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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Das
technische Gebiet der Erfindung betrifft Flüssigkristallpolymere, Gegenstände, die
mit sehr feinen Merkmalen, wie z. B. darin eingepreßten Stegen
und/oder Rillen, durch Schmelzformen daraus hergestellt werden können, Anwendungen,
die solche Gegenstände
verwenden, und Verfahren zur Herstellung solcher Gegenstände und
Anwendungen.
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TECHNISCHER
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
Fähigkeit
zur Ausbildung schmaler und/oder dicht benachbarter Linien, zum
Beispiel in Form von Stegen und Rillen oder ähnlichen Strukturen, ist eine
wichtige industrielle Technologie und wird zum Formen verschiedener
Arten von Beugungsgittern, Leiterplatten, Verkapselungsmaterialien
und Zwischenverbindungen für
die Mikroelektronik, Tiefdruckplatten und anderen Druckplattentypen,
Substraten für
chemische und biologische Mikroreaktoren und Substraten für verschiedene
Mikroarrays angewandt, wie z. B. für biologische und chemische
Mikroarrays.
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Derartige
Konfigurationen können
zwar direkt geformt werden, wie etwa durch Laserschneiden von Rillen,
aber solche Methoden sind langsam und kostenaufwendig und werden
gewöhnlich
für in
Kleinserien produzierte und/oder teure Artikel angewandt. Für massenproduzierte
Artikel, wie z. B. Leiterplatten, wird gewöhnlich irgendeine Form des
Druckvorgangs angewandt, um die Kontur der gewünschten Struktur zu erzeugen,
und dann wird eine gewöhnlich
komplexe Schrittfolge angewandt, um zur Herstellung einer Leiterplatte die
Stege und Rillen zu erzeugen und Metall an den geeigneten Stellen
aufzubringen. Diese Komplexität
führt oft
zu höheren
Kosten und in vielen Fällen
zu der Notwendigkeit, umweltunfreundliche Chemikalien zu verwenden
und zu entsorgen. Derartige Verfahren werden im Überblick in C. F. Coombs, jr.,
Hrsg., Printed Circuit Handbook, 4. Aufl., McGraw-Hill, New York,
1995, Kap. 3 und 4, dargestellt. Daher sind bessere Verfahren zur Ausbildung
von Strukturen auf Substraten für
Leiterplatten, Beugungsgittern, Druckplatten, mikroelektronischen
Zwischenverbindungen und Mikroreaktoren erwünscht
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US-A-4532152
und US-A-4689103 beschreiben die Verwendung von Kunststoffen, beispielsweise
von Poly(ethylenterephthalat), für
die Herstellung von Leiterplatten durch direktes Spritzgießen von
Rillen in ein Kunststoffteil und anschließendes Metallisieren des entstehenden
Teils. Rillen sind vorzugsweise etwa 25 bis etwa 250 μm tief, aber
für den
Abstand zwischen den Rillen wird weder eine Abmessung angegeben,
noch wird die Verwendung von Flüssigkristallpolymeren
(LCP) erwähnt.
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Die
Verwendung von Flüssigkristallpolymeren
für Leiterplatten
und verschiedene andere elektronische Bauelemente ist gleichfalls
vorgeschlagen worden; siehe zum Beispiel die europäischen Patentschriften
(Patentanmeldungen) 312268, 311232, 305846, 353933 und 407129, aber
keines dieser Dokumente schlägt
das direkte Schmelzformen von Strukturen in das Flüssigkristallpolymerteil
vor.
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US-A-5736191
offenbart ein Verfahren zum selektiven Metallisieren für elektrisch
isolierende Bereiche eines Substrats. Materialien für das Substrat
sind unter anderem Flüssigkristallpolymere.
Das Substrat kann durch Spritzgießen in eine vorkonfigurierte
Form hergestellt werden. Auf dem Substrat können während des Spritzgießverfahrens
oder in einem getrennten Formpreßschritt Mikrostege erzeugt
werden. Die Abmessungen der dort offenbarten Mikrostege sind weit
entfernt von den Abmessungen der topographischen Merkmale der vorliegenden
Erfindung.
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US-A-5705254
offenbart ein Kunststoff-Formteil, das durch Spritzgießen hergestellt
wird, wobei eine Form mit einer Oberfläche benutzt wird, die durch
Bearbeitungsmarken in Form von Einschnitten über die gesamte Formoberfläche gestaltet
wird. Darin werden weder ein absichtlich schmelzgeformtes topographisches Merkmal
noch die Verwendung von Flüssigkristallpolymeren
erwähnt.
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EP-A-0689927
A offenbart eine Schicht mit einer aufgerauhten Oberfläche. Die
Schicht besteht aus einem Flüssigkristallpolymer
und weist Oberflächeneinschnitte
auf, die mindestens etwa 25% der Oberfläche bedecken. Die Schicht wird
hergestellt, indem eine Prägeeinrichtung
bei einer Temperatur von etwa 15–75°C unter dem Schmelzpunkt des
Polymers an die Schichtoberfläche
angepreßt
wird. Die geprägte
Schicht weist verbesserte Abriebfestigkeit auf.
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WO
96/35971 A offenbart ein Mikroreliefelement, das aufweist: a) eine
erste Schicht aus einem ersten Substrat, wobei die erste Schicht
eine aufnahmefähige
Oberfläche
aufweist, die ein reliefbildendes Polymer halten bzw. binden kann;
b) einen Belag von einer gewünschten
Dicke des reliefbildenden Polymers über der aufnahmefähigen Oberfläche; und
c) mindestens ein aus dem reliefbildenden Polymer geformtes und über den Belag
vorspringendes Reliefmerkmal; Strukturen und Elemente, die ein derartiges
Mikroreliefelement aufweisen; mikrooptische, mikrofluide, mikroelektrische
und mikrochemische Anwendungen davon und ein Verfahren sowie eine
Vorrichtung zu deren Herstellung.
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US-A-6315937
offenbart ein Mikrobearbeitungsverfahren und eine Mikrobearbeitungsvorrichtung,
um die Oberfläche
eines Umdruck- bzw. Übertragungselements
mit einer auf dessen Oberfläche
ausgebildeten konkaven oder konvexen Struktur und die Oberfläche eines
Werkstücks
einander gegenüber
anzuordnen, das Übertragungselement
zu erhitzen und eine Wärmeausdehnung
des Übertragungselements
in Normalenrichtung zu seiner Oberfläche herbeizuführen, um
dadurch die konkave oder konvexe Struktur auf das Werkstück zu übertragen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Unsere
Erfindung betrifft ein Formteil mit einem Polymerabschnitt, der
als Hauptanteil ein Flüssigkristallpolymer
aufweist, wobei das Formteil ein absichtlich in eine oder mehrere
Oberflächen
des Teils eingeschmolzenes topographisches Merkmal aufweist, das
in seiner parallel zu der Oberfläche
gemessenen kleinsten Abmessung kleiner als 15 μm ist oder in seiner senkrecht
zu der Oberfläche
gemessenen kleinsten Abmessung kleiner als 15 μm ist, oder beides.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils,
mit dem folgenden Schritten: Herstellen eines geschmolzenen Polymerabschnitts,
der als Hauptanteil ein Flüssigkristallpolymer
aufweist, Einbringen des geschmolzenen Polymerabschnitts in eine
geschlossene Preßform
unter einem Druck von mindestens 1 MPa, wobei eine oder mehrere
Flächen
der Preßform
ein oder mehrere topographische Merkmale aufweisen, die in ihrer
parallel zu der Oberfläche
gemessenen kleinsten Abmessung kleiner als 15 μm sind oder in ihrer senkrecht
zu der Oberfläche
gemessenen kleinsten Abmessung kleiner als 15 μm sind, oder beides, und anschließendes Abkühlen des
Polymerabschnitts, um ihn erstarren zu lassen und das Formteil zu
erzeugen, das ein oder mehrere absichtlich in eine oder mehrere
Oberflächen
des Formteils eingeschmolzene topographische Merkmale aufweist,
die in ihrer parallel zu der Oberfläche gemessenen kleinsten Abmessung
kleiner als 15 μm
sind oder in ihrer senkrecht zu der Oberfläche gemessenen kleinsten Abmessung
kleiner als 15 μm
sind, oder beides.
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Besondere
Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der entsprechenden abhängigen Patentansprüche.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die 1, 2 und 3 zeigen
verschiedene bevorzugte Typen von topographischen Merkmalen der
vorliegenden Erfindung und einige bevorzugte Abmessungen dieser
Merkmale.
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4 zeigt
100 μm-Stege/Zwischenräume eines
bevorzugten Stahlformeinsatzes gemäß der vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt
100 μm-Rillen/Stege
einer bevorzugten, unter Verwendung des Stahlformeinsatzes von 4 geformten
Platte.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Mit
einem Flüssigkristallpolymer
ist hierin ein Polymer gemeint, das nach dem in US-A-4118372 beschriebenen "TOT-Test" ein Flüssigkristallpolymer
ist.
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Mit "schmelzformgepreßt" oder "schmelzgeformt" ist gemeint, daß ein thermoplastisches
Polymer, wie z. B. ein Flüssigkristallpolymer
(LCP), geschmolzen, beispielsweise in einer Preßform in eine Form gebracht und
dann abgekühlt
wird, um das thermoplastische Polymer zu einem Formteil erstarren
zu lassen.
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Mit "topographisches Merkmal" ist ein dreidimensionales
Merkmal auf der Oberfläche
eines Objekts gemeint, wie z. B. eines Formteils. Die Größe(n) von
Merkmalen auf einer Oberfläche
können
parallel zu dieser Oberfläche
oder senkrecht zur Oberfläche
(hierin auch als Tiefe bezeichnet) gemessen werden. Diese Merkmale
werden absichtlich in die Oberfläche
des erzeugten Formteils eingeformt und haben gewöhnlich erwünschte Formen) und/oder Abmessung(en).
Zu topographischen Merkmalen gehören
keine zufälligen
Defekte in dem Formteil, wie z. B. Grübchen, zufällige Rillen oder Erhebungen.
Gewöhnlich
sind diese topographischen Merkmale bei wiederholten Formgebungen
mit der gleichen Form reproduzierbar.
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Der
hierin geformte Polymerabschnitt enthält als größeren Volumenanteil ein oder
mehrere Flüssigkristallpolymere,
bezogen auf den Gesamtvolumenanteil an Thermoplasten im Polymerabschnitt.
In einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
der Polymerabschnitt ein oder mehrere Flüssigkristallpolymere als einzige vorhandene
Thermoplaste, stärker
bevorzugt enthält
der Polymerabschnitt ein Flüssigkristallpolymer.
Verwendbare Flüssigkristallpolymere
sind unter anderem diejenigen, die in den US-Patentschriften US-A-3991013, 3991014,
4011199, 4048148, 4075262, 4083829, 4118372, 4122070, 4130545, 4153779, 4159365,
4161470, 4169933, 4184996, 4189549, 4219461, 4232143, 4232144, 4245082,
4256624, 4269965, 4272625, 4370466, 4383105, 4447592, 4522974, 4617369,
4664972, 4684712, 4727129, 4727131, 4728714, 4749769, 4762907, 4778927,
4816555, 4849499, 4851496, 4851497, 4857626, 4864013, 4868278, 4882410, 4923947,
4999416, 5015721, 5015722, 5025082, 5086158, 5102935, 5110896 und
5143956 und der europäischen
Patentanmeldung 356226 beschrieben werden. Ein bevorzugter Flüssigkristallpolymer-Typ
ist ein aromatischer Polyester oder ein Poly(esteramid), vorzugsweise
ein aromatischer Polyester.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist der Polymerabschnitt einen anderen Thermoplast auf, der vorzugsweise
ein amorphes Polymer ist, wie z. B. Poly(etheretherketon) (gewöhnlich als
PEEK bezeichnet), ein Novolak, oder Ultem, d. h. ein Poly(etherimid),
hergestellt von General Electric Co.
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Bevorzugt
wird außerdem,
daß das
Flüssigkristallpolymer
ein relativ niedriges Molekulargewicht aufweist, oder anders ausgedrückt, eine
relativ niedrige Schmelzviskosität,
vorzugsweise eine Schmelzviskosität von 1 bis 200 Pa·s, stärker bevorzugt
von 5 bis 100 Pa·s,
und am stärksten
bevorzugt von 10 bis 50 Pa·s.
Vorzugsweise wird das Flüssigkristallpolymer
mit niedrigem Molekulargewicht nach dem Verfahren hergestellt, das
in der Weltpatentanmeldung 99/52978 beschrieben wird. Abgesehen
von dem (den) thermoplastischen Polymer(en) selbst kann der Polymerabschnitt
auch andere Bestandteile enthalten, die normalerweise in solchen
Polymeren zu finden sind, wie z. B. Farbstoff, Pigmente, Verstärkungsmittel,
Füllstoffe,
Antioxidationsmittel und andere. Brauchbare Füllstoffe/Verstärkungsmittel
und Pigmente sind unter anderem Talkum, Glimmer, Calciumcarbonat,
Siliciumdioxid, Quarz, Titandioxid, ein oder mehrere hitzehärtbare Polymere
und Ruß.
In allen Fällen
sollte jedes teilchenförmige
Material in dem Polymerabschnitt vorzugsweise eine maximale Teilchengröße aufweisen,
die kleiner ist als die kleinste Abmessung irgendeines topographischen
Merkmals, vorzugsweise kleiner als die halbe Größe der kleinsten Abmessung
irgendeines topographischen Merkmals, um zu vermeiden, daß der Füllstoff
Defekte in dem (den) topographischen Merkmal(en) verursacht. Materialien
wie etwa Quarz können
ebenfalls verwendet werden, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Formteils zu modifizieren. Die teilchenförmigen Feststoffe können mit
Materialien wie z. B. funktionalisierten Silanen, Titanaten oder
Tensiden beschichtet werden, um ihre Oberflächeneigenschaften zu modifizieren.
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Das
Formgebungsverfahren kann irgendein für Thermoplaste bekanntes Schmelzformverfahren
sein, wie z. B. Formpressen oder Spritzgießen, obwohl Spritzgießen bevorzugt
wird (siehe zum Beispiel H. Mark et al., Hrsg., Encyclopedia of
Polymer Science and Engineering, Bd. 8, John Wiley & Sons, New York,
1987, S. 102–138).
Gegebenenfalls wird bevorzugt, daß die Formgebung ausgeführt wird,
indem das Polymer auf eine relativ hohe Temperatur oberhalb seines
Schmelzpunkts und/oder seiner Glasübergangstemperatur erhitzt wird
und/oder das Polymer mit relativ hoher Geschwindigkeit in die Form
eingespritzt wird und/oder ein relativ hoher Druck zum Füllen der
Form angewandt wird und/oder eine relativ hohe Formtemperatur beim
Spritzgießen
angewandt wird (die aber unter dem Schmelzpunkt des Polymers oder
unterhalb der Glasübergangstemperatur
liegt, wenn das Flüssigkristallpolymer
amorph ist). Solche Bedingungen werden in den Beispielen veranschaulicht.
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Die
Größen und
Formen der topographischen Merkmale können stark variieren. Es können ein
oder mehrere Nuten oder Rillen vorhanden sein, die im Fall von mehr
als einer durch Stege getrennt sind, oder es können einfach ein oder mehrere
Stege vorhanden sein, die gegenüber
einer ebenen Fläche
erhöht
sind. Jedes dieser Merkmale kann in einer oder mehreren zufälligen Konfigurationen)
vorhanden sein oder kann in einer geordneten, beispielsweise parallelen,
Anordnung vorhanden sein. Es können
von den Oberflächen
hervorstehende Merkmale vorhanden sein, die beispielsweise wie Wolkenkratzer,
Pyramiden oder Obelisken geformt sind, entweder in einer zufälligen Konfiguration
oder irgendeiner geordneten Konfiguration. Außerdem können beliebige Kombinationen
dieser oder anderer Merkmalstypen vorhanden sein. Ferner können Vertiefungen
vorhanden sein, die sich teilweise oder vollständig durch das Formteil erstrecken.
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Die
Abmessungen der topographischen Merkmale können natürlich variiert werden, indem
diese Abmessungen in der Form variiert werden. 1 zeigt
die Schnitte verschiedener Nuten und Nutenkonfigurationen. Zum Beispiel
wird für
eine V-förmige
Nut (1a) die Breite "w" als
die Breite am oberen Ende der Nut angenommen. Für eine U-förmige Nut wird sie irgendwo
entlang den "Schenkeln" des "U" angenommen, wie in 1b dargestellt.
Die Tiefe "d" der Nut wird vom
oberen Ende der Nut zum Boden gemessen, wie in den 1a und 1b dargestellt.
Eine Reihe von Nuten, besonders eine Reihe von parallelen Nuten,
weist Nutbreiten "w" und -tiefen "d" auf, wie zum Beispiel in den 1c und 1d dargestellt.
Eine Reihe von eng benachbarten Nuten bildet außerdem eine Reihe von Stegen.
Die Nuten können
keinen Abstand aufweisen, wie in 1c dargestellt,
oder sie können
Abstand aufweisen, wie in 1d dargestellt.
Der Abstand "s", ein meßbares topographisches
Merkmal, ist in 1d dargestellt. Eine Reihe von
gleichmäßig beabstandeten
parallelen Nuten (und ihren begleitenden Stegen) weist außerdem eine
weitere Abmessung auf, den Mittenabstand bzw. die Teilung "p", dargestellt in den 1c und 1d.
Dies ist die Abmessung des topographischen Merkmals für eine Wiederholung
einer Nut und eines Stegs.
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Die 2a und 2b zeigen
Schnitte verschiedener isolierter Stege sowie ihre Tiefen "d" und ihre Breiten "w".
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3a zeigt
eine Draufsicht einer Reihe von gleichmäßig beabstandeten pyramidenförmigen topographischen
Merkmalen auf einer ebenen Oberfläche, während 3b eine
Seitenansicht eines dieser Merkmale zeigt. Zu den topographischen
Maßen,
die gemessen werden können,
gehören
eine Seite der Pyramidenbasis "a", die Höhe der Pyramide "d" und die verschiedenen Abstände zwischen
den Pyramiden, "s1", "s2" und "s3". Die dargestellten
Pyramiden haben die gleiche Größe und den
gleichen Abstand, aber sowohl die Regelmäßigkeit der Pyramidenformen
und -abmessungen als auch der Abstand zwischen den Pyramiden können von regelmäßig bis
zufällig
variiert werden. Im gleichen Formteil können mehr als eine Form des
topographischen Merkmals vorhanden sein. Für andere Typen von topographischen
Merkmalen sind ähnliche
Abmessungstypen vorstellbar.
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Bevorzugte
Typen von topographischen Merkmalen sind eine Reihe von Nuten und
ihre begleitenden Stege oder isolierte Nuten (einschließlich mehrere
Nuten, die nicht relativ eng benachbart sind und/oder nicht parallel
zueinander laufen). Ein weiterer bevorzugter Typ eines topographischen
Merkmals ist eine Reihe von Erhebungen (z. B. am Ende oder der Seite
von Pyramiden, Zylindern, Kegeln, Quadern oder Würfeln), die von einer im wesentlichen
ebenen Oberfläche
ausgehen, vorzugsweise in irgendeiner Art von regelmäßiger oder sich
wiederholender Anordnung. Ein weiterer Typ eines bevorzugten topographischen
Merkmals ist eine zylinderförmige
Vertiefung oder ein Loch, das teilweise oder ganz durch das Formteil
hindurchgeht. Bei teilweisem Durchgang ist die Tiefe dieses oder
eines ähnlichen
Merkmals der Abstand von der Oberfläche zum Boden der Vertiefung.
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Vorzugsweise
beträgt
die größte Abmessung
eines topographischen Merkmals parallel zur Oberfläche höchstens
15 μm, stärker bevorzugt
höchstens
10 μm, noch
stärker
bevorzugt höchstens
5 μm, noch
stärker bevorzugt
höchstens
1 μm, noch
stärker
bevorzugt höchstens
0,5 μm,
und am stärksten
bevorzugt höchstens 0,1 μm. Eine bevorzugte
minimale Abmessung parallel zur Formteiloberfläche für ein topographisches Merkmal
beträgt
mindestens 0,001 μm,
stärker
bevorzugt mindestens 0,01 um, noch stärker bevorzugt mindestens 0,1 μm, und am
stärksten
bevorzugt mindestens 0,5 μm
Bevorzugte minimale und maximale Abmessungen können entsprechend dem jeweiligen
Gebrauch des Formteils variieren. Für Abmessungen von topographischen
Merkmalen, die senkrecht zur Formteiloberfläche gemessen werden (Tiefe),
beträgt
die Tiefe vorzugsweise höchstens
10 μm, stärker bevorzugt
höchstens
5 μm, noch
stärker
bevorzugt höchstens
2 μm, noch
stärker
bevorzugt höchstens
1 μm, noch
stärker
bevorzugt höchstens
500 nm, noch stärker
bevorzugt höchstens 100
nm, und am stärksten
bevorzugt höchstens
50 nm. Eine bevorzugte minimale Abmessung senkrecht zur Formteiloberfläche für ein topographisches
Merkmal beträgt
mindestens 0,1 nm, stärker
bevorzugt mindestens 0,5 nm, noch stärker bevorzugt mindestens 1
nm und am stärksten
bevorzugt mindestens 5 nm. Beliebige bevorzugte minimale und maximale
Abmessungen entweder parallel oder senkrecht zur Oberfläche können ebenso
kombiniert werden wie beliebige bevorzugte Abmessungen parallel
und senkrecht zur Oberfläche.
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Die
hierin hergestellten Formteile sind direkt als Beugungsgitter verschiedener
Arten, wie z. B. Monochromatoren und holographische Gitter, Leiterplatten,
Druckplatten, mikroelektronische Zwischenverbindungen und Mikroreaktoren
verwendbar oder können
bei deren Herstellung verwendet werden. Da topographische Merkmale
von der Größenordnung
der Lichtwellenlänge
in das Flüssigkristallpolymerteil
eingeformt werden können,
sind diese Teile für
die Beugung vom sichtbaren Licht und anderer elektromagnetischer
Strahlung verwendbar. Um beispielsweise als Beugungsgitter verwendbar
zu sein, können
sie metallbeschichtet werden, wie z. B. durch stromlose Abscheidung,
galvanische Abscheidung oder Plasmabeschichtung.
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Für die Verwendung
als Leiterplatten können
eine Anzahl verschiedener Verfahren angewandt werden, um Leitungsbahnen
auf der (den) Oberfläche(n)
des Formteils zu erhalten. Der Polymerabschnitt kann mit einem Mineralfüllstoff
gefüllt
werden, wie z. B. mit Calciumcarbonat, um die Haftung eines Metalls,
gewöhnlich
Kupfer, zu verbessern. Nach der Ausbildung des Formteils kann die
Metallhaftung durch irgendein bekanntes Verfahren verbessert werden,
wie z. B. durch Ätzen
der Oberfläche
mit verschiedenen Chemikalien, durch Plasma- oder Korona-Ätzen oder
durch mechanischen Abrieb unter Verwendung sehr feinkörniger Schleifmittel.
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Bei
einem sehr einfachen Verfahren wird die metallische Leiterstruktur
auf einer oder mehreren Formoberflächen erzeugt, beispielsweise
durch Plattieren, und dann wird das Flüssigkristallpolymer um diese
Struktur herum geformt. Die metallische Leiterstruktur wird daher
in die Flüssigkristallpolymeroberfläche eingeformt. Damit
die metallische Leitung aus der Form an die Oberfläche des
Flüssigkristallpolymers
gelangt, kann die Formoberfläche
mit einem Trennmittel behandelt werden, und/oder die Oberfläche der
Metallstruktur, die an dem Flüssigkristallpolymer
verankert bzw. angeklebt werden soll, kann mit einem Haftvermittler
beschichtet werden, wie z. B. Benzotriazol.
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Wenn
die metallischen Leiter in Kanälen
unterhalb der Formteiloberfläche
auszubilden sind, kann eine leitfähige Tinte mit einer Rakel
in die Kanäle
eingebracht werden, und die Kanäle
können
mit dem Metall galvanisch beschichtet werden. Bei einem anderen
Verfahren kann ein Pd-Katalysator für stromlose Abscheidung auf
die Oberfläche
des gesamten Formteils aufgebracht und dann von den erhöhten (kanalfreien)
Abschnitten durch Abschleifen entfernt werden. Alternativ kann nach
dem Abscheiden des Metalls auf die Oberfläche (durch stromloses und/oder
galvanisches Abscheiden) das Metall auf der erhöhten Oberfläche durch Abschleifen entfernt
werden. In einer anderen Alternative kann ein Fotolack in die bereits
galvanisch metallisierten Kanäle
eingebracht werden, und das andere Metall auf der Oberfläche kann
durch chemisches Ätzen
entfernt werden. Wenn die leitfähige
oder andersartige Struktur über
der allgemeinen Oberfläche
des Teils ausgebildet wird, kann sie im Walzenauftragverfahren aufgebracht
werden, wobei die unteren Abschnitte der Oberfläche unbeschichtet bleiben.
Der beschichtete Abschnitt kann dann nach Bedarf behandelt werden.
Einige der obigen und weitere Metallisierungsverfahren werden auch
in den US-Patentschriften US-A-4532152 und 4689103 beschrieben.
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Löcher in
der Leiterplatte können
durch Bohrverfahren angebracht werden, wie z. B. durch Laserbohren,
oder können
in die Platte eingeformt werden, z. B. durch Verwendung von Stiften
in der Form. Eine oder beide Seiten der Platte können eine darin eingeformte
Struktur aufweisen. Weitere Schaltungsschichten können hinzugefügt werden,
indem nacheinander eine weitere Flüssigkristallpolymerschicht
an das erste Formteil angeformt und dann metallisiert wird. Löcher, welche
die zwei oder mehreren Lagen verbinden, können gebohrt oder durch Stifte
in dem Formteil ausgebildet werden.
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Formen
für den
Prozeß können durch
viele verschiedene Verfahren hergestellt werden. Zum Beispiel kann
eine dichte Metalloberfläche
durch Laser, mechanisch oder chemisch geätzt werden, um die gewünschte Struktur
auszubilden. Formeinsätze
mit der gewünschten
Struktur können
durch bekannte Verfahren hergestellt werden, die denjenigen ähnlich sind,
die für
Matrizen zur Herstellung optischer CDs benutzt werden. Dies ermöglicht eine
schnelle Änderung
der Struktur, die in einer Einzelform gepreßt werden soll. Um mehr als
ein Bauelement (Leiterplatte, Beugungsgitter usw.) auf einmal zu
formen, kann eine Mehrfachform verwendet werden. Alternativ könnte ein
großes
Stück geformt
werden, das zwei oder mehrere Bauelemente enthält, und später irgendeiner Fertigungsstufe
auseinandergeschnitten werden, um mehrere Bauelemente zu erzeugen. In
einer Mehrfachform können
mehr als ein großes
Stück auf
einmal geformt werden.
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Die
Verwendung von Flüssigkristallpolymeren
als Basispolymer hat verschiedene Vorteile gegenüber der Verwendung vieler anderer
Polymertypen. Viele Flüssigkristallpolymere
weisen eine oder mehrere der Eigenschaften gute Wärmebeständigkeit,
gute chemische Beständigkeit,
niedrige Entflammbarkeit und andere Vorteile auf.
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Dies
ermöglicht
die Verwendung des erzeugten Formteils in Anwesenheit aggressiver
Chemikalien und/oder Lösungsmittel
und/oder bei Arbeiten unter hohen Temperaturen, wie z. B. bei Lötarbeiten
an Leiterplatten.
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Die
Schmelzviskosität
wird mit einem Kayeness-Rheometer bestimmt (Kayeness, Inc., RD#3,
Box 30, E.Main St., Honeybrook, PA 19344, USA). Im allgemeinen kann
das Kayeness-Rheometer leicht und routinemäßig Schmelzviskositäten bis
hinab zu etwa 50 Pa·s
und 1001/s messen. Zur Messung der Viskosität unterhalb dieses Wertes von
50 Pa·s
ist jedoch große
Sorgfalt erforderlich.
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Eine
Schmelzviskosität über 50 Pa·s wird
unter Verwendung eines Mundstücks
mit einem Lochradius von 0,5 mm (0,02 Zoll) und 2,0 cm (0,80 Zoll)
Länge unter
Anwendung einer Schmelzdauer von 360 s gemessen. Schmelzviskositäten von
weniger als 50 Pa·s
werden unter Verwendung eines (nicht standardisierten) Mundstücks mit
einem Mundstücklochradius
von 0,20 mm (0,0078 Zoll) mal 3,48 cm (1,2 Zoll) Länge gemessen.
Dieses Mundstück
mit kleinem Durchmesser wurde unter Verwendung von handelsüblichen
Bohrern vom EDM-Typ speziell angefertigt. Dieses kleine 0,20 mm-Mundstück ergibt
eine genauere Messung der Viskosität von weniger als 50 Pa·s als
ein Mundstück
mit einem Radius von 0,5 mm und kann Viskositätswerte von 0,4 Pa·s mit
einer Genauigkeit von etwa 0,1 Pa·s messen. Für beide Mundstücke ist
eine Vorwärmzeit
von mindestens 5 Minuten und vorzugsweise von etwa 30 Minuten zwischen
den Proben erforderlich (wenn die Viskosität an mehreren Proben gemessen
wird), um die Streuung von Viskositätswerten zu minimieren. Bei
einem Viskositätswert
von etwa 20 Pa·s
bei 1001/s und darunter ist die Viskositätsmessung wegen des Auslaufens der
Probe aus dem Mundstück
während
der Unterbrechungsabschnitte des Meßversuchs ziemlich problematisch.
Das Auslaufen kann durch Verstöpseln
der Öffnung
von Hand während
des Vorwärmens
und zwischen Messungen wirksam minimiert werden (mehrere Messungen
werden gewöhnlich
in einem Kayeness-Durchgang ausgeführt). Bei einem Viskositätswert von
etwa 10 Pa·s,
und besonders unterhalb etwa 5 Pa·s, neigt die extrem dünnflüssige Schmelze
dazu, zwischen Kolben und Zylinder des Kayeness-Rheometers einzusickern. Die
Streuung dieser Messungen kann reduziert werden, indem mehrere Messungen
bei einer Schergeschwindigkeit durchgeführt werden, bis eine stationäre Viskosität erreicht
wird (die anzeigt, daß zwischen
den Kolben- und
Zylinderwänden
keine Schmelze mehr durchsickert).
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BEISPIELE
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Die
folgenden Beispiele 1–2
veranschaulichen bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung ist natürlich nicht
auf die Beispiele 1–2
beschränkt.
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BEISPIEL 1
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Aus
einer Flüssigkristallpolymerzusammensetzung
wurden unter Verwendung eines Stahleinsatzes in einer Nisei FN-4000-1-Spritzgießmaschine
Tafeln geformt.
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Der
Stahleinsatz wies erhöhte
mäanderförmige Linien
mit einer Höhe
von etwa 20–30 μm und mit Nennbreiten
von 20 bis 100 μm
auf. Dieser Einsatz wurde durch Anwendung eines lichtoptischen Abbildungsverfahrens
und chemischen Ätzverfahrens
mit einem Silberhalogenid-Diapositiv, einem wäßrig verarbeiteten Trockenfilmresist
und Eisenchlorid-Ätzmittel
hergestellt. Linien und Abstände
der Mäanderstrukturen
auf dem Diapositiv sind nominell gleich. Auf dem geätzten Einsatz
sind wegen der Ätzeffekte
die Spitzen der erhöhten Linien
um einige μm
schmaler und die Abstände
um einige μm
breiter als auf dem Diapositiv. Die Untersuchung mit dem optischen
Mikroskop zeigte, daß die
Linienstrukturen bis hinab zu den 40μm-Linien/Abständen gleichmäßig geätzt wurden.
Die 30μm-Strukturen
waren wellig und beschädigt,
während
die 20μm
nicht aufgelöst wurden.
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Die
verwendete Flüssigkristallpolymerzusammensetzung
war die folgende:
70 Gew.-% Flüssigkristallpolymer mit Monomeren
HQBP/T/N/HBA in einem Molverhältnis
von 50/50/70/30/320;
30 Gew.-% 44CSS-Quarzglas von CE Minerals;
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Die
Spritzgußbedingungen
waren die folgenden:
Spritzgehäusetemperaturen: Düse: 334°C; Vorderseite:
350°C; Mitte:
342°C; Rückseite:
315°C;
Kolbengeschwindigkeit:
16 mm/s;
Maximaldruck: 30 MPa;
Injektions- und Haltezeit:
5 s.
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Es
wurden insgesamt 120 Tafeln hergestellt, wobei jede entstehende
Tafel Abmessungen von 7,62 × 12,7 × 0,159
cm (3 × 5 × 1/16 Zoll)
hatte.
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Die
Untersuchung von 11 Tafeln, die unter verschiedenen Formgebungsbedingungen
für ein
konzipiertes Experiment hergestellt wurden, das die Auswirkungen
der Formgebungsbedingungen auf die Reproduktion durch optische und
Rasterelektronenmikroskope untersuchte, zeigte, daß das Flüssigkristallpolymer
die Struktur des Stahleinsatzes bis hinab zu den 100 μm-Linien/Abständen gut
reproduzierte, und zeigte Kanäle
bzw. Rillen, die den erhöhten
Linien auf dem Stahleinsatz entsprachen. Bei Linien/Abständen von
weniger als 100 μm
reproduzierte das Flüssigkristallpolymer
die Formstruktur ziemlich gut, wies aber einige Defekte auf, die
im Verhältnis
zur Gesamtstruktur klein und für
Leiterplatten-Zwecke ohne Bedeutung waren. 4 zeigt
den Linien/Abstand-Bereich von 100 μm auf dem Stahleinsatz. 5 zeigt
den entsprechenden Bereich auf einer der geformten Tafeln. Die Vergrößerung der
Flüssigkristallpolymer-Tafel
in 5 ist etwas größer als
die des Stahleinsatzes in 4.
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BEISPIEL 2
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Dieses
Beispiel veranschaulicht ein bevorzugtes Quetschwalzen/Rakel-Verfahren
zur Abscheidung von Leitungsbahnen in Kanälen unterhalb der Oberfläche eines
Formteils.
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Eine
Voruntersuchung wurde durchgeführt,
um anhand der Lötbarkeit
festzustellen, welche Tinte zu benutzen war.
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Die
folgenden drei Tinten wurden auf Flüssigkristallpolymertafeln aufgedruckt
und gelötet.
CB230
(beziehbar von DuPont Company, Wilmington, DE)
CB220 (beziehbar
von DuPont Company, Wilmington, DE)
4929N (beziehbar von DuPont
Company, Wilmington, DE)
CB230 war die einzige Polymertinte,
die eine gute Lötbarkeit
aufwies.
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Außer der
CB230-Tinte wurden die folgenden Materialien und Ausrüstungen
in diesem Beispiel verwendet:
Rote Quetschwalze, Durometerhärte 70
Metallrakel
Weiße Quetschwalze,
Durometerhärte
90
30 μm-Sandpapier
Sears-Handschleifer
Grüner Scotchbrite-Ballen
mit Wasser
40 μm
dicke Deckschicht von Hitachi Chemical Co.
Universalmeßgerät 3457A
von Hewlett Packard
Kastenofen auf 170°C
62Sn/36Pb/2Ag-Lot bei
220°C
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CB230
wurde auf die im obigen Beispiel 1 beschriebenen Flüssigkristallpolymersubstrate
aufgebracht, wobei entweder die rote Quetschwalze mit der Durometerhärte 70,
die Metallrakel oder die weiße
Quetschwalze mit der Durometerhärte
90 eingesetzt wurden.
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Es
wurde eine Voruntersuchung durchgeführt, wobei folgendes festgestellt
wurde:
- – Die
rote Quetschwalze mit der Durometerhärte 70 paßte sich an das Substrat an.
Bei geringem Druck hinterließ diese
Quetschwalze eine Menge überschüssiger Tinte
auf der Oberfläche.
Bei starkem Druck tauchte die Quetschwalze in die Leiterbahnrillen
ein und ließ keine
Tinte zurück.
- – Die
Metallrakel scherte die Kanten der Leiterbahnrillen ab (d. h. beschädigte das
Flüssigkristallpolymer).
- – Die
weiße
Quetschwalze mit der Durometerhärte
90 lieferte die besten Ergebnisse, wenn ein doppelter Durchgang
angewandt wurde. Der erste Durchgang war schräg, so daß ein Winkel von etwa 20° zwischen der
Quetschwalze und dem Substrat bestand. Der zweite Durchgang hatte
eine geringere Neigung, einen Winkel von 45–50 zum Substrat, und es wurde
ein geringerer Druck angewandt. Im ersten Durchgang wurden die Leiterbahnen
gefüllt,
und im zweiten Durchgang wurde die Oberfläche von der überschüssigen Tinte
gereinigt. Die überschüssige Tinte
wurde noch mehr minimiert, wenn eine Schablone ausgeschnitten wurde,
um unbedruckte Flächen
abzudecken.
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Daher
wurden 5–6
Flüssigkristallpolymersubstrate
unter Anwendung der weißen
Quetschwalze mit einer Durometerhärte von 90 und des oben beschriebenen
Verfahrens hergestellt und anschließend 30 min bei 170°C ausgehärtet. Die
Oberflächen
wurden gereinigt, wobei entweder das 30 μm-Sandpapier (Schleifen von Hand),
der Sears-Handschleifer (automatisches Schleifen) oder der grüne Scotchbrite-Ballen
mit Wasser benutzt wurden.
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Alle
Verfahren reinigten die Oberfläche
gut, führten
aber zum Durchbruch des versilberten Kupfers in dem CB230 (wodurch
das Löten
beeinträchtigt
werden kann). Beim Schleifen von Hand kann man mehr/weniger aggressive
Bereiche auswählen
(obwohl auch bei Anwendung des Schleifens von Hand einige Bereiche des
versilberten Kupfers durchbrochen werden und eine Kupferoberfläche zurücklassen,
die das Löten
beeinträchtigen
kann).
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Messungen
des Widerstands mit Hilfe des 3457A-Universalmeßgeräts von Hewlett Packard wurden an
einem der von Hand geschliffenen Substrate durchgeführt. Die
Ergebnisse sind in der untenstehenden Tabelle 1 dargestellt.
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Die
vorliegende Erfindung ist zwar in Bezug auf die gegenwärtig als
bevorzugt angesehenen Ausführungsformen
beschrieben worden, aber es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die
offenbarten Ausführungsformen
beschränkt
ist. Die Erfindung soll im Gegenteil verschiedene Modifikationen
einschließen,
die innerhalb des Umfangs der beigefügten Patentansprüche liegen.
