CH682751A5 - Verfahren zur Herstellung von galvanisch abformbaren Negativformen mikrostrukturierter, plattenförmiger Körper. - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von galvanisch abformbaren Negativformen mikrostrukturierter, plattenförmiger Körper. Download PDF

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CH682751A5
CH682751A5 CH309/91A CH30991A CH682751A5 CH 682751 A5 CH682751 A5 CH 682751A5 CH 309/91 A CH309/91 A CH 309/91A CH 30991 A CH30991 A CH 30991A CH 682751 A5 CH682751 A5 CH 682751A5
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electrically conductive
conductive material
thermoplastic
mold insert
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Hans Biedermann
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Kernforschungsz Karlsruhe
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Description

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CH 682 751 A5
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Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von galvanisch abformbaren Negativformen mikrostrukturierter, plattenförmiger Körper entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Die Herstellung solcher Negativformen wird in der DE-PS 3 537 483 anhand mehrerer Verfahrensvorschläge beschrieben.
Bei einem dieser Verfahren wird ein mikrostrukturierter Formeinsatz auf den Stirnflächen seiner Mikrostrukturen mit einem Trennmittel und anschliessend mit einem elektrisch leitenden Polyme-thylmethacrylat (PMMA)/Russ-Gemisch beschichtet. Der vorbehandelte Formeinsatz wird in eine Schicht eines Giessharzes eingedrückt. Dabei geht das PMMA/Russ-Gemisch mit dem Giessharz eine feste Verbindung ein, so dass nach dem Entfernen des Formeinsatzes der Strukturgrund der Negativform mit der Schicht des elektrisch leitfähigen PMMA/ Russ-Gemisches überzogen ist.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass auf diese Weise nur Negativformen mit verhältnismässig groben Mikrostrukturen erzeugt werden können.
Bei einem anderen Verfahren nach der zitierten Patentschrift wird die Thermoplast-Schicht zuvor mit einer Schicht eines elektrisch leitenden Materials versehen. Der Formeinsatz wird so weit in die Thermoplast-Schicht eingedrückt, dass die Stirnflächen seiner Mikrostrukturen die Schicht des elektrisch leitenden Materials berühren, so dass nach dem Entfernen des Formeinsatzes im Strukturgrund der Negativform die Schicht des elektrisch leitfähigen Materials freigelegt ist.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass die Schichtdicke des Thermoplasten sehr genau konstant gehalten werden muss und dass das Eindrük-ken des Formeinsatzes bis zur Grenzfläche der Schicht schwierig zu kontrollieren ist.
Bei einem weiteren Verfahren nach der zitierten Patentschrift wird der Formeinsatz mit einem elektrisch isolierenden Giessharz Übergossen und sofort anschliessend das die Mikrostrukturen überragende Giessharz-Materia! mit einer rakelartigen Vorrichtung abgestrichen, so dass nur noch die Zwischenräume der Mikrostrukturen mit dem Giessharzes ausgefüllt sind. Nach dem teilweisen Aushärten des Thermoplasten wird darüber als elektrisch leitfähiges Material ein PMMA/Russ-Gemisch geschichtet. Nach dem Aushärten und Entformen liegt im Strukturgrund der Negativform das elektrisch leitfähige Material frei.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass zwei verschiedene Schichten auf den Formeinsatz aufgetragen werden müssen, wobei jeweils das teilweise bzw. vollständige Aushärten abgewartet werden muss.
In einer Veröffentlichung von H. Vollmer, W. Ehrfeld und P. Hagmann mit dem Titel «Untersuchungen zur Herstellung von galvanisierbaren Mikrostrukturen mit extremer Strukturhöhe durch Abformen mit Kunststoff im Vakuum-Reaktions-giessverfahren», Kernforschungszentrum Karlsruhe, KfK 4267 (Mai 1987) wird die Abformung mikrostrukturierter Körper eingehend diskutiert.
In diesem Bericht wird ein Vakuum-Abformverfah-ren beschrieben, bei dem isolierende Mikrostrukturen aus PMMA im Verlauf eines Reaktionsgiesspro-zesses auf der Oberfläche einer metallischen Angussplatte abgeformt werden. Hierfür muss eine Angussplatte gefertigt werden, die für jedes Formnest eine Angussbohrung aufweist.
Im Abformprozess wird die Angussplatte auf dem Formeinsatz positioniert. Über die Angussbohrungen werden die Formnester evakuiert und anschliessend mit einer Reaktionsharzmasse befüllt.
Die Reaktionsherzmasse wird in den Formnestern zu Reaktionsformstoff ausgehärtet. Nach dem Verfestigen des Formstoffs sind die Mikrostrukturen formschlüssig mit der Angussplatte verbunden.
Über eine seitlich geführte Trennbewegung von Angussplatte und Formeinsatz lassen sich die Mikrostrukturen entformen. Im nachfolgenden Gal-vanoformungsprozess dient die Angussplatte als Abscheideelektrode.
Das Verfahren ist wegen der Vielzahl der notwendigen Angussbohrungen aufwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile der bekannten Verfahren zu vermeiden. Das Abformen des Formeinsatzes soll in einem einzigen Verfahrensschritt durchgeführt werden. Das Verfahren soll es insbesondere ermöglichen, Negativformen herzustellen, deren Strukturgrund mit den unterschiedlichsten elektrisch leitenden Materialien beschichtet ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des ersten Patentanspruchs aufgeführten Massnahmen gelöst.
Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Verfahrens an.
Gegenstand der Erfindung ist ein Abformverfahren, bei dem eine mit einem elektrisch leitenden Material überzogene Thermoplast-Schicht vorzugsweise unter Vakuum mit der beschichteten Seite auf einem Formeinsatz aufgepresst wird.
Als Thermoplaste lassen sich z.B. die in der eingangs zitierten DE-PS 3 537 483 und in KfK 4267 angesprochenen Materialien verwenden.
Die Thermoplast-Schicht wird vor der Abformung mit einem dünnen Film eines elektrisch leitenden Materials versehen. Als solche Materialien kommen Metalle, insbesondere Gold, Kupfer und Silber und deren Legierungen, sowie Kohlenstoff in Betracht.
Die Filmschicht soll etwa 50 bis 500 nm, vorzugsweise ca. 100 bis 300 nm dick sein.
Sie kann z.B. durch Aufstäube(Sputter)-Verfahren oder durch Aufdampfen oder durch andere geeignete Verfahren hergestellt werden. Es ist vorteilhaft, wenn die Oberfläche der Thermoplast-Schicht vor dem Beschichten mit dem Film des elektrisch leitenden Materials aufgerauht wird. Die Rauhtiefe Rt beträgt vorzugsweise 5 bis 7 um bei einem Mitten-rauhwert Ra von 1 um.
Die Aufrauhung kann z.B. durch Mikrosandstrah-len erfolgen.
Beim Abformverfahren wird der Formeinsatz mit seinen Mikrostrukturen durch den Film des elektrisch leitenden Materials hindurch in die Thermoplastschicht eingedrückt.
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Als Handhabe für den Abformprozess kann auf der freien Seite der Thermoplast-Schicht ein mit Nuten versehener Metallstempel geeigneter Grösse angebracht sein. Für diesen Zweck wird der Thermoplast mit der mit Nuten versehenen Seite des Metallstempels auf den Formeinsatz aufgepresst, wobei sich Formeinsatz und Thermoplast formschlüssig verbinden.
Das Eindrücken des Formeinsatzes in die Thermoplast-Schicht erfolgt vorzgusweise unter Vakuum, besonders bevorzugt bei einem Druck von 10 bis 1 mbar und bei einer Temperatur, die oberhalb der Erweichungstemperatur des Thermoplasten liegt. Die günstigsten Verfahrenstemperaturen hängen von der Art des Thermoplasten ab. Für unver-netztes PMMA mittleren Molekulargewichts (100 000 bis 150 000 g/Mol) haben sich Temperaturen zwischen 145 und 160°C gut bewährt.
Nach dem Eindrücken werden der Formeinsatz und der Thermoplast auf eine Temperatur unterhalb der Erweichungstemperatur abgekühlt.
Die Abkühltemperatur liegt vorzugsweise 30 bis 60°C unter der Erweichungstemperatur des Kunststoffs. Für PMMA kann eine Abkühltemperatur von 50°C eingehalten werden.
Die Flächenpressung, die auf den Formeinsatz und die Thermoplast-Schicht ausgeübt wird, liegt für PMMA bei den angegebenen Temperaturen im Bereich von 50 KPa bis 2,5 MPa.
Beim Eindrücken des Formeinsatzes in die filmbeschichtete Thermoplast-Schicht reisst der Film an den mit Mikrostrukturen versehenen Stellen des Formeinsatzes auf.
Die Mikrostrukturen des Formeinsatzes dringen in die Thermoplast-Schicht ein und zerstören an diesen Stellen den Film.
Nach dem Entformen bleiben auf den senkrechten Wänden und auf der Stirnseite der Mikrostrukturen der Negativform kleine, gegeneinander isolierte, inselartige Flitter des Filmmaterials zurück. Im Strukturgrund der Negativform bleibt dagegen der Film unzerstört erhalten.
Da der Strukturgrund eine zusammenhängende, mit einer durch die unzerstörten Teile des Films aus elektrisch leitendem Material beschichtete Fläche bildet, kann er bei der nachfolgenden Galva-noabformung als Elektrode geschaltet werden. Die auf den Mikrostrukturen der Negativform zurückbleibenden Reste des Films sind wegen ihrer inselartigen Anordnung gegen den Strukturgrund elektrisch isoliert und behindern daher die exakte Galvanoab-formung der Negativform nicht.
Durch die Aufrauhung des Thermoplasten vor dem Auftragen des Films wird die Bildung solcher Inselstrukturen begünstigt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von drei Figuren und einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Fig. 1 zeigt die Thermoplast-Schicht 1 mit einem einseitig aufgebrachten, dünnen Film 2 eines elektrisch leitenden Materials.
Fig. 2 stellt den Prägevorgang dar.
Fig. 3 zeigt den Zustand nach dem Entformen
Die mit dem Film 2 überzogene Seite der Thermoplast-Schicht 1 wird unter Vakuum und erhöhter Temperatur auf den Formeinsatz 3, der verschiedene Formnester 4 aufweist, aufgepresst. Der Film 2 des elektrisch leitenden Materials bleibt lediglich auf den Stirnflächen der Mikrostrukturen des Formeinsatzes erhalten. Der Thermoplast dringt in die Formnester 4 ein, wobei der Film an diesen Stellen reisst und gegeneinander isolierte inselartige Strukturen ausbildet.
Fig. 3 zeigt den Zustand nach dem Entformen. Es wird eine Negativform 5 mit Mikrostrukturen 6 erhalten, in deren Strukturgrund der Film 2 des elektrisch leitenden Materials eine zusammenhängende Fläche bildet. An den Stirn- und Seitenwänden der Mikrostrukturen bleiben von dem Film lediglich kleine, inselartige und voneinander elektrisch isolierte Flitter 7 zurück.
Beispiel
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren wurden metallische Wabennetzstrukturen aus Nickel gefertigt.
Der Prägerohling aus unvernetztem Polymethyl-methacrylat wurde im Reaktionsguss aus einem Giessharz mit der Zusammensetzung:
100 Gew.T. Plexit 60 (30 % PMMA, 70% MMA)
3 Gew.T. Pat 665 (Internes Trennmittel)
4 Gew.T. Benzoylperoxid (Initiator)
2 Gew.T. Dimethylanilin (Aktivator)
(Gew.T. = Gewichtsteile)
hergestellt. Hierzu wurden die o.a. Komponenten vermischt und entgast. Das Giessharz wurde anschliessend in einer Giessvorrichtung 1 Stunde bei 40°C und 10 MPa ausgehärtet und anschliessend eine Stunde bei 115°C nachgehärtet, um den Rest-monomergehalt des Reaktionsformstoffes abzusenken.
Der Rohling wurde anschliessend auf der zu strukturierenden Oberfläche mit einer Mikrosand-strahleinrichtung aufgerauht. Auf die rauhe Oberfläche wurde eine ca. 200 nm dicke Goldschicht auf-gesputtert.
Der Rohling wurde in einen Metallrahmen eingesetzt, der ein seitliches Wegfliessen des Kunststoffes beim Eindrücken verhindert. Der Rohling wurde mit dem Metallrahmen auf dem Formeinsatz im Werkzeug positioniert. Zum Eindrücken wurde das Werkzeug evakuiert (1 mbar) und in ca. 10 Minuten auf die Eindrücktemperatur von 150°C aufgeheizt. Nach dem Erreichen der Temperatur wurde der Werkzeugkörper geschlossen, wobei der Metallstempel auf den Rohling innerhalb des Metallrahmens mit einer Flächenpressung von 1 MPa aufgepresst wurde. Nach fünf Minuten Eindrückzeit wurde das Werkzeug innerhalb von 10 Minuten auf 50°C abgekühlt. Der Metallstempel, mit dem der Thermoplast in die Formnester gepresst wurde, ist an der Unterseite mit einer Kammstruktur versehen, die sich in den Rohling einschneidet und so zu einer formschlüssigen Verbindung von Thermoplast-Schicht und Stempel führt. Nach dem Abkühlen des
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Kunststoffes auf die Entformtemperatur wurde die erhaltene Negativform durch eine seitlich geführte Trennbewegung von Formeinsatz und Formteilträgerplatte entformt.
Zum Galvanisieren der Negativform wurde das Formteil verschalt und an der Oberfläche des Strukturgrunds, d.h. auf dem Goldfilm, mit einer Kontaktspitze punktförmig kontaktiert.

Claims (9)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von galvanisch abformbaren Negativformen mikrostrukturierter, plat-tenförmiger Körper,
- deren Strukturgrund eine zusammenhängende Fläche bildet und
- mit einer Schicht eines elektrisch leitenden Materials (2) überzogen ist, bei dem a) ein Formeinsatz (3) in eine Schicht (1) eines Thermoplasten eingedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, dass b) zuvor auf der Thermoplast-Schicht (1 ) ein Film (2) des elektrisch leitenden Materials aufgebracht wird,
c) der Formeinsatz (3) bei einer Temperatur, die oberhalb der Erweichungstemperatur des Thermoplasten liegt, durch den Film (2) des elektrisch leitenden Materials hindurch in die Thermoplast-Schicht (1 ) eingedrückt wird,
d) Formeinsatz (3) und Thermoplast-Schicht (1) auf eine Temperatur unterhalb der Erweichungstemperatur des Thermoplasten abgekühlt werden,
e) der Formeinsatz (3) entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoplast-Schicht (1) vor dem Aufbringen des Films (2) aufgerauht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Film (2) des elektrisch leitenden Materials aus Kohlenstoff hergestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Film (2) des elektrisch leitenden Materials aus Metall hergestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Metall Gold oder Kupfer oder Silber oder deren Legierungen eingesetzt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Films (2) im Bereich zwischen 50 und 300 nm gehalten wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Film des elektrisch leitenden Materials durch Sputtern hergestellt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Film des elektrisch leitenden Materials aufgedampft wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formeinsatz bei Absolut-Drücken im Bereich von 10 bis 0,01 mbar in die Thermoplast-Schicht eingedrückt wird.
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