DE102009043412B4

DE102009043412B4 - Verbindungs-Element mit dreidimensionaler Mikro-Struktur, Anordnung mit mindestens zwei der Verbindungs-Elemente und Verwendung des Verbindungs-Elements

Info

Publication number: DE102009043412B4
Application number: DE200910043412
Authority: DE
Inventors: Dr. Hedler Harry; Jörg Zapf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: DE102009043412A1

Abstract

Verbindungs-Element (100) mit dreidimensionaler Mikro-Struktur (1), aufweisend – eine Vielzahl von nebeneinander, bezüglich ihrer jeweiligen Mikro-Säulen-Längsausdehnung (21) im Wesentlichen parallel zueinander und voneinander beabstandet angeordneten Mikro-Säulen (2) mit mindestens einem amorphen Mikro-Säulen-Material (20), die jeweils ein Aspekt-Verhältnis aus dem Bereich von 20 bis 1000 und jeweils einen Mikro-Säulen-Durchmesser (22) aus dem Bereich von 0,1 μm bis 200 μm aufweisen, – einen zwischen benachbarten Mikro-Säulen angeordneten Mikro-Säulen-Zwischenraum (3) mit ei Bereich von 1 μm bis 100 μm ausgewählten Mikro-Säulen-Abstand (31), wobei – mindestens zwei der Mikro-Säulen (2) von einander unterschiedliche Mikro-Säulen-Materialien aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungs-Element mit dreidimensionaler Mikro-Struktur, eine Anordnung mit mindestens zwei der Verbindungs-Elemente und eine Verwendung des Verbindungs-Elements.
Aus dem Dokument S. Rajaraman et al.; ”A unique fabrication approach for microneedles using coherent porous silicon technology”; Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 105, Issue 2, 28 March 2005, S. 443–448, ist ein Verbindungselement mit dreidimensionaler Mikrostruktur bekannt, das eine Vielzahl von Mikrosäulen aufweist, die im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und zueinander beabstandet sind. Die Mikrosäulen weisen ein Aspektverhältnis im Bereich von 20 bis 1000 und Mikrosäulen-Durchmesser im Bereich von 0,1 μm–200 μm aus.
Aus dem Dokument Patrick Griss et al.; ”Micromachined barbed spikes for mechanical chip attachment”; Sensors and Actuators A: Physical, Volume 95, Issues 2-3, 1 January 2002, S. 94–99, ist ein Verbindungselement bekannt, das mehrere parallel zueinander angeordnete Mikrosäulen aufweist, die an ihrer Spitze eine Durchmesservergrößerung aufweisen. Dadurch ist eine „Widerhakenfunktion” erzielbar, wodurch eine Befestigung der Mikrosäulen-Struktur an verschiedenen Materialien realisierbar ist.
Aus Dokument H. Han et al.; ”Micromechanical Velcro”; Journal of Microelectromechanical Systems, Volume 1, Issue 1, March 1992, S. 37–43, ist eine Mikrostruktur bekannt, die eine Vielzahl von Mikrosäulen aufweist, die parallel zueinander angeordnet sind und die jeweils an ihrer Spitze eine dachförmige Struktur haben, wodurch sich mehrere dieser Strukturen aneinander anheften können.
Aus Dokument Jung-Hwan Park et al.; ”Polymer particle-based micromolding to fabricate novel microstructures”; Biomed Microdevices, 2007, 9, S. 223–234, ist eine Struktur bekannt, die eine Vielzahl von Mikrosäulen aufweist, die an ihrer Spitze einen vergrößerten Durchmesser aufweisen. Dadurch ist eine „Widerhakenfunktion” erzielbar, wodurch eine Befestigung der Mikrosäulen-Struktur an verschiedenen Materialien realisierbar ist.
Aus Dokument Ryoichi Yamammoto et al.; ”Preparation of microstructure bodies in freestanding diamond-like carbon foil prepared using plasma-based ion implantation”; Diamond & Related Materials 16, 2007, S. 292–295, ist eine Mikrostruktur mit einer Vielzahl von Mikrosäulen bekannt, die aus DLC (Diamond-like Carbon) gefertigt sind. Dadurch ist ein Gesundheitschip möglich, mit dem schmerzlos Medikamente in die Blutbahn eines Lebewesens transportierbar ist.
Für den makroskopischen Bereich gibt es zahlreiche Bauformen für wieder lösbare elektrische und/oder mechanische Verbindungs-Elemente. Solche Verbindungs-Elemente sind beispielsweise Verbinder und Stecker.
Zu den elektrischen Verbindern und Steckern gehören große Bauformen für eine Leistungs-Übertragung. Kleine Bauformen in Form von viel-poligen Verbindungs-Elementen werden unter anderem für Testzwecke, beispielsweise für einen Bauelemente-Test eingesetzt.
Bisherige Konstruktionen erlauben nur eine relativ geringe Anzahl von Verbindungs-Stellen pro Flächen-Einheit.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verbindungs-Element bereitzustellen, das über eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich höhere Anzahl von Verbindungs-Stellen pro Flächen-Einheit verfügt.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verbindungs-Element mit dreidimensionaler Mikro-Struktur angegeben, aufweisend eine Vielzahl von nebeneinander, bezüglich ihrer jeweiligen Mikro-Säulen-Längsausdehnung im Wesentlichen parallel zueinander und voneinander beabstandet angeordnete Mikro-Säulen mit mindestens einem amorphen Mikro-Säulen-Material, die jeweils ein Aspekt-Verhältnis aus dem Bereich von 20 bis 1000 und jeweils einen Mikro-Säulen-Durchmesser aus dem Bereich von 0,1 μm bis 200 μm aufweisen, und einen zwischen benachbarten Mikro-Säulen angeordneten Mikro-Säulen-Zwischenraum mit einem zwischen den benachbarten Mikro-Säulen aus dem Bereich von 1 μm bis 100 μm ausgewählten Mikro-Säulen-Abstand. Ferner weisen mindestens zwei der Mikro-Säulen von einander unterschiedliche Mikro-Säulen-Materialien auf. Dabei ist der Mikro-Säulen-Durchmesser insbesondere aus dem Bereich von 0,3 μm bis 200 μm ausgewählt. Eine im Wesentlichen parallele Anordnung der Mikro-Säulen bedeutet dabei, dass es hinsichtlich der (gemittelten) Ausrichtung der Mikro-Säulen-Längsausdehnungen Abweichungen von bis zu 10° geben kann.
Vorzugsweise ist die Mikro-Säulen-Längsausdehnung zumindest einer der Mikro-Säulen aus dem Bereich von 50 μm bis 10 mm und insbesondere aus dem Bereich von 100 μm bis 1 mm ausgewählt. Vorzugsweise sind die Mikro-Säulen-Längsausdehnungen (Fadenlängen) einer Vielzahl der Mikro-Säulen bzw. aller Mikro-Säulen aus den genannten Bereichen. Dabei können die Mikro-Säulen gleich lang sein. Denkbar ist auch, dass die Mikro-Säulen einer Mikro-Struktur unterschiedlich lang sind, also unterschiedliche Mikro-Säulen-Längsausdehnungen aufweisen.
Es wird auch ein Verfahren zum Herstellen der dreidimensionalen Mikro-Struktur eines Verbindungs-Elements mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen einer Schablone mit Schablonen-Material, wobei die Schablone eine im Wesentlichen zur Mikro-Struktur inverse, drei dimensionale Schablonen-Struktur mit säulenartigen Schablonen-Hohlräumen aufweist, b) Anordnen von Mikro-Säulen-Material in den säulenartigen Schablonen-Hohlräumen, so dass die Mikro-Säulen entstehen, und c) zumindest teilweises Entfernen des Schablonen-Materials.
Dass zwei der Mikro-Säulen von einander unterschiedliche Mikro-Säulen-Materialien aufweisen, lässt sich beispielsweise dadurch bewerkstelligen, dass während des Anordnens eines der Mikro-Säulen-Materialien ein Teil der Schablonen-Hohlräume abgedeckt wird. Anschließend werden die abgedeckten Schablonen-Hohlräume mit einem anderen Mikro-Säulen-Material befüllt. Die Mikro-Säulen-Materialien können wieder gleichzeitig in einem gemeinsamen Prozess zu den entsprechenden Mikro-Säulen umgesetzt werden. Es resultiert eine Mikro-Struktur mit Mikro-Säulen mit unterschiedlichen Mikro-Säulen-Materialien.
Denkbar ist aber auch eine serielle Herstellung dieser Mikro-Säulen. Dies bedeutet, dass zunächst das erste Mikro-Säulen-Material umgesetzt wird, bevor das zweite Mikro-Säulen-Material in die zuvor abgedeckten Schablonen-Hohlräume eingefüllt und anschließend umgesetzt wird.
Vorzugsweise werden zum Anordnen des Mikro-Säulen-Materials folgende weiteren Verfahrensschritte durchgeführt: d) Einbringen von Ausgangs-Material des Mikro-Säulen-Materials in die Schablonen-Hohlräume und e) Umwandeln des Ausgangs-Materials des Mikro-Säulen-Materials in das Mikro-Säulen-Material.
Das amorphe Mikro-Säulen-Material ist ein nicht einkristallines Material. Beispielsweise ist das Mikro-Säulen-Material polykristallin oder nicht-kristallin. Dabei ist als Mikro-Säulen-Material jedes beliebige Material denkbar, beispielsweise Metalle, Halbmetalle und beliebige anorganische und organische Verbindungen.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird eine Anordnung mindestens zweier Verbindungs-Elemente angegeben, wobei die Mikro-Säulen der Mikro-Struktur einer der Verbindungs-Elemente in den Mikro-Säulen-Zwischenräumen der Mikro-Struktur des anderen Verbindungs-Elements angeordnet sind und umgekehrt. Dabei können die Verbindungs-Elemente kraftschlüssig, also fest miteinander verbunden sein. Denkbar ist insbesondere auch eine reibschlüssige Verbindung zwischen den Mikro-Strukturen der Verbindungs-Elemente. Dies bedeutet, dass zwischen den Verbindungs-Elementen keine feste, sondern eine lösbare Verbindung besteht.
Mit der Erfindung wird ein Verbindungs-Element mit einer bürstenartigen, dreidimensional aufgebauten Mikro-Struktur bereitgestellt, die aus (systematisch) matrixartig angeordneten, extrem dünnen aber trotzdem selbst-tragenden Mikro-Säulen (Fäden, Nadeln) besteht. Die Mikro-Struktur ist selbst-tragend. Sie bedarf keiner Auflage-Fläche zum Stützen der Mikro-Struktur. Die Mikro-Struktur weist ein Raster mit Raster-Punkten auf. Die Raster-Punkte werden von den Mikro-Säulen gebildet.
Die grundlegende Idee zur Herstellung der Mikro-Struktur besteht darin, basierend auf einer Schablone (Matrix, Template) eine zur Mikro-Struktur inverse Schablonen-Struktur (Matrix-Struktur) mit Schablonen-Hohlräumen bereitzustellen. Die Schablonen-Hohlräume sind bezüglich ihrer Schablonen-Hohlraum-Längsdehnungen im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und weisen jeweils ein Aspekt-Verhältnis aus dem Bereich von 20 bis 1000 und jeweils einen Schablonen-Hohlraum-Durchmesser aus dem Bereich von 0,1 μm bis 200 μm auf. Entsprechend der Mikro-Struktur beträgt auch ein Abstand zwischen den benachbarten Schablonen-Hohlräumen 1 μm bis 100 μm.
Der Schablonen-Hohlraum-Durchmesser entspricht dem Mikro-Säulen-Durchmesser und die Schablonen-Hohlraum-Längsausdehnung der Mikro-Säulen-Längsausdehnung. Auch die Aspekt-Verhältnisse der Mikro-Säulen und der Schablonen-Hohlräume stimmen überein. Allgemein ist das Aspektverhältnis einer Struktur das Verhältnis der Höhe der Struktur zu einer lateralen Ausdehnung der Struktur, bezüglich eines Schablonen-Hohlraums also das Verhältnis der Schablonen-Hohlraum-Längsausdehnung zu einem (gemittelten) Schablonen-Hohlraum-Durchmesser und bezüglich einer Mikro-Säule also das Verhältnis der Mikro-Säulen-Längsausdehnung zu seinem (gemitteltem) Mikro-Säulen-Durchmesser.
Die Schablonen-Hohlräume werden beispielsweise mit flüssigem Mikro-Säulen-Material als Ausgangs-Material oder einem anderen flüssigen Ausgangs-Material des Mikro-Säulen-Materials befüllt. Nachfolgend kommt es in den Schablonen-Hohlräumen zur Umsetzung des flüssigen Materials in das feste Mikro-Säulen-Material. Es bilden sich die Mikro-Säulen.
Beispielsweise wird bei erhöhter Temperatur flüssiges Metall als Ausgangs-Material in die Schablonen-Hohlräume eingebracht. Anschließend wird die Temperatur erniedrigt. Das flüssige Metall erstarrt und es entstehen die entsprechenden Mikro-Säulen aus dem Metall.
Denkbar ist auch, dass die Schablonen-Hohlräume als Mikro-Reaktoren fungieren. Dabei wird flüssiges Ausgangs-Material in die Schablonen-Hohlräume eingebracht. Eine anschließende chemische Reaktion führt zur Bildung des Mikro-Säulen-Materials. Es entstehen die Mikro-Säulen.
Nach der Bildung der Mikro-Säulen wird das Schablonen-Material zumindest zum Teil entfernt. Dies bedeutet, dass die Mikro-Säulen teilweise oder vollständig freigelegt werden.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Schablone mit Silizium als Schablonen-Material verwendet. Beispielsweise wird das Verfahren mit Hilfe eines Silizium-Wafers durchgeführt. Der Silizium-Wafer fungiert als Schablone. Silizium eignet sich besonders gut für die Erzeugung der oben beschriebenen säulenartigen Schablonen-Hohlräume mit den notwendigen Aspekt-Verhältnissen. Dazu wird der PAECE(Photo Assisted Electro-Chemical Etching)-Prozess durchgeführt. Ausgangspunkt dieses Verfahrens ist ein Einbringen von „Ätz-Grübchen” (etch pits) in eine Oberfläche des Silizium-Wafers, beispielsweise durch Photolithographie. Dieser oberflächenstrukturierte Silizium-Wafer wird einer Ätz-Lösung mit Fluss-Säure ausgesetzt. Durch Einwirken eines elektrischen Feldes und durch Bestrahlen mit Licht entstehen ausgehend von den „Ätz-Grübchen” mit einer extremen Struktur-Treue die säulenartigen Schablonen-Hohlräume.
In einer weiteren Ausgestaltung wird eine Schablone mit einem Träger mit Träger-Material für die Mikro-Struktur verwendet. Im Ergebnis ist die Vielzahl von Mikro-Säulen auf einem gemeinsamen Träger mit dem Träger-Material angeordnet. Dabei kann das Träger-Material elastisch sein, beispielsweise ein Elastomer. Beispielsweise ist der Träger ein Gummiband. Nach dem Entfernen des Schablonen-Materials ist die Mikro-Struktur nur mehr auf dem Träger angeordnet. Das Gummiband kann elastisch verformt werden. Denkbar ist aber auch, dass das Träger-Material inelastisch ist. Beispielsweise fungiert der oben beschriebene Silizium-Wafer nicht nur als Schablone, sondern auch als Träger. Nach dem Herstellen der Mikro-Struktur wird das Silizium des Silizium-Wafers nur zum Teil entfernt. Der verbleibende Silizium-Wafer dient als Träger. Das Träger-Material weist das Schablonen-Material auf, in diesem Fall Silizium.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist zumindest einer der Mikro-Säulen mindestens zwei entlang der Mikro-Säulen-Längsausdehnung angeordnete Abschnitte mit voneinander unterschiedlichen Mikro-Säulen-Materialien auf. Beispielsweise besteht die Mikro-Säule aus zwei Abschnitten (Teil-Abschnitten) mit unterschiedlichen Mikro-Säulen-Materialien. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die Schablonen-Hohlräume zunächst mit einem ersten Mikro-Säulen-Material teilweise befüllt werden. Nach dem Ausbilden der entsprechenden Teil-Mikro-Säulen werden die frei gebliebenen Bereiche der Schablonen-Hohlräume mit einem zweiten Mikro-Säulen-Material befüllt. Nachfolgendes Umsetzen in das zweite Mikro-Säulen-Material führt dazu, dass eine Mikro-Säule mit zwei Abschnitten aus unterschiedlichen Mikro-Säulen-Materialien entsteht. Denkbar ist auch, dass die Schablonen-Hohlräume mit den beiden Mikro-Säulen-Materialien von unterschiedlichen Seiten her befüllt werden und in einem einzigen gemeinsamen Prozess in die jeweiligen Mikro-Säulen-Materialien überführt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung weist zumindest eine der Mikro-Säulen mindestens eine Umhüllung mit mindestens einem Umhüllungs-Material auf. Das Umhüllungs-Material der Umhüllung und das Mikro-Säulen-Material der Mikro-Säule unterscheiden sich. Die Umhüllung ist zum Beispiel fest mit der Mikro-Säule verbunden. Die Mikro-Säule bildet einen Kern, der von der Umhüllung umgeben ist. Dabei kann die Mikro-Säule nur zum Teil von der Umhüllung umgeben sein, beispielsweise an den Enden der Mikro-Säule. Auch kann die Umhüllung nicht nur aus einer Schicht bestehen, sie kann auch mehrschichtig sein. Mit Hilfe der Umhüllung kann beispielsweise eine Form der Mikro-Säule angepasst werden. Eine Umhüllung, die lediglich an den Enden einer Mikro-Säule angeordnet ist, führt zu einer Verdickung der Enden der Mikro-Säule.
Aufgebracht werden kann die Umhüllung beispielsweise durch elektrochemische Abscheidung (für den Fall, dass das Mikro-Säulen-Material elektrisch leitfähig ist). Denkbar ist auch, dass das Umhüllungs-Material über ein Gas-Phasen-Abscheide-Verfahren auf der Oberfläche der Mikro-Säulen aufgebracht wird. Das Gas-Phasen-Abscheide-Verfahren ist beispielsweise ein Dampfabscheideverfahren. Ein PVD(Physikal Vapour Deposition)-Verfahren, wie Sputtern, oder ein CVD(Chemical Vapour Deposition)-Verfahren ist ebenfalls denkbar.
In einer weiteren Ausgestaltung weist zumindest eine der Mikro-Säulen einen Mikro-Säulen-Hohlraum auf. Die Mikro-Säule weist eine Mikro-Säulen-Wandung auf. Im Inneren der Mikro-Säulen-Wandung ist die Mikro-Säule hohl. Die Mikro-Säule ist als Hohlnadel ausgestaltet. Der Mikro-Säulen-Hohlraum führt zu einer weiteren Vergrößerung der Oberfläche der Mikro-Struktur. Der Mikro-Säulen-Hohlraum erstreckt sich dabei vorzugsweise entlang der gesamten Mikro-Säulen-Längsausdehnung.
Denkbar ist aber auch, dass sich der Mikro-Säulen-Hohlraum nur teilweise entlang der Mikro-Säulen-Längsausdehnung erstreckt. Die Mikro-Säule ist nur zum Teil als Hohlnadel ausgestaltet. Beispielsweise ist die Mikro-Säule an einem Ende der Mikro-Säule offen. An diesem offenen Ende kann die Mikro-Säule mit Hilfe eines passenden Steckers kontaktiert werden, der in den Mikro-Säulen-Hohlraum geführt wird.
Weiterhin ist es möglich, dass Mikro-Säulen-Oberflächen der Mikro-Säulen strukturiert sind. Dazu weist zumindest eine der Mikro-Säulen einen entlang der Mikro-Säulen-Längsausdehnung der Mikro-Säule variierenden Mikro-Säulen-Durchmesser auf. Eine Variation des Mikro-Säulen-Durchmessers gelingt beispielsweise durch Variation des beim PAECE-Verfahren eingesetzten elektrischen Stromes.
Beispielsweise nimmt der Mikro-Säulen-Durchmesser kontinuierlich in eine Richtung zu oder ab. Die Mikro-Säule läuft konisch zu. Denkbar ist auch, dass der Mikro-Säulen-Durchmesser periodisch variiert. Denkbar ist auch, dass die Mikro-Säulen-Durchmesser an den Enden der Mikro-Säulen höher sind als in der Mitte der Mikro-Säulen. Es resultieren Mikro-Säulen, die an ihren Enden verdickt sind. In allen der hier beschriebenen Ausführungsformen wird zur Berechnung des Aspektverhältnisses ein gemittelter Mikro-Säulen-Durchmesser herangezogen.
Nach dem Entfernen des Schablonen-Materials kann eine Funktions-Schicht mit Funktions-Material an den Enden der Mikro-Säulen angeordnet werden. Es wird dafür gesorgt, dass an den Enden zumindest eines Teils der Mikro-Säulen eine Funktions-Schicht mit Funktions-Material angeordnet ist.
Die Funktions-Schicht kann beliebige Funktionen übernehmen. Beispielsweise kann die Funktions-Schicht eine Schutzschicht zum Schützen der Mikro-Struktur sein. Die Funktions-Schicht kann als Stütz-Schicht fungieren.
Vorzugsweise ist die Funktions-Schicht als mechanische Funktions-Schicht derart ausgelegt, dass die Mikro-Struktur als Verbindungs-Element verwendet werden kann, beispielsweise als Verbindungs-Element eines Klettverschlusses. Denkbar sind aber auch andere Funktions-Schichten. So kann die Funktions-Schicht eine Isolations-Schicht mit einem dielektrischen Funktions-Material sein. Denkbar ist auch eine elektrisch leitfähige Funktions-Schicht mit elektrisch leitfähigem Funktions-Material. Eine derartige Funktions-Schicht verbindet beispielsweise die Mikro-Säulen elektrisch leitend miteinander.
Verwendung findet das Verbindungs-Element insbesondere als mechanisches und/oder elektrisch leitfähiges Verbindungs-Mittel. Mit dem Verbindungs-Element können mechanische und elektrisch leitfähige Kontakte hergestellt werden. Aufgrund der großen Oberfläche der Mikro-Struktur ist für eine starke Haftung der Verbindungs-Elemente aneinander gesorgt. Auch wird eine sehr gute Haftung erzielt, wenn eines der Verbindungs-Elemente und ein Bauelement mit passender Verbindungs-Struktur verbunden werden. Im Hinblick auf ein elektrisch leitfähiges Verbindungs-Mittel ist aufgrund der großen Oberfläche für einen geringen elektrischen Widerstand des elektrischen Kontakts gesorgt.
Bei einer reibschlüssigen, losen Verbindung können darüber hinaus Bauelemente aus Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungs-Koeffizienten mit einander verbunden werden, ohne dass es im Betrieb der Bauelemente zu merklichen mechanischen Spannungen kommt. Eine Zuverlässigkeit des Kontakts ist im Verhältnis zur Zuverlässigkeit einer festen Verbindung, beispielsweise eine Löt-Verbindung, deutlich erhöht.
Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende Vorteile:

– Es sind Verbindungs-Elemente mit Mikro-Strukturen zugänglich, die ein lateral hoch dichtes Nadel-Bett aus Mikro-Säulen aufweisen. Daraus resultiert eine extrem große Oberfläche der Mikro-Strukturen der Verbindungs-Elemente.
– Die große Oberfläche führt zu einer hohen Kontakt-Dichte (Anzahl der Verbindungs-Stellen pro Flächen-Einheit)
– Aufgrund hohen Kontakt-Dichte resultiert eine hohe mechanische Haft-Fähigkeit.
– Bei einer elektrischen Verbindung führt die hohe Kontakt-Dichte zu einem geringen elektrischer Widerstand der Verbindung.
– Eine Verbindung zwischen Bauelementen wird als Nieder-Temperatur-Verbindung (ohne Löten etc.) realisiert.
– Bauelemente aus Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungs-Koeffizienten können zuverlässig und dauerhaft verbunden werden.
– Miniaturisierte, lösbare Verbindungen sind zugänglich, die beispielsweise für ein Testen von Bauelementen nötig sind.
– Die Mikro-Struktur weist selbst-tragende Mikro-Säulen auf. Sie bedarf daher keiner Auflagefläche zum Stützen Mikro-Struktur.
– Die Mikro-Strukturen der Verbindungs-Elemente können reproduzierbar und kontrolliert hergestellt werden.
– Es gibt viele Möglichkeiten, die Eigenschaften der Mikro-Struktur der Verbindungs-Elemente zu verändern. So können die Mikro-Strukturen an eine Vielzahl möglicher Anwendungen angepasst werden.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben.
Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
1 und 2 zeigen jeweils eine dreidimensionale Mikro-Struktur eines Verbindungs-Elements von der Seite.
3 zeigt eine dreidimensionale Mikro-Struktur eines Verbindungs-Elements in perspektivischer Darstellung.
4 zeigt das grundlegende Verfahren zum Herstellen der Mikro-Struktur.
5 zeigt ein Verfahren zum Befüllen von Schablonen-Hohlräumen einer Schablone.
6 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer Mikro-Struktur mit strukturierten Mikro-Säulen.
7 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung zweier Verbindungs-Elemente mit Mikro-Strukturen gemäß 6.
8 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer Mikro-Struktur eines Verbindungs-Elements mit Mikro-Säulen, die eine Umhüllung aufweisen.
9 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung zweier Verbindungs-Elemente mit Mikro-Strukturen gemäß 8.
10 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer auf einem flexiblen Mikro-Struktur-Träger angeordneten Mikro-Struktur mit Mikro-Säulen, die eine Umhüllung aufweisen.
11 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung zweier Verbindungs-Elemente mit Mikro-Strukturen gemäß 10.
12 zeigt ein Verfahren zum Herstellen von Kontakt-Stellen eines Bauelements.
13 zeigt Verfahren zum Herstellen einer Mikro-Struktur eines Verbindungs-Elements mit Mikro-Säulen, die eine Umhüllung mit elektrisch leitfähigem Material aufweisen.
14 zeigt eine Abwandlung des Verfahrens gemäß 13.
15 zeigt ein Verfahren zum Verbinden des Bauelements gemäß 12 und des Verbindungselements gemäß 13.
16 zeigt ein Verfahren zum Verbinden des zweier Bauelemente mit Verbindungs-Elementen.
17 zeigt ein Verbindungs-Element mit Mikro-Struktur, die zusätzlich von der Rückseite her kontaktiert werden kann.
18 zeigt ein weiteres Verbindungs-Element mit Mikro-Struktur, die zusätzlich von der Rückseite her kontaktiert werden kann.
19 zeigt zwei benachbarte Mikro-Säulen einer Mikro-Struktur eines Verbindungs-Elements.
Gegenstand der nachfolgenden Beispiele ist jeweils ein Verbindungs-Element 100 mit einer selbst-tragenden, dreidimensionale Mikro-Struktur 1, aufweisend eine Vielzahl von nebeneinander bezüglich ihrer jeweiligen Mikro-Säulen-Längsausdehnung 21 im Wesentlichen parallel zueinander und voneinander beabstandet angeordnete selbst-tragende Mikro-Säulen 2 mit mindestens einem Mikro-Säulen-Material 20, die jeweils ein Aspekt-Verhältnis aus dem Bereich von 20 bis 1000 und jeweils einen Mikro-Säulen-Durchmesser 22 (vgl. 19) aus dem Bereich von 0,1 μm bis 200 μm aufweisen. Zwischen benachbarten Mikro-Säulen ist ein Mikro-Säulen-Zwischenraum 3 vorhanden. Der Mikro-Säulen-Zwischenraum weist einen Mikro-Säulen-Abstand 31 zwischen benachbarten Mikro-Säulen aus dem Bereich von 1 μm bis 100 μm auf.
Die Mikro-Struktur ist mit einem Träger (Substrat) 4 verbunden, der aus der verwendeten Schablone 5 durch teilweises Entfernen des Schablonen-Materials 50 hervorgeht (1). In einer alternativen Ausführungsform verbleibt die Mikro-Struktur auf einem Träger 4, der im Verlauf des Herstellungsverfahrens mit der Schablone verbunden wurde. Das Schablonen-Material wird vollständig entfernt. Übrig bleibt die Mikro-Struktur auf dem Träger mit dem Träger-Material 41 (2 und 3).
Zum Herstellen der dreidimensionalen Mikro-Struktur werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt (4): a) Bereitstellen einer Schablone 5 mit Schablonen-Material 50, wobei die Schablone eine im Wesentlichen zur Mikro-Struktur inverse, dreidimensionale Schablonenstruktur 51 mit säulenartigen Schablonen-Hohlräumen 52 aufweist, b) Anordnen von Mikro-Säulen-Material in den säulenartigen Schablonen-Hohlräumen, so dass die Mikro-Säulen entstehen, und c) zumindest teilweises Entfernen des Schablonen-Materials.
Ausgangspunkt ist ein Silizium-Wafer. Dieser Silizium-Wafer dient als Schablone. Das Schablonen-Material ist Silizium. Mit Hilfe des PAECE-Prozesses werden die Schablonen-Hohlräume in den Silizium-Wafer eingebracht. Die Schablonen-Hohlräume werden mit Hohlraum-Längsausdehnung 53 und Hohlraum-Durchmesser 54 eingebracht, die den herzustellenden Mikro-Säulen entsprechen. Auch die Abstände zwischen den Schablonen-Hohlräumen werden entsprechen der Abständen der Mikro-Säulen gewählt.
Nachfolgend werden die säulenartigen Schablonen-Hohlräume mit flüssigem Mikro-Säulen-Material befüllt. Dieses Vorgehen ist beispielhaft in 5 dargestellt: Die Schablone mit den Schablonen-Hohlräumen wird mit Hilfe der Heiz-Elemente 501 erwärmt und in ein Reservoir 502 mit flüssigem Metall 503 getaucht. Durch Variation eines äußeren Drucks wird dafür gesorgt, dass das flüssige Metall in die Schablonen-Hohlräume eindringt. Anschließend wird die Schablone mit den gefüllten Schablonen-Hohlräumen aus dem Reservoir entfernt. Die Schablone kühlt ab. Also Folge davon erstarrt das Metall in den Schablonen-Hohlräumen. Es entstehen die Mikro-Säulen aus dem Metall. Das flüssige Metall dient als Ausgangs-Material des Mikro-Säulen-Materials. Es wird durch Abkühlung in das Mikro-Säulen-Material (festes Metall) überführt.
Beispiel 1:
Das Verbindungs-Element weist eine Mikro-Struktur mit Mikro-Säulen auf, deren Mikro-Säulen-Durchmesser entlang der Mikro-Säulen-Längsausdehnung nahezu nicht variiert, also gleich bleibt (1 bis 3).
Zum Herstellen der Mikro-Struktur wird eine Schablone mit Schablonen-Struktur mit Schablonen-Hohlräumen bereitgestellt, in denen, wie oben beschrieben, Mikro-Säulen mit Mikro-Säulen-Material angeordnet werden. Anschließend wird daran ein Träger angeordnet, so dass die Mikro-Säulen mit dem Träger verbunden werden. Nachfolgend wird das Schablonen-Material nahezu vollständig entfernt. Es verbleibt die Mikro-Struktur mit den auf dem Träger angeordneten Mikro-Säulen.
Gemäß diesem Beispiel ist der Träger aus einem starren Träger-Material 41. Das Träger-Material ist eine Keramik. In einer alternativen Ausführungsform ist das Träger-Material ein Metall.
Beispiel 2:
Es wird eine Mikro-Struktur mit Mikro-Säulen hergestellt, deren Mikro-Säulen-Oberflächen 23 strukturiert sind. Dazu wird eine Schablone mit Schablonen-Hohlräumen verwendet, die entlang der Schablonen-Hohlraum-Längsausdehnung variierende Schablonen-Hohlraum-Durchmesser aufweisen (6).
Nach Anordnen des entsprechenden Mikro-Säulen-Materials in den strukturierten Schablonen-Hohlräumen und teilweises Entfernen des Schablonen-Materials (Schritt 61) sowie Entfernen einer eventuell vorhandenen Passivierungs-Schicht an den Mikro-Säulen-Oberflächen (Schritt 62) resultiert eine Mikro-Struktur mit Mikro-Säulen, die strukturierte Mikro-Säulen-Oberflächen aufweisen. In dem dargestellten Fall fungiert die verbleibende Schablone als Träger.
Das resultierende Verbindungs-Element wird mit einem weiteren Verbindungs-Element verbunden, das ebenfalls über eine Mikro-Struktur mit Mikro-Säulen verfügt, die strukturierte Mikro-Säulen-Oberflächen aufweisen (7). Es resultiert eine Anordnung 110, bei der die Mikro-Säulen der Mikro-Struktur einer der Verbindungs-Elemente in den Mikro-Säulen-Zwischenräumen der Mikro-Struktur des anderen Verbindungs-Element angeordnet sind und umgekehrt.
Beispiel 3:
Es wird eine Mikro-Struktur hergestellt, bei dem an den Enden 26 der Mikro-Säulen Umhüllungen 27 angeordnet sind (8). Auch hier sind die Mikro-Säulen-Oberflächen strukturiert. Die Umhüllungen werden nach dem teilweisen Entfernen des Schablonen-Materials (Schritt 81) und einer eventuell anschließenden Entfernung einer Passivierungs-Schicht (Schritt 82) in einem PVD-Verfahren aufgebracht (Schritt 83). Die Umhüllungen fungieren als Funktions-Schicht 28. Je nach gewünschter Funktion, werden beliebige Funktions-Schichten mit verschiedensten Funktions-Materialien 280 aufgebracht.
Es resultiert eine Mikro-Struktur mit Mikro-Säulen, die an den Enden verdickt sind. Durch Ineinander-Anordnen zweier derartiger Mikro-Strukturen wird ein kraftschlüssiger Kontakt zwischen den beiden Mikro-Strukturen erzeugt (9). Es resultiert wieder eine Anordnung 110, bei der die Mikro-Säulen der Mikro-Struktur des einen Verbindungs-Elements in die Mikro-Säulen-Zwischenräume der Mikro-Struktur des anderen Verbindungs-Elements ragen und umgekehrt.
In einer dazu alternativen Ausführungsform werden die Umhüllungen durch elektrochemische Abscheidung aufgebracht. Dazu ist das Mikro-Säulen-Material elektrisch leitfähig. Die Mikro-Säulen fungieren beispielsweise als Kathode, an deren Mikro-Säulen-Oberflächen ein Metall wie Kupfer elektrochemisch abgeschieden wird. In diesem Fall kann das Verbindungs-Element mit der Mikro-Struktur zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung genutzt werden.
Beispiel 4:
Im Unterschied zum vorangegangenen Beispiel wird eine Mikro-Struktur mit einem Träger mit einem elastomeren Träger-Material verwendet (10). Nach Ausbilden der Mikro-Säulen und nach teilweisem Entfernen des Siliziums der Schablone wird ein elastisches Polymer als Mikro-Struktur-Träger 4 angebracht (Schritt 101). Nachfolgend wird das Schablonen-Material nahezu vollständig entfernt und wieder in einem PVD-Verfahren beschichtet. Es verbleibt die Mikro-Struktur mit den verdickten Mikro-Säulen auf dem polymeren Mikro-Struktur-Träger.
Auf der Basis elastomerer Mikro-Struktur-Träger ist es möglich, mehrere Verbindungs-Elemente durch Verzahnen der Mikro-Strukturen der Verbindungs-Elemente in einer Art Reißverschluss-Verfahren zusammenzubringen (11).
Beispiel 5:
Gemäß diesem Beispiel wird ein Bauelement 200 mit einer Verbindungs-Struktur 201 versehen. Dazu wird ausgehend von einer beispielsweise photolithographisch strukturierten Polymer-Schicht 203 auf dem Bauelement durch die Polymer-Schicht metallische Durchkontaktierungen (Vias) 204 erzeugt (12). Elektrochemische Abscheidung von metallischem Material führt zu einem Überhang 202 (Schritt 1201). Nach Entfernen der Polymer-Schicht (Schritt 1202) verbleibt eine Verbindungs-Struktur 201, die sich aus den Durchkontaktierungen 204 mit dem jeweiligen Überhang 202 ergibt.
Entsprechend dem Bauelement mit der Verbindungs-Struktur wird ein Verbindungs-Element mit passender Mikro-Struktur hergestellt (13). Dazu wird ausgehend von einer Silizium-Schablone mit Kontakt-Flächen 55 und Isolations-Fläche 56 die Mikro-Struktur mit den Mikro-Säulen erzeugt und durch teilweises Entfernen des Siliziums der Schablone freigelegt (Schritt 1301). Das Mikro-Säulen-Material ist ein Metall. Die Mikro-Säulen erstrecken sich bis zu den Kontakt-Flächen bzw. Isolations-Flächen.
Nachfolgend wird in einem PVD-Verfahren an allen Mikro-Säulen am jeweiligen Ende eine metallisch leitende Funktions-Schicht aufgebracht (Schritt 1302).
Alternativ dazu wird an den Mikro-Säulen, die mit dem Kontakt-Flächen der Schablonen elektrisch leitend verbunden sind, Metall, beispielsweise Kupfer, elektrochemisch abgeschieden (14). Nur diese Mikro-Säulen verfügen über eine metallisch leitende Funktions-Schicht.
Schließlich werden das Bauelement 200 mit der Verbindungs-Struktur 201 und das Verbindungs-Element 1 mit der Mikro-Struktur 100 zusammengebracht (15). Bauelement und Verbindungs-Element sind über einen mechanischen Kontakt miteinander verbunden. Darüber hinaus wird das Bauelement über das Verbindungs-Element elektrisch kontaktiert.
Beispiel 6:
Hier ist ein Verbindungs-Element mit einem Halbleiter-Modul 300 mit mehreren Halbleiter-Bauelementen 301 verbunden.
Zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiter-Bauelemente wird ein Kontaktierungs-Substrat 302 mit entsprechender Verbindungs-Struktur mit dem Verbindungs-Element verbunden (Schritt 1601). Zum Herstellen des Kontaktierungs-Substrats wird beispielsweise so vorgegangen, wie es für das Bauelement mit der Verbindungs-Struktur beschrieben ist (Beispiel 5).
Beispiel 7:
Gemäß diesem Beispiel kann die Verbindungs-Struktur auch von der Rückseite her elektrisch kontaktiert werden. Dazu weisen die Mikro-Säulen aus elektrisch leitendem Material an den Enden Mikro-Säulen-Hohlräume 29 auf. Die Mikro-Säulen sind offen (17).
In die offenen Mikro-Säulen-Hohlräume werden entsprechend dimensionierte Mikro-Kontakte 30 gesteckt.
Beispiel 8:
Auch hier wird die Verbindungs-Struktur von der Rückseite her elektrisch kontaktiert. Im Unterschied zum vorangegangenen Beispiel sind die Mikro-Säulen massiv, also nicht hohl. Die elektrische Kontaktierung der Mikro-Säulen erfolgt über Löt-Kontakte 303 eines Kontaktierungs-Substrats 302 (18).

Claims

Verbindungs-Element (100) mit dreidimensionaler Mikro-Struktur (1), aufweisend – eine Vielzahl von nebeneinander, bezüglich ihrer jeweiligen Mikro-Säulen-Längsausdehnung (21) im Wesentlichen parallel zueinander und voneinander beabstandet angeordneten Mikro-Säulen (2) mit mindestens einem amorphen Mikro-Säulen-Material (20), die jeweils ein Aspekt-Verhältnis aus dem Bereich von 20 bis 1000 und jeweils einen Mikro-Säulen-Durchmesser (22) aus dem Bereich von 0,1 μm bis 200 μm aufweisen, – einen zwischen benachbarten Mikro-Säulen angeordneten Mikro-Säulen-Zwischenraum (3) mit einem zwischen den benachbarten Mikro-Säulen aus dem Bereich von 1 μm bis 100 μm ausgewählten Mikro-Säulen-Abstand (31), wobei – mindestens zwei der Mikro-Säulen (2) von einander unterschiedliche Mikro-Säulen-Materialien aufweisen.
Verbindungs-Element nach Anspruch 1, wobei der Mikro-Säulen-Durchmesser aus dem Bereich von 0,3 μm bis 200 μm ausgewählt ist.
Verbindungs-Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mikro-Säulen-Längsausdehnung zumindest einer der Mikro-Säulen aus dem Bereich von 50 μm bis 10 mm und insbesondere aus dem Bereich von 100 μm bis 1 mm ausgewählt ist.
Verbindungs-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vielzahl von Mikro-Säulen auf einem gemeinsamen Träger (4) mit einem Träger-Material (41) angeordnet ist.
Verbindungs-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zumindest eine der Mikro-Säulen mindestens eine Umhüllung (27) mit mindestens einem Umhüllungs-Material aufweist und sich das Mikro-Säulen-Material der Mikro-Säule und das Umhüllungs-Material der Umhüllung voneinander unterscheiden.
Verbindungs-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zumindest eine der Mikro-Säulen einen Mikro-Säulen-Hohlraum (29) aufweist.
Verbindungs-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zumindest eine der Mikro-Säulen einen entlang der Mikro-Säulen-Längsausdehnung der Mikro-Säule variierenden Mikro-Säulen-Durchmesser aufweist.
Verbindungs-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei an den Enden (26) zumindest eines Teils der Mikro-Säulen eine Funktions-Schicht (28) mit Funktions-Material (280) angeordnet ist.
Anordnung mindestens zweier Verbindungs-Elemente nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Mikro-Säulen der Mikro-Struktur einer der Verbindungs-Elemente in den Mikro-Säulen-Zwischenräumen der Mikro-Struktur des anderen Verbindungs-Element angeordnet sind und umgekehrt.
Anordnung nach Anspruch 9, wobei zwischen den Mikro-Strukturen der Verbindungs-Elemente ein reibschlüssiger Kontakt besteht.
Verwendung eines Verbindungs-Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als mechanisches und/oder elektrisch leitfähiges Verbindungs-Mittel.