EP0374429A1 - Verfahren zur Reproduktion eines strukturierten, plattenförmigen Körpers - Google Patents

Verfahren zur Reproduktion eines strukturierten, plattenförmigen Körpers Download PDF

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EP0374429A1
EP0374429A1 EP89119817A EP89119817A EP0374429A1 EP 0374429 A1 EP0374429 A1 EP 0374429A1 EP 89119817 A EP89119817 A EP 89119817A EP 89119817 A EP89119817 A EP 89119817A EP 0374429 A1 EP0374429 A1 EP 0374429A1
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EP
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electrically conductive
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electrically insulating
structured
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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D1/00—Electroforming
    • C25D1/10—Moulds; Masks; Masterforms

Definitions

  • the invention relates to a method for reproducing a structured, plate-shaped body, in particular a microstructured body, according to the preamble of the main claim.
  • DE-PS 35 37 483 discloses a method for producing a multiplicity of plate-shaped microstructure bodies made of metal, in which negative molds of the microstructures are produced by repeated molding of a tool having the microstructures with an electrically insulating impression material and are galvanically filled with a metal, after which the negative forms are removed.
  • the electrically insulating impression compound is connected to a further layer of electrically conductive impression compound, the thickness of the electrically insulating impression compound corresponding to the height of the microstructures in such a way that the electrically conductive impression compound contacts the end faces of the microstructures of the tool during the molding process.
  • the tool is pressed into the layer of electrically insulating impression material until the end face of the microstructures of the tool touch the layer of electrically conductive impression material.
  • FIG. 13 shows that the microstructures are pressed into the composite layer at 110 ° C. and the tool is only removed after the microstructures or the tool have cooled.
  • the described method is particularly uneconomical for mass production, since the temperature cycle for pressing in the microstructures means additional process engineering and time expenditure.
  • the layer height of the impression material must be exactly matched to the height of the microstructures of the tool.
  • the pressing-in can only take place in the liquid or viscous state of the electrically insulating layer with a relatively large force development, since otherwise the risk of damage to the microstructures of the tool increases.
  • Demoulding after the polymer solidifies requires a similarly high level of force. Therefore, release agents are usually added to the polymer. Since the polymer is in the solidified state during demolding, an extremely precise movement of the tool is necessary in order to enable the demolding without damaging the tool and the negative mold and to reduce the demolding forces.
  • the object of the invention is to avoid the disadvantages mentioned.
  • the pressing process of the tool into the impression material and the retraction of the tool should be simplified in such a way that the expenditure of force is significantly reduced and that heating and cooling steps can be dispensed with.
  • the condition that the layer thickness of the electrically insulating impression material corresponds to the height of the structures to be molded should be eliminated.
  • the object is achieved by the measures described in the characterizing part of the main claim.
  • the composite layer is expediently produced in such a way that an electrically conductive layer is applied to a metal plate and is covered by a layer of an electrically insulating thermoplastic.
  • the electrically conductive layer can consist of an electrically conductive particles such as. B. graphite-offset thermoplastics or consist of an electrically conductive thermoplastic or of a low-melting metal or a low-melting metal alloy.
  • the materials polymethyl methacrylate, polycarbonate, polystyrene, PVC, ABS, polyacetal or polyamide can be used as the thermoplastic.
  • thermoplastics can be used in the solidified state. A heating and cooling step is not necessary. The force required to press in and demold the structured body is significantly reduced. This reduces the risk of damage to the structured body and the body can be used for a higher number of reproductive processes. The precision effort for inserting the structured body right up to the interface between the electrically insulating and electrically conductive layer is eliminated; rather, the body is inserted into the composite layer until the end faces of the structure protrude into the electrically conductive layer.
  • release agents can be dispensed with in many cases.
  • the method according to the invention can thus be carried out considerably faster, less complex and thus more cost-effectively.
  • honeycomb network 4 made of nickel, the z. B. was produced by the LIGA process (X-ray depths li thographie micro ga lvanoformung), reproduced many times.
  • the honeycomb network has a honeycomb-like structure, the height of the honeycomb being 400 ⁇ m, the wall thickness 10 ⁇ m and the honeycomb width 100 ⁇ m.
  • the honeycomb network forms a structured body with the outer dimensions 10 cm x 10 cm.
  • the honeycomb network is connected to a stable metal plate 3 made of nickel. This can be done by overgrowing the structure during electroplating of the honeycomb network and covering it with a stable nickel layer.
  • the stable metal plate is machined flat on the free side facing away from the honeycomb network.
  • the plane-machined side of the stable metal plate is glued or soldered onto the sonotrode 1 of an ultrasonic welding machine, which is usually used for welding thermoplastics.
  • the solder or adhesive connection 2 of the metal plate and sonotrode is indicated in FIG. 1.
  • a composite body is produced.
  • This electrically conductive layer is covered with an electrically insulating layer 5 made of non-cross-linked PMMA. The last two layers 5 and 6 form the composite layer.
  • PMMA thermoplastic polymethyl methacrylate
  • the composite body is placed with its aluminum layer 7 on the anvil 8 of the ultrasonic welding machine.
  • the anvil is provided with vacuum suction openings 9.
  • the honeycomb network 4 is introduced with ultrasound support through the sonotrode 1 into the composite layers 5 and 6 and then also pulled out of the composite layer again with ultrasound support.
  • FIG. 2 shows the impression 10 of the honeycomb network in the composite layer.
  • the honeycomb network has penetrated the electrically insulating layer 5 and has penetrated into the electrically conductive layer 6.
  • the imprint 10 of the honeycomb network is then galvanically and nickel filled up, the composite body with the imprint 10 being connected as the cathode.
  • the composite layer is then removed. This can be done, for example, with dichloromethane as the solvent, the graphite particles embedded in the electrically conductive layer 6 being rinsed away.
  • the composite layer can also be removed by melting.
  • the aluminum layer 7 comes off.
  • the method can be modified.
  • the composite body is also connected as a cathode.
  • copper is first electroplated and only then is nickel.
  • the reproduced honeycomb network thus obtained is treated with a means for the selective dissolution of copper, such as. B. a CuCl2 solution treated, the copper is selectively removed with embedded graphite particles.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reproduktion eines strukturierten, plattenförmigen Körpers durch Einpressen eines Werkzeuges in eine Abformmasse. Der Einpreßvorgang des Werkzeugs in die Abformmasse und das Zurückziehen des Werkzeugs soll vereinfacht werden. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Werkzeug mit Ultraschallunterstützung in die Abformmasse eingepreßt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reproduktion eines strukturierten, plattenförmigen Körpers, insbesondere eines Mikrostrukturkörpers, gemäß dem Oberbegriff des Haupt­anspruchs.
  • Aus der DE-PS 35 37 483 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl plattenförmiger Mikrostrukturkörper aus Metall be­kannt, bei dem durch wiederholtes Abformen eines die Mi­krostrukturen aufweisenden Werkzeugs mit einer elektrisch iso­lierenden Abformmasse Negativformen der Mikrostrukturen er­zeugt werden, die galvanisch mit einem Metall aufgefüllt wer­den, wonach die Negativformen entfernt werden.
  • Damit die auf diese Weise erzeugten Negativformen der Mi­krostrukturen mit einem Metall aufgefüllt werden können, wird in der DE-PS 35 37 483 alternativ die folgende Methode vorge­schlagen:
  • Die elektrisch isolierende Abformmasse wird mit einer weiteren Schicht aus elektrisch leitender Abformmasse verbunden, wobei die Dicke der elektrisch isolierenden Abformmasse der Höhe der Mikrostrukturen entspricht in der Weise, daß die elektrisch leitende Abformmasse im Zuge des Abformens die Stirnflächen der Mikrostrukturen des Werkzeugs berührt.
  • Das Werkzeug wird so weit in die Schicht aus elektrisch iso­lierender Abformmasse eingedrückt, bis die Stirnfläche der Mi­krostrukturen des Werkzeugs die Schicht aus elektrisch leiten­der Abformmasse berühren.
  • Aus der Beschreibung zu Fig. 13 geht hervor, daß die Mi­krostrukturen bei 110° C in die Verbundschicht eingepreßt und erst nach dem Abkühlen der Mikrostrukturen bzw. des Werkzeugs das Werkzeug entfernt wird.
  • Die beschriebene Methode ist insbesondere für eine Massenfer­tigung unwirtschaftlich, denn der Temperaturzyklus zum Ein­pressen der Mikrostrukturen bedeutet einen zusätzlichen ver­fahrenstechnischen und zeitlichen Aufwand. Die Schichthöhe der Abformmasse muß exakt auf die Höhe der Mikrostrukturen des Werkzeugs abgestimmt sein. Außerdem kann die Einpressung nur im flüssigen oder zähflüssigen Zustand der elektrisch isolie­renden Schicht unter relativ großer Kraftentfaltung erfolgen, da sich sonst die Gefahr einer Beschädigung der Mikrostruktu­ren des Werkzeugs erhöht. Die Entformung nach dem Erstarren des Polymers erfordert eine ähnlich hohe Kraftanwendung. Des­halb werden dem Polymer üblicherweise Trennmittel beigemischt. Da das Polymer bei der Entformung im erstarrten Zustand vor­liegt, ist eine äußerst präzise Bewegung des Werkzeugs notwen­dig, um die Entformung ohne Beschädigung des Werkzeugs und der Negativform zu ermöglichen und die Entformungskräfte zu reduzieren.
  • Aufgabe der Erfindung ist, die genannten Nachteile zu vermei­den. Der Einpreßvorgang des Werkzeugs in die Abformmasse und das Zurückziehen des Werkzeugs soll in der Weise vereinfacht werden, daß der Kraftaufwand wesentlich reduziert wird und daß auf Aufheiz- und Kühlschritte verzichtet werden kann.
  • Die Bedingung, daß die Schichtdicke der elektrisch isolieren­den Abformmasse der Höhe der abzuformenden Strukturen ent­spricht, soll entfallen.
  • Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Haupt­anspruchs beschriebenen Maßnahmen gelöst.
  • Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Er­findung an.
  • Es hat sich gezeigt, daß die Erzeugung einer Negativform we­sentlich vereinfacht wird, wenn der strukturierte Körper mit Ultraschallunterstützung so weit in die Schicht aus elektrisch isolierender Abformmasse eingedrückt wird, bis die Stirnflä­chen seiner Stukturen in die elektrisch leitende Abformmasse hineinragen und wenn anschließend der strukturierte Körper mit Ultraschallunterstützung aus der Verbundschicht herausgezogen wird.
  • Die Verbundschicht wird zweckmäßigerweise so hergestellt, daß auf eine Metallplatte eine elektrisch leitende Schicht aufge­bracht wird, die von einer Schicht eines elektrisch isolieren­den Thermoplasts überdeckt wird. Die elektrisch leitende Schicht kann aus einem mit elektrisch leitenden Partikeln wie z. B. Graphit versetzten Thermoplasten oder aus einem an sich elektrisch leitenden Thermoplasten oder aus einem niedrig schmelzenden Metall oder einer niedrig schmelzenden Metall-Le­gierung bestehen. Als Thermoplast können die Materialien Poly­methylmethacrylat, Polycarbonat, Polystyrol, PVC, ABS, Polya­cetal oder Polyamid verwendet werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber dem Stand der Technik folgende wesentliche Vorzüge auf:
  • Die Thermoplaste können in erstarrtem Zustand angewendet wer­den. Ein Aufheiz- und Abkühlschritt ist nicht notwendig. Die Kraft, die zum Einpressen und zum Entformen des strukturierten Körpers notwendig ist, wird wesentlich reduziert. Dadurch ver­ringert sich die Gefahr einer Beschädigung des strukturierten Körpers und der Körper kann für eine höhere Anzahl von Repro­duktionsvorgängen verwendet werden. Der Präzisionsaufwand zum Einführen des strukturierten Körpers bis genau an die Grenz­fläche zwischen elektrisch isolierender und elektrisch leiten­der Schicht entfällt; vielmehr wird der Körper soweit in die Verbundschicht eingeführt, bis die Stirnflächen der Struktur in die elektrisch leitfähige Schicht hineinragen.
  • Auf die Verwendung von Trennmitteln kann in vielen Fällen ver­zichtet werden.
  • Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich schnel­ler, weniger aufwendig und somit kostengünstiger durchgeführt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand eines Durchführungsbeispiels und den Fig. 1 und 2 näher erläutert.
  • Es soll ein Wabennetz 4 aus Nickel, das z. B. nach dem LIGA-­Verfahren (Röntgentiefenlithographie-Mikrogalvanoformung) her­gestellt wurde, vielfach reproduziert werden. Das Wabennetz weist eine honigwabenartige Struktur auf, wobei die Höhe der Waben 400 µm, die Wandstärke 10 µm und die Wabenweite 100 µm betragen.
  • Das Wabennetz bildet einen strukturierten Körper mit den äuße­ren Abmessungen 10 cm x 10 cm.
  • Zuerst wird das Wabennetz mit einer stabilen Metallplatte 3 aus Nickel verbunden. Dies kann dadurch erfolgen, daß beim Galvanoformen des Wabennetzes die Struktur überwachsen und mit einer stabilen Nickelschicht überdeckt wird.
  • Die stabile Metallplatte wird auf der freien, dem Wabennetz abgewandten Seite mechanisch plan bearbeitet.
  • Die stabile Metallplatte wird mit ihrer plan bearbeiteten Seite auf die Sonotrode 1 einer Ultraschall-Schweißmaschine, die üblicherweise zum Schweißen von Thermoplasten verwendet wird, geklebt oder gelötet. Die Löt- oder Klebverbindung 2 von Metallplatte und Sonotrode ist in Fig. 1 angedeutet.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein Verbundkörper hergestellt. Auf die Aluminiumschicht 7 wird eine elektrisch leitfähige Schicht 6 des Thermoplasten Polymethylmethacrylat (PMMA), der mit elektrisch leitfähigen Graphitpartikeln ver­setzt ist, durch Aufgießen aufgebracht. Diese elektrisch leit­fähige Schicht wird mit einer elektrisch isolierenden Schicht 5 aus nicht vernetztem PMMA überdeckt. Die beiden letztgenann­ten Schichten 5 und 6 bilden die Verbundschicht.
  • Der Verbundkörper wird mit seiner Aluminiumschicht 7 auf den Amboß 8 der Ultraschall-Schweißmaschine gelegt. Der Amboß ist mit Vakuum-Ansaugöffnungen 9 versehen.
  • Das Wabennetz 4 wird mit Ultraschallunterstützung durch die Sonotrode 1 in die Verbundschicht 5 und 6 eingeführt und an­schließend ebenfalls mit Ultraschallunterstützung wieder aus der Verbundschicht herausgezogen.
  • Fig. 2 zeigt den Abdruck 10 des Wabennetzes in der Verbund­schicht. Das Wabennetz hat die elektrisch isolierende Schicht 5 durchstoßen und ist in die elektrisch leitfähige Schicht 6 eingedrungen.
  • Der Abdruck 10 des Wabennetzes wird anschließend galvanisch und Nickel aufgefüllt, wobei der Verbundkörper mit dem Abdruck 10 als Kathode geschaltet wird. Die Verbundschicht wird an­schließend entfernt. Dies kann beispielsweise mit Dichlorme­than als Lösungsmittel erfolgen, wobei die in der elektrisch leitenden Schicht 6 eingelagerten Graphitpartikel fortgespült werden.
  • Die Verbundschicht kann jedoch auch durch Ausschmelzen ent­fernt werden.
  • Dabei löst sich die Aluminiumschicht 7 ab.
  • Als Ergebnis wird ein reproduziertes Wabennetz aus Nickel ent­halten.
  • Für den Fall, daß am unteren Ende des Wabennetzes noch Gra­phitpartikel anhaften oder teilweise in Nickel eingebettet sind, kann das Verfahren modifiziert werden.
  • In diesem Fall wird der Verbundkörper ebenfalls als Kathode geschaltet. In den Abdruck 10 des Wabennetzes wird jedoch zu­erst Kupfer und erst danach Nickel galvanisch abgeschieden.
  • Das so erhaltende reproduzierte Wabennetz wird mit einem Mit­tel zur selektiven Auflösung von Kupfer, wie z. B. einer CuCl₂-Lösung, behandelt, wobei das Kupfer mit etwa eingebette­ten Graphitpartikeln selektiv entfernt wird.

Claims (4)

1. Verfahren zur Reproduktion eines strukturierten, plattenförmigen Körpers, insbesondere eines Mikrostruktur­körpers, bei dem
- ein Verbundkörper hergestellt wird, indem eine Schicht aus elektrisch isolierender Abformmasse mit einer Schicht aus elektrisch leitender Abformmasse überdeckt wird,
- der strukturierte Körper soweit in die Schicht aus elek­trisch isolierender Abformmasse eingedrückt wird, bis die Stirnflächen der Struktur des strukturierten Körpers mit der Schicht aus elektrisch leitender Abformmasse in Kontakt stehen,
- die so erzeugte Negativform der Struktur im Verbund­körper galvanisch mit einem Metall ausgefüllt wird, wo­nach
- der Verbundkörper entfernt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
- der strukturierte Körper mit Ultraschallunterstützung so weit in die Schicht aus elektrisch isolierender Abform­masse eingedrückt wird, bis die Stirnflächen seiner Strukturen in die elektrisch leitende Abformmasse hin­einragen, wonach
- der strukturierte Körper mit Ultraschallunterstützung aus dem Verbundkörper herausgezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundkörper hergestellt wird, indem auf eine Metallplatte eine elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht wird, die von einer Schicht eines elektrisch isolierenden Thermo­plasts überdeckt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch leitfähige Schicht ein elektrisch leitende Par­tikel enthaltender Thermoplast oder ein an sich elektrisch leitfähiger Thermoplast oder ein niedrig schmelzendes Me­tall oder eine niedrig schmelzende Metall-Legierung verwen­det wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch isolierender Thermoplast Polymethyl­methacrylat, Polycarbonat, Polystyrol, PVC, ABS, Polyacetal oder Polyamid verwendet wird.
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