DE4423876C1

DE4423876C1 - Micro-coil prodn. by electroforming

Info

Publication number: DE4423876C1
Application number: DE4423876A
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Stark; Rupert Laier
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1994-07-07
Filing date: 1994-07-07
Publication date: 1995-07-06
Anticipated expiration: 2014-07-08
Also published as: EP0691663A1; EP0691663B1; DE59502034D1; ATE165692T1

Abstract

A micro-coil prodn. process involves (a) winding a filament of non-conductive material about a wire of first metal so that the filament forms a spiral with interspaces; (b) connecting the filament-wound wire as cathode in an electroplating bath; (c) electroplating a second metal in the inter-spaces; (d) removing the filament; and (e) selectively dissolving the wire with an etchant which does not attack the second metal.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Mi krospule gemäß dem ersten Patentanspruch.The invention relates to a method for producing a Mi Krospule according to the first claim.

In der Mikrosystemtechnik spielen Mikrospulen, deren Windungen spiralförmig um ihre Längsachse verlaufen, eine wichtige Rolle. Solche Mikrospulen werden z. B. zum Antrieb von Aktoren in Mikroelektromotoren, Mikroventilen, Mikrorelais, Mikrosen soren benötigt.Microsystems play their turns in microsystem technology spiral around its longitudinal axis, an important Role. Such microcoils are z. B. to drive actuators in micro-electric motors, micro-valves, micro-relays, micros soren needed.

Ebene, spiralförmig gewundene Mikrospulen lassen sich in na hezu beliebiger Windungszahl mit Hilfe des bekannten LIGA- (Lithographie und galvanische Abformung)-Verfahrens problemlos herstellen. Spulen mit Windungen, die spiralförmig um Längsachse verlaufen, erfordern bei Anwendung dieses Verfah rens einen hohen Aufwand, da jede Windung einzeln mit Hilfe einer justierten Bestrahlung, Entwicklung und galvanischen Ab formung hergestellt werden muß. Solche Spulen lassen sich zwar gemäß dem deutschen Gebrauchsmuster DE 93 18 386 U1 durch Wickeln auch herstellen; der Wicklungstechnik sind jedoch bei sehr dünnen Spulenwindungen Grenzen gesetzt.Level, spirally wound micro-coils can be in na virtually any number of turns with the aid of the known LIGA (Lithography and electroplating) process easily produce. Coils with turns that spiral around Longitudinal axis, require using this method a lot of effort, as each turn individually with the help an adjusted irradiation, development and galvanic deposition formation must be made. Such coils can indeed according to German Utility Model DE 93 18 386 U1 by winding also manufacture; The winding technology, however, are very thin Coil turns set limits.

Ein weiteres Herstellungsverfahren, welches ohne Drahtwicklungstechnik abläuft, ist in der DE 44 21 494 A1 beschrieben.Another manufacturing process, which runs without wire winding technology is in the DE 44 21 494 A1.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für eine Mikrospule anzugeben, durch das Spulen mit sehr feinen Windungen herstellbar sind, die durch Drahtwicklung nicht zugänglich sind.The invention is based on the object of a production method for a micro-coil, by the coils With very fine turns can be produced by wire winding are not accessible.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im ersten Pa tentanspruch beschriebene Verfahren gelöst. Die weiteren An sprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß Anspruch 1 an.The object is achieved by the first Pa tentanspruch described method solved. The other An Proverbs give preferred embodiments of the method according to Claim 1 to.

Als Draht werden vorzugsweise dünne Metalldrähte, etwa mit ei nem Durchmesser von 150 µm bis zu 20 µm, eingesetzt. Das Me tall der Drähte kann beliebig gewählt werden, solange es sich durch Ätzen selektiv gegenüber dem in einem späteren Schritt galvanisch abzuscheidenden zweiten Metall entfernen läßt. Ge eignete Drähte mit dem angegebenen Durchmesser werden im Han del angeboten. Außerdem sind für eine Vielzahl von Metallen selektiv wirkende Ätzmittel bekannt.As a wire are preferably thin metal wires, such as with egg diameter of 150 microns up to 20 microns, used. The Me tall of the wires can be chosen arbitrarily, as long as it is by etching selectively over that in a later step can remove electrodeposited second metal. Ge suitable wires with the specified diameter are in Han del offered. They are also available for a variety of metals selective etchant known.

Der Draht wird im ersten Verfahrensschritt mit einem Faden aus einem elektrisch nichtleitenden Material in der Weise um wickelt, daß der Faden den Draht im Form einer Spirale umgibt. Die Windungen der Spirale müssen durch einen Zwischenraum von einander getrennt sein. Geeignete Fäden aus Kunststoffen, etwa aus Polytetrafluorethylen, Polyethylen, Polypropylen, Poly ester, Perlon®, Nylon®, Kevlar® etc. mit einem Durchmesser zwi schen etwa 20 µm und 50 µm werden ebenfalls im Handel angebo ten.The wire is in the first step with a thread an electrically non-conductive material in the manner winds the thread around the wire in the form of a spiral. The turns of the spiral must be separated by a gap of be separated from each other. Suitable threads made of plastics, such as made of polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, poly ester, Perlon®, Nylon®, Kevlar® etc. with a diameter between About 20 microns and 50 microns are also commercially available th.

Das Umwickeln des Drahtes mit dem Faden kann z. B. in der im eingangs genannten Gebrauchsmuster beschriebenen Weise erfol gen, wonach der Draht zwischen zwei synchron rotierende Halte rungen eingespannt und der Faden unter Vorschub in axialer Richtung aufgewickelt wird. Der Faden soll hierbei über eine möglichst gleichmäßige Auflagefläche mit dem Draht in Kontakt stehen. Bevorzugt wird ein Faden mit einem polygonalen, etwa einem dreieckigen Querschnitt, weil hierbei eine ebene Fläche des Fadens auf dem Draht aufliegt und die Aufstandsfläche ein deutig definiert ist.The wrapping of the wire with the thread can, for. B. in the im described in the above-mentioned Utility Model Success After which the wire between two synchronously rotating holding clamped ments and the thread under feed in axial Direction is wound up. The thread should hereby over a as uniform as possible contact surface with the wire in contact stand. Preferably, a thread with a polygonal, about a triangular cross section, because this is a flat surface of the thread rests on the wire and the footprint is clearly defined.

Prinzipiell kann auch ein im Querschnitt runder Faden einge setzt werden. Ein runder Faden steht mit dem Draht jedoch nur über eine sehr schmale Aufstandsfläche in Kontakt. Deshalb wird in diesem Fall vorzugsweise ein Faden aus einem schmelz baren Material, z. B. einem schmelzbaren Kunststoff wie Nylon®, eingesetzt und der Draht nach dem Umwickeln kurz erwärmt. Durch das Erwärmen schmilzt der Faden auf dem Draht auf, wo durch sich die Aufstandsfläche verbreitert und zugleich der Faden fixiert wird. Das Erwärmen des Drahtes kann erfolgen, indem seine beiden Enden - ggf. unter Zwischenschalten eines elektrischen Widerstands - mit einer Spannungsquelle verbunden werden.In principle, a thread that is round in cross section can also be used be set. A round thread is only with the wire over a very narrow footprint in contact. That's why In this case, preferably a thread of a melt ble material, for. B. a fusible plastic such as Nylon®, used and the wire after wrapping briefly heated. By heating, the thread melts on the wire where widened by the footprint and at the same time the Thread is fixed. The heating of the wire can be done by its two ends - if necessary with interposition of a electrical resistance - connected to a voltage source become.

Anschließend wird der umwickelte Draht in ein galvanisches Bad eingesetzt und als Kathode geschaltet. Aus dem galvanischen Bad wird ein zweites Metall auf dem Draht abgeschieden. Da die Aufstandsfläche des Fadens auf dem Draht durch den elektrisch nichtleitenden Faden abgeschirmt ist, kann sich der galvani sche Metallniederschlag nur in den Zwischenräumen zwischen den Windungen des spriralförmigen Fadens abscheiden. Der Draht wird somit ausschließlich im Bereich der Zwischenräume durch das galvanisch abgeschiedene Metall abgedeckt. Die galvanische Abscheidung wird bei geeigneter Stromdichte und Galvanisier zeit so lange fortgeführt, bis die gewünschte Dicke der Spu lenwindungen erreicht ist. Mechanisch stabile Mikrospulen wer den erzielt, wenn die Dicke des galvanisch abgeschiedenen Me tallniederschlags mindestens einige Mikrometer beträgt. Die galvanische Metallabscheidung wird spätestens dann beendet, wenn die Zwischenräume vollständig ausgefüllt sind, da sonst auch der Faden mit einer Metallschicht überzogen würde. Hier durch könnte sich ein Kurzschluß in der Mikrospule ergeben.Subsequently, the wrapped wire is placed in a galvanic bath used and switched as a cathode. From the galvanic Bath, a second metal is deposited on the wire. Because the Footprint of the thread on the wire through the electric non-conductive thread is shielded, the galvani Only in the spaces between the Separate turns of the spiral-shaped thread. The wire is thus exclusively in the area of the interstices covered the electrodeposited metal. The galvanic Deposition is at a suitable current density and plating time continued until the desired thickness of the spu lenwindungen is reached. Mechanically stable microcoils who achieved when the thickness of the electrodeposited Me tall precipitation is at least a few microns. The galvanic metal deposition is terminated at the latest then if the gaps are completely filled, otherwise even the thread would be covered with a metal layer. here could result in a short circuit in the micro-coil.

Die galvanische Abscheidung des Metalls oder der Metallegie rung erfolgt gleichmäßiger, wenn der Draht im galvanischen Bad während der Metallabscheidung in Rotation um seine Längsachse versetzt wird. Alternativ kann eine rohrförmige Anode einge setzt werden, die den Draht umgibt.The galvanic deposition of metal or metal alloy tion is more uniform when the wire in the galvanic bath during metal deposition in rotation about its longitudinal axis is offset. Alternatively, a tubular anode is inserted be put, which surrounds the wire.

Nach Beendigung des Galvanikschrittes wird der Faden entfernt. Sofern der Faden nicht aufgeschmolzen ist, kann dies am ein fachsten durch Abwickeln erfolgen. Aufgeschmolzene Fäden aus Kunststoff lassen sich durch ein geeignetes Lösungsmittel, etwa Dimethylformamid (DMF), entfernen, ohne daß die übrigen Materialien angegriffen werden. Eine weitere Möglichkeit be steht darin, den Faden durch thermische Behandlung etwa bei 500°C bis 700°C zu entfernen, sofern der Schmelzpunkt der Metalle höher liegt.After completion of the electroplating step, the thread is removed. If the thread is not melted, this can be on be carried out by unwinding. Melted threads out Plastic can be made by a suitable solvent, For example, dimethylformamide (DMF), remove, without the other Materials are attacked. Another possibility be is about the thread by thermal treatment at about 500 ° C to 700 ° C, provided that the melting point of Metals is higher.

Nun erfolgt als letzter Schritt das selektive Herausätzen des Drahtes. Da der Draht sowohl an seinen Enden als auch an den ursprünglichen Aufstandsflächen des Fadens freiliegt, erfolgt der Angriff des Ätzmittels an vielen verschiedenen Stellen; das Ätzen ist daher in verhältnismäßig kurzer Zeit beendet.Now the last step is the selective rejection of the Wire. Since the wire both at its ends and at the original footprints of the thread is exposed takes place the attack of the etchant in many different places; the etching is therefore completed in a relatively short time.

Mit dem beschriebenen Verfahren lassen sich in kurzer Zeit Mi krospulen mit einem inneren Durchmesser von beispielsweise 50 µm bis 100 µm, einer Windungsbreite z. B. von 15 µm bis 80 µm (in axialer Richtung gemessen) und einer Windungsdicke z. B. zwischen 5 mm und 20 µm (in radialer Richtung gemessen) her stellen. Die Länge der Mikrospulen kann problemlos bis zu 8 cm betragen. Mikrospulen in dieser Länge werden in der Mi krostrukturtechnik zwar nicht benötigt; solche Mikrospulen können jedoch zu einer Vielzahl kurzer Mikrospulen zerteilt werden.With the described method can be in a short time Mi croupules having an inner diameter of, for example, 50 μm to 100 μm, one winding width z. B. from 15 microns to 80 microns (Measured in the axial direction) and a winding thickness z. B. between 5 mm and 20 μm (measured in the radial direction) put. The length of the micro-coils can easily up to 8 cm be. Micro coils of this length are in the Mi although not required; such micro-coils However, they can be broken up into a large number of short micro-coils become.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei spielen näher erläutert.The invention is described below with reference to Ausführungsbei explain in more detail.

example 1

Ein Kupferdraht mit einem Durchmesser von 100 µm wird spiral förmig mit einem 20 µm dicken, im Querschnitt dreieckigen Fa den aus Nylon® umwickelt. Die Fadenenden werden am Draht fest geklebt. Der mit dem Faden umwickelte Draht wird in ein Nickel-Galvanikbad mit der Zusammensetzung:A copper wire with a diameter of 100 μm will spiral shaped with a 20 micron thick, triangular in cross-section Fa wrapped in nylon®. The thread ends are stuck to the wire glued. The wire wrapped with the thread is in a Nickel electroplating bath with the composition:

Ni-Sulfat · 6 H₂ONi sulfate · 6 H₂O 300 [g/l]300 [g / l] NiCl₂ · 6 H₂ONiCl₂ · 6 H₂O 50 [g/l]50 [g / l] H₃BO₃H₃BO₃ 30 [g/l]30 [g / l] Netzmittelwetting agent 300 [g/l]300 [g / l]

eingetaucht und als Kathode geschaltet. Die Temperatur des Ba des beträgt 52°C. Mit Hilfe eines Motors wird der Draht in Ro tation um seine Achse versetzt. Bei einer Spannung von 800 mV wird während einer Dauer von 30 min Nickel in den Zwischen räumen zwischen den Windungen des Fadens abgeschieden. Danach wird der Faden abgezogen und das Kupfer durch ein wäßriges Ätzmittel mit der Zusammensetzungdipped and switched as a cathode. The temperature of the Ba this is 52 ° C. With the help of a motor, the wire in Ro tation about its axis. At a voltage of 800 mV becomes nickel in the interim during a period of 30 min cleared between the turns of the thread. After that the thread is withdrawn and the copper by an aqueous Etching agent with the composition

Ammoniumcarbonatammonium carbonate 120 [g/l]120 [g / l] Natriumchloritsodium chlorite 30 [g/l]30 [g / l] konz. Ammoniakconc. ammonia 100 [ml/l]100 [ml / l]

vollständig weggelöst. Dieser Schritt dauert ca. zwei Stun den. Es wird eine Spule mit ca. 170 Windungen pro cm erhal ten, deren Windungen in axialer Richtung ca. 40 µm und in ra dialer Richtung ca. 10 µm dick waren. Der Innendurchmesser entspricht der Dicke des Drahtes.completely dissolved away. This step takes about two hours the. It is a coil with about 170 turns per cm erhal th, whose turns in the axial direction about 40 microns and in ra Dialer direction were about 10 microns thick. The inner diameter corresponds to the thickness of the wire.

Example 2

Ein Kupferdraht mit einem Durchmesser von 100 µm wird wie in Beispiel 1 angegeben mit einem im Querschnitt dreieckigen Fa den umwickelt. Durch den Draht wird kurzzeitig Strom (2 A) ge leitet, wodurch der Faden auf dem Draht aufgeschmolzen wurde. Mit dem in Beispiel 1 beschriebenen Nickel-Galvanikbad wird der Draht im Bereich der Zwischenräume mit einer 7 µm dicken Nickelschicht versehen. Der Nylon®-Faden wird durch Verbrennen abgelöst. Anschließend wird der Kupferdraht mit Hilfe des in Beispiel 1 angegebenen Ätzmittels vollständig aufgelöst. Die Dauer der Auflösung beträgt ca. zwei Stunden. Anschließend wird die Nickel-Spule mit einer ca. 0,5 Mm dicken Goldauflage versehen. Hierzu wird die Nickel-Spule in ein Goldbad der Zu sammensetzungA copper wire with a diameter of 100 microns is as in Example 1 given with a triangular cross-section Fa wrapped around. Through the wire current (2 A) ge which causes the thread to melt on the wire. With the described in Example 1 nickel electroplating the wire in the interstices with a 7 micron thick Nickel layer provided. The Nylon® thread is made by burning replaced. Subsequently, the copper wire with the help of in Example 1 etchant completely dissolved. The Duration of the resolution is about two hours. Subsequently is the nickel coil with a ca. 0.5 mm thick gold plating Provided. For this purpose, the nickel coil in a gold bath of Zu composition

Goldsulfitgold sulphite 10 [g/l]10 [g / l] Natriumsulfitsodium 10 [g/l]10 [g / l] Natriumsulfatsodium sulphate 10 [g/l]10 [g / l] Nitrilotriessigsäurenitrilotriacetic 20 [g/l]20 [g / l]

getaucht und als Kathode geschaltet. Die Spule wird wiederum in Rotation versetzt. Während einer Zeit von 5 min bei einer Spannung von 750 mV und einer Badtemperatur von 50°C wird auf der Spule Gold abgeschieden.dipped and switched as a cathode. The coil will turn set in rotation. During a time of 5 min at a Voltage of 750 mV and a bath temperature of 50 ° C is deposited on the coil gold.

Claims

1. A process for producing a microcoil, in which

a) a wire of a first metal is wrapped with a thread of an electrically non-conductive material in such a way that the thread takes the form of a spiral whose turns are separated by gaps,
b) the wire wrapped with the thread is immersed in a galvanic bath and switched as a cathode,
c) in the interstices a second metal is galvanically separated, so that the wire is covered in the intermediate spaces with the second metal,
d) the thread is removed below and
e) the wire is selectively dissolved with an etchant that does not attack the second metal.

2. The method of claim 1, wherein the thread of a consists of fusible material and that with the thread around wrapped wire briefly to such a temperature ge The thread is placed on the surface of the wire melts.

3. The method of claim 1 or 2, wherein the cathode switched wire in the galvanic bath in rotation around his Longitudinal axis is offset.

4. The method according to claim 1 or 2, wherein the cathode switched wire in the galvanic bath in a tubular Anode is used.