DE4404560C1 - Verfahren zur Herstellung einer Muttermatrize für die galvanische Erzeugung von nahtlosen Rotations-Siebdruckschablonen, insbesondere aus Nickel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung ei­ ner Muttermatrize für die galvanische Erzeugung von naht­ losen Rotations-Siebdruckschablonen insbesondere aus Nickel, wobei ein metallischer Muttermatrizen-Grundkör­ per mit zylindrischer Mantelfläche auf seinem Außenum­ fang mit in einem regelmäßigen Raster verteilten Vertie­ fungen versehen wird, die einen runden oder mehreckigen Umriß aufweisen und zwischen denen ein regelmäßiges Netz bildende Rasterstege verbleiben, und wobei die Vertiefun­ gen anschließend mit einer elektrisch nichtleitenden Füllmasse bündig bis zur Höhe der Rasterstege verfüllt werden, wonach dann wiederholt durch galvanisches Auftra­ gen von Metall und axiales Abziehen der so entstandenen Hülse Siebdruckschablonen erzeugbar sind.

In der Praxis werden Muttermatrizen für den genannten Verwendungszweck bisher durch das sogenannte Molettieren hergestellt. Dabei wird mittels einer Molette das ge­ wünschte Vertiefungsraster in die Mantelfläche des Mut­ termatrizen-Grundkörpers eingedrückt. Die Molette ist eine relativ kleine Walze, die auf dem Umfang des Mutter­ matrizen-Grundkörpers entlang einer Schraubenlinie unter starker Andruckkraft abgerollt wird. Die Molette trägt auf ihrer Umfangsfläche in dem gewünschten Raster ange­ ordnete Vorsprünge, die ein Negativbild der gewünschten Vertiefungen für die Muttermatrize darstellen.

Nachteilig erfordert dieses bekannte Verfahren einen hohen maschinellen, personellen und zeitlichen Aufwand. Insbesondere ist es sehr schwierig und nur mit großer Er­ fahrung möglich, die Molette so auf dem Außenumfang des Muttermatrizen-Grundkörpers abzurollen, daß die über den Außenumfang des Muttermatrizen-Grundkörpers verlaufende Schraubenlinie in Längs- und Umfangsrichtung des Mutter­ matrizen-Grundkörpers gesehen keinen Versatz im Raster­ bild aufweist. Außerdem ist die Herstellung von Moletten sehr aufwendig, da hierfür umfangreiche mechanische Be­ arbeitungsschritte erforderlich sind. Jede Rasterände­ rung macht auch die Fertigung einer geänderten Molette nötig. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß das Material des Muttermatrizen-Grundkörpers relativ weich sein muß, damit durch die Molette überhaupt die gewünsch­ ten Vertiefungen eingedrückt oder eingewalzt werden kön­ nen. Aus diesem Grund kann bisher praktisch nur Kupfer für den Muttermatrizen-Grundkörper verwendet werden, der oberflächlich mit einer dünnen Verchromung versehen ist. Zur Stabilitätserhöhung, die wegen des Abrollens der Molette mit hoher Andruckkraft benötigt wird, muß der Muttermatrizen-Grundkörper zudem einen stabilen Stahl­ kern aufweisen, was die Muttermatrize insgesamt sehr schwer und damit schwierig handhabbar und transportier­ bar macht.

Die durch das Molettieren erzeugbaren Vertiefungen kön­ nen nur pyramidenstumpf- oder kegelstumpfförmig mit rela­ tiv flach geneigten Flanken sein. Dies führt zu dem Nach­ teil, daß die in den Vertiefungen liegende elektrisch nichtleitende Füllmasse an den Rändern der Vertiefungen sehr dünn wird und dort leicht ausbricht. Beim späteren galvanischen Auftragen von Metall auf die Muttermatrize zur Bildung der Siebdruckschablone kommt es dann beim Ab­ ziehen der fertig galvanisierten Schablone zu einem Be­ schädigen der Oberfläche der Muttermatrize durch von der Schablone nach innen vorragende Metallnasen, die sich in den Ausbruchstellen der Füllmasse bilden konnten. Da zu­ dem die Muttermatrize aus relativ weichem Kupfer be­ steht, gegenüber welchem beispielsweise Nickel als bevor­ zugtes Siebdruckschablonenmaterial relativ hart ist, bil­ den sich trotz der Verchromung, die aber nur sehr dünn sein kann, leicht Riefen in Längsrichtung der Mutterma­ trize, die deren Verwendbarkeit auf relativ wenige Pro­ duktionsdurchgänge für die Erzeugung von Siebdruckscha­ blonen begrenzen.

Außer dem zuvor beschriebenen mechanischen Molettieren sind aus EP 0 030 774 A1 weitere Verfahren der eingangs genannten Art bekannt. Als erstes bekanntes Verfahren zur Herstellung einer Muttermatrize ist dort beschrie­ ben, daß die Vertiefungen, die mit nicht leitendem Ma­ terial gefüllt werden sollen, durch Ätzung hergestellt werden. Wie diese Ätzung vorgenommen werden soll, ist in der Schrift nicht beschrieben, jedoch ist es für den Fachmann selbstverständlich, daß hierzu eine Ätzmaske verwendet werden muß. Zur Herstellung, Art und Behand­ lung der Ätzmaske gibt die Schrift aber ebenfalls keiner­ lei Hinweise. Als zweites Herstellungsverfahren zur Her­ stellung einer Muttermatrize ist der Schrift zu entneh­ men, mit einem gesteuerten Energiestrahl durch thermi­ sche Einwirkung direkt näpfchenartige Bereiche des Mut­ termatrizen-Grundkörpers in einen nichtleitenden Zustand zu versetzen. Beispielsweise wird bei einem aus elek­ trisch leitendem Aluminium bestehenden Muttermatrizen- Grundkörper durch den Energiestrahl Aluminium oberfläch­ lich in Aluminiumoxyd umgewandelt, das nicht elektrisch leitend ist.

Als nachteilig wird bei dem aus EP 0 030 774 A1 bekann­ ten Stand der Technik angesehen, daß die erreichbare Ge­ nauigkeit der Konturen der nichtleitenden Bereiche auf der Oberfläche der Muttermatrize begrenzt ist und daß da­ durch die Qualität der auf dieser Muttermatrize erzeug­ ten Siebdruckschablonen nicht optimal ist.

Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren der ein­ gangs genannten Art anzugeben, welches die Herstellung einer Muttermatrize für die galvanische Erzeugung von nahtlosen Rotations-Siebdruckschablonen, insbesondere aus Nickel, mit einem geringen maschinellen, personellen und zeitlichen Aufwand erlaubt und mittels welchem Mut­ termatrizen mit hoher Qualität, d. h. insbesondere mit ei­ ner großen Genauigkeit der Konturen der nichtleitenden und leitenden Bereiche auf ihrer Oberfläche, und mit lan­ ger Standzeit herstellbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, welches gekenn­ zeichnet ist durch folgende Verfahrensschritte:

• a) die Mantelfläche des Muttermatrizen-Grundkörpers wird mit einer photo- oder thermo- oder elektrosensitiven Beschichtung überzogen,
• b) die Beschichtung wird mittels eines nach Maßgabe elek­ tronisch gespeicherter Daten gesteuerten Strahls mit dem Positiv- oder Negativbild des gewünschten Vertie­ fungsrasters belichtet und danach unmittelbar oder nach Durchlaufen eines Entwicklungsprozesses in den Bereichen, in denen die Vertiefungen vorgesehen sind, mittels eines chemischen und/oder physikalischen Ent­ fernungsprozesses abgetragen,
• c) in den von der Beschichtung befreiten Bereichen der Mantelfläche des Muttermatrizen-Grundkörpers werden durch Ätzen oder elektrolytischen Metallabtrag die Vertiefungen gebildet,
• d) die verbliebenen Teile der Beschichtung werden voll­ ständig entfernt und
• e) die Vertiefungen werden mit der elektrisch nichtlei­ tenden Füllmasse verfüllt.

Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens schlägt gemäß Anspruch 2 vor, daß der Verfahrens­ schritt b) wie folgt ausgeführt wird:

• b) die Beschichtung wird mittels eines nach Maßgabe elek­ tronisch gespeicherter Daten gesteuerten Strahls in den Bereichen, in denen die Vertiefungen vorgesehen sind, unmittelbar abgetragen.

Die Erfindung bietet den Vorteil, daß alle Molettierwerk­ zeuge und die hierfür benötigten Vorrichtungen nicht mehr erforderlich sind. Dadurch wird eine große Einspa­ rung hinsichtlich des technischen, personellen und zeit­ lichen Aufwandes erreicht. Da die Umrißform der Vertie­ fungen und das Raster, in dem diese Vertiefungen angeord­ net sind, nun elektronisch gespeichert sind, können die Umrißform der Vertiefungen und deren Verteilung inner­ halb des Rasters sehr genau hergestellt und mit geringem Aufwand verändert und an die jeweiligen Bedürfnisse ange­ paßt werden, ohne daß, wie dies zuvor erforderlich war, neue Molettierwerkzeuge herzustellen wären.

Durch das Ätzen oder den elektrolytischen Metallabtrag erhalten die Vertiefungen eine Kontur, die einen verbes­ serten Halt der elektrisch nichtleitenden Füllmasse bie­ tet. Dies beruht darauf, daß die Vertiefungen nun nicht mehr mit flachen Flanken ausgebildete Kegelstümpfe oder Pyramidenstümpfe sind, sondern im Querschnitt betrachtet eher die Form von ovalen Näpfen erhalten. Hierdurch be­ hält die Füllmasse innerhalb der Vertiefungen auch in deren Randbereichen eine vergleichsweise große Dicke, so daß Ausbrüche der Füllmasse vermieden werden. Hierdurch können sich auch keine vorspringenden Metallnasen bei der späteren Aufgalvanisierung der Siebdruckschablone bilden, was eine bessere Qualität der Siebdruckschablo­ nen ergibt und Beschädigungen der Muttermatrize beim axialen Abziehen der Schablone vermeidet. Hierdurch er­ hält die Muttermatrize eine höhere Standzeit, die in der Praxis zwei- bis dreimal so lang sein kann, wie dies bei bisher verwendeten Muttermatrizen erreichbar war.

Bevorzugt ist weiter vorgesehen, daß als Strahl ein Ul­ traviolett-Laserstrahl oder ein thermisch wirkender La­ serstrahl oder ein Elektronenstrahl verwendet wird. Die genannten Strahlen lassen sich vergleichsweise einfach erzeugen und fokussieren, so daß, im Zusammenwirken mit einer entsprechend ausgewählten Beschichtung mit passen­ der Sensitivität, Vertiefungen und Raster mit einer ho­ hen Auflösung und Genauigkeit sowie großen MESH-Zahlen erzeugen lassen.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kein mechanisches Eindrücken der Vertiefungen in den Muttermatrizen-Grund­ körper mehr erfolgt, muß dieser nicht mehr aus dem rela­ tiv weichen Kupfer bestehen, sondern kann auch aus einem härteren Metall bestehen, wobei dieses bevorzugt Nickel ist. Das Metall Nickel bietet den Vorteil einer hohen Härte, einer hohen Festigkeit und einer hohen Gefügedich­ te. Weiterhin weist es eine gute elektrische Leitfähig­ keit auf und ist gut galvanisierbar. Hierdurch kann eine Verchromung der Oberfläche der Muttermatrize entfallen, was das Recyceln von nicht mehr einsetzbaren Muttermatri­ zen erleichtert. Ein weiterer durch die Verwendung von Nickel als Material für die Muttermatrize erreichbarer Vorteil besteht darin, daß sich die Nickeloberfläche der Muttermatrize selbsttätig durch die Bildung einer Nickel­ oxydschicht schützt, die aber elektrisch leitend bleibt. Zugleich sorgt diese Nickeloxydschicht aber dafür, daß sich die auf die Muttermatrize aufgalvanisierte Sieb­ druckschablone leicht von der Muttermatrize abziehen läßt, da die Nickeloxydschicht auf der Muttermatrize als Trennmittel wirkt.

Um Material und insbesondere Gewicht einzusparen, kann als Muttermatrizen-Grundkörper auch eine hohlzylindri­ sche Nickelhülse eingesetzt werden. Dies ist ohne weite­ res möglich, weil wegen des Wegfalls der mechanischen Andruckkräfte zwischen Molette und Muttermatrizen-Grund­ körper letzterer keine besonders hohe mechanische Stabi­ lität mehr aufweisen muß. Zudem erlaubt die Verwendung einer hohlzylindrischen Nickelhülse eine leichtere Hand­ habung und einen erleichterten und kostengünstigeren Transport oder Versand zwischen dem Hersteller der Mut­ termatrize und dem im allgemeinen damit nicht identi­ schen Hersteller von Siebdruckschablonen.

Als elektrisch nichtleitende Füllmasse wird bevorzugt ein aushärtbares Kunstharz oder eine aushärtbare kerami­ sche Masse eingesetzt. Diese Materialien bieten den Vor­ teil, daß sie einerseits zunächst als noch viskose Masse in die Vertiefungen einbringbar sind und daß sie anderer­ seits nach dem Aushärten sehr fest in den Vertiefungen haften und eine hohe Festigkeit und Oberflächengüte auf­ weisen. Insbesondere sind diese Materialien nach dem Aus­ härten auch durch mechanische Verfahren, z. B. Drehen oder Schleifen, bearbeitbar, ohne daß sie sich aus den Vertiefungen lösen oder am Rand der Vertiefungen ausbre­ chen.

Die Vertiefungen werden vorzugsweise mit einem regelmäßi­ gen sechseckigen Umriß erzeugt; weiterhin werden die Ver­ tiefungen bevorzugt wabenförmig in einem Hexagonalraster verteilt angeordnet. Dies bietet den Vorteil, daß die auf dieser Muttermatrize erzeugten Siebdruckschablonen eine hohe Festigkeit und Stabilität bei geringem Gewicht sowie ein gutes Steg-Durchlaß-Verhältnis aufweisen. Ver­ tiefungen mit einem regelmäßigen sechseckigen Umriß, die wabenförmig in einem Hexagonalraster verteilt angeordnet sind, sind zwar an sich aus JP-4-347 635 bekannt, jedoch erfolgt hier die Herstellung der Vertiefungen nach einem anderen als dem erfindungsgemäßen Verfahren. Bei dem vorangehend beschriebenen Verfahren gemäß Erfindung be­ steht zudem der Vorteil, daß aufgrund der elektronischen Speicherbarkeit der Umrißform der Vertiefungen und deren Verteilung im Raster jede Freiheit bei der Gestaltung dieser Parameter gegeben ist.

Im folgenden wird anhand einer Zeichnung ein Ablaufbei­ spiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Die Fig. 1 bis 5 der Zeichnung zeigen einen Ausschnitt aus dem Umfangsbereich eines Muttermatrizen-Grundkörpers während verschiedener Verfahrensschritte; die Fig. 6 der Zeichnung zeigt einen Ausschnitt aus dem Umfangsbe­ reich einer fertigen Muttermatrize.

Gemäß Fig. 1 der Zeichnung besteht der Muttermatrizen- Grundkörper 1 aus Metall und weist eine zylindrische Man­ telfläche 10 auf. Der Grundkörper 1 kann als Zylinder oder hohlzylindrische Hülse ausgeführt sein.

Auf die Mantelfläche 10 des Grundkörpers 1 ist eine sen­ sitive Beschichtung 2 in Form einer vergleichsweise dün­ nen Schicht aufgetragen, die in der Zeichnung übertrie­ ben dick dargestellt ist. Bei dieser Beschichtung 2 kann es sich um ein photo-, thermo- oder elektrosensitives Ma­ terial handeln, wie dies an sich bekannt ist. Auch Auf­ tragverfahren für derartige Beschichtungen zur Erzielung einer gleichmäßigen Schichtdicke sind bekannt und brau­ chen hier nicht näher erläutert zu werden.

Fig. 2 der Zeichnung zeigt den Muttermatrizen-Grundkör­ per 1 während eines Verfahrensschrittes, in welchem mit­ tels eines Lasers 30, der einen Laserstrahl 3 gesteuert aussendet, eine Belichtung der sensitiven Beschichtung 2, hier mit dem Negativ-Bild der gewünschten Vertiefun­ gen erfolgt. Dabei werden der Muttermatrizen-Grundkörper 1 und der Laser 30 relativ zueinander in zwei Richtun­ gen, vorzugsweise die Axialrichtung und die Umfangsrich­ tung bewegt, so daß nach und nach die gesamte Umfangs­ flä­ che des Muttermatrizen-Grundkörpers 1 überstrichen wird. Während dieser relativen Bewegung zueinander wird der Strahl 3 nach Maßgabe elektronisch gespeicherter Daten ein- und ausgeschaltet, um das Positiv- oder Negativbild eines gewünschten Rasters auf die Beschichtung 2 aufzube­ lichten, je nachdem, ob diese photopositiv oder photone­ gativ reagiert. Im vorliegenden Fall, der in der Zeich­ nung dargestellt ist, wird die Beschichtung 2 durch die Belichtung in den Bereichen 20 so verändert, daß sie für einen nachfolgenden chemischen und/oder physikalischen Abtragprozeß unlöslich wird. Zwischen den belichteten Be­ reichen 20 verbleiben unbelichtete Bereiche 21, die den Bereichen entsprechen, in denen später Vertiefungen in dem Grundkörper 1 erzeugt werden sollen.

Fig. 3 der Zeichnung zeigt den Muttermatrizen-Grundkör­ per 1 nach Durchlaufen des Abtragprozesses, in welchem die unbelichteten Bereiche 21 der Beschichtung 2 abge­ tragen worden sind. Nunmehr verbleiben von der Beschich­ tung 2 auf der Mantelfläche 10 lediglich noch die belich­ teten Bereiche 20, die ein netzförmiges Raster von nach außen vorragenden Stegen bilden, die jeweils regelmäßige Sechsecke einschließen.

In der Fig. 4 der Zeichnung ist der Muttermatrizen- Grundkörper nach Durchlaufen eines Ätzbades oder eines elektrolytischen Abtragvorganges gezeigt. Durch dieses Ätzen oder elektrolytische Abtragen wird Metall des Mut­ termatrizen-Grundkörpers 1 dort abgetragen, wo die ätzen­ de Säure oder die Elektrolytflüssigkeit Zugang zur Man­ telfläche 10 hat. Unterhalb der Bereiche 20 der Beschich­ tung 2 hat die Säure oder die Elektrolytflüssigkeit kei­ nen Zugang zur Mantelfläche 10 des Grundkörpers 1, so daß hier ein Metallabtrag nicht erfolgen kann.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird durch ein geeig­ netes Abtragverfahren der verbleibende Teil 20 der Be­ schichtung 2 ebenfalls abgetragen, wonach der Mutter­ matrizen-Grundkörper die in Fig. 5 gezeigte Oberflächen­ form aufweist. Diese ist charakterisiert durch ein Ra­ ster von im Umriß sechseckigen Vertiefungen 11, zwischen denen netzförmig verteilt Stege 12 liegen. Die äußere Oberfläche der Stege 12 entspricht dabei der Mantelflä­ che 10 des Grundkörpers 1.

Fig. 6 der Zeichnung schließlich zeigt die fertige Mut­ termatrize 1′, bei welcher nun die Vertiefungen 11 voll­ ständig mit einer Füllmasse 4 bis in Höhe der Oberkante der Stege 12 und damit bis zur ursprünglichen Mantelflä­ che 10 des Muttermatrizen-Grundkörpers 1 ausgefüllt sind. Hierdurch werden auf der Mantelfläche 10 der Mut­ termatrize 1′ in der gewünschten Verteilung Bereiche mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften gebildet, nämlich im Bereich der Oberfläche der Füllmasse 4 elek­ trisch nichtleitende Bereiche und im Bereich der Ober­ fläche der Stege 12 elektrisch leitfähige Bereiche.

Die fertige Muttermatrize 1′ kann dann in bekannter Wei­ se mehrmals zur galvanischen Erzeugung von nahtlosen Ro­ tations-Siebdruckschablonen verwendet werden, wobei sich dann im Bereich der elektrisch leitfähigen Stege 12 an der Mantelfläche 10 der Muttermatrize 1′ Metall galvanisch ablagert, bis eine gewünschte Schichtdicke erreicht ist. Diese so gebildete Siebdruckhülse kann dann in Axialrichtung der Muttermatrize 1′, d. h. paral­ lel zur Mantelfläche 10, von der Muttermatrize 1′ abge­ zogen werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung einer Muttermatrize (1′) für die galvanische Erzeugung von nahtlosen Rota­ tions-Siebdruckschablonen, insbesondere aus Nickel, wobei ein metallischer Muttermatrizen-Grundkörper (1) mit zylindrischer Mantelfläche (10) auf seinem Außenumfang mit in einem regelmäßigen Raster ver­ teilten Vertiefungen (11) versehen wird, die einen runden oder mehreckigen Umriß aufweisen und zwischen denen ein regelmäßiges Netz bildende Rasterstege (12) verbleiben, und wobei die Vertiefungen (11) an­ schließend mit einer elektrisch nichtleitenden Füll­ masse (4) bündig bis zur Höhe der Rasterstege (12) verfüllt werden, wonach dann wiederholt durch galva­ nisches Auftragen von Metall und axiales Abziehen der so entstandenen Hülse Siebdruckschablonen erzeug­ bar sind, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) die Mantelfläche (10) des Muttermatrizen-Grund­ körpers (1) wird mit einer photo- oder thermo- oder elektrosensitiven Beschichtung (2) überzo­ gen,
• b) die Beschichtung (2) wird mittels eines nach Maß­ gabe elektronisch gespeicherter Daten gesteuerten Strahls (3) mit dem Positiv- oder Negativbild des gewünschten Vertiefungsrasters belichtet und da­ nach unmittelbar oder nach Durchlaufen eines Ent­ wicklungsprozesses in den Bereichen (21), in denen die Vertiefungen (11) vorgesehen sind, mit­ tels eines chemischen und/oder physikalischen Ent­ fernungsprozesses abgetragen,
• c) in den von der Beschichtung (2) befreiten Berei­ chen der Mantelfläche (10) des Muttermatrizen- Grundkörpers (1) werden durch Ätzen oder elektro­ lytischen Metallabtrag die Vertiefungen (11) ge­ bildet,
• d) die verbliebenen Teile (20) der Beschichtung (2) werden vollständig entfernt und
• e) die Vertiefungen (11) werden mit der elektrisch nichtleitenden Füllmasse (4) verfüllt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt b) wie folgt ausgeführt wird:

• b) die Beschichtung (2) wird mittels eines nach Maß­ gabe elektronisch gespeicherter Daten gesteuerten Strahls (3) in den Bereichen (21), in denen die Vertiefungen (11) vorgesehen sind, unmittelbar abgetragen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Strahl (3) ein Ultraviolett-Laser­ strahl oder ein thermisch wirkender Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Muttermatrizen-Grundkörper (1) ein Nickelzylinder eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Muttermatrizen-Grundkörper (1) eine hohlzylindrische Nickelhülse eingesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch nicht­ leitende Füllmasse (4) ein aushärtbares Kunstharz oder eine aushärtbare keramische Masse eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (11) mit einem regelmäßigen sechseckigen Umriß erzeugt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (11) wabenförmig in einem Hexagonalraster verteilt angeordnet werden.