DE19608667C2 - Einrichtung zur Abformung eines Mikrostruktursubstrates - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Abformung eines Mikrostruktursubstrates im Reaktionsgußverfahren.

Aus der WO 94-08 263 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Deckelbauteiles für eine integrierte optische Schaltung bekannt. Das optische Bauelement wird in einen Formstempel eingelegt. Durch ein Spritzguß- oder Spritz­ prägeverfahren wird um das optische Bauelement herum eine aushärtbare Flüssigkeit in eine gewünschte Form gebracht und ausgehärtet. Anschließend wird das umgossene optische Bau­ element entformt.

In der nicht vorveröffentlichten DE 44 34 832 A1 ist zur Herstellung eines integrierten optischen Deckelbauteiles ein trogförmi­ ger Behälter vorgesehen, der mit seiner Öffnung nach unten auf einen Formstempel gesetzt wird. In den Innenraum des trogförmigen Behälters wird eine flüssige Reaktionsgußmasse eingefüllt, die durch Erwärmen verfestigt wird. Anschließend wird das Deckelbauteil entformt.

Mikrostrukturierte Reaktionsgußkörper weisen im allgemeinen Abscherdefekte auf, deren Ursache auf eine bei der Entfor­ mung vorhandene Verspannung zwischen dem Formeinsatz und dem Gußkörper zurückzuführen ist. Das Auftreten dieser Verspan­ nung ist auf eine zeitliche Temperaturveränderung des Kunststoff-Formeinsatz-Verbundes zwischen dem Zeitpunkt der Formformation und dem Zeitpunkt der Formtrennung zurückzu­ führen, da der Kunststoff im Vergleich zur Metallform einen unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten hat. Der im Reaktionsguß auftretende Schrumpf beeinflußt die Formbildung des Gußkörpers negativ durch das Auftreten von Schrumpfhohlraümen.

Aus der DE 43 23 430 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoffteilen bekannt, bei dem ein wärmehärtender Kunststoff bei Reaktionstemperatur oder Aushärtungstempera­ tur aus der Form entfernt wird. In dieser Druckschrift ist jedoch die Ausgestaltung der Gußform nicht angegeben.

Bisher wurden Mikrostrukturen hauptsächlich im Spritzguß­ verfahren hergestellt. Zur Bewältigung obiger Nachteile wurde für den Spritzguß das sogenannte Variothermverfahren entwickelt. Im Spritzguß sind eine Reihe für optische Anwendungen sehr interessante Materialien (quervernetzte Polymere, auch sehr teuere halogenierte Spezialmonomere) aus technischen oder kommerziellen Gründen nicht verarbeitbar.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Ein­ richtung zu schaffen, mit der die gegossenen Mikrostruk­ tursubstrate in zuverlässiger Weise von der Formkavität getrennt werden können, ohne daß die Qualität der Mikro­ struktursubstrate durch den Trennvorgang beeinträchtigt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Einrich­ tung zur Abformung eines Mikrostruktursubstrates aus Kunst­ stoff im Reaktionsgußverfahren vorgesehen, bestehend aus: einer Formkavität und mindestens einem Angußblock, welcher mittels einer kraftaufbringenden Einheit gegen die Form­ kavität gepreßt werden kann, einer Rahmenstruktur für die Gußmasse, welche auf der der Formkavität zugewandten Seite fixiert ist und mit dem Angußblock während des Gießens verbunden ist, einer Entformeinrichtung, welche so ausge­ bildet ist, daß eine schlagartige, scherungsfreie Trennung des Mikrostruktursubstrats von der Formkavität bei Reak­ tionstemperatur erreichbar ist.

Die erfindungsgemäße Einrichtung gestattet die Abformung von insbesondere im Reaktionsgußverfahren hergestellten Mikro­ strukturen, ohne daß die bisherigen Nachteile, wie Abscher­ defekte oder Fadenbildungen auftreten. Die Mikrostrukturen, die mit der Einrichtung nach der Erfindung hergestellt werden können, weisen eine hohe Planarität auf. Abformfehler lassen sich sehr gering halten. Durch eine kraftaufbringende Einheit, insbesondere einen Federmechanismus, dessen Feder­ kräfte höher sind als die zur Formtrennung notwendigen Kräfte, lassen sich Mikrostruktursubstrate schlagartig und rechtwinklig, insbesondere bei der Reaktionstemperatur der Gußmasse, von einer Formkavität trennen.

Wenn der Angußkanal im Angußblock im Bereich seines zur Rahmenstruktur weisenden Endes im Sinne einer Durchmesserverkleinerung verengt ist, hält der Angußblock das Mikrostruktursubstrat nach der Polymerisation fest. Somit muß keine zusätzliche Halteeinrichtung für das Mikrostruktursubstrat bei der Trennung vorgesehen sein.

Durch das Verlagern des Schwundes der Gußmasse bei der Polymerisation in die Angußkanäle entstehen im Substrat keine Störungen wie Blasen oder sonstige Schrumpferscheinungen. Die bei der Polymerisation in den Angußkanälen entstandenen Polymerreste können auf einfache Weise ausgestanzt oder ausgebohrt werden.

Wird für den Angußblock ein Material mit geringer Wärmekapazität gewählt, kann der zeitliche Verlauf des Wärmeflusses so gesteuert werden, daß die Wärmefronten auf ebenen Flächen von unten nach oben laufen und damit eine sedimentartige Polymerisation ausgehend von der mikrostrukturierten Oberfläche erzielt wird.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Ansicht einer Einrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Niederhalter im Schnitt

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Formkavität, den mit Gußmasse gefüllten Gußrahmen sowie einen Angußblock und

Fig. 4 ein Mikrostruktursubstrat auf einem Angußblock sowie ein Werkzeug zur Trennung von Substrat und Angußblock

Fig. 1 zeigt eine Ansicht einer Einrichtung nach der Erfindung. Auf einer Bodenplatte 8 ist eine Formkavität 1 in Form eines Nickelbleches oder Nickel-Kobaltbleches fixiert, welches jene Mikrostrukturen als Negativmaske trägt, die auf ein Mikrostruktursubstrat 6 positiv abgedrückt werden sollen. Eine solche Formkavität 1 wird üblicherweise auf galvanischem Wege über einen mikrostrukturgeätzten Siliciumwafer von einer Maske hergestellt. Über dieser Formkavität befinden sich Rahmenstrukturen 2 für die Gußmasse (vergleiche auch Fig. 3 und Fig. 4) in Form von flachen Halterahmen. Über den Rahmenstrukturen 2 befinden sich bei der Ausgestaltung nach Fig. 1 mehrere nebeneinander angeordnete Angußblöcke 3, die jeweils einen Angußkanal 4 aufweisen. Bei der alternativen Ausgestaltung nach Fig. 3 ist nur ein Angußblock 3 vorgesehen, der im Schnitt dargestellt ist. Der Angußblock 3 beziehungsweise die Angußblöcke bestehen vorzugsweise aus Stahl. Bei dieser Ausbildung wird eine hohe Standzeit erreicht. Bei einem Material mit niedriger Wärmekapazität, zum Beispiel Kunststoff, kann, wie zuvor ausgeführt, der Wärmefluß gesteuert werden. Die Angußkanäle 4 dienen als Reservoir für die Gußmasse in Form von Prepolymeren oder monomerhaltiger Stoffen, beispielsweise PMMA. Die Angußkanäle sind bezüglich der jeweils zugehörigen Rahmenstruktur 2 so angeordnet, daß der Schwund der Gußmasse ausschließlich in diesen Angußkanälen 4 auftritt. Der Angußblock 3 beziehungsweise die Angußblöcke werden mitsamt den beispielsweise mittels Schrauben und Gewinden 15 daran fixierten Halterahmen 2 mittels eines Niederhalters 5 beispielsweise über einen Kniehebel-Federmechanismus als kraftaufbringende Einheit während des Gießens gegen die Formkavität 1 gepreßt und abgedichtet. Eine konstante Preßkraft ist natürlich auch mit anderen Mitteln zu erreichen, zum Beispiel durch pneumatische, hydraulische, mechanische und/oder elektrische Vorrichtungen. Der Niederhalter 5, im Schnitt in Fig. 2 dargestellt, läßt sich über ein Zwischenstück 11 von einem Kniehebel 12 senkrecht nach unten drücken. In dieser Stellung wird der Kniehebel 12 für den Gießvorgang arretiert. Der Kniehebel 12 ist in der Mitte einer Deckplatte 13 angeordnet, die über zwei Haltestangen 9 mit der Bodenplatte 8 starr verbunden ist. In arretierter Stellung preßt der Kniehebel 12 über seine senkrecht in der Deckplatte 13 geführte Druckstange 14 den Angußblock/die Angußblöcke 3 mitsamt den darunter befestigten Rahmenstrukturen 2 gegen die Formkavität 1. Das Niederdrücken des Niederhalters 5, der über die Haltestangen 9 in senkrechter Richtung geführt ist, erfolgt gegen die Federkraft von zwei Druckfedern 7, die ebenfalls über die Haltestangen 9 geführt sind.

Die Gußmasse, das heißt das Prepolymer, wird über eine Spritze 16 jeweils in ein Reservoir - Ausgußkanäle 4 - unter Druck eingebracht. Nach Verteilung der flüssigen Gußmasse in der Rahmenstruktur 2 wird die Polymerisation eingeleitet durch Aufheizen der Bodenplatte 8 durch ein Heizsystem und damit auch der Gußmasse. Je nach der Zusammensetzung der Gußmasse erfolgt die Polymerisation bei Reaktionstemperatur zwischen 30°C bis 300°C und damit eine Verfestigung zu einem Mikrostruktursubstrat 6. Die Entformung erfolgt schlagartig durch Lösen des Kniehebel-Federmechanismus. Durch die Rückstellkräfte der Druckfedern 7 wird der Angußblock 3 mitsamt der daran befestigten Rahmenstruktur/en 2, in der sich die polymerisierte Gußmasse verfestigt hat, schlagartig senkrecht nach oben abscherungsfrei und fadenfrei von der Formkavität 1 noch bei Reaktionstemperatur getrennt. Eine Zwischenkühlung wie bei herkömmlichen Einrichtungen ist daher nicht notwendig. Durch die Verengung 16 der Angußkanäle 4 oder eine andersartige Hinterschneidung im Bereich ihrer zur Rahmenstruktur 2 weisenden Enden kann das polymerisierte und von der Formkavität 1 abgeformte Mikrostruktursubstrat 6 sich nicht aus der Rahmenstruktur 2 und von dem Angußblock lösen, da die oberhalb der Verengungen gelegenen Polymerreste das Mikrostruktursubstrat 6 in der Rahmenstruktur 2 und dem Angußblock halten. Fig. 4 zeigt ein Mikrostruktursubstrat 6, welches vom Angußblock 3 noch gehalten wird, bevor es durch ein rahmenartiges Werkzeug 17 vom Angußblock 3 getrennt wird. Als Werkzeug 17 kann ein ausgestanztes Aluminiumplättchen verwendet werden (siehe Pfeile in Fig. 4).

Das Trennen des Mikrostruktursubstrates 6 vom Angußblock 3 kann auch durch Anbohren der Schrumpfreste bis in den Bereich der Verengungen hinein erfolgen. Etwaige dann noch verbleibende Unebenheiten können weggesägt oder weggeschliffen werden.

Die Befestigung der Formkavität 1 auf der Bodenplatte 8 kann bei Verwendung eines Nickelbleches als Formkavität magnetisch erfolgen. Natürlich kann diese Befestigung auch mechanisch, zum Beispiel durch Punktschweißen oder durch Verkleben erreicht werden. Die magnetische Fixierung der Formkavität 1 hat den Vorteil, daß sie gegen ein Verbiegen geschützt ist.

Eine Modifizierung läßt sich dadurch erreichen, daß im Gegensatz zum in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die Druckfedern 7 nicht auf der Bodenplatte 8 aufgesetzt werden, sondern auf den Außenbereichen der Formkavität 1. Beim Niederdrücken des Kniehebelarms wird dann automatisch die Formkavität 1 gegen die Bodenplatte 8 gedrückt. Damit beim Lösen des Kniehebel-Federmechanismus die Formkavität 1 nicht mit nach oben abhebt, kann sie vorzugsweise im Bereich des Angußblockes 3 durch Punktschweißen oder durch andere vorgenannte Fixierungen mit der Bodenplatte 8 verbunden sein.

Mit der Einrichtung nach der Erfindung lassen sich zum Beispiel optische Wellenleiter-Bauelemente herstellen, die hohen Dämpfungsanforderungen entsprechen, das heißt keine Blasenbildung, Abscherdefekte oder Fadenbildungen aufweisen.

Die Rahmenstruktur 2 kann entweder vom Mikrostruktursubstrat 6 entfernt werden oder auch am Mikrostruktursubstrat 6 verbleiben, insbesondere wenn sie aus Kunststoff besteht und weitere Technologieschritte dies erfordern.

Claims (10)

1. Einrichtung zur Abformung eines Mikrostruktursubstrates (6) aus Kunststoff im Reaktionsgußverfahren, bestehend aus:

• - einer Formkavität (1) und mindestens einem Angußblock (3), welcher mittels einer kraftaufbringenden Einheit gegen die Formkavität (1) gepreßt werden kann,
• - einer Rahmenstruktur (2) für die Gußmasse, welche auf der der Formkavität (1) zugewandten Seite fixiert ist und mit dem Angußblock (3) während des Gießens verbunden ist,
• - einer Entformeinrichtung (5, 7, 12), welche so ausgebildet ist, daß eine schlagartige, scherungsfreie Trennung des Mikrostruktursubstrates (6) von der Formkavität (1) bei Reaktionstemperatur erreichbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kniehebel-Federmechanismus vorgesehen ist, mittels dessen der gegen die Federkraft mindestens einer Druckfeder (7) auf die Formkavität (1) gepreßte Angußblock (3) beim Lösen durch die Rückstellkraft der Druckfeder (7) mitsamt des abgeformten Mikrostruktursubstrates (6) von der Formkavität (1) senkrecht und scherungsfrei getrennt werden kann.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfeder (7) auf der Formkavität (1) zum Niederhalten derselben aufgesetzt ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Angußkanal (4) beziehungsweise die Angußkanäle bezüglich der Rahmenstruktur (2) so angeordnet ist/sind, daß er/sie als Reservoir für die Gußmasse dient/dienen und der Schwund der Gußmasse ausschließlich in diesem Reservoir auftritt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Angußkanal (4) im Bereich seines zur Rahmenstruktur (2) weisenden Endes verengt oder eine andersartige Hinterschneidung aufweist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkavität (1) auf einer Grundplatte (8) fixiert ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (8) ein Heizsystem zum Erwärmen der Gußmasse auf Reaktionstemperatur trägt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkavität (1) aus einem Nickelblech oder Nickel-Kobaltblech besteht.

9. Verwendung der Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, für Prepolymere oder monomerhaltige Stoffe als Gußmassen, die bei Temperaturerhöhung polymerisieren.

10. Verwendung der Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung von optischen Wellenleiter-Bauelementen.