DE10353060A1

DE10353060A1 - Verfahren zur freiformenden Herstellung von dreidimensionalen Hohlräumen oder Hinterschneidungen aufweisenden Mikrobauteilen

Info

Publication number: DE10353060A1
Application number: DE10353060A
Authority: DE
Inventors: Kai Uwe Dr.-Ing. Koch; Hans-Jochen Dr.rer.nat. Fetzer; Armin Dr.Rer.Nat. Gemmler; Bernhard Dipl.-Ing. Gottwald
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-11-13
Filing date: 2003-11-13
Publication date: 2005-06-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur freiformenden Herstellung von dreidimensionale Hohlräume oder Hinterschneidungen aufweisenden Mikrobauteilen. Dabei handelt es sich in der Regel bei solchen in den erfindungsgemäß herzustellenden Mikrobauteilen um vorhandene offene Hohlräume, die zumindest eine zugängliche Öffnung aufweisen. Die erfindungsgemäß hergestellten Mikrobauteile können als Gieß- und/oder Sinterformen aus Keramik-, Glas- und/oder Polymerwerkstoffen, neben den bereits erwähnten Metallen oder Metalllegierungen, eingesetzt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen nahezu beliebige, frei wählbare dreidimensional gestaltete Mikrobauteile hergestellt werden. Solche Mikrobauteile können unterschiedlich gestaltete Hohlräume, aber auch allein oder zusätzlich Hinterschneidungen aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur freiformenden Herstellung von dreidimensionalen Hohlräume oder Hinterschneidungen aufweisenden Mikrobauteilen. Dabei handelt es sich in der Regel bei solchen in den erfindungsgemäß herzustellenden Mikrobauteilen vorhandene offene Hohlräume, die zumindest eine zugängliche Öffnung aufweisen.
Die erfindungsgemäß herzustellenden Mikrobauteile können unterschiedlichste Gestaltungsformen aufweisen und sind in der Regel mit einem Gesamtvolumen von einigen wenigen cm³ aber auch ≤ 1 cm³ dimensioniert. Dabei können die an solchen Mikrobauteilen ausgebildeten Hohlräume oder Hinterschneidungen sehr klein dimensioniert sein, so dass eine mechanische Fertigung mit herkömmlichen Verfahrenstechniken, wenn überhaupt nur mit erhöhtem Aufwand erfolgen kann.
Die Erfindung greift dabei auf Kenntnisse der chemischen oder galvanischen Abscheidung von Metallen, Metalllegierungen und/oder Verbindungen davon zurück.
So ist es beispielsweise bekannt, Mikrostrukturen photolithographisch herzustellen, wobei elektromagnetische Strahlung in den verschiedenen Wellenlängenbereichen, bis hin zur Röntgenstrahlung eingesetzt wird, um eine weitere Miniaturisierung solcher Mikrostrukturen erreichen zu können.
Bei diesen bekannten Mikrostrukturierungsverfahren werden auch Beschichtungen galvanisch ausgebildet, wobei bei den bekannten Lösungen aber lediglich begrenzte Aspektverhältnisse eingehalten werden können.
Des Weiteren ist es häufig erforderlich, photolithographische Prozessschritte und galvanische Abscheidungen mehrfach zu wiederholen.
Mit diesen bekannten Lösungen können aber keine freigeformten Mikrobauteile in dreidimensionaler Gestalt, die klein dimensionierte Hohlräume, die gegebenenfalls auch keine kontinuierlichen Oberflächen, allein oder zusätzlich auch Hinterschneidungen aufweisen, hergestellt werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit vorzuschlagen, um Mikrobauteile, die Hohlräume und/oder Hinterschneidungen aufweisen, mit kleiner Dimensionierung und hoher Gestaltungsvariabilität herstellen zu können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden. In Anspruch 33 wird die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei so vorgegangen, dass eine Masterrohstruktur beliebiger Geometrie durch ein generatives Fertigungsverfahren hergestellt wird. Diese Masterrohstruktur dient als Negativform für das eigentlich herzustellende Mikrobauteil.

Im Anschluss erfolgt eine definierte Einstellung der Oberflächentopographie der Masterrohstruktur durch eine chemische Oberflächenbehandlung.

Auf die so hergestellte Masterrohstruktur wird ein Metall und/oder ein anderer Werkstoff in mindestens einem von der Masterrohstruktur vorgegebenen Hohlraum chemisch und/oder elektrolytisch abgeschieden oder eingebracht. So wird sukzessive auf der Masterrohstruktur die Struktur von mindestens einem Mikrobauteil, durch Aufwachsen von Schicht(en) aufgebaut.

Im Anschluss daran kann mittels einer chemischen, physikalischen und/oder mechanischen Auf- und/oder Ablösung die Masterrohstruktur entfernt und das eigentlich herzustellende Mikrobauteil erhalten werden.

Für die Herstellung der Masterrohstruktur kann auf an sich bekannte generative Herstellungsverfahren zurückgegriffen werden.

So besteht zum einen die Möglichkeit der Herstellung mittels des so genannten Schmelzspinnverfahrens aus einem thermoplastischen Polymer. Dieses Verfahren ist in DE 43 19 128 C1 beschrieben und es wird auf dessen Offenbarungsgehalt vollumfänglich zurückgegriffen.

Die generative Herstellung von Masterrohstrukturen für Mikrobauteile kann aber auch mit anderen unter den Sammelbegriff „Rapid Prototyping" fallenden Verfahren erfolgen. So besteht die Möglichkeit, solche Masterrohstrukturen schichtweise durch einen lokal definierten Energieeintrag dreidimensional aufzubauen.

So können stereolithographische Herstellungsverfahren eingesetzt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit der Herstellung von Masterrohstrukturen durch selektives Laser-Sintern.

Außerdem kann die Herstellung von Masterrohstrukturen auch durch entsprechende Schichtpakete von Laminaten, bei denen die einzelnen Laminate unterschiedliche Konturen aufweisen können, durch Schmelzen und Verfestigen aus einer festen Ausgangsphase oder entsprechendes Verkleben von Granulaten mit Bindern hergestellt werden.

Eine solche in einem ersten Verfahrensschritt hergestellte Masterrohstruktur kann dann wiederum durch chemische Abscheidung beschichtet und so die dreidimensionale Gestalt des erfindungsgemäß herzustellenden Mikrobauteils endkonturnah ausgebildet werden.

Vorteilhaft kann es aber sein, eine elektrochemische/galvanische Abscheidung für die eigentliche Ausbildung des Mikrobauteils mit der jeweiligen dreidi mensionalen Gestalt vorzunehmen.

Durch eine solche chemische oder galvanische (elektrolytische) Abscheidung können Mikrobauteile ohne zusätzliche spanende Bearbeitung oder durch die Anwendung zusätzlicher Fügeverfahren hergestellt werden.

Insbesondere bei der galvanischen Abscheidung ist es vorteilhaft, vorab eine Startschicht auf der Oberfläche der Masterrohstruktur auszubilden, die wiederum gute Haftungseigenschaften auf der Oberfläche der Masterrohstruktur erreicht. Auch eine solche Startschicht sollte wiederum aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet sein, wobei eine solche Startschicht als metallische Kombinationsschicht ausgebildet und ebenfalls auf der Masterrohstrukturoberfläche abgeschieden oder anderweitig (z.B. mittels PVD- oder CVD-Verfahren) ausgebildet werden kann.

Für die definierte Einstellung der Oberflächentopographie der Oberfläche der Masterrohstruktur vor der Ausbildung des eigentlichen Mikrobauteils und gegebenenfalls auch vor Ausbildung der Startschicht bestehen verschiedene Optionen.

So besteht die Möglichkeit, die Oberflächentopographie durch Glättung der Oberfläche mittels Lösemitteln und/oder chemischen Reagenzien zu verändern. Hierzu werden bevorzugt wässrige oder wasserbasierende Lösungsmittel verwendet.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Oberflächentopographie durch Aufrauen der Oberfläche mit Reagenzien, z. B. mittels Beizmitteln, zu verändern. Das Aufrauen kann dabei vorzugsweise durch Temperatur- und/oder Ultraschallbehandlung unterstützt wer den.

Neben der Einstellung der Oberflächentopographie kann zusätzlich eine chemische Modifizierung der Oberfläche erfolgen. Hier ist beispielsweise eine Hydrophylierung der Oberfläche durch Behandlung mit oxidativ oder hydrolysierend wirkenden Chemikalien in wässrigen und organischen Lösungsmitteln vorteilhaft.

Die Masterrohstrukturen können aus den unterschiedlichsten Werkstoffen hergestellt werden, wobei neben organischen Polymeren auch anorganische Werkstoffe eingesetzt werden können. Geeignete anorganische Werkstoffe sind beispielsweise an sich bekannte Keramiken, Metalle oder Metalllegierungen, die wiederum bevorzugt durch selektives Laser-Sintern aus pulverförmigem Ausgangswerkstoff hergestellt werden können.

Masterrohstrukturen aus anorganischen Werkstoffen zeichnen sich gegenüber organischen Werkstoffen durch eine erhöhte Festigkeit und chemische Resistenz aus. Ihre Oberflächenrauheit ist aber gegenüber organischen Werkstoffen erhöht.

Bei generativ hergestellten Masterrohstrukturen aus organischen Polymeren sollte deren Polymerisation auf der Startschicht für die elektrochemische Abscheidung erfolgen und nachfolgend verbliebene Monomerreste durch Vakuumunterstützung entfernt werden.

Wird für den generativen Aufbau von Masterrohstrukturen ein Schmelzspinnverfahren eingesetzt, ist es vorteilhaft den generativen Aufbau auf der Startschicht für die elektrochemische Abscheidung vorzunehmen. Dadurch kann die Wärme in kürzerer Zeit abgeleitet, ein Zerfließen von Spinnfäden vermieden und so eine fei nere Strukturierung unter Einhaltung engerer Toleranzen erreicht werden.

Die bereits angesprochene Oberflächenmodifikation der Masterrohstruktur kann insbesondere vorteilhaft bei solchen aus organischen Polymeren durch entsprechende Lösungsmittel oder chemische Reagenzien erfolgen. Dabei sollten ein Quellen des polymeren Werkstoffes vermieden werden, so dass eine entsprechende Auswahl eines Lösungsmittels erfolgten sollte, um die Gestaltung und Maßhaltigkeit in gewünschter Form einhalten zu können. Dementsprechend sind wässrige oder Wasser basierte Lösungsmittel zu bevorzugen.

Für den Fall, dass eine eine erhöhte Oberflächenrauhigkeit aufweisende Oberflächenstruktur von Masterrohstrukturen erreicht werden soll, können entsprechend aggressive Reagenzien eingesetzt werden, die zu einem so genannten „Anbeizen" führen. Zusätzlich oder allein kann aber auch bei erhöhten Temperaturen eine solche Modifizierung durchgeführt werden und gegebenenfalls auch eine mechanische Beeinflussung, z.B. durch Ultraschalleinwirkung durchgeführt werden.

Außerdem kann es sich vorteilhaft auswirken, die Oberflächen zu hydrophilisieren, um insbesondere das Benetzungsvermögen bei der Abscheidung zu verbessern.

Bei der Auswahl und Ausbildung der insbesondere für die elektrochemische Abscheidung gewünschten Startschichten sollte beachtet werden, dass ein gleichmäßiger Fluss des elektrischen Stromes erreichbar wird, um eine über die jeweiligen Oberflächenbereiche konstante Abscheiderate einhalten zu können. Hierzu sollte eine sichere Kontaktierung mit der Anode und ein Haftfester, homogener Verbund mit der Oberfläche der Masterrohstruktur eingehalten werden.

Eine solche Startschicht kann, wie bereits angesprochen, aus einem Metall gebildet worden sein, das möglichst entweder teilpassiviert oder mit einer nachfolgend relativ leicht abäzbaren Deckschicht versehen werden kann. Insbesondere bei filigranen Masterrohstrukturen sollten Deckschichten eingesetzt werden. Beispiele solcher Strukturen sind speziell gestaltete feine Düsen.

Startschichten können aber auch als metallische Kombinationsschichten, beispielsweise auf einen polymeren Werkstoff aufgebracht werden und eine hohe Flexibilität aufweisen, so dass Maßungenauigkeiten, die insbesondere am unteren Rand der Masterrohstrukturauftreten können, kompensiert und ein gleichmäßiger Kontakt über die gesamte Oberfläche der Masterrohstruktur mit der Startschicht erreicht werden können.

Die Startschichten sollten eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen, um die Abscheiderate und Abscheidebedingungen bei der elektrochemischen/galvanischen Abscheidung günstig zu beeinflussen.

Bei der galvanischen Abscheidung wird in üblicher Form so vorgegangen, dass in einem Behälter ein entsprechend geeigneter Elektrolyt sowie eine Anode und eine Kathode eingesetzt werden.

Die Kathode dient dabei als Negativform, dementsprechend sollte die erfindungsgemäß einzusetzende Masterrohstruktur mit Startschicht, als Kathode geschaltet sein.

An Kathode und Anode wird eine Gleichspannung angeschlossen, wobei gegebenenfalls auch eine Temperierung insbesondere des Elektrolytbades sowie eine Umwälzung der Elemente zur Regelung der Elektrolytbadkonsistenz vorhanden sein können.

So können normalerweise Abscheideraten zwischen 10 und 50 μm/h, gegebenenfalls auch Abscheideraten bis zu 1 mm/h und entsprechende Schichtdicken im Bereich zwischen 0,1 bis zu einigen mm erreicht werden.

Wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren eine galvanische Abscheidung für die Ausbildung der Mikrobauteile durchgeführt, besteht einmal die Möglichkeit den elektrischen Strom und zum anderen die Möglichkeit, die elektrische Spannung entsprechend zu steuern, wobei selbstverständlich auch gleichzeitig elektrischer Strom und elektrische Spannung gesteuert bzw. geregelt werden können.

Insbesondere dann, wenn die elektrische Stromstärke als primärer Steuerparameter genutzt wird, ist es vorteilhaft, zusätzliche Ballastflächen vorzusehen, um eine gleichmäßige Schichtdickenausbildung bei der Abscheidung und die Herstellung der Mikrobauteile zu sichern. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass die in Rede stehenden Mikrobauteile sehr klein dimensioniert und dementsprechend die Oberflächen der Masterrohstruktur mit Startschicht sehr klein sind, im Bereich zwischen einigen wenigen cm² bis in Bereiche von einigen 100 μm² liegen und trotzdem akzeptable Abscheideraten eingehalten werden sollen. Diese werden im Wesentlichen von der jeweiligen elektrischen Stromstärke beeinflusst.

Insbesondere die Qualität und hier insbesondere die Dichte der abgeschiedenen Schicht, die letztendlich das Mikrobauteil bildet, wird durch die jeweils eingestellte elektrische Spannung beeinflusst.

Mit dem in 1 gezeigten Diagramm können die unterschiedlichen Einflüsse von elektrischem Strom und elektrischer Spannung sowie geeignete Arbeitsbereiche bei der galvanischen Abscheidung verdeutlicht werden. So wurde das Kathodenpotential mittels einer Kalomelreferenzelektrode, für die Abscheidung von Gold aus einem Goldsulfitelektrolyten, ermittelt.

Wie dem Diagramm entnommen werden kann, können bei einem entsprechenden Strom-Spannungsverlauf verschiedene Bereichte I bis III definiert werden.

So wird beispielsweise im Bereich I kein Metall abgeschieden und es bildet sich aber im Bereich III verstärkt Wasserstoff, so dass unterhalb von –150 mV Kathodenpotential ungünstige oder gar keine Abscheidebedingungen gegeben sind.

Es sollte daher die galvanische Abscheidung bei einer elektrischen Stromstärke und einer elektrischen Spannung, im Bereich II gearbeitet werden, wobei beachtet werden kann, dass bei steigenden absoluten Beträgen der elektrischen Spannung die Oberfläche rauer und die Struktur der abgeschiedenen Metallschichten schwammiger und poröser werden.

Insbesondere dann, wenn die elektrische Spannung die primäre Steuergröße ist, sollte so gearbeitet werden, dass vor dem eigentlichen Beginn der galvanischen Abscheidung über einen relativ kurzen Zeitraum eine erhöhte elektrische Spannung, was man auch als Span nungspuls bezeichnen kann, angelegt wird. Dies kann über einen bestimmten Zeitraum gehalten werden, woraufhin möglichst eine „Erholungsphase" eingelegt werden sollte. In diesem Zeitraum sollte der absolute Betrag der elektrischen Spannung reduziert oder gar auf 0 gesetzt werden und daran anschließend dann die eigentliche elektrische Arbeitsspannung eingestellt und dann auf diesem Wert gehalten werden. Da aber der jeweilige fließende elektrische Strom wiederum die Spannung beeinflusst, sollte eine entsprechende Regelung vorgenommen werden.

Ein weiterer Einfluss wird aber auch von der jeweiligen für die Abscheidung zur Verfügung stehenden Oberfläche ausgeübt, so dass auch hierdurch ein entsprechender Steuerungs- bzw. Regelungsbedarf erfolgt.

Insbesondere dadurch, dass wir eine dreidimensionale Form berücksichtigen müssen, verändert sich selbstverständlich im Laufe der Abscheidung die entsprechende Oberfläche. Bei den in Rede stehenden kleinen Mikrobauteilen wirkt sich die bei der Abscheidung auftretende Oberflächenvergrößerung verstärkt aus.

Vorteilhaft kann auch ein Coulomb-Zähler für die Messung der elektrischen Ladung eingesetzt werden. Mit einem solchen Zähler kann beispielsweise der Abscheidungsprozess bei Erreichen einer vorgebbaren elektrischen Ladung für ein jeweils herzustellendes Mikrobauteil die Beendigung der elektrochemischen Abscheidung signalisieren oder einleiten.

Für den Fall, dass ein Elektrolyt eingesetzt worden ist, bei dem eine Wasserstofffreisetzung erfolgt, ist ein entsprechender Korrekturfaktor zu berücksichtigen.

Für den Fall, dass die elektrische Stromstärke als primärer Steuer-Regelparameter genutzt wird, sollen die vorab erwähnten Einflüsse ebenfalls berücksichtigt werden. Die elektrochemische Abscheidung in dieser Form sollte möglichst bei größeren und gröber strukturierten Masterrohstrukturen eingesetzt werden. Dabei sollte über den Abscheidezeitraum die sich entsprechend vergrößerte Oberfläche berücksichtigt werden, was insbesondere durch elektronisch gespeicherte Daten, beispielsweise CAD-Daten für die Masterrohstruktur und unter Kenntnis der jeweiligen Abscheiderate erfolgen kann. Außerdem sollte die jeweilige elektrische Spannung entsprechend geregelt werden.

Auch die Zusammensetzung des Elektrolyts, also der Badinhalt kann einen wesentlichen Einflussfaktor darstellen.

Wie auch aus dem in 2 gezeigten Schema für eine Abscheidung von Nickel ersichtlich, spielen erhaltene Zusatz- oder Hilfsstoffe einen Einfluss aus.

So kann beispielsweise bei einer Nickelabscheidung eine Nickelanode, die bevorzugt aus schwefeldepolarisiertem Nickel besteht, eingesetzt werden. Dabei sollten Anodenaktivatoren wirken können. Dies können beispielsweise Chlorid- oder weitere Halogenidionen sein.

Vorteilhaft wirkt sich auch eine feine Verteilung des Schwefels in der Nickelanode aus.

Im Elektrolytbad bilden die Nickelionen einen Prekursor in einem im Wesentlichen aus Wasser gebildeten Trägermedium und die elektrische Leitfähigkeit wird durch Sulfate oder Chloride verbessert.

Insbesondere wegen der sehr kleinen Dimensionierung der erfindungsgemäß herzustellenden Mikrobauteile erfolgt ein Stofftransport nahezu ausschließlich durch Diffusion, so dass diese Tatsache bei der Einstellung aller physikalischen Parameter, insbesondere der elektrischen Parameter berücksichtigt werden sollte.

Für die Einhaltung einer Spannungsfreiheit oder die Ausbildung eines mikrokörnigen Gefüges bei der Abscheidung, also der Ausbildung des Mikrobauteiles, wirken sich zusätzliche Additive günstig aus. So können beispielsweise das Benetzungsverhalten verbessernde Additive, wie beispielsweise Saccharin eingesetzt werden.

Außerdem kann eine elektrolytische Abscheidung auch ohne den Anschluss an eine Gleichspannungsquelle erfolgen.

Solche stromlosen, chemischen Abscheidungen können mit Nickel, Kupfer, Zinn, Silber und Gold durchgeführt werden, wobei hierbei insbesondere eine entsprechende Startschicht, die das abgeschiedene Metall berücksichtigt, ausgewählt werden sollte.

Nach der chemischen oder galvanischen Abscheidung ist eine Trennung, Separation der Masterrohstruktur mit gegebenenfalls vorhandener Startschicht vom Mikrobauteil durchzuführen.

Hierfür können physikalische, thermische und/oder chemische Trennverfahren eingesetzt werden.

So ist beispielsweise ein „Abschrecken" auf niedrige Temperaturen, beispielsweise mittels flüssigen Stick stoffs, bei Kälte unempfindlichen Mikrobauteilen möglich.

Im Gegensatz hierzu können aber auch heiße Bäder, beispielsweise Wasser- oder Ölbäder für Wärme unempfindliche Mikrobauteile eingesetzt werden.

Masterrohstrukturen aus polymeren Werkstoffen können aber auch mit geeigneten organischen Lösungsmitteln entfernt werden. Es kann aber auch eine thermische Zersetzung und gegebenenfalls Oxidation durchgeführt werden.

Eine weitere Möglichkeit besteht im Einsatz einer chemischen Abbeizung, vorzugsweise eine elektrochemische Entfernung unedlerer Startschichten.

Auch gezielte Anwendung von mechanischen Schwingungen, bevorzugt Ultraschall ist eine Möglichkeit für eine solche Trennung.

In bestimmten Fällen kann aber auch eine Masterrohstruktur, auch mit einer entsprechenden Startschicht insoweit erwärmt werden, dass ein Aufschmelzen erreicht und durch die entsprechend erniedrigte Viskosität eine Trennung/Separation vom Mikrobauteil erreicht werden kann.

Optional besteht außerdem die Möglichkeit nachfolgend die Mikrobauteile einer weiteren Bearbeitung zu unterziehen, wobei dies insbesondere eine Oberflächenbearbeitung betrifft.

So können die Oberflächen chemisch, chemisch/mechanisch oder elektrolytisch poliert bzw. auch aufge raut werden.

Es besteht auch die Möglichkeit, eine zusätzliche Oberflächenbeschichtung galvanisch in Trommeln, Kassetten oder Gestelltechnik vorzusehen.

Außerdem sind die Ausbildung von Oberflächenbeschichtungen aus der Gasphase mit an sich bekannten CVD- oder auch PVD-Verfahren einsetzbar.

Es können aber auch Lackschichten durch entsprechend bekannte Beschichtungstechniken ausgebildet werden.

Die erfindungsgemäß hergestellten Mikrobauteile können als Gieß- und/oder Sinterformen aus Keramik-, Glas- und/oder Polymerwerkstoffen, neben den bereits erwähnten Metallen oder Metalllegierungen eingesetzt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen nahezu beliebige, frei wählbare dreidimensional gestaltete Mikrobauteile hergestellt werden. Solche Mikrobauteile können unterschiedlich gestaltete Hohlräume aber auch allein oder zusätzlich Hinterschneidungen aufweisen.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 ein Diagramm, das den Einfluss von elektrischer Stromstärke und elektrischer Spannung bei einer elektrochemischen Abscheidung verdeutlicht;
2 in schematischer Form Einflüsse von in einem Abscheidebad enthaltenen Komponenten, bei der Abscheidung von Nickel;
3 einen Schnitt durch eine Mikrodüse, als ein Beispiel für ein erfindungsgemäß herstellbares Mikrobauteil und
4 zwei Diagramme, die den Einfluss unterschiedlicher Konzentrationen von Stoffen in einem Abscheidebad, bei der Abscheidung einer Nickelschicht, verdeutlicht.
Mit der in 3 dargestellten Schnittdarstellung einer Mikrodüse sollen die Möglichkeiten bei der Herstellung von Mikrobauteilen mit Hohlräumen verdeutlicht werden.
Diese Mikrodüse hat einen kleinsten freien Querschnitt von 0,3 mm und die Darstellung verdeutlicht dabei, dass ein in dieser Form in einem Mikrobauteil ausgebildeter Hohlraum eine schwer herzustellende dreidimensionale Geometrie darstellt.
Außerdem weist insbesondere die Düsenöffnung Oberflächenbereiche in unterschiedlichen Konturformen auf.
Für die Herstellung einer Mikrodüse, wie sie in 3 gezeigt ist, wird so vorgegangen, dass eine Masterrohstruktur generativ durch ein Schmelzspinnverfahren, wie es z.B. in DE 43 19 128 C1 beschrieben ist, hergestellt wird. Dabei wird als Ausgangsgranulat ein Milchsäurepolymer (polymeres D, L-Lactid) eingesetzt und in einer beheizbaren Prozesskammer auf ca. 180 °C erhitzt.
Die entsprechend dünnflüssige Schmelze wird aus einer Messingdüse herausgedrückt und so gebildete Spinnfäden mit einem Durchmesser von ca. 0,3 mm dreidimensional gesteuert auf eine vorab gebildete Startschicht schichtweise aufgebracht und so gemäß konstruktiver Vorgaben eine dreidimensionale Masterrohstruktur, als Negativform für die Mikrodüse, als ein Beispiel für ein Mikrobauteil generativ aufgebaut.
Die Oberfläche der so hergestellten Masterrohstruktur wird dann in einer Methanol-Wasser-Lösung, in der 30 Masse-% Methanol enthalten sind, geglättet. Gegebenenfalls kann zusätzlich eine leichte Erwärmung der Flüssigkeit und der Einfluss von Ultraschall ausgeübt werden. Dadurch lässt sich diese Oberflächenmodifizierung auf einen Zeitraum von ca. 1 min verkürzen, ohne dass ein wesentlicher Werkstoffabtrag erfolgt.
Durch eine solche Behandlung können gegebenenfalls vorhandene Restmonomere bzw. Restoligomere in gelöster Form entfernt werden.
Für die Ausbildung der Startschicht kann eine dünne ebene Messingplatte, als stabiles Basismaterial eingesetzt werden.
Eine solche Platte wird mit einem herkömmlichen Glanz-Zink-Elektrolyten mit einer ca. 0,05 mm starken Zinkschicht versehen.
Diese Zinkschicht soll gewährleisten, dass eine leichte Ablösung/Trennung/Separation nach der galvanischen Abscheidung erreichbar ist. Außerdem kann die Fixierung der aus Milchsäurepolymer bestehenden „Spinnfäden" auf der Zinkoberfläche, wegen der erhöhten chemischen Affinität verbessert und so eine er höhte Haftfestigkeit gewährleistet werden.
Die so vorbereitete Masterrohstruktur mit Startschicht und Messingplatte kann dann in ein für die Abscheidung von Nickel geeignetes Elektrolyt, das auch als „Watts-Elektrolyt" bezeichnet wird, eingesetzt werden.
Dieses hat eine Grundzusammensetzung:
105 g/L Nickel in Form von Nickelsulfat und Nickelchlorid
10 g/L Nickelchlorid wasserfrei zur besseren Anodenlöslichkeit
30 g/L Borsäure als Pufferreagenz
100 mg/L Netzmittel und
500 mg/L Saccharin zur Minderung der inneren Spannungen.
Vorab wurde sichergestellt, dass die Startschicht eine intensive Kontaktierung aufwies. Dies kann bevorzugt mit Stiftkontakten erreicht werden, wobei die Kontaktstellen mittels eines elektrolytresistenten Lackes isoliert werden sollten, um Blindströme zu vermeiden.
Im Elektrolyten wurde ein pH-Wert von 3,9 eingestellt, der während der ganzen elektrochemischen Abscheidung auch eingehalten werden sollte.
Die Abscheidung wurde bei einer Temperatur von 50 °C gehalten.
Der Elektrolyt wurde mit einem 5 μm-Kerzenfilter, über den auch eine Nachdosierung gesichert ist, umgewälzt.
Die Saccharinkonzentration im Elektrolyten wurde unter Berücksichtigung innerhalb eines ausgewählten Arbeitsbereiches A, wie er den in 4 gezeigten Diagrammen entnommen werden kann, gehalten. So konnten definierte und konstante Eigenschaften für die Ausbildung der Nickelschicht eingehalten werden.
Es sollte auf möglichst geringe innere Spannungen geachtet werden.
Die bei der galvanischen Abscheidung eingesetzte elektrische Spannung sollte im Bereich II, der auch als „Tafelbereich" bezeichnet werden kann, gehalten werden. Die angelegte elektrische Spannung sollte dabei möglichst niedrige Werte einhalten, um eine erhöhte Streufähigkeit des Elektrolyten und dementsprechend einen gleichmäßigen und gleichzeitigen Aufbau der Mikrodüse zu gewährleisten. Die Spannung wird dabei beispielhaft so eingeregelt, dass eine mittlere Stromdichte von 0,1 A/gdm erzielt wird.
Anstelle des erwähnten „Watts-Elektrolyten" kann aber auch ein Nickelsulfamat-Elektrolyt eingesetzt werden. In diesem Falle sollte auf jeden Fall eine hochwertige Nickelsulfamatpräparation beachtet sein.
Die elektrochemische Abscheidung kann beendet werden, wenn die erfindungsgemäß herzustellende Mikrodüse einen ausreichend großen Außendurchmesser erreicht hat.
Nach der Entnahme aus dem Elektrolyten kann in einem Trockenofen dann eine Erwärmung auf Temperaturen im Bereich zwischen 150 und 180 °C durchgeführt werden. Das die Masterrohstruktur bildende Polymer schmilzt auf und kann abtropfen. Gegebenenfalls noch an der Startschicht anhaftende Polymerteile sowie das die Startschicht bildende Zink können mit einer 10 Vol. %-igen Schwefelsäure entfernt werden.
Nachfolgend kann die so hergestellte Mikrodüse in warmen Wasser und Azeton gespült, gegebenenfalls zusätzlich durch eine weitere Säurebehandlung vollständig gereinigt werden.
Gegebenenfalls können aber auch noch zumindest Oberflächenbereiche, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erwähnt, noch zusätzlich behandelt bzw. beschichtet werden.

Claims

Verfahren zur freiformenden Herstellung von dreidimensionalen Hohlräume oder Hinterschneidungen aufweisenden Mikrobauteilen mit folgenden Schritten: – Herstellung einer als Negativform dienenden dreidimensionalen Masterrohstruktur beliebiger Geometrie mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, – definierte Einstellung der Oberflächentopographie der Masterrohstruktur durch eine chemische Oberflächenbehandlung – chemische und/oder elektrolytische Abscheidung oder Einbringung eines Metalls und/oder eines anderen Werkstoffs in mindestens einem von der Masterrohstruktur vorgegebenen Hohlraum unter Aufbau der Struktur des mindestens einen Mikrobauteils sowie – chemische, physikalische und/oder mechanische Auf- und/oder Ablösung der Masterrohstruktur und Startschicht von dem mindestens einen Mikrobauteil.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Masterrohstruktur durch ein Schmelzspinnverfahren aus einem thermoplastischen Polymer erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Masterrohstruktur schichtweise durch einen lokal definierten Energieeintrag dreidimensional aufgebaut wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masterrohstruktur durch ein stereolithographisches Verfahren aus einem Photopolymer erzeugt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masterrohstruktur durch ein Laser-Sinterverfahren erzeugt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Einstellung der Oberflächentopographie durch Glättung der Oberfläche mittels Lösemitteln und/oder Reagenzien erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wässrige oder wasserbasierende Lösemittel verwendet werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Einstellung der Oberflächentopographie durch Aufrauen der Oberfläche mit Reagenzien, z.B. durch Anbeizen, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufrauhen durch Temperatur- und/oder Ultraschallbehandlung unterstützt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Einstellung der Oberflächentopographie durch eine chemische Modifizierung der Oberfläche begleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als chemische Modifizierung eine Hydrophilierung der Oberfläche durch Behandlung mit oxidativ oder hydrolysiernd wirkenden Chemikalien in wässrigen und organischen Lösungsmitteln durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masterrohstruktur zusätzlich mit einer haftfesten und leitfähigen Startschicht versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Startschicht eine metallische Kombinationsschicht verwendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Masterrohstruktur auf der Startschicht abgeschieden wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Startschicht auf der Masterrohstruktur abgeschieden wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Startschicht mit der Masterrohstruktur kontaktiert und/oder verbunden wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Startschicht bereichsweise passiviert wird oder mit einer leicht abätzbaren Deckschicht versehen wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Startschicht aus Zink gebildet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall und/oder der andere Werkstoff ausgehend von der Startschicht chemisch und/oder elektrolytisch abge schieden wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrolytische Deposition mit einem nickelhaltigen Elektrolyten, z.B. Watts-Elektrolyt, durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrolytische Deposition spannungsgesteuert durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Abscheidung kurzzeitig eine erhöhte Spannung angelegt und anschließend bei reduzierter Spannung und einem mittleren elektrischen Strom die Abscheidung durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrolytische Deposition stromgesteuert durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrolytische Deposition in Nickel-, Kupfer-, Gold-, Silber-, Chrom-, Zink-, Zinn- oder Aluminiumbädern erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Anode bei der elektrolytischen Deposition Nickel oder nickelhaltiges Material verwendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der elektrolytischen Deposition dem wässrigen Elektrolyten Zusatzstoffe, wie z.B. Halogenide oder Saccharin, zugesetzt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Masterrohstruktur nach der Herstellung mit oxidativ oder hydrolysierend wirkenden Reagenzien und/oder einem Lösungsmittel chemisch behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass ein wässriges Lösungsmittel, z.B. ein Methanol-Wasser-Gemisch, zum Glätten der Masterrohstrukturoberfläche verwendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine chemische oder elektrolytische Nachbehandlung der Oberfläche des Mikrobauteils durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine nachträgliche elektrolytische Beschichtung des Mikrobauteils erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine chemische oder physikalische Beschichtung des Mikrobauteils aus der Gasphase durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrobauteil im Anschluss lackiert wird.
Verwendung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 32 zur Herstellung von Gieß- und/oder Sinterformen aus Keramik-, Glas- und/oder Polymerstoffen.