DE102020209525A1 - Verfahren zum Befüllen von Mikrokavitäten - Google Patents

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Abstract

Bei dem Verfahren zum Befüllen von Mikrokavitäten, die in einem Träger mit einer planaren Oberfläche, an der die Öffnungen der Mikrokavitäten angeordnet sind, mit einem pulverförmigen Material, werden die Mikrokavitäten mit Partikeln die eine mittlere Partikelgröße d50im Bereich 1 µm bis 20 µm aufweisen, befüllt, Dabei werden die einzelnen Mikrokavitäten mit konstanter Schüttdichte vollständig befüllt.In einem ersten Verfahrensschritt a) wird pulverförmiges Material aus einem Vorratsbehälter mit vorgebbarer Menge auf eine Füll- und Verdichtungseinrichtung und/oder unmittelbar auf die Oberfläche des Trägers, an der die Öffnungen der Mikrokavitäten angeordnet sind, aufgegeben und in einem zweiten Verfahrensschritt b) wird das pulverförmige Material mittels an der Füll- und Verdichtungseinrichtung wirkenden Schwingungen im Frequenzbereich 25 Hz bis 150 Hz und dazu überlagerten Schwingungen im Frequenzbereich 10 kHz bis 100 kHz in die Mikrokavitäten gefördert und darin verdichtet. Anschließend wird in einem dritten Verfahrensschritt c) überschüssiges pulverförmiges Material entfernt, so dass die Oberflächen der Schüttungen in den Mikrokavitäten mit der planaren Oberfläche des Trägers fluchten.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen von Mikrokavitäten, die in einem Träger mit einer planaren Oberfläche, an der die Öffnungen der Mikrokavitäten angeordnet sind, mit einem pulverförmigen Material.
  • In jüngster Vergangenheit ist ein innovatives technologisches Verfahren entwickelt worden, das die Integration nahezu beliebiger Materialien auf planaren Substraten erlaubt. Ähnlich wie bei der Herstellung keramischer Materialien wird zuerst eine Form, in diesem Fall mehrere Hundert Mikrometer tiefe Kavitäten in einem an der Oberfläche planaren Substrat, mit µm-großem Pulver befüllt. Anschließend wird die Pulver-Schüttung in den Mikrokavitäten mittels Atomlagenabscheidung (ALD) bei Temperaturen zwischen 75°C und 300°C zu dreidimensionalen Mikrostrukturen agglomeriert. Die sich bildende ALD-Schicht durchdringt sämtliche Hohlräume in der Pulverschüttung und umhüllt jedes einzelne Partikel bis auf den Boden der Kavitäten. Ab einer Dicke im Bereich weniger zehn Nanometer wächst die ALD-Schicht an den Berührungspunkten zwischen den Partikeln zusammen. Auf diese Weise entsteht eine mechanisch feste, im Substrat eingebettete, poröse Mikrostruktur, in der die ALD-Schicht die vormals losen Partikel quasi wie ein Exo-Skelett umschließt. Dank dessen sind die Partikel nicht nur untereinander fest verbunden sondern zudem noch vor äußeren Einflüssen gut geschützt, so dass solche Substrate umfassend weiterbearbeitet werden können. Das eröffnet ein außerordentlich breites Spektrum neuer Anwendungsmöglichkeiten in Mikrosystemtechnik und Halbleitertechnologie.
  • Eine erfolgreiche Industrialisierung setzt jedoch einen ausreichend hohen technologischen Reifegrad voraus. Bis jetzt existiert noch keine geeignete technische Lösung für das Befüllen von Mikrokavitäten mit pulverförmigem Material deren Öffnungen an planaren Oberflächen von Substraten oder Trägern angeordnet sind. Das Pulver muss homogen und reproduzierbar ohne Überstand über die Oberfläche, an der die Öffnungen der Mikrokavitäten angeordnet sind, hinaus eingebracht werden können. Die Oberfläche sollte dabei frei von Partikeln bleiben. Die Schüttung soll eine definierte Restporosität und keine Risse oder Fehlstellen aufweisen, da während der anschließenden Agglomeration mittels ALD kein mechanischer Druck auf die Partikel ausgeübt wird. Gleichzeitig ist es verfahrensbedingt zwingend erforderlich, dass die Hohlräume zwischen den einzelnen Partikeln offen bleiben.
  • In Anlehnung an konventionelle Methoden werden oftmals partikelgefüllte Pasten oder Tinten zur Herstellung dreidimensionaler Mikrostrukturen verwendet. Es kommen Verfahren, z.B. wie Mikroabformen, Rakeln, Tintenstrahldrucken, Aufschleudern und Siebdrucken zum Einsatz.
  • Von den genannten Verfahren ist das Rakeln am besten für die Vorbereitung beim Füllen der Mikrokavitäten geeignet. Problematisch ist jedoch die Verwendung von Pasten als Ausgangsmaterial. Die Agglomeration der Partikel mittels ALD wird durch das zumeist organische Bindemittel in den Hohlräumen zwischen den Partikeln behindert. Nach Erzeugung von Strukturen mittels Siebdruck kann das als Bindemittel dienende Polymer durch Pyrolyse an Luft oder in Sauerstoffplasma oxidiert werden. Die so erzeugten porösen Strukturen sind in sich stabil, erlauben jedoch keine nennenswerte mechanische Belastung. Mittels Tintenstrahldrucken wäre eine Verfüllung von Mikrokavitäten ebenfalls prinzipiell möglich. Auch in diesem Fall müssten die flüssigen Bestandteile der Tinte anschließend entfernt werden, um die Agglomeration der Partikel nicht zu behindern. Das kann durch Trocknen oder Pyrolyse erfolgen.
  • Alternativ zu Tinten könnten wässrige Schlicker (Slurries) zum Befüllen der Mikrokavitäten eingesetzt werden. So können z.B. SiC-Substrate mit einer Restporosität von ca. 15 % durch Bandgießen eines Schlickers mit anschließendem Formpressen, Trocknen und Rekristallisation bei ca. 1900 °C erzeugt werden.
    Das rückstandsfreie Entfernen von Binde- oder Lösungsmitteln bzw. Wasser aus den Hohlräumen zwischen den Partikeln verkompliziert alle oben erwähnten Verfahren jedoch. Beim Trocknen von Tinten oder Schlickern können sich Risse in der Partikelschüttung bilden, die durch die anschließende Agglomeration, die ohne mechanische Druckeinwirkung ausgeführt wird, in der porösen Mikrostruktur quasi eingefroren werden. Zudem ist das defektfreie bzw. vollständige Befüllen sehr kleiner Kavitäten durch Rakeln hochviskoser Pasten kaum möglich. Im Falle von Tinten und Schlickern kann es leicht zu Fehlstellen z.B. aufgrund von Lufteinschlüssen in den Kavitäten kommen.
  • Für das Verfüllen von Mikrokavitäten mit Pulver sollen folgende allgemeine Randbedingungen berücksichtigt werden:
    • • Es sollten Pulver aus beliebigen Materialien verarbeitet werden können, d.h. der Verfüllvorgang sollte materialunabhängig sein.
    • • Das Einbringen sollte so erfolgen, dass die Mikrokavitäten gleichmäßig und reproduzierbar befüllt werden können. Die Schüttungen sollten keine Lehrstellen aufweisen, die die mittleren Abmessungen von zwei Partikeln überschreiten.
    • • Der Füll-Level sollte unabhängig von den Abmessungen der Mikrokavitäten mit der Substratoberfläche abschließen.
    • • Die Oberfläche, an der die Öffnungen der Mikrokavitäten angeordnet sind, darf nicht beschädigt werden. Auf dieser Oberfläche sollten möglichst keine Partikel verbleiben.
    • • Unter Mikrokavitäten sollten solche verstanden werden, die eine maximale Tiefe von 2 mm und eine maximale Breite oder einen maximalen Durchmesser von 5 mm und bevorzugt eine maximale Tiefe von 1 mm und eine maximale Breite oder einen maximalen Durchmesser von 2 mm aufweisen.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, mit denen ein gleichmäßiges Befüllen von Mikrokavitäten mit pulverförmigem Material, mit einer homogenen Schüttdichte erreicht werden kann, eine Agglomeration des pulverförmigen Materials vor und während des Befüllens vermieden und bevorzugt im Anschluss an die Durchführung des Verfahrens eine Agglomeration des pulverförmigen Materials mittels Atomlagenabscheidung durchgeführt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Mikrokavitäten, die in einem Träger mit einer planaren Oberfläche, an der die Öffnungen der Mikrokavitäten angeordnet sind, mit einem pulverförmigen Material, mit Partikeln die eine mittlere Partikelgröße dso im Bereich 1 µm bis 20 µm aufweisen, befüllt. Die einzelnen Mikrokavitäten sollen dabei mit konstanter Schüttdichte vollständig befüllt werden.
  • In einem ersten Verfahrensschritt a) wird pulverförmiges Material aus einem Vorratsbehälter mit vorgebbarer Menge auf eine Füll- und Verdichtungseinrichtung und/oder unmittelbar auf die Oberfläche des Trägers, an der die Öffnungen der Mikrokavitäten angeordnet sind, aufgegeben.
  • Eine jeweilige vorgebbare Menge an pulverförmigem Material sollte ein Volumen aufweisen, das mindestens der Summe der Volumina aller Mikrokavitäten eines Trägers entspricht. Bevorzugt sollte dieses Volumen mindestens 400 % größer als die Summe der Volumina sein.
  • Der Träger kann dabei in eine Aufnahme der Füll- und Verdichtungseinrichtung eingesetzt und das pulverförmige Material direkt auf die Oberfläche des Trägers, an der die Öffnungen der Mikrokavitäten angeordnet sind, aufgegeben werden. Ein Träger kann aber auch neben eine Aufgabefläche der Füll- und Verdichtungseinrichtung angeordnet und ggf. temporär mit dieser verbunden werden. Die Aufgabefläche und die Oberfläche des Trägers, an der die Öffnungen der Mikrokavitäten angeordnet sind, sollten miteinander fluchten und in einem Winkel ausgerichtet sein, mit dem ein Gefälle zur Unterstützung der Bewegung der Partikel in Richtung der Öffnungen der Mikrokavitäten erreicht werden kann. Dazu kann ein Winkel > 1° in Bezug zur Horizontalen ausreichend sein.
  • In einem nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt b) wird das pulverförmige Material mittels an der Füll- und Verdichtungseinrichtung wirkenden Schwingungen im Frequenzbereich 25 Hz bis 150 Hz und dazu überlagerten Schwingungen im Frequenzbereich 10 kHz bis 100 kHz in die Mikrokavitäten gefördert und darin verdichtet.
  • Dabei können die Schwingungen in den zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen in unterschiedlichen Achsrichtungen eingekoppelt werden. Schwingungen im Frequenzbereich 25 Hz bis 150 Hz sollten Horizontal- und Vertikal am Träger wirken. Sie sollten jedoch in keinem Fall senkrecht zu den Schwingungen im Frequenzbereich 10 kHz bis 100 kHz ausgerichtet wirken.
  • Im anschließenden dritten Verfahrensschritt c) wird überschüssiges pulverförmiges Material entfernt, so dass die Oberflächen der Schüttungen in den Mikrokavitäten mit der planaren Oberfläche des Trägers fluchten.
  • Bevorzugt wird das überschüssige Material mittels Rakeln im Verfahrensschritt c) entfernt.
  • Vorteilhaft können bei der Durchführung des Verfahrensschrittes b) kugelförmige Elemente aus einem elastomeren Material mit einem äußeren Umfang, der größer als die jeweilige freie Querschnittsfläche der Öffnungen der Mikrokavitäten ist, zugegeben werden, um gegebenenfalls gebildete Agglomerate aufzubrechen. Die kugelförmigen Elemente sollten zu Beginn der Durchführung des Verfahrensschrittes c) vor der Entfernung von pulverförmigem Material von der planaren Oberfläche des Trägers entfernt werden.
  • Bei der Durchführung des Verfahrensschrittes c) sollte das Spaltmaß zwischen Rakelkante und planarer Oberfläche sukzessive bei mehreren nacheinander durchgeführten Überfahrten bis auf 0 verkleinert und/oder eine Vorschubgeschwindigkeit bei der Bewegung einer Rakel im Bereich 30 mm/s bis 80 mm/s eingehalten werden.
  • Neben der mittleren Partikelgröße wirken sich beim Befüllen der Mikrokavitäten auch zusätzlich die Partikelform, Größenverteilung und Materialdichte aus und sind bei der Auswahl der Parameter, mit denen Schwingungen in den jeweiligen Träger mit integrierten Mikrokavitäten eingekoppelt werden, zu berücksichtigen. Dies kann durch eine Frequenzanpassung kombinierter Horizontal- und Vertikalschwingungsbewegungen im ersten Frequenzbereich von 25 Hz bis 150 Hz, bevorzugt 50 Hz bis 100 Hz und die Einstellung der Schwingungsamplitude in diesem Frequenzbereich im Bereich von 0,5 mm bis 2 mm berücksichtigt werden, um eine kontinuierliche Bewegung des Pulverbettes über die gesamte Oberfläche des planaren Trägers im Verfahrensschritt b) zu erreichen. Es kann eine schrittweise Füllung der Mikrokavitäten und gleichzeitige Verdichtung des jeweiligen pulverförmigen Materials über eine Prozessdauer zwischen 2 min bis 10 min ermöglicht werden. Durch die Überlagerung einer weiteren Schwingungskomponente in den Träger im zweiten Frequenzbereich von 10 kHz bis 100 kHz , bevorzugt 20 kHz bis 60 kHz und einer Amplitudenvarianz von 1 µm bis 4 µm wird insbesondere bei Pulvern mit hoher Agglomerationsneigung der Transportvorgang des Pulverbettes über die Trägeroberfläche durch kontinuierliches Aufschließen von Agglomeraten unterstützt. Weiterhin wird dadurch die Verfestigung des Pulverbettes bereits auf der Trägeroberfläche verhindert und somit Füllfehlern in den Mikrokavitäten entgegengewirkt. Besonders bei sehr spratzigen Pulvern sollte die Unterstützung des Füllprozesses mit Schwingungen im Bereich von 20 kHz bis 60 kHz mit Amplituden von 2 µm bis 4 um erfolgen. Dagegen sollte bei der Verarbeitung von primär sphärischen Partikeln im gleichen Frequenzspektrum nur eine geringe Amplitude von 0,05 µm bis 1 µm gewählt werden.
  • Für die definierte Einstellung des Verdichtungsgrades der Pulverschüttungen in den Mikrokavitäten können noch zusätzlich zum pulverförmigen Material kugelförmige Körper aus einem Elastomer, insbesondere Gummikugeln im Verfahrensschritt b) zugegeben werden. Diese werden ebenfalls zum Schwingen und zusätzlich zur Eigenrotation auf der Pulverschüttung angeregt, so dass zusätzlich gebildete Agglomerate aufgeschlossen werden und der Verdichtungseffekt des jeweiligen pulverförmigen Materials in den Mikrokavitäten verstärkt werden kann. Der Durchmesser der kugelförmigen Elemente sollte mindestens das Dreifache der maximalen Breite oder des maximalen Durchmessers der Mikrokavitäten, jedoch maximal 12 mm, betragen.
  • Nach dem Verfahrensschritt b) kann der Träger zusammen mit den kugelförmigen Elementen und dem überschüssigen pulverförmigen Material zum Verfahrensschritt c) in eine Einrichtung transferiert werden, in der die Entfernung der Partikel an der Oberfläche des Trägers, an der die Mikrokavitäten angeordnet sind durchgeführt wird.
  • Dabei werden das überschüssige pulverförmige Material und die kugelförmigen Elemente bevorzugt durch maschinelles Rakeln entfernt. In diesem Verfahrensschritt c) sollten der Einsatz des Rakelmaterials und die Parameter, wie Anstellwinkel der Rakel zur Trägeroberfläche, die Rakelvorschubbewegungsgeschwindigkeit und die Anzahl der Rakelüberfahrungen in definierten Höhenabstufungen entsprechend der Pulvereigenschaften und Beschaffenheit der Trägeroberfläche beachtet werden. Das Spaltmaß zwischen Rakelkante und planarer Oberfläche sollte dabei sukzessive bei mehreren nacheinander durchgeführten Überfahrten der Rakel bis auf 0 verkleinert werden.
  • Die Rakel sollte aus einem Polymer mit einer Shore-Härte im Bereich von 60 bis 90 gebildet sein. Bei der Verwendung von kugelförmigen Elementen sollte zu deren Entfernung im Verfahrensschritt c) Anstellwinkel der Rakel in Bezug zur Trägeroberfläche zwischen 90° bis 110°, Rakelvorschubbegungsgeschwindigkeiten von 30 mm/s bis 50 mm/s und Spaltmaße zwischen Rakelkante und Trägeroberfläche von 1 mm bis 3 mm bei einer Überfahrt bzw. einem Rakelschritt gewählt werden. Das überschüssige Pulver kann anschließend in mehreren Überfahrten bzw. Rakelschritten mit kleiner werdendem Spaltmaß je Rakelschritt im Bereich vom 1 mm bis 0 mm, bei Rakelvorschubbewegungsgeschwindigkeiten von 50 mm/s bis 80 mm/s und Anstellwinkeln von 70° bis 40° abgezogen werden, bis die vorgegebene Endhöhe des auf der Trägeroberfläche verbleibenden pulverförmigen Materials erreicht ist. Bei einem Spaltmaß von 0 mm wird das pulverförmige Material von der Trägeroberfläche vollständig entfernt, so dass die Pulverschüttungen in den Mikrokavitäten eingeebnet werden und mit der Trägeroberfläche abschließen. Nach Durchführung des Verfahrensschrittes c) und Entnahme des Trägers aus der Rakeleinrichtung können die Partikel in den Mikrokavitäten in einem ALD-Beschichtungsprozess umhüllt und damit miteinander verbunden werden.
  • Das pulverförmige Material sollte in den Mikrokavitäten so verdichtet werden, dass die gesamte Pulverschüttung in einer Mikrokavität offenporig ist.
  • Entsprechend der eingestellten Parameter können mittels ALD verfestigte poröse Strukturen hergestellt werden, die für den Aufbau von MEMS sowie anderer miniaturisierter Systeme geeignet sind. Durch die weitgehende Mechanisierung des Füllprozesses kann die Basis für die reproduzierbare Einstellung der Struktureigenschaften geschaffen werden.
  • Der Träger mit den Mikrokavitäten kann prinzipiell eine beliebige Geometrie aufweisen. So können z. B. runde Silizium- oder Glaswafer, rechteckige keramische Nutzen, Leiterplatten diverser Form oder auch strukturierte Metall- oder Kunststofffolien verwendet werden.
  • Ein weiterer Einflußfaktor, der beachtet werden sollte, ist die Atmosphäre, in der das oben beschriebene Verfahren ausgeführt wird. Dies betrifft insbesondere deren Feuchtigkeitsgehalt. Zwischen trockenen Partikeln wirken vor allem van-der-Waals-Kräfte, die sich aufgrund der elektrischen Dipolmomente der Atome und Moleküle ausbilden. Durch elektrostatische Aufladung der Partikeloberflächen, die z. B. infolge von Reibung auftreten kann, können elektrostatische Kräfte hinzukommen.
  • Feuchtigkeit verursacht zusätzliche Kräfte. Wasseradsorptionsschichten resultieren schon bei geringen Feuchtewerten in Haftkräften, die die van-der-Waals-Kräfte deutlich übersteigen können. Die weitaus stärksten Haltekräfte werden jedoch durch die bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit entstehenden Flüssigkeitsbrücken in den Kontaktbereichen der Partikel verursacht. Das Verhalten eines Pulvers kann in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit daher sehr unterschiedlich ausfallen. Von M. Schumann, sind in „Einfluss von Adsorptionsschichten auf die Fließfähigkeit feiner Schüttgüter“, Dissertation, Technische Universität Bergakademie Freiberg, 2005 entsprechende Untersuchungen an Schüttgütern aus Partikeln mit Abmessungen, die für diese Erfindung relevant sind, beschrieben. 1 zeigt REM-Aufnahmen von Partikeln unterschiedlicher Materialien.
  • 2 illustriert die Abhängigkeit der oberflächenspezifischen Feuchteaufnahme Xw,s (Materialfeuchte) von der relativen Luftfeuchtigkeit Ψrel für die in 1 gezeigten Partikel. Im Bereich unterhalb 65 % relativer Luftfeuchtigkeit steigt die Materialfeuchte nur gering an, die Pulver befinden sich im Adsorptionsschichtbereich. Es gibt kaum Unterschiede in der Feuchteadsorption. Auch Partikelgröße und -form haben eher keinen Einfluß darauf, die verschiedenen Pulver nehmen ähnlich viel Feuchtigkeit pro Oberflächeneinheit aus der Umgebungsatmosphäre auf. Etwa ab 65 % relative Luftfeuchtigkeit kommt es aufgrund der Bildung von Flüssigkeitsbrücken zu einem starken Anstieg von Xψrel. Im Flüssigkeitsbrückenbereich gewinnt die Partikelform einen Einfluss auf die Ausbildung der Kontaktgeometrie, so dass die Xw,s-Werte der gebrochenen Probe von denen der kugelförmigen Probe abweichen. Die Kalksteinprobe KS weist eine kontinuierliche Steigerung in der Feuchteaufnahme auf, was auf das Vorhandensein nur eines Adsorptionsbereiches schließen lässt, d.h. der Flüssigkeitsbrückenbereich wird hier gar nicht erreicht.
  • 3 zeigt die Fließfähigkeit der verschiedenen pulverförmigen Materialien in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit. Die aus großen Mikroglaskugeln bestehende, nahezu kohäsionslose Probe MGK-3 fließt erwartungsgemäß am besten. Die feinste Probe MGK-1 fließt aufgrund der durch die kleinere Korngröße bedingten stärkeren Kohäsion schlechter als die etwas gröbere Probe MGK-2. Bedingt durch das Ansteigen der adsorptionsschichtbedingten Haftkräfte nimmt die Fließfähigkeit aller Proben mit steigender Luftfeuchtigkeit kontinuierlich ab. Sobald die Feuchteadsorption vom Adsorptionsschichtbereich in den Flüssigkeitsbrückenbereich umschlägt, verringert sich die Fließfähigkeit teilweise abrupt. Da die Kurven der Proben MGK -1, MGK-2 und MGK-3 sich bei sehr hohen ψrel-Werten annähern, wird die Fließfähigkeit in diesem Bereich offensichtlich nicht mehr primär durch die jeweilige Partikelgröße bestimmt, sondern verstärkt durch die adsorbierte Feuchtemenge. Die gebrochene Probe MGK-4 fließt im Bereich ψrel < 65 % in etwa so gut wie die kugelförmige Probe MGK-1. Im Bereich darüber bleibt die Fließfähigkeit besser erhalten, Da die Probe MGK-1 durch ihre Kugelform eine geringere Oberfläche aufweist, adsorbiert die aufgenommene Feuchte aus der Umgebung dementsprechend früher in den Kontaktbereichen als bei der Probe MGK-4, die eine unregelmäßige Form mit größerer spezifischer Oberfläche besitzt. Die Kalksteinprobe KS belegt den essentiellen Einfluss des pulverförmigen Materials, aus dem die Partikel bestehen, auf das Verhalten des pulverförmigen Materials. Im Unterschied zu den MGK-Proben mit vergleichbarer Partikelgröße bleibt hier auch bei hoher Luftfeuchtigkeit eine gute Fließfähigkeit erhalten. Die Untersuchungen von M. Schumann belegen, dass die Kontrolle des Feuchtigkeitsgehalts der Atmosphäre für das Verfahren beachtet werden sollte. Der optimale Wert kann in Abhängigkeit vom Material der Partikel sowie deren Form und Größe prinzipiell sehr unterschiedlich ausfallen. Das pulverförmige Material sollte jedoch im Adsorptionsschichtbereich verbleiben. Feuchtigkeitswerte, die zur Bildung von Flüssigkeitsbrücken im Pulver führen, sollten vermieden werden. Der Feuchtigkeitsgehalt der Atmosphäre kann jedoch durchaus bis an die Grenze des Absorptionsschichtbereichs gehen, um z.B. die Bildung elektrostatischer Kräfte zu unterdrücken, die zu erheblichen Fehlstellen in der Pulverschüttung führen können.
  • Man sollte daher das Verfahren in einer Umgebungsatmosphäre durchführen, in der eine relative Feuchtigkeit eingehalten ist, bei der eine elektrostatische Aufladung der jeweiligen Partikel und Flüssigkeitsbrücken in den Kontaktbereichen von Partikeln des pulverförmigen Materials vermieden werden.
  • Die einzelnen Einrichtungen, die beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommen, können einen unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalt der jeweiligen Atmosphäre erfordern.
  • Bei der Erfindung kann pulverförmiges Material eingesetzt werden, dass außer ggf. einer gewissen Feuchtigkeit keine weiteren Zusatzstoffe enthält bzw. benötigt. Insbesondere sind keine organischen Stoffe, wie sie üblicherweise in Suspensionen (z.B. Pasten, Tinten) genutzt werden, erforderlich und sogar hinderlich.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist einer manuellen Vorgehensweise deutlich überlegen. Generell ist in Abhängigkeit von der Breite einer Mikrokavität stets ein mehr oder weniger ausgeprägter Meniskus zu beobachten. Dieser Effekt kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere auch bei einem Einsatz kugelförmiger Elemente im Vergleich zur manuellen Vorgehensweise reduziert werden, d.h. die maschinelle Prozedur garantiert eine wesentlich gleichmäßigere Befüllung.
  • Poröse Mikrostrukturen, hergestellt durch maschinelles Verfüllen mit zusätzlicher Verdichtung, haben eine höhere Fülldichte und enthalten weniger Defekte im Vergleich zu manuell verfüllten. Die höhere Fülldichte in erfindungsgemäß befüllten Mikrokavitäten manifestiert sich z.B. auch in einer deutlich höheren Remanenz von Mikromagneten, die unter Verwendung des neuen Verfahrens aus einem hartmagnetischen Pulver hergestellt wurden.
  • Die Erfindung kann vorteilhaft für eine Befüllung von Mikrokavitäten auf planaren Trägern oder Substraten, die im Zusammenhang mit dem neuen technologischen Verfahren, wie sie z.B. aus EP 2 670 880 B1 bekannt sind, eingesetzt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2670880 B1 [0037]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Befüllen von Mikrokavitäten, die in einem Träger mit einer planaren Oberfläche, an der die Öffnungen der Mikrokavitäten angeordnet sind, mit einem pulverförmigen Material, mit Partikeln die eine mittlere Partikelgröße dso im Bereich 1 µm bis 20 µm aufweisen, befüllt werden, wobei die einzelnen Mikrokavitäten mit konstanter Schüttdichte vollständig befüllt werden, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt a) pulverförmiges Material aus einem Vorratsbehälter mit vorgebbarer Menge auf eine Füll- und Verdichtungseinrichtung und/oder unmittelbar auf die Oberfläche des Trägers, an der die Öffnungen der Mikrokavitäten angeordnet sind, aufgegeben und in einem zweiten Verfahrensschritt b) das pulverförmige Material mittels an der Füll- und Verdichtungseinrichtung wirkenden Schwingungen im Frequenzbereich 25 Hz bis 150 Hz und dazu überlagerten Schwingungen im Frequenzbereich 10 kHz bis 100 kHz in die Mikrokavitäten gefördert und darin verdichtet wird und anschließend in einem dritten Verfahrensschritt c) überschüssiges pulverförmiges Material entfernt wird, so dass die Oberflächen der Schüttungen in den Mikrokavitäten mit der planaren Oberfläche des Trägers fluchten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das überschüssige Material mittels Rakeln im Verfahrensschritt c) entfernt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Durchführung des Verfahrensschrittes b) kugelförmige Elemente aus einem elastomeren Material mit einem Durchmesser, der mindestens dreifach 3 größer ist als die jeweilige maximale Breite oder der Durchmesser der Mikrokavitäten, jedoch höchsten 12 mm, zugegeben werden, um gegebenenfalls gebildete Agglomerate aufzubrechen und die kugelförmigen Elemente zu Beginn der Durchführung des Verfahrensschrittes c) vor der Entfernung von pulverförmigen Material von der planaren Oberfläche des Trägers entfernt werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Durchführung des Verfahrensschrittes c) das Spaltmaß zwischen Rakelkante und planarer Oberfläche sukzessive bei mehreren nacheinander durchgeführten Überfahrten bis auf 0 verkleinert und/oder eine Vorschubgeschwindigkeit bei der Bewegung einer Rakel im Bereich 30 mm/s bis 50 mm/s eingehalten wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rakel mit einer Shorehärte im Bereich 60 bis 90 eingesetzt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel der Rakel bei der Entfernung von Partikeln im Bereich zwischen 70° bis 40° und/oder bei der Entfernung kugelförmiger Elemente im Bereich 90° bis 110° eingehalten wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Material in den Mikrokavitäten so verdichtet wird, dass zwischen benachbart angeordneten Partikeln ein maximaler Abstand, der der Partikelgröße zweier Partikel des jeweiligen pulverförmigen Materials entspricht, eingehalten ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Material in den Mikrokavitäten so verdichtet wird, dass die gesamte Pulverschüttung in der Mikrokavität offenporig ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer Umgebungsatmosphäre durchgeführt wird, in der eine relative Feuchtigkeit eingehalten ist, bei der eine elektrostatische Aufladung der jeweiligen Partikel und Flüssigkeitsbrücken in den Kontaktbereichen von Partikeln des pulverförmigen Materials vermieden werden.
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