DE4409340C2 - Verfahren zur Herstellung einer Nut oder eines Kanals - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Nut oder eines Kanals gemäß dem Oberbegriff des ersten Pa­ tentanspruchs.

In der Mikrostrukturtechnik ergibt sich häufig die Aufgabe, einen Gegenstand aus einem Feststoff herzustellen, der eine Nut oder einen vollständig vom Feststoff umschlossenen Kanal aufweist. Als Beispiele seien Teile mit Düsen, Diffusionskanä­ len, rückdiffusionsgesicherten Flüssigkeitsausläufen z. B. für Titrierautomaten, Mikrodurchflußkühler z. B. für Elektronik­ chips und Katalysatorträger genannt.

In der Praxis können Nuten oder Kanäle in einem Gegenstand aus einem Feststoff auf vielfältige Weise hergestellt werden. Nach der klassischen Methode werden Kanäle in einem Gegenstand durch Bohren hergestellt. Hierbei ist die Länge des Kanals durch die handhabbare Bohrerlänge begrenzt. Im allgemeinen ist die Länge eines in der Weise hergestellten Kanals um so klei­ ner, je dünner die Bohrung ist.

Eine andere Methode stellen Ätzverfahren dar. Ätzverfahren liefern jedoch häufig unbefriedigende Ergebnisse.

Aus der DE 37 09 278 A1 ist es bekannt, einen Gegenstand durch spanabhebende Bearbeitung mit einem Formdiamanten mit Nuten zu versehen. Die Nuten können im Querschnitt rund oder eckig sein und im Durchmesser bis herunter zu 20 µm messen. Stellt der Gegenstand eine Folie dar, können durch Stapelung der Folien Gegenstände mit einer Vielzahl paralleler Kanäle gefertigt werden. Durch abwechselndes Drehen der Folien um 90° bei der Stapelung lassen sich Mikrokühler aus Metall herstellen, bei denen die Kanäle lagenweise jeweils senkrecht zueinander lie­ gen. Zur Herstellung der Mikrokühler müssen die mit Nuten ver­ sehenen Folien exakt gegeneinander ausgerichtet werden.

Solche Gegenstände lassen sich prinzipiell, allerdings mit ei­ nem größeren Aufwand, auch durch Lithographie- oder durch Ab­ formverfahren herstellen.

Allen genannten Verfahren ist gemeinsam, daß sie verhältnis­ mäßig aufwendig sind, wenn Nuten oder Kanäle mit hohem Aspekt­ verhältnis hergestellt werden sollen. Das Aspektverhältnis ist definiert als das Verhältnis von Länge zu Breite bzw. Durch­ messer einer Nut oder eines Kanals.

Aus der CH-PS 482 027 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt. Das Verfahren dient zur galvanoplastischen Her­ stellung von Metallgegenständen mit Löchern oder Kanälen mit einem Durchmesser von höchstens 1 mm. Die Metallgegenstände werden hergestellt, indem ein Metalldraht als Form galvano­ plastisch mit einem anderen Metall umhüllt wird, wonach die Form entfernt wird. Der Metalldraht soll einen hohen Wert der bleibenden Dehnung aufweisen. Das Entfernen des Metalldrahts geschieht in der Weise, daß er in Längsrichtung mit einer all­ mählich zunehmenden Zugkraft belastet wird, wodurch er sich bleibend dehnt und bei noch höherer Zugkraft schließlich bricht. Die Bruchstücke lassen sich danach aus dem Gegenstand herausziehen.

Aus der CH-PS 238 981 ist ein Verfahren zur Herstellung von Spinndüsen aus thermoplastischen Massen bekannt. Als thermo­ plastische Massen kommen Glas, Quarzglas oder Kunststoffe in Betracht. In die erweichte thermoplastische Masse wird minde­ stens eine in einem Führungskörper geführte Stechnadel einge­ preßt, die nach dem Erstarren der Masse vollständig herausge­ zogen werden.

Schließlich ist aus der DE-OS 19 26 837 ein Verfahren zur Her­ stellung von Kunstharzspinndüsen bekannt, bei dem synthetische Fäden etwa aus Polyamid um einen Rahmen gespannt und durch Gießen eines thermoplastischen oder hitzehärtbaren Kunststoffs umhüllt werden, wonach der Kunststoff ausgehärtet und die Fä­ den etwa durch Auflösen entfernt werden.

Aufgabe der Erfindung ist, ein weiteres Verfahren anzugeben, mit dem Gegenstände aus einem Feststoff hergestellt werden können, die mindestens eine Nut oder einen durchgehenden Kanal aufweisen. Der Feststoff soll nicht auf ein zerspanbares Mate­ rial beschränkt sein. Das Verfahren soll die Herstellung von Gegenständen erlauben, die mit Nuten oder Kanälen mit hohem Aspektverhältnis versehen sind. Es soll weiterhin ermöglichen, Nuten oder Kanäle mit einem sehr kleinen Querschnitt, etwa bis zu 10 Mikrometern, herzustellen, deren Länge nicht durch ver­ fahrensbedingte Einschränkungen begrenzt ist. In einem Ar­ beitsgang sollen sich ferner mehrere Nuten oder Kanäle mit be­ liebigem Verlauf herstellen lassen.

Die Lösung der Aufgabe ist im Kennzeichen des ersten Pa­ tentanspruchs angegeben. Die weiteren Ansprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens.

Erfindungsgemäß wird wie beim bekannten Verfahren nicht nach­ träglich in einen fertiggestellten Gegenstand eine Nut oder ein Kanal eingebracht; vielmehr werden bereits bei der Her­ stellung des Gegenstands Nuten oder Kanäle vorgesehen.

Während der Herstellung des Gegenstands wird ein reißfestes, an dem Feststoff nicht festhaftendes faden- oder bandförmiges Filament in den Gegenstand eingebettet. Nach Fertigstellung des Gegenstands wird das Filament herausgezogen, so daß die gewünschte Nut oder der gewünschte Kanal entsteht.

Das Filament kann im Prinzip einen beliebigen Querschnitt auf­ weisen. Neben runden Querschnittsformen sind auch Filamente mit dreieckigem und rechteckigem Querschnitt kommerziell er­ hältlich. Die Dicke der Filamente kann für Fertigungszwecke in der Mikrostrukturtechnik im Bereich von 10 bis 500 µm liegen.

Das Filament muß ausreichend reißfest sein und darf an dem Feststoff während der Herstellung des Gegenstands nicht haf­ ten. Es muß sich aus dem fertiggestellten Gegenstand wieder herausziehen lassen, ohne daß es reißt.

Diese Bedingung wird durch Filamente erfüllt, die eine glatte, im Feststoff des Gegenstands leicht gleitende Oberfläche auf­ weisen. Falls das Filament nicht ohnehin eine solche Oberflä­ che besitzt, kann es mit einem Gleitmittel wie Polytetra­ fluorethylen (PTFE, Teflon®) oder Siliconen beschichtet wer­ den. Optimal geeignet sind gleitfähige und gleichzeitig ela­ stische Filamente.

Beide Anforderungen werden durch Nylon- und Perlon-Fasern gut erfüllt. Solche Fasern haben außer guten Gleiteigenschaften in den meisten Feststoffen den weiteren Vorzug, daß sich ihr Querschnitt unter Zugbelastung vermindert. Diese Eigenschaften ermöglichen es, auch lange Filamente aus dem fertiggestellten Gegenstand wieder herauszuziehen, ohne daß die Zugbelastung des Filaments übermäßig ansteigt, so daß sich mit diesen Fila­ menten lange und sehr dünne Kanäle erzeugen lassen, die mit anderen Methoden allenfalls unter großen Schwierigkeiten er­ halten werden können.

Im Handel werden Nylon- und Perlonfasern mit einer Dicke von 10 µm bis zu 150 µm angeboten, die für die meisten Ausfüh­ rungsformen der Erfindung gut geeignet sind. Falls für be­ stimmte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens Fi­ lamente mit elektrisch leitfähiger Oberfläche benötigt werden, können solche Filamente durch Aufstäuben (Sputtern) von Metall auf Nylon- oder Perlonfasern erzeugt werden. Geeignet sind weiterhin PTFE-beschichtete Metalldrähte. Im Handel ist bei­ spielsweise ein PTFE-beschichteter Silberdraht einer Dicke von ca. 130 µm erhältlich, dessen Silberkern einen Durchmesser von ca. 125 µm aufweist. Das Herausziehen des Filaments kann durch Erwärmung des Gegenstands erleichtert werden.

Der Feststoff kann aus einem Metall oder einer Metallegierung bestehen.

Ist der Gegenstand ein Metall oder eine Metallegierung, läßt sich der Gegenstand durch stromlose oder galvanische Metallab­ scheidung, durch Aufstäuben des Metalls oder der Metallegie­ rung oder durch Bedampfen mit dem Metall oder der Me­ tallegierung herstellen. Durch Aufstäuben oder Bedampfen eines Filaments können Röhren mit einem Innendurchmesser z. B. zwi­ schen 10 und 500 µm und einer Wandstärke z. B. im Bereich zwi­ schen 50 und 500 µm hergestellt werden. In allen Fällen wird das Filament zumindest teilweise mit dem Feststoff umhüllt, bevor es aus dem fertiggestellten Gegenstand herausgezogen wird.

Beispielsweise kann das Filament über einem Substrat aufgespannt werden, so daß es auf dem Substrat aufliegt. Danach kann das Substrat zusammen mit dem Filament mit einer Metallschicht überdeckt werden. Die Metallschicht läßt sich durch Bedampfen des Substrats oder aber galvanisch in einem Bad abscheiden, wenn das Substrat eine elektrisch leitende Oberfläche aufweist. In diesen Fällen kann der Gegenstand aus verschiedenen Feststoffen bestehen. Das Filament braucht auch bei einer galvanischen Metallabscheidung nicht mit einer leit­ fähigen Oberfläche versehen zu sein. Wird in diesem Fall das Substrat nachträglich von der Metallschicht getrennt, ergibt sich eine offene Nut.

Soll das Filament mit einem Metall oder einer Metallegierung umgeben werden, wobei das Metall oder die Metallegierung durch stromlose oder galvanische Abscheidung aufgebracht wird, ohne daß ein oberflächlich elektrisch leitfähiges Substrat vorgese­ hen wird, können Filamente mit elektrisch leitender Oberfläche eingesetzt werden. Solche Filamente werden erhalten, wenn ela­ stische Filamente, etwa aus Nylon oder Perlon, durch Aufstäu­ ben (Sputtern) mit einer dünnen Metallschicht überzogen wer­ den. Soll der Gegenstand beispielsweise aus Nickel bestehen, kann ein mit Kupfer oder Gold dünn beschichtetes Filament ein­ gesetzt werden. Eine weitere Möglichkeit, elektrisch leitfä­ hige Filamente herzustellen, besteht in der Beschichtung ela­ stischer Filamente mit einem Leitlack. Das Filament wird bei einer galvanischen Metallabscheidung als Kathode geschaltet.

Durch den Grad der Bedeckung des Filaments ergibt sich, ob Nu­ ten oder geschlossene Kanäle im Gegenstand hergestellt werden. Bleibt eine Längsseite des Filaments unbedeckt, werden offene Nuten erhalten.

Die Länge der Nuten oder Kanäle kann ihren Durchmesser um Größenordnungen übersteigen. Mit Filamenten, die einen Durch­ messer von 100 bis 150 µm aufweisen, lassen sich Kanäle bis zu 10 cm Länge herstellen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich somit ohne Schwierigkeiten Nuten oder Kanäle mit einem Aspektverhältnis über 10 herstellen. Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn Nuten, vor allem je­ doch Kanäle mit einem Aspektverhältnis über 100 hergestellt werden sollen. Aspektverhältnisse von ca. 1000 konnten experi­ mentell bereits erzielt werden. Ein Aspektverhältnis von mehr als 5000 scheint erfindungsgemäß angesichts der Versuchsergeb­ nisse erreichbar zu sein.

Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung eines einzigen Fi­ laments beschränkt. Beispielsweise lassen sich die eingangs erwähnten Mikrokühler erfindungsgemäß herstellen, indem über einem Substrat mit elektrisch leitender Oberfläche schicht­ weise Reihen von parallel verlaufenden Filamenten aufgespannt werden, wobei jede parallele Anordnung einer Schicht gegenüber der parallelen Anordnung der vorhergehenden Schicht um einen Winkel von 90° gedreht ist. Danach kann das Substrat galva­ nisch mit einem Metall überdeckt werden. Die Halterung der Fi­ lamente kann zugleich als Form für die galvanische Abscheidung dienen.

Ebensowenig brauchen die Kanäle gerade zu verlaufen. Wenn auf ein gekrümmtes Substrat, z. B. in Form eines Zylindermantels, ein Filament aufgelegt wird und das Filament durch einen Fest­ stoff überdeckt wird, erhält man entsprechend gekrümmte Kanäle. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Nuten oder Kanäle mit praktisch unbeschränkter Geometrie herstellen.

Erfindungsgemäß können auch Gegenstände mit unterbrochenen, jedoch auf einer gemeinsamen Verbindungslinie liegenden Kanä­ len hergestellt werden. Beispielsweise kann über einem Sub­ strat mit elektrisch leitender Oberfläche ein Filament aufge­ spannt werden. Vorgegebene Stellen auf der Oberfläche des Sub­ strats und des Filaments werden mit einem elektrisch isolie­ renden Lack beschichtet, wobei der Lack zugleich als Form für die galvanische Metallabscheidung dient. Danach wird auf den Teilen des Substrats, an denen die elektrisch leitende Ober­ fläche noch freiliegt, galvanisch ein Metall abgeschieden. An­ schließend wird der Lack z. B. mit einem Lösungsmittel ent­ fernt und das Filament herausgezogen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Durchführungsbei­ spielen näher erläutert.

Beispiel 1 Herstellung von parallelen Kanälen in Nickel

Ein 0,5 mm dickes Kupferplättchen mit einer Fläche von 2,5 cm 2,5 cm wurde bis auf einen freien, 2,5 cm langen und 4 mm breiten Steg in der Mitte des Plättchens einseitig mit einem Spezialklebeband von ca. 90 µm Dicke isoliert und mit einem isolierten Draht zur Stromzufuhr für die nachfolgende galvani­ sche Vernickelung elektrisch verbunden. Anschließend wurde ein 20 µm dicker Nylonfaden mehrfach in konstantem Abstand paral­ lel zu den Schmalseiten des Stegs gewickelt, so daß die Faden­ wicklungen senkrecht zur Längsseite des Stegs verliefen. Die Fadenwicklungen waren damit in einem Abstand oberhalb des Kup­ ferplättchens angeordnet, der durch die Dicke des Klebebands gegeben war. Die Fadenenden wurden befestigt; hierdurch wurden die Fadenwicklungen mechanisch stabilisiert. Auf die Klebe­ bandschichten einschließlich der aufliegenden Teile der Faden­ wicklungen wurden weitere Schichten aus dem Spezialklebeband gelegt, so daß der Steg den Boden einer Rinne bildete, die seitlich durch die Klebebandschichten begrenzt war. Hierdurch wurde eine Form für die galvanische Nickelabscheidung geschaf­ fen, die das Seitenwachstum der Nickelabscheidung verhindert.

Die nachfolgende galvanische Abscheidung von Nickel wurde in einem Bad vorgenommen, das die folgende Zusammensetzung auf­ wies: 300 g NiSO₄·6 H₂O/l; 50 g NiCl₂·6 H₂O/l; 30 g H₃BO₃/l; 0,5 g Na-Laurylsulfat/l als Netzmittel. Die Badtemperatur be­ trug 45°C.

Bei einer Abscheidegeschwindigkeit von 0,4 µm Ni/min wurde so­ lange Nickel abgeschieden, bis die über den Steg verlaufenden Fadenwicklungen vollständig mit Nickel überdeckt waren. Danach wurden die Klebebandlagen entfernt und die im galvanisch abge­ schiedenen Nickel verlaufenden Fadenabschnitte von einer Seite aus herausgezogen. Zur Herstellung von glatten Seitenwänden wurde der galvanisch abgeformte Nickelsteg beidseitig erodiert und die durch das Erodieren "verschmierten" Öffnungen der Kanäle durch Ätzen wieder freigelegt.

Als Ergebnis wurde ein Nickelquader mit 4 mm Breite und 2,5 cm Länge erhalten, durch den parallel zur Breitseite 4 mm lange und 20 µm dicke Kanäle verliefen. Die Kanäle wiesen somit ein Aspektverhältnis von 200 auf.

Beispiel 2 Herstellung von gekreuzten Kanälen in Kupfer

Als Substrat diente eine 1 mm dicke, 3 cm breite und 10 cm lange Kupferplatte. Die Platte wurde in der Weise mit Spezial­ klebeband einer Dicke von 90 µm abgeklebt, daß in der Mitte der Platte ein ca. 8,0 cm langer und 1,5 cm breiter Streifen aus Kupfer freiblieb. Danach wurde ein 150 µm dicker Perlonfa­ den in gleichen seitlichen Abständen 20 mal in der Weise über den freien Kupferstreifen gewickelt, daß die Fadenlagen paral­ lel zur langen Seite des freien Kupferstreifens verliefen; die Fadenenden wurden anschließend fixiert.

Anschließend wurden auf die beiden Klebebandschichten, die die langen Seiten des freiliegenden Kupferstreifens begrenzten, jeweils drei zusätzliche Lagen aus Spezialklebeband aufge­ klebt, so daß eine zusätzliche Erhöhung von ca. 270 µm bewerkstel­ ligt wurde. Danach wurde der Perlonfaden mehrfach und in glei­ chen Abständen parallel zu den schmalen Seiten des frei liegen­ den Kupferstreifens gewickelt. Diese Fadenwicklungen verliefen damit senkrecht zu den ersten Fadenwicklungen; ihre gemeinsame Ebene lag ca. 279 µm oberhalb der Ebene der ersten Fadenwick­ lungen.

Anschließend wurde der freiliegende Kupferstreifen galvanisch in einem schwefelsauren Kupferbad mit Kupfer überdeckt. Das Kupferbad enthielt 50 g Cu²⁺/l, 50 g H₂SO₄/l, 100 mg Cl⁻/l und ein nichtionisches Tensid.

Bei einer Abscheidegeschwindigkeit von 0,5 µm Cu/min wurden die beiden Fadenlagen in Kupfer eingebettet. Nach Entfernung der Klebestreifen wurden die Perlonfäden aus dem galvanisch abgeschiedenen Kupfer herausgezogen, zur Begradigung der Sei­ tenwände erodiert und die Öffnungen der gebildeten Kanäle freigeätzt.

Damit wurde auf der Kupferplatte ein galvanisch abgeschiedener Kupferblock einer Länge von 8,0 cm, einer Breite von 1,5 cm und einer Höhe von rund 500 µm erhalten, der in einer ersten Ebene ca. 90 µm oberhalb der Kupferplatte 8 cm lange, parallel zur langen Seite verlaufende Kanäle und in einer zweiten Ebene ca. 360 µm oberhalb der Kupferplatte 1,5 cm lange Kanäle, pa­ rallel zur schmalen Seite verlaufende Kanäle aufwies. Die Kanäle der beiden Ebenen standen somit senkrecht zueinander. Das Aspektverhältnis der langen Kanäle betrug 533, das der kurzen Kanäle 100.

Beispiel 3 Herstellung von Röhren aus Nickel

Auf einem Glasplättchen (2,5 cm · 7 cm) wurden an den beiden Enden auf einer Seite (Vorderseite) des Plättchens ca. 10 mm breite Klebestreifen aufgeklebt, so daß der an die schmalen Seiten angrenzende Bereich des Plättchens mit dem Klebestrei­ fen überdeckt war. Anschließend wurde ein Nylonfaden mit einem Durchmesser von 50 µm auf der Rückseite des Plättchens fixiert und danach mehrere Male über die mit den Klebestreifen abge­ deckten Bereiche gewickelt, so daß die Fadenwicklungen auf der Vorderseite des Plättchens parallel zueinander und zur langen Seite des Plättchens verliefen. Die Fadenwicklungen verliefen in einem Abstand oberhalb der Vorderseite des Plättchens, die durch die Dicke des Klebestreifens (ca. 90 µm) gegeben war.

Die Vorderseite des Glasplättchens einschließlich hierauf an­ gebrachten Fadenwicklungen wurde nun in einer Sputtereinrich­ tung durch Aufstäuben mit einer ca. 100 nm dicken Goldschicht versehen. Anschließend wurde in einem galvanischen Nickelbad so lange aufgalvanisiert, bis die Fäden mit einer ca. 200 µm dicken Nickelschicht umhüllt waren. Danach wurden die Nylonfä­ den herausgezogen.

Auf diese Weise wurden 50 mm lange Röhren mit einem Innen­ durchmesser von 50 µm und einer Wandstärke von ca. 200 µm her­ gestellt. Die Nylonfäden ließen sich in allen Fällen leicht herausziehen. Die Röhren wiesen ein Aspektverhältnis von 1000 auf.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung einer Nut oder eines Kanals in einem Gegenstand aus einem Feststoff, bei dem während der Herstellung des Gegenstands ein faden- oder bandförmiges Filament in den Feststoff eingebettet wird und das Filament nach Fertigstellung des Gegenstands durch Herausziehen ent­ fernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) ein Filament mit einer an dem Feststoff nicht haftenden und als Gleitmittel wirkenden Oberfläche eingesetzt wird,
• b) als Feststoff ein Metall oder eine Metallegierung vorgesehen wird, wobei das Filament
• - entweder durch stromlose oder galvanische Me­ tallabscheidung
• - oder durch Bedampfen des Filaments mit dem Metall oder der Metallegierung
• - oder durch Aufstäuben des Metalls oder der Metalle­ gierung auf das Filament mit dem Feststoff umhüllt wird und
• c) das Herausziehen des Filaments aus dem Feststoff in der Weise erfolgt, daß das Filament nicht reißt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filament aus Nylon oder Perlon eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filament aus einem mit Polytetrafluorethylen (PTFE) oder einem Silicon beschichteten Metalldraht besteht.