der Schicht gegeben ist. Da keinefreien Monomere in der Mischung vorhanden sind, ist auch eine Phasentrennung ausgeschlos¬sen, die in anderen Systemen zu großen Inhomogenitäten einer Schicht führen kann.

[0033] Grundsätzlich können beliebige Organopolysiloxane im Rahmen der Erfindung einge¬setzt werden, beispielsweise hydroxylterminierte Polytrifluoropropylenmethylsiloxane. VonVorteil ist es jedoch, wenn das Organopolysiloxan ein Siloxan der Formel I

(I) ist. Derartige Organopolysiloxane sind nicht nur relativ kostengünstig käuflich erwerbbar, son¬dern ergeben auch eine gewünschte Flexibilität sowie chemische und thermische Stabilitäteiner erstellten Schicht. Darüber hinaus ist auch die erforderliche optische Transparenz gewähr¬leistet, die für einen nachfolgenden Strukturierungsprozess mittels Bestrahlung wesentlich ist.Die Reste R1, R2, R3, R4 stellen dabei jeweils einen gegebenenfalls substituierten Alkyl-, Cyc-loalkyl-, Aryl- oder Aralkyl-Rest, gegebenenfalls halogeniert, dar und die Reste R5, R6, R7, R8sind bevorzugt ein Cr bis C5-Alkyl, insbesondere ein lineares Cr bis C5-Alkyl. Dabei kannvorgesehen sein, dass die Reste R1 und R2 einerseits und R3 und R4 andererseits ident sind.Auch die Reste R5, R6, R7, R8 können optional ident sein.

[0034] Als Alkoxysilan wird im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt einTrialkoxysilan eingesetzt, damit zum einen in einer ersten Kondensationsreaktion eine Ankop¬pelung des Trialkoxysilans unter Abspaltung eines entsprechenden Alkohols an eine Hydro¬xylgruppe des Organopolysiloxans erfolgen kann. In einer weiteren Kondensationsreaktionkönnen die zwei verbleibenden Alkoxygruppen mit weiteren Alkoxygruppen eines weiterenOrganopolysiloxans reagieren, wodurch eine Vernetzung in einer erstellten Schicht erreichtwird. Grundsätzlich können dabei beliebige Trialkoxysilane eingesetzt werden, zum Beispiel einTriethoxysilan. Damit eine Reaktionszeit allerdings möglichst kurz gehalten wird, ist es vonVorteil, wenn das Trialkoxysilan ein Trimethoxysilan ist. Bereits ein Übergang auf ein Triethoxy¬silan führt dazu, dass eine Reaktionszeit für die Kondensationsreaktionen bedeutend ansteigenkann.

[0035] Das Alkoxysilan weist eine oder mehrere funktionelle Gruppen auf, die ohne oder miteinem Fotoinitiator fotochemisch polymerisierbar ist bzw. sind, sodass in einer abgeschiedenenSchicht entsprechende funktionelle Gruppen zur Verfügung stehen, die durch Bestrahlen einbereichsweises Polymerisieren und damit die Ausbildung eines Lichtwellenleiters ermöglichen.Als funktionelle Gruppe kommen insbesondere Vinyl-, Allyl-, Acrylat- oder Methacrylat-Gruppeninfrage.

[0036] Um möglichst rasch eine gewünschte Viskosität des Organopolysiloxans nach einerKondensationsreaktion von dessen Hydroxylgruppen mit dem Alkoxysilan einzustellen, ist eszweckmäßig, dass die Mischung mit zumindest 65 Gew.-%, vorzugsweise zumindest 75 Gew.-%, des Organopolysiloxans erstellt wird. Ein Anteil des Alkoxysilans liegt bevorzugt im Bereichvon 5 bis 25 Gew.-%. Neben den zwei genannten Komponenten können des Weiteren einKatalysator für die Kondensationsreaktion der Hydroxylgruppen mit dem Alkoxysilan sowie einFotoinitiator für eine nachfolgende Fotostrukturierung der Mischung beigegeben werden.

[0037] Es ist nicht zwingend, kann aber vorgesehen sein, dass im Anschluss an eine Aufbrin¬gung der Mischung auf ein Substrat und nach weiterer Kondensation der Alkoxygruppen desOrganopolysiloxans optional eine Wärmebehandlung erfolgt. Grundsätzlich ist es ausreichend,dass nach Aufbringen der Schicht auf ein Substrat eine Temperaturbehandlung für maximal 100Minuten bei 100 °C erfolgt, um Nebenprodukte zu entfernen. Dadurch wird die erstellte Schichtschrumpfstabil sowie lagerstabil. Durch eine zusätzliche Temperaturbehandlung bei 100 °Ckann die erstellte Schicht fixiert werden, wodurch deren Stabilität weiter erhöht und insbesonde¬re ein Schrumpfen im Wesentlichen ausgeschlossen wird.

[0038] Entsprechend den vorstehend dargestellten Vorteilen eines erfindungsgemäßen Verfah¬rens werden die weiteren Ziele der Erfindung durch eine erfindungsgemäß hergestellte Schichtsowie ein Substrat mit einer derartigen Schicht erreicht.

[0039] Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich anhand dernachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiele. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezuggenommen wird, zeigen: [0040] Fig. 1a bis 1c grafische Darstellungen der einzelnen Schritte einer Herstellung einer erfindungsgemäßen Schicht mit einem Lichtwellenleiter; [0041] Fig. 2 ein Diagramm betreffend eine Umwandlung von Doppelbindungen von

Acrylatgruppen in Abhängigkeit einer Bestrahlungszeit (Ein-Photonen-Prozess) und für verschiedene Fotoinitiatoren; [0042] Fig. 3 eine mikroskopische Aufnahme im Phasenkontrastmodus von in einer

Schicht eingeschriebenen Lichtwellenleitern für verschiedene Laserleis¬tungen (TPA- Strukturierung); [0043] Fig. 4 ein Lichtwellenleiterbündel bei Beobachtung in einem optischen Mikro¬ skop; [0044] Fig. 5 eine Auskopplung von Licht, das in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt wurde; [0045] Fig. 6 Fotoströme für verschiedene Proben nach einer TPA-Strukturierung sowie nach Lagerung. BEISPIEL 1 [0046] 5,0 g mit Silanol terminiertes Diphenylsiloxan-Dimethylsiloxancopolymer (ABCR GmbH,Viskosität 50 bis 60 cSt., Molekulargewicht 900 bis 1000 gmol'1, 14 mol-% Diphenylsiloxan),1,0 g des Vernetzers Acryloxymethyltrimethoxysiloxan (ABCR GmbH), 1,2 mg (0,02 Gew.-%)des Fotoinitiators 1,5-bis(4(dimethylamino)phenylpentan-1,4-dien- 3-on (N-DPD) und 60 mg(etwa 1 Gew.-%) des Vernetzungskatalysators Di-n-octyl-zinndilaurat (ABCR GmbH) werdengut miteinander vermischt, wobei der Fotoinitiator und der Katalysator zuerst im Vernetzervollständig gelöst werden. Zur Erhöhung der Viskosität wird die Mischung anschließend für eineStunde bei Raumtemperatur gerührt. Danach erfolgt das Aufbringen des Polysiloxanmaterialsmittels Auftropfen auf einen mit Dioden bestückten Demonstrator. Daraufhin wird das Materialbei Raumtemperatur für eine Stunde an Luft ausgehärtet. Zum Entfernen der entstehendenNebenprodukte und zur Stabilisierung des Materials bezüglich Schrumpf wird der so hergestell¬te Demonstrator für eine Stunde einer Temperaturbehandlung bei 100 °C unterzogen. Bei glei¬cher Verfahrensweise kann alternativ zu einem Auftropfen auf einen Demonstrator auch einDip-Coating oder Spin-Coating zur Bildung einer Schicht angewendet werden.

[0047] Mit einem Femtosekundenlaser wird mittels TPA in 100 pm Tiefe bei einem Vorschubvon 2 mms"1 und einer Laserleistung von 190 pW ein Wellenleiterbündel eingeschrieben.

[0048] Um die Qualität eines Wellenleiters zu prüfen, wird nach der Strukturierung eine Fo¬tostrommessung durchgeführt. Dabei wird das von einer in das Material eingebetteten Laserdi¬ode emittierte Licht durch einen Wellenleiter zu einer ebenfalls im Material eingebetteten Foto¬diode geleitet. Der auf der Fotodiode durch das eintreffende Licht generierte Fotostrom wirdmittels Picoamperemeter gemessen. BEISPIEL 2 [0049] Die Herstellung der Materialmischung aus Beispiel 1 wird mit 1 Gew.-% Irgacure 379anstelle von N-DPD wiederholt und auf ein Abbe-Refraktometer aufgebracht. Nach dem Aus¬härten wird der Brechungsindex (bei 590 nm) des unbelichteten bzw. des für 10 Sekunden mitultraviolettem Licht (UV) belichteten Materials gemessen, um so den Brechungsindexhub durchdie fotoinitiierte Polymerisation der Acrylate zu ermitteln. Dabei zeigt sich ein Brechungsindex¬hub (Δη) von 1,468 auf 1,480, somit ein Δη von +0,012. BEISPIEL 3 [0050] Die Durchführung des Beispiels 2 wird wiederholt, wobei bei der Materialherstellung nur10 Gew.-% des Vernetzers Acryloxymethyltrimethoxysiloxan verwendet werden. Ein Brechungs¬indexhub wird in diesem Fall mit Δη = +0,03 bestimmt. BEISPIEL 4 [0051] Die Materialherstellung gemäß Beispiel 3 wird wiederholt, jedoch zum Ermitteln desBrechungsindex auf einem Glassubstrat. Hierfür wird das Material auf das Glassubstrat aufge¬bracht, ausgehärtet und mittels Ellipsometrie gemessen, um einen Brechungsindex bei ver¬schiedenen Wellenlängen zu bestimmen. Dabei zeigt sich, dass ein Brechungsindexhub beieiner Wellenlänge von 840 nm Δη = +0,011, bei einer Wellenlänge von 1310 bzw. 1550 nmhingegen Δη = +0,010 beträgt. BEISPIEL 5 [0052] 1,0 g mit Silanol terminiertes Polydimethylsiloxan (ABCR GmbH, Viskosität 16 bis 32cSt., Molekulargewicht 400 bis 700 gmol"1), 100 mg des Vernetzers Acryloxymethyltrimethoxysi-loxan (ABCR GmbH), 30 mg des Fotoinitiators Darocure 1173 und 12 mg des Vernetzungskata¬lysators Di-n-octyl-zinndilaurat (ABCR GmbH) werden miteinander gut vermischt, wobei derFotoinitiator und der Katalysator zuerst im Vernetzer vollständig gelöst werden. Zur Erhöhungder Viskosität wird die Mischung anschließend für eine Stunde bei Raumtemperatur gerührt. Eindünner Film wird auf ein Abbe- Refraktometer aufgebracht, ausgehärtet und vermessen. Nacheiner UV-Belichtung von 10 Sekunden wird abermals der Brechungsindex gemessen. Dabeizeigt sich ein Brechungsindexhub Δη von 1,417 auf 1,425. BEISPIEL 6 [0053] 1,0 g mit Silanol terminiertes Diphenylsiloxan-Dimethylsiloxan Copolymer (ABCR GmbH,Viskosität 50 bis 60 cSt., Molekulargewicht 900 bis 1000 gmol'1, 14 mol-% Diphenylsiloxan),200 mg des Vernetzers (3-Acryloxypropyl)trimethoxysilan (ABCR GmbH), 30 mg des Fotoinitia¬tors Darocure 1173 und 12 mg des Vernetzungskatalysators Di-n-octyl-zinndilaurat (ABCRGmbH) werden miteinander gut vermischt, wobei der Fotoinitiator und der Katalysator zuerst imVernetzer vollständig gelöst werden. Zur Erhöhung der Viskosität wird die Mischung anschlie¬ßend für eine Stunde bei Raumtemperatur gerührt. Danach wird ein dünner Film auf ein Abbe-Refraktometer aufgebracht, ausgehärtet und vermessen. Nach einer UV-Belichtung von 10Sekunden wird abermals der Brechungsindex gemessen, wobei sich ein BrechungsindexhubΔη von 1,405 auf 1,410 feststellen lässt. BEISPIEL 7 [0054] Es wird analog wie im Beispiel 1 beschrieben vorgegangen, wobei alternativ Irgacure379 und/oder N-DPD als Fotoinitiator eingesetzt wird. Aus den so erstellten Materialien werdenSchichten erstellt, in welche mit TPA Lichtwellenleiter eingeschrieben werden, die im Anschlussuntersucht werden.

[0055] In Fig. 1a bis 1c ist ein vermuteter Reaktionsmechanismus beginnend mit dem Mischender Komponenten bis hin zur Ausbildung eines Lichtwellenleiters dargestellt. Gemäß Fig. 1areagiert eine Methoxy- bzw. allgemein Alkoxygruppe des Vernetzers mit den endständigenHydroxyl- bzw. OH-Gruppen des eingesetzten Organopolysiloxans, das in dieser Weise ent¬sprechend modifiziert wird. Da die eingesetzten Organopolysiloxane flüssig sind, braucht keinLösungsmittel eingesetzt werden. Dies stellt einen Vorteil dar, da in der Folge auch kein Lö¬sungsmittel zu entfernen ist. Die Kondensationsreaktion des Vernetzers mit dem Organopolysi-loxan erfolgt bei Raumtemperatur und in der Regel unter Rühren, z. B. für bis zu 60 Minuten. Esbietet sich an, funktionalisierte Trimethoxysilane als Vernetzer einzusetzen, beispielsweise einTrimethoxysilan mit einer Acrylgruppe. Einerseits ist dann die Derivatisierung der Organopolysi¬loxane hinreichend schnell, um eine gesamte Verfahrensdauer gering zu halten. Andererseits ist die Reaktion aber auch gut kontrollierbar, sodass in diesem ersten Schritt eine für ein nach¬folgendes Beschichten eines Substrates geeignete Viskosität eingestellt werden kann. In die¬sem ersten Schritt werden auch der Fotoinitiator sowie ein Vernetzungskatalysator hinzugege¬ben und eine homogene, flüssige Mischung erstellt.

[0056] Anschließend wird die so erstellte Mischung auf ein Substrat aufgebracht, wobei sicheine in Fig. 1b dargestellte Struktur ausbildet. Die noch verbliebenen Alkoxygruppen kondensie¬ren untereinander, sodass sich einzelne Organopolysiloxaneinheiten miteinander verbinden.Die dabei entstehenden Nebenprodukte werden zweckmäßigerweise abgezogen, was in einerkurzen Zeitspanne von z. B. etwa 30 Minuten bei Temperaturen von weniger als 100 °C erfol¬gen kann. Es ist dann eine Schicht mit einem Aufbau wie in Fig. 1b gegeben. In einem weiterenSchritt erfolgt eine Strukturierung der erstellten Schicht, um einen oder mehrere Lichtwellenlei¬ter einzuschreiben. Die Strukturierung erfolgt bevorzugt mit TPA. Durch eine entsprechendeBestrahlung polymerisieren die funktionellen Gruppen, die endständig an den einzelnen Orga¬nopolysiloxaneinheiten vorliegen, und zwar in den bestrahlten Bereichen. Es wird damit die inFig. 1c vereinfacht dargestellte Struktur erhalten. Die einzelnen Lichtwellenleiter lassen sich mithoher Auflösung und einem ausreichend großen Brechungsindexunterschied zur umgebenden,nicht bestrahlten Matrix darstellen, sodass Lichtwellenleiter mit exzellenten Eigenschaften dar¬gestellt werden können.

[0057] In Fig. 2 ist eine Konversionsrate der polymerisierenden Doppelbindungen in Abhängig¬keit von einer Bestrahlungszeit und in Abhängigkeit des eingesetzten Fotoinitiators sowie derUV-Belichtungszeit (Ein-Photonen-Prozess) dargestellt. Wie ersichtlich ist, kann mit dem Fotoin¬itiator Irgacure 379 bei einer Intensität von 0,7 Wem'2 eine effiziente Polymerisation beobachtetwerden. Mit dem Fotoinitiator N-DPD wird bei UV-Belichtung (Ein-Photonen-Prozess) nur einegeringe Polymerisation bzw. Vernetzung erreicht, da dieser Fotoinitiator für einen Zwei-Photonen-Prozess (TPA-Strukturierung mit Femtosekundenlaser) ausgerichtet ist. Der Vorteildes Fotoinitiators N-DPD ist, dass dieser bei UV-Licht und Tageslicht nur sehr geringe Aktivitätaufweist und es somit nicht zu einem nachträglichen Vernetzen der Matrix (also nach der TPA-Strukturierung) kommt. Die eingeschriebenen Lichtwellenleiterstrukturen bleiben somit auch beilanger Lagerung, auch in Gegenwart von Licht, besser erhalten.

[0058] In Fig. 3 ist eine Phasenkontrastmikroskopaufnahme mit einer typischen Lichtwellen¬leiterstruktur gezeigt, die mit verschiedenen Laserlichtleistungen (TPA- Strukturierung) erstelltist. Wie ersichtlich ist, können mit einem erfindungsgemäßen Verfahren Lichtwellenleiter mithoher Auflösung erstellt werden. Dabei ist in die Lichtwellenleiter eingekoppeltes Licht mit hoherEffizienz durch diese fortpflanzbar und kann am Ende der einzelnen Lichtwellenleiter wiederausgekoppelt werden, wie dies aus Fig. 4 und 5 ersichtlich ist.

[0059] In Fig. 6 ist ein Fotostrom für mehrere Proben dargestellt, die gemäß Beispiel 1 erstelltsind. Für eine Probe sind die unterschiedlichen Messungen gekennzeichnet, wobei A für eineMessung im unbestrahlten Zustand, B für eine Messung unmittelbar nach Bestrahlung und C füreine Messung nach mehrtägiger Lagerung bei Raumtemperatur (im Anschluss an die TPA-Strukturierung) steht. Dabei wird völlig überraschend festgestellt, dass der Fotostrom nicht nurbereits unmittelbar nach Einschreiben der Lichtwellenleiter besonders hoch ist, sondern insbe¬sondere nach einer Lagerung noch ansteigt. Die genauen Ursachen hierfür sind noch nichtbekannt, es ist allerdings eine besonders günstige Eigenschaft erfindungsgemäß hergestellterSchichten mit Lichtwellenleitern.

[0060] Erfindungsgemäße Schichten sind hochflexibel und biegsam und eignen sich daherauch als freistehende Schichten, was für einige Anwendungen einen Vorteil darstellt.

Claims (18)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung einer Schicht, die mindestens einen Lichtwellenleiter aufweist,umfassend folgende Schritte: a) Mischen zumindest eines endständige Hydroxylgruppen aufweisenden Organopolysi-loxans mit zumindest einem Alkoxysilan, das eine kovalent gebundene funktionelleGruppe aufweist, die nicht mit den Hydroxylgruppen reagiert und durch Bestrahlen miteiner identen Gruppe eine Polymerisationsreaktion eingeht, sowie optional eines Foto¬initiators und gegebenenfalls eines Katalysators, um eine flüssige Mischung zu erstel¬len; b) Behandeln der so erstellten Mischung zur Kondensation des Organopolysiloxans mitdem Alkoxysilan; c) Aufbringen der Mischung auf ein Substrat zur Bildung der Schicht; d) optional Wärmebehandeln der Schicht; e) Bestrahlen der Schicht, um den zumindest einen Lichtwellenleiter auszubilden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Organopolysiloxan ein Molekulargewicht von 200bis 20000 gmol'1, vorzugsweise 500 bis 2000 gmol'1, insbesondere 800 bis 1200 gmol'1,aufweist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Organopolysiloxan ein Siloxan der Formel I

   0) ist, wobei die Reste R1, R2, R3, R4 jeweils einen gegebenenfalls substituierten Alkyl-, Cycloal-kyl-, Aryl- oder Aralkylrest darstellen, gegebenenfalls halogeniert, und die Reste R5, R6, R7,R8 ein Cr bis C5-Alkyl sind.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Reste R1 und R2 einerseits und R3 und R4 anderer¬seits ident sind.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Trialkoxysilan eingesetzt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Trialkoxysilan ein Trimethoxysilan ist.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Alkoxysilan als funktionelle Grup¬pe eine Vinyl-, Allyl-, Acrylat- oder Methacrylat-Gruppe aufweist.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Mischung mit zumindest 65 Gew.-%, vorzugsweise zumindest 75 Gew.-%, des Organopolysiloxans erstellt wird.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Mischung mit 5 bis 25 Gew.-%Alkoxysilan erstellt wird.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Kondensationsreaktion im Schrittb) bei Raumtemperatur durchgeführt wird.
11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Kondensationsreaktion im Schrittb) für maximal 100 Minuten durchgeführt wird.
12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Kondensationsreaktion im Schrittb) an Luft durchgeführt wird.
13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Wärmebehandlung im Tempera¬turbereich von 50 °C bis 130 °C, insbesondere 80 °C bis 110 °C, durchgeführt wird.
14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Wärmebehandlung für maximal40 Minuten durchgeführt wird.
15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Schicht mit einer Dicke von 100bis 700 pm, vorzugsweise 200 bis 500 pm, erstellt wird.
16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Schicht vom Substrat entferntwird, um eine freistehende Schicht zu bilden.
17. 17. Schicht, erhältlich nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
18. 18. Substrat, insbesondere Leiterplatte, mit einer Schicht nach Anspruch 17. Hierzu 6 Blatt Zeichnungen