EP0374441A1 - Process for producing a two-dimensional extended metallic body having a microstructure with many fine openings, and tool suitable therefor - Google Patents

Process for producing a two-dimensional extended metallic body having a microstructure with many fine openings, and tool suitable therefor Download PDF

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EP0374441A1
EP0374441A1 EP89120246A EP89120246A EP0374441A1 EP 0374441 A1 EP0374441 A1 EP 0374441A1 EP 89120246 A EP89120246 A EP 89120246A EP 89120246 A EP89120246 A EP 89120246A EP 0374441 A1 EP0374441 A1 EP 0374441A1
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EP
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tool
electrically conductive
microstructures
conductive layer
metal
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Wilhelm Dr. Bier
Asim Dr. Maner
Klaus Dr. Schubert
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • 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 two-dimensionally extended microstructure bodies can represent, for example, films or plates which are used for the filtration of liquids or as optical gratings.
  • Microstructure bodies according to the preamble of claim 1 can be produced by two different methods: by photolithography in combination with electroplating or by the method according to DE-PS 35 37 483. This method is referred to as the LIGA (X-ray depth lithography micro-galvanoforming) method.
  • LIGA X-ray depth lithography micro-galvanoforming
  • DE-OS 36 11 732 also shows that for the production of catalyst carrier bodies, individual plate-shaped microstructure bodies produced by the LIGA process are combined layered, aligned and assembled into a stable body.
  • predetermined opening sizes can be set depending on the electroplating layer thickness.
  • the transparency decreases sharply, especially as the size of the openings decreases. Therefore, high transparency, small opening size and large panel thickness cannot be achieved at the same time.
  • the invention has for its object to avoid the aforementioned disadvantages.
  • Two-dimensionally extended microstructure bodies such as e.g. B. can produce films or plates in series, which have a variety of fine openings or slots, the dimensions and distribution are freely determinable.
  • a method for producing a tool is to be specified by means of which these microstructure bodies can be produced.
  • the tool has such microstructures that closely adjacent in the impression material towards the electrically conductive layer Tapering microstructures are molded, and that the resulting shape is galvanically filled until the distance between two adjacent galvanic fillings on their surface corresponds to the predetermined dimension of the relevant opening of the microstructure body to be produced.
  • the tool for producing the plate-shaped microstructure body is produced according to the invention in that closely adjacent grooves are made in the surface of a machinable substrate by means of one or more form diamonds, which taper towards the groove base, whereupon the surface of the substrate structured in this way is molded with metal or ceramic and the molded surface is used as a tool.
  • a metal plate for example consisting of copper or an aluminum-magnesium alloy (AlMg3), can be used as the machinable substrate, which is galvanically coated with another metal, e.g. B. nickel is covered.
  • AlMg3 aluminum-magnesium alloy
  • a composite plate consisting of an electrically conductive and an electrically insulating layer, can also be used as the machinable substrate, into which the grooves are made until they reach into the electrically conductive layer, after which the metal impression is applied by galvanic means the electrically conductive layer is carried out as a cathode with subsequent removal of the substrate.
  • the tool is inserted into the impression material and removed again when the microstructures are molded with ultrasound support. It is not necessary to heat the composite layer during the impression.
  • the impression is made by the tapered Form of the microstructures favored the impression of microstructures with vertical walls.
  • an opening size that is variable over the plate height and an expanding opening shape that is distributed for the filtration can be produced according to the invention.
  • a plate made of AlMg3 with the dimensions 20 x 30 mm2 is used as the starting material for the production of the tool.
  • the surface of the plate is structured with a wedge-shaped micro-shaped diamond without chamfer on the tip by cross-cutting.
  • the grooves created here have a depth of 100 micrometers and an opening angle of 53 °.
  • the density of the grooves is 9.1 grooves per mm.
  • a nickel layer 3 is electrodeposited on the metal plate 2.
  • the nickel layer is machined flat on its free surface.
  • Fig. 2 shows the machined nickel layer 3 on the metal plate 2. Subsequently, the metal plate 2 in a suitable etching solution, for. B. dissolved in sodium hydroxide solution.
  • a composite layer is produced from an electrically insulating layer 6, which consists of the thermoplastic polymethyl methacrylate (PMMA) and an electrically conductive layer 7, which is formed from the thermoplastic PMMA with embedded graphite particles.
  • PMMA thermoplastic polymethyl methacrylate
  • polypropylene, polyethylene, polycarbonate, polystyrene, ABS, PVC, polyacetal and polyamide can also be used as thermoplastics.
  • the electrically conductive layer can also consist of a low-melting metal or a low-melting metal alloy.
  • the composite layer is expediently produced in such a way that the electrically conductive layer 7 is poured onto a metal plate or metal foil.
  • the solidified electrically conductive layer is by pouring the elec trically insulating layer 6 covers.
  • the composite layer is further processed in solidified form.
  • the tool 5 produced after step a) is pressed into the composite layer until the microstructures 4 of the tool 5 penetrate the electrically insulating layer 6 and protrude into the electrically conductive layer 7.
  • the impression of the microstructures 4 remains as a negative form in the composite layer.
  • the negative mold generated in step b) is galvanically filled with a metal by switching the electrically conductive layer 7 as a cathode.
  • the height h of the galvanically produced filling 8 determines the transparency and the opening size d of the plate-shaped microstructure body.
  • the metals nickel, gold and copper are particularly suitable as filling material.
  • the composite layer is removed.
  • This can be done, for example, by dissolving with dichloromethane, after which the galvanically produced metal filling of the negative form remains.
  • the result is a grid-shaped metal network with structures of triangular cross section and widening openings, the dimensions d of which can be adjusted via the height of the galvanic filling or the thickness of the metal network.
  • the transparency of the metal mesh or the opening ratio which is calculated as the ratio of the sum of the free openings to the total area of the metal mesh, is about 13% in this case.
  • the wedge angle of the form diamond other dimensions and transparencies can of course also be realized in the metal network depending on the height of the galvanic filling.
  • the grooves 11 have a depth of 240 ⁇ m and a maximum width of 200 ⁇ m, while the transverse grooves have a width of 400 ⁇ m at the same depth.
  • the density of the grooves 11 is 3.5 grooves per mm.
  • the hollow cylinder 9 provided with longitudinal grooves 11 and transverse grooves 10 is electroplated.
  • a thin rod is inserted along the cylinder axis, centered and switched as an anode.
  • the hollow cylinder itself serves as the cathode. With the aid of this arrangement, nickel is deposited on the inside of the hollow cylinder 9 until the free inner diameter has decreased to a desired value, for example to the diameter of a shaft. The inner, structured surface of the hollow cylinder is transferred to the electrodeposited metal as a negative form.
  • the anode is removed from the z. T. galvanically filled hollow cylinder pulled out and the remaining free inner surface of the hollow cylinder ground and polished rotationally symmetrically.
  • the originally used copper hollow cylinder 9 is selectively etched away with the aid of a CuCl2 solution, the electrodeposited nickel remaining in the interior of the copper hollow cylinder.
  • the tool has an outer diameter of 120 mm and an inner diameter of 60 mm and is 260 mm long.
  • the hollow cylinder made of copper with this inner microstructure cannot be completely molded with galvanically deposited metal. Cavities can arise in the narrow grooves.
  • B. consists of copper and on the inside with a thin layer of electrically insulating material, for. B. made of PMMA or another electrically insulating plastic. The layer thickness should be smaller than the height of the grooves 10, 11 to be produced, so that the grooves form the layer of electrically insulating art Pierce the fabric and continue into the metal. In this way, the true-to-shape galvanization is made considerably easier.
  • the layer of electrically insulating plastic is removed after removal of the metal by a suitable solvent such. B. by dichloromethane in the case of PMMA.
  • a flexible composite layer is produced, in which case the electrically insulating layer 6 and the electrically conductive layer 7 are expediently prefabricated as films by rolling and then laminated to one another.
  • Polypropylene is used as the material for the electrically insulating layer 6 and a low-melting metal alloy, preferably a lead-tin alloy, is used for the electrically conductive layer 7.
  • the composite layer 15 is carried out between two adjacent rollers 12, 14.
  • the composite layer can be warmed up by an infrared radiator immediately before being introduced into the pair of rollers 12, 14.
  • the upper roller is identical to the tool 12 produced in step a).
  • the composite layer is passed between the two rollers 12, 14 in such a way that the microstructures of the roller 12 form the electrically insulating layer 16 of the composite layer penetrate and protrude into the electrically conductive layer 17 of the composite layer.
  • the negative mold 18 produced in this way on the composite layer is galvanically filled with nickel, as described in Example 1, step c).
  • the composite layer is galvanized as an endless sheet material in a continuous system, after which the galvanically produced filling is rolled up as an endless slit film made of metal by pulling it off the composite layer and onto a spool.
  • the result of this operation is shown in Fig. 9.
  • the result is an endless slot foil made of nickel with reinforcing ribs 20.
  • the slot width 19 can be adjusted as in Example 1, step c) via the height of the nickel electroplating layer.
  • a slot width of 125 ⁇ m is obtained and, without taking the reinforcing ribs into account, a transparency of approximately 44% is obtained.
  • the slit film thus produced can be used as an optical grating or as a vapor mask.
  • the plate-shaped tool is attached to the sonotrode of an ultrasonic welding machine.
  • the attachment can be done by gluing or soldering.
  • the composite layer with its electrically conductive layer is placed on the anvil of the ultrasonic welding machine.
  • the anvil is provided with suction openings that are evacuated by a vacuum pump Container or other suitable device in connection. Due to the negative pressure, the composite layer adheres to the anvil.
  • the mold is molded analogously to Example 1, step b), but the tool is pressed into the composite layer with ultrasound support and removed again.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines zweidimensional ausgedehnten Mikrostrukturkörpers aus Metall mit einer Vielzahl feiner Öffnungen vorgebbarer Abmessungen und Verteilung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden. Es sollen sich zweidimensional ausgedehnte Mikrostrukturkörper wie z. B. Folien oder Platten serienmäßig herstellen lassen, die eine Vielzahl feiner Öffnungen oder Schlitze aufweisen, deren Abmessungen und Verteilung frei bestimmbar sind. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeuges angegeben werden, mit dessen Hilfe diese Mikrostrukturkörper hergestellt werden können. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Abformmasse eng benachbarte, sich zur elektrisch leitenden Schicht hin verjüngende Mikrostrukturen abgeformt werden, und daß die so entstandene Form galvanisch so weit aufgefüllt wird, bis der Abstand zwischen je zwei benachbarten galvanischen Füllungen an deren Oberfläche der vorgegebenen Abmessung der betreffenden Öffnung des herzustellenden Mikrostrukturkörpers entspricht.The invention relates to a method for producing a two-dimensionally expanded metal microstructure body with a large number of fine openings of predeterminable dimensions and distribution. The invention has for its object to avoid the aforementioned disadvantages. There should be two-dimensionally expanded microstructure bodies such. B. have films or plates in series production that have a large number of fine openings or slots, the dimensions and distribution of which can be freely determined. Furthermore, a method for producing a tool is to be specified by means of which these microstructure bodies can be produced. The object is achieved in that closely adjacent microstructures which taper towards the electrically conductive layer are molded in the impression material, and in that the resulting shape is filled up galvanically until the distance between two adjacent galvanic fillings on the surface thereof predetermined dimension of the relevant opening of the microstructure body to be produced corresponds.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines zweidimensional ausgedehnten Mikrostrukturkörpers aus Metall mit einer Vielzahl feiner Öffnungen vorgebbarer Abmessungen und Verteilung, bei dem

  • a) ein an der Oberfläche mit Mikrostrukturen versehenes Werk­zeug hergestellt wird,
  • b) die Mikrostrukturen des Werkzeuges wiederholt mit einer Ab­formmasse abgeformt werden, wobei die Abformmasse aus einer elektrisch isolierenden und einer elektrisch leitenden Schicht besteht und die Mikrostrukturen des Werkzeuges durch die elektrisch isolierende Schicht hindurch bis in die elektrisch leitende Schicht eingeführt werden,
  • c) worauf die so entstandene Form galvanisch unter Verwendung der elektrisch leitenden Schicht als Kathode mit einem Me­tall aufgefüllt und danach die Form entfernt wird
und ein Verfahren zur Herstellung eines mit Mikrostrukturen versehenen Werkzeuges.The invention relates to a method for producing a two-dimensionally expanded metal microstructure body with a multiplicity of fine openings of predeterminable dimensions and distribution, in which
  • a) a tool is provided with microstructures on the surface,
  • b) the microstructures of the tool are repeatedly molded with an impression compound, the impression compound consisting of an electrically insulating and an electrically conductive layer and the microstructures of the tool being introduced through the electrically insulating layer into the electrically conductive layer,
  • c) whereupon the resulting shape is galvanically filled with a metal using the electrically conductive layer as the cathode and the shape is then removed
and a method for producing a tool provided with microstructures.

Die zweidimensional ausgedehnten Mikrostrukturkörper können beispielsweise Folien oder Platten darstellen, die zur Filtra­tion von Flüssigkeiten oder als optische Gitter verwendet wer­den.The two-dimensionally extended microstructure bodies can represent, for example, films or plates which are used for the filtration of liquids or as optical gratings.

Mikrostrukturkörper gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 kön­nen durch zwei verschiedene Methoden hergestellt werden: durch Photolithographie in Kombination mit Galvanik oder durch das Verfahren nach DE-PS 35 37 483. Dieses Verfahren wird als LIGA-(Röntgentiefenlithographie-Mikrogalvanoformungs)-Verfah­ren bezeichnet.Microstructure bodies according to the preamble of claim 1 can be produced by two different methods: by photolithography in combination with electroplating or by the method according to DE-PS 35 37 483. This method is referred to as the LIGA (X-ray depth lithography micro-galvanoforming) method.

Aus der DE-OS 36 11 732 geht ferner hervor, daß zur Herstel­lung von Katalysatorträger-Körpern einzelne nach dem LIGA-Ver­fahren hergestellte plattenförmige Mikrostrukturkörper aufein­ andergeschichtet, ausgerichtet und zu einem stabilen Körper zusammengefügt werden.DE-OS 36 11 732 also shows that for the production of catalyst carrier bodies, individual plate-shaped microstructure bodies produced by the LIGA process are combined layered, aligned and assembled into a stable body.

Durch Photolithographie in Kombination mit Galvanik lassen sich in Abhängigkeit von der Galvanikschichtdicke vorgegebene Öffnungsgrößen einstellen. Dabei nimmt aber die Transparenz insbesondere bei abnehmender Größe der Öffnungen stark ab. Deshalb sind hohe Transparenz, kleine Öffnungsgröße und große Plattendicke nicht gleichzeitig realisierbar.Using photolithography in combination with electroplating, predetermined opening sizes can be set depending on the electroplating layer thickness. However, the transparency decreases sharply, especially as the size of the openings decreases. Therefore, high transparency, small opening size and large panel thickness cannot be achieved at the same time.

Außerdem ist die Strukturierung von dicken Photoresists mit Schwierigkeiten verbunden. Deshalb werden meist dünne Resist­schichten verwendet, wobei die Größe der Öffnungen dadurch eingestellt wird, daß eine Galvanikschicht oberhalb der Re­siststruktur frei zusammenwächst. Dabei hängen die erreich­baren Toleranzen für diese Öffnungen jedoch stark von den Pa­rametern des Galvanikbades ab.In addition, structuring thick photoresists is difficult. For this reason, thin resist layers are mostly used, the size of the openings being adjusted in that an electroplating layer grows freely above the resist structure. However, the tolerances that can be achieved for these openings strongly depend on the parameters of the electroplating bath.

Mit dem LIGA-Verfahren nach der DE-PS 35 37 483 können keine Mikrostrukturen hergestellt werden, bei denen sich die Quer­schnittsform über die Höhe der Mikrostruktur verändert, so daß die Öffnungsabmessungen nicht über die Höhe der Galvanik­schicht einstellbar sind.With the LIGA process according to DE-PS 35 37 483, no microstructures can be produced in which the cross-sectional shape changes over the height of the microstructure, so that the opening dimensions cannot be adjusted over the height of the electroplating layer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden. Es sollen sich zweidimensional ausge­dehnte Mikrostrukturkörper wie z. B. Folien oder Platten seri­enmäßig herstellen lassen, die eine Vielzahl feiner Öffnungen oder Schlitze aufweisen, deren Abmessungen und Verteilung frei bestimmbar sind. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeuges angegeben werden, mit dessen Hilfe diese Mi­krostrukturkörper hergestellt werden können.The invention has for its object to avoid the aforementioned disadvantages. Two-dimensionally extended microstructure bodies such as e.g. B. can produce films or plates in series, which have a variety of fine openings or slots, the dimensions and distribution are freely determinable. Furthermore, a method for producing a tool is to be specified by means of which these microstructure bodies can be produced.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Werk­zeug solche Mikrostrukturen aufweist, daß in der Abformmasse eng benachbarte, sich zur elektrisch leitenden Schicht hin verjüngende Mikrostrukturen abgeformt werden, und daß die so entstandene Form galvanisch so weit aufgefüllt wird, bis der Abstand zwischen je zwei benachbarten galvanischen Füllungen an deren Oberfläche der vorgegebenen Abmessung der betreffen­den Öffnung des herzustellenden Mikrostrukturkörpers ent­spricht.The object is achieved in that the tool has such microstructures that closely adjacent in the impression material towards the electrically conductive layer Tapering microstructures are molded, and that the resulting shape is galvanically filled until the distance between two adjacent galvanic fillings on their surface corresponds to the predetermined dimension of the relevant opening of the microstructure body to be produced.

Das Werkzeug zur Herstellung der plattenförmigen Mikrostruk­turkörper wird erfindungsgemäß dadurch hergestellt, daß in die Oberfläche eines zerspanbaren Substrats mittels eines oder mehrerer Formdiamanten eng benachbarte Nuten eingebracht wer­den, die sich zum Nutgrund hin verjüngen, worauf die so struk­turierte Oberfläche des Substrates mit Metall oder Keramik ab­geformt und die abgeformte Oberfläche als Werkzeug verwendet wird.The tool for producing the plate-shaped microstructure body is produced according to the invention in that closely adjacent grooves are made in the surface of a machinable substrate by means of one or more form diamonds, which taper towards the groove base, whereupon the surface of the substrate structured in this way is molded with metal or ceramic and the molded surface is used as a tool.

Als zerspanbares Substrat kann eine Metallplatte beispiels­weise bestehend aus Kupfer oder einer Aluminium-Magnesium-Le­gierung (AlMg3) verwendet werden, das zur Abformung seiner strukturierten Oberfläche galvanisch mit einem weiteren Me­tall, z. B. Nickel, bedeckt wird.A metal plate, for example consisting of copper or an aluminum-magnesium alloy (AlMg3), can be used as the machinable substrate, which is galvanically coated with another metal, e.g. B. nickel is covered.

Als zerspanbares Substrat kann auch eine Verbundplatte, beste­hend aus einer elektrisch leitenden und einer elektrisch isolierenden Schicht, verwendet werden, in die die Nuten so tief eingebracht werden, bis sie in die elektrisch leitende Schicht reichen, wonach die Abformung mit Metall auf galvani­schem Wege unter Verwendung der elektrisch leitenden Schicht als Kathode mit anschließender Entfernung des Substrats durch­geführt wird.A composite plate, consisting of an electrically conductive and an electrically insulating layer, can also be used as the machinable substrate, into which the grooves are made until they reach into the electrically conductive layer, after which the metal impression is applied by galvanic means the electrically conductive layer is carried out as a cathode with subsequent removal of the substrate.

Es erweist sich als vorteilhaft, wenn beim Abformen der Mi­krostrukturen das Werkzeug mit Ultraschallunterstützung in die Abformmasse eingeführt und wieder herausgeführt wird. Ein Auf­heizen der Verbundschicht während der Abformung ist nicht not­wendig. Zudem wird die Abformung durch die sich verjüngende Form der Mikrostrukturen gegenüber der Abformung von Mi­krostrukturen mit senkrechten Wänden begünstigt.It proves to be advantageous if the tool is inserted into the impression material and removed again when the microstructures are molded with ultrasound support. It is not necessary to heat the composite layer during the impression. In addition, the impression is made by the tapered Form of the microstructures favored the impression of microstructures with vertical walls.

Gegenüber der Photolithographie in Kombination mit Galvanik ist erfindungsgemäß eine wesentlich höhere Transparenz bei vergleichbarer Öffnungsgröße und Plattendicke erreichbar, wo­bei sich gleichzeitig engere Toleranzen erzielen lassen.Compared to photolithography in combination with electroplating, a significantly higher transparency can be achieved according to the invention with a comparable opening size and plate thickness, with tighter tolerances being achieved at the same time.

Im Gegensatz zum LIGA-Verfahren läßt sich erfindungsgemäß eine über die Plattenhöhe variable Öffnungsgröße sowie eine für die Filtration verteilhafte, sich erweiternde Öffnungsform her­stellen.In contrast to the LIGA process, an opening size that is variable over the plate height and an expanding opening shape that is distributed for the filtration can be produced according to the invention.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Durchführungsbei­spielen näher erläutert.

  • In den Figuren 1 bis 9 ist die Herstellung des Werkzeugs, die Abformung und die galvanische Auffüllung der abgeformten Strukturen dargestellt.
The invention is explained in more detail below with the aid of implementation examples.
  • The production of the tool, the molding and the galvanic filling of the molded structures are shown in FIGS. 1 to 9.

Beispiel 1example 1 Schritt a)Step a) Herstellung des WerkzeugsManufacture of the tool

Als Ausgangsmaterial zur Herstellung des Werkzeugs wird als zerspanbares Substrat eine Platte aus AlMg3 mit den Abmessun­gen 20 x 30 mm² verwendet.A plate made of AlMg3 with the dimensions 20 x 30 mm² is used as the starting material for the production of the tool.

Die Oberfläche der Platte wird mit einem keilförmigen Mikro-­Formdiamanten ohne Fase an der Spitze durch kreuzweises Bear­beiten strukturiert. Die hierbei erzeugten Nuten haben eine Tiefe von 100 Mikrometern und einen Öffnungswinkel von 53°. Die Dichte der Nuten beträgt 9,1 Nuten pro mm.The surface of the plate is structured with a wedge-shaped micro-shaped diamond without chamfer on the tip by cross-cutting. The grooves created here have a depth of 100 micrometers and an opening angle of 53 °. The density of the grooves is 9.1 grooves per mm.

Fig. 1 zeigt die durch Nuten 1 strukturierte Metallplatte 2.1 shows the metal plate 2 structured by grooves 1.

Auf der Metallplatte 2 wird galvanisch eine Nickelschicht 3 abgeschieden.A nickel layer 3 is electrodeposited on the metal plate 2.

Die Nickelschicht wird auf ihrer freien Oberfläche plan bear­beitet.The nickel layer is machined flat on its free surface.

Fig. 2 zeigt die plan bearbeitete Nickelschicht 3 auf der Me­tallplatte 2. Anschließend wird die Metallplatte 2 in einer geeigneten Ätzlösung, z. B. in Natronlauge aufgelöst.Fig. 2 shows the machined nickel layer 3 on the metal plate 2. Subsequently, the metal plate 2 in a suitable etching solution, for. B. dissolved in sodium hydroxide solution.

Fig. 3 zeigt das so erhaltene Werkzeug 5 mit den sich verjün­genden Mikrostrukturen 4.3 shows the tool 5 thus obtained with the tapered microstructures 4.

Schritt b)Step b) Abformen der Mikrostrukturen 4 des Werkzeugs 5Molding the microstructures 4 of the tool 5

Aus einer elektrisch isolierenden Schicht 6, die aus dem Ther­moplasten Polymethylmethacrylat (PMMA) besteht und einer elek­trisch leitfähigen Schicht 7, die aus dem Thermoplasten PMMA mit eingelagerten Graphitpartikeln gebildet wird, wird eine Verbundschicht hergestellt.A composite layer is produced from an electrically insulating layer 6, which consists of the thermoplastic polymethyl methacrylate (PMMA) and an electrically conductive layer 7, which is formed from the thermoplastic PMMA with embedded graphite particles.

Als Thermoplasten können auch die Materialien Polypropylen, Polyethylen, Polycarbonat, Polystyrol, ABS, PVC, Polyacetal und Polyamid verwendet werden.The materials polypropylene, polyethylene, polycarbonate, polystyrene, ABS, PVC, polyacetal and polyamide can also be used as thermoplastics.

Die elektrisch leitende Schicht kann auch aus einem niedrig schmelzenden Metall oder einer niedrig schmelzenden Metalle­gierung bestehen.The electrically conductive layer can also consist of a low-melting metal or a low-melting metal alloy.

Zweckmäßigerweise wird die Verbundschicht in der Weise herge­stellt, daß auf eine Metallplatte oder Metallfolie die elek­trisch leitende Schicht 7 aufgegossen wird. Die erstarrte elektrisch leitende Schicht wird durch Aufgießen der elek­ trisch isolierenden Schicht 6 überdeckt. Die Verbundschicht wird in erstarrter Form weiterverarbeitet.The composite layer is expediently produced in such a way that the electrically conductive layer 7 is poured onto a metal plate or metal foil. The solidified electrically conductive layer is by pouring the elec trically insulating layer 6 covers. The composite layer is further processed in solidified form.

Das nach Schritt a) hergestellte Werkzeug 5 wird soweit in die Verbundschicht eingedrückt, bis die Mikrostrukturen 4 des Werkzeugs 5 die elektrisch isolierende Schicht 6 durchstoßen und in die elektrisch leitende Schicht 7 hineinragen.The tool 5 produced after step a) is pressed into the composite layer until the microstructures 4 of the tool 5 penetrate the electrically insulating layer 6 and protrude into the electrically conductive layer 7.

In Fig. 4 ist dieser Vorgang dargestellt.This process is shown in FIG.

Nachdem das Werkzeug entfernt wurde, bleibt in der Verbund­schicht der Abdruck der Mikrostrukturen 4 als Negativform zu­rück.After the tool has been removed, the impression of the microstructures 4 remains as a negative form in the composite layer.

Schritt c)Step c) Galvanisches Auffüllen der Negativform.Galvanic filling of the negative form.

Die in Schritt b) erzeugte Negativform wird galvanisch mit ei­nem Metall aufgefüllt, indem die elektrisch leitende Schicht 7 als Kathode geschaltet wird.The negative mold generated in step b) is galvanically filled with a metal by switching the electrically conductive layer 7 as a cathode.

In Fig. 5 ist dieser Vorgang dargestellt.This process is shown in FIG.

Die Höhe h der galvanisch erzeugten Füllung 8 bestimmt die Transparenz und die Öffnungsgröße d des plattenförmigen Mi­krostrukturkörpers. Als Füllungsmaterial sind die Metalle Nic­kel, Gold und Kupfer in besonderer Weise geeignet.The height h of the galvanically produced filling 8 determines the transparency and the opening size d of the plate-shaped microstructure body. The metals nickel, gold and copper are particularly suitable as filling material.

Schließlich wird die Verbundschicht entfernt. Dies kann z.B. durch Auflösen mit Dichlormethan erfolgen, wonach die galva­nisch erzeugte Metallfüllung der Negativform zurückbleibt. Es entsteht ein gitterförmiges Metallnetz mit Strukturen von dreieckigem Querschnitt und sich erweiternden Öffnungen, deren Abmessungen d über die Höhe der galvanischen füllung bzw. der Dicke des Metallnetzes eingestellt werden können. Bei einer Höhe h der galvanisch erzeugten Metallfüllung von 70 µm werden quadratische Öffnungen mit den Abmessungen d = 40 µm erhalten. Die Transparenz des Metallnetzes oder das Öffnungsverhältnis, das sich als das Verhältnis der Summe der freien Öffnungen zu der Gesamtfläche des Metallnetzes berechnet wird, beträgt in diesem Fall etwa 13 %. Wird dagegen die Höhe h der galvanisch erzeugten Metallfüllung auf 50 µm gewählt, so entstehen Öff­nungen im Metallnetz mit den Abmessungen von d = 60 µm und die Transparenz beträgt etwa 30 %. Durch die entsprechende Wahl des Keilwinkels des Formdiamanten können selbstverständlich auch andere Abmessungen und Transparenzen im Metallnetz in Ab­hängigkeit von der Höhe der galvanischen Füllung realisiert werden.Finally the composite layer is removed. This can be done, for example, by dissolving with dichloromethane, after which the galvanically produced metal filling of the negative form remains. The result is a grid-shaped metal network with structures of triangular cross section and widening openings, the dimensions d of which can be adjusted via the height of the galvanic filling or the thickness of the metal network. At a Height h of the electroplated metal filling of 70 µm, square openings with dimensions d = 40 µm are obtained. The transparency of the metal mesh or the opening ratio, which is calculated as the ratio of the sum of the free openings to the total area of the metal mesh, is about 13% in this case. If, on the other hand, the height h of the galvanically produced metal filling is chosen to be 50 μm, openings are created in the metal network with dimensions of d = 60 μm and the transparency is approximately 30%. By appropriate choice of the wedge angle of the form diamond, other dimensions and transparencies can of course also be realized in the metal network depending on the height of the galvanic filling.

Beispiel 2Example 2 Schritt a)Step a) Herstellung eines walzenförmigen WerkzeugsProduction of a roller-shaped tool

Ein Hohlzylinder 9 aus Kupfer, der einen Außendurchmesser von 170 mm und einen Innendurchmesser von 120 mm besitzt, wird auf seiner innenliegenden Oberfläche längs der Zylinderachse gemäß Fig. 6 mit sich verjüngenden Nuten 11 versehen. In größeren Abständen werden senkrecht zur Zylinderachse Quernu­ten 10 angebracht, die breiter sind als die Längsnuten. Die Nuten 11 haben eine Tiefe von 240 µm und eine maximale Breite von 200 µm, während die Quernuten bei der gleichen Tiefe eine Breite von 400 µm besitzen. Die Dichte der Nuten 11 beträgt 3,5 Nuten pro mm.A hollow cylinder 9 made of copper, which has an outer diameter of 170 mm and an inner diameter of 120 mm, is provided on its inner surface along the cylinder axis according to FIG. 6 with tapering grooves 11. At larger intervals transverse grooves 10 are made perpendicular to the cylinder axis, which are wider than the longitudinal grooves. The grooves 11 have a depth of 240 μm and a maximum width of 200 μm, while the transverse grooves have a width of 400 μm at the same depth. The density of the grooves 11 is 3.5 grooves per mm.

Der mit Längsnuten 11 und Quernuten 10 versehen Hohlzylinder 9 wird galvanisch abgeformt. Dazu wird entlang der Zylinderachse ein dünner Stab eingeschoben, zentriert und als Anode geschal­tet.The hollow cylinder 9 provided with longitudinal grooves 11 and transverse grooves 10 is electroplated. For this purpose, a thin rod is inserted along the cylinder axis, centered and switched as an anode.

Der Hohlzylinder selbst dient als Kathode. Mit Hilfe dieser Anordnung wird auf der Innenseite des Hohlzylinders 9 so lange Nickel abgeschieden, bis sich der freie innere Durchmesser auf einen gewünschten Wert, beispielsweise auf den Durchmesser einer Welle, vermindert hat. Dabei wird die innere, struktu­rierte Oberfläche des Hohlzylinders auf das galvanisch abge­schiedene Metall als Negativform übertragen.The hollow cylinder itself serves as the cathode. With the aid of this arrangement, nickel is deposited on the inside of the hollow cylinder 9 until the free inner diameter has decreased to a desired value, for example to the diameter of a shaft. The inner, structured surface of the hollow cylinder is transferred to the electrodeposited metal as a negative form.

Nach Beendigung der Abscheidung wird die Anode aus dem z. T. galvanisch aufgefüllten Hohlzylinder herausgezogen und die verbliebene freie innere Oberfläche des Hohlzylinders rotati­onssymmetrisch geschliffen und poliert.After the deposition is complete, the anode is removed from the z. T. galvanically filled hollow cylinder pulled out and the remaining free inner surface of the hollow cylinder ground and polished rotationally symmetrically.

Danach wird der ursprünglich eingesetzte Kupfer-Hohlzylinder 9 mit Hilfe einer CuCl₂-Lösung selektiv weggeätzt, wobei das im Innern des Kupfer-Hohlzylinder galvanisch abgeschiedene Nickel zurückbleibt.Thereafter, the originally used copper hollow cylinder 9 is selectively etched away with the aid of a CuCl₂ solution, the electrodeposited nickel remaining in the interior of the copper hollow cylinder.

Fig. 7 zeigt das hierdurch hergestellte Werkzeug 12 mit seiner abgeformten Mikrostruktur auf seiner äußeren Oberfläche. Das Werkzeug besitzt einen Außendurchmesser von 120 mm und einen Innendurchmesser von 60 mm und ist 260 mm lang.7 shows the tool 12 produced in this way with its molded microstructure on its outer surface. The tool has an outer diameter of 120 mm and an inner diameter of 60 mm and is 260 mm long.

Im Falle, daß die Längs- oder Quernuten 11, 10 sehr eng und tief gewählt werden müssen, kann es vorkommen, daß sich der mit dieser inneren Mikrostruktur erzeugte Hohlzylinder aus Kupfer nicht vollständig mit galvanisch abgeschiedenem Metall abformen läßt. In den engen Nuten können Hohlräume entstehen. In diesem Fall empfiehlt es sich, anstelle eines Hohlzylinders 9 aus reinem Kupfer oder einem anderen Metall einen Hohlzylin­der zu verwenden, der z. B. aus Kupfer besteht und auf seiner Innenseite mit einer dünnen Schicht aus elektrisch isolieren­den Material, z. B. aus PMMA oder einem anderen elektrisch isolierenden Kunststoff, überzogen ist. Die Schichtdicke soll kleiner sein als die Höhe der zu erzeugenden Nuten 10, 11, so daß die Nuten die Schicht aus elektrisch isolierendem Kunst­ stoff durchstoßen und sich bis in das Metall fortsetzen. Hier­durch wird die formtreue Galvanisierung wesentlich erleich­tert.In the event that the longitudinal or transverse grooves 11, 10 must be selected to be very narrow and deep, it can happen that the hollow cylinder made of copper with this inner microstructure cannot be completely molded with galvanically deposited metal. Cavities can arise in the narrow grooves. In this case, it is advisable to use a hollow cylinder instead of a hollow cylinder 9 made of pure copper or another metal. B. consists of copper and on the inside with a thin layer of electrically insulating material, for. B. made of PMMA or another electrically insulating plastic. The layer thickness should be smaller than the height of the grooves 10, 11 to be produced, so that the grooves form the layer of electrically insulating art Pierce the fabric and continue into the metal. In this way, the true-to-shape galvanization is made considerably easier.

Die Schicht aus elektrisch isolierendem Kunststoff wird nach der Entfernung des Metalls durch ein geeignetes Lösungsmittel z. B. durch Dichlormethan im Falle von PMMA, entfernt.The layer of electrically insulating plastic is removed after removal of the metal by a suitable solvent such. B. by dichloromethane in the case of PMMA.

Schritt b)Step b) Abformen des Werkzeugs in einer VerbundschichtImpression of the tool in a composite layer

Analog zu Schritt b) von Beispiel 1 wird eine flexible Ver­bundschicht hergestellt, wobei in diesem Fall zweckmäßiger­weise die elektrisch isolierende Schicht 6 und die elektrisch leitende Schicht 7 durch Walzen als Folien vorgefertigt und anschließend aufeinander laminiert werden. Als Material für die elektrisch isolierende Schicht 6 wird Polypropylen und für die elektrisch leitende Schicht 7 eine niedrig schmelzende Me­tallegierung, bevorzugt eine Blei-Zinn-Legierung, verwendet.Analogous to step b) of Example 1, a flexible composite layer is produced, in which case the electrically insulating layer 6 and the electrically conductive layer 7 are expediently prefabricated as films by rolling and then laminated to one another. Polypropylene is used as the material for the electrically insulating layer 6 and a low-melting metal alloy, preferably a lead-tin alloy, is used for the electrically conductive layer 7.

In Fig. 8 ist die Abformung des Werkzeugs 12 auf dieser Ver­bundschicht dargestellt. Die Verbundschicht 15 wird zwischen zwei benachbarten Walzen 12, 14 durchgeführt. Zur Erleichte­rung der Abformung und zur Begrenzung der von den Walzen 12, 14 auf die Verbundschicht ausgeübten Druckes kann die Verbund­schicht unmittelbar vor der Einführung in das Walzenpaar 12, 14 durch einen Infrarotstrahler aufgewärmt werden.8 shows the molding of the tool 12 on this composite layer. The composite layer 15 is carried out between two adjacent rollers 12, 14. In order to facilitate the molding and to limit the pressure exerted by the rollers 12, 14 on the composite layer, the composite layer can be warmed up by an infrared radiator immediately before being introduced into the pair of rollers 12, 14.

Die obere Walze ist mit dem in Schritt a) hergestellten Werk­zeug 12 identisch.The upper roller is identical to the tool 12 produced in step a).

Die Verbundschicht wird in der Weise zwischen den beiden Wal­zen 12, 14 hindurchgeführt, daß die Mikrostrukturen der Walze 12 die elektrisch isolierende Schicht 16 der Verbundschicht durchdringen und bis in die elektrisch leitende Schicht 17 der Verbundschicht hineinragen.The composite layer is passed between the two rollers 12, 14 in such a way that the microstructures of the roller 12 form the electrically insulating layer 16 of the composite layer penetrate and protrude into the electrically conductive layer 17 of the composite layer.

Schritt c)Step c) Galvanisches Auffüllen der NegativformGalvanic filling of the negative form

Die in dieser Weise erzeugte Negativform 18 auf der Verbund­schicht wird, wie in Beispiel 1, Schritt c) beschrieben, gal­vanisch mit Nickel aufgefüllt. Zu diesem Zweck wird die Ver­bundschicht als endloses Bahnmaterial in einer Durchlaufanlage galvanisiert, wonach die galvanisch erzeugte Füllung als eine endlose Schlitzfolie aus Metall durch Abziehen von der Ver­bundschicht und auf eine Spule aufgerollt wird.The negative mold 18 produced in this way on the composite layer is galvanically filled with nickel, as described in Example 1, step c). For this purpose, the composite layer is galvanized as an endless sheet material in a continuous system, after which the galvanically produced filling is rolled up as an endless slit film made of metal by pulling it off the composite layer and onto a spool.

Das Ergebnis dieses Arbeitsvorgangs ist in Fig. 9 dargestellt. Es ergibt sich eine endlose Schlitzfolie aus Nickel mit Ver­stärkungsrippen 20. Die Schlitzbreite 19 ist wie nach Beispiel 1, Schritt c) über die Höhe der Galvanikschicht aus Nickel einstellbar. Im vorliegenden Beispiel wird bei einer der Gal­vanikschichthöhe entsprechenden Dicke der Schlitzfolie von 120 µm eine Schlitzbreite von 125 µm und ohne Berücksichtigung der Verstärkungsrippen eine Transparenz von ca. 44 % erhalten.The result of this operation is shown in Fig. 9. The result is an endless slot foil made of nickel with reinforcing ribs 20. The slot width 19 can be adjusted as in Example 1, step c) via the height of the nickel electroplating layer. In the present example, with a slot film thickness of 120 µm corresponding to the electroplating layer height, a slot width of 125 µm is obtained and, without taking the reinforcing ribs into account, a transparency of approximately 44% is obtained.

Die so erzeugte Schlitzfolie ist als optisches Gitter oder als Bedampfungsmaske verwendbar.The slit film thus produced can be used as an optical grating or as a vapor mask.

Beispiel 3Example 3 Abformung des Werkzeugs mit Hilfe von Ultraschall.Impression of the tool using ultrasound.

Für den Fall, daß analog zu Beispiel 1 ein gitterförmiges Me­tallnetz hergestellt werden soll, ist die Abformung des Werk­zeugs gemäß Schritt b) mit Hilfe von Ultraschall vorteilhaft.In the event that a lattice-shaped metal net is to be produced analogously to Example 1, the molding of the tool according to step b) using ultrasound is advantageous.

In einem ersten Schritt wird eine Verbundschicht erzeugt. Diese Verbundschicht kann auf drei verschiedenen Arten herge­stellt werden.

  • a) Eine mit elektrisch leitenden Partikeln wie z. B. Graphit­pulver versetzte Thermoplastschicht wird auf einer ebenen Unterlage ausgegossen. Diese Schicht bildet die elektrisch leitende Schicht der zu erzeugenden Verbundschicht.
    Nach deren Erstarren wird darüber eine weitere, reine Ther­moplastschicht ausgegossen. Als Thermoplast sind die Mate­rialien Polypropylen, Polyethylen, PMMA, Polycarbonat, PVC, Polystyrol, ABS, Polycetal oder Polyamid verwendbar. Die letztgenannte Thermoplastschicht bildet die elektrisch iso­lierende Schicht der Verbundschicht.
  • b) Die elektrisch leitende Schicht wird durch ein niedrig schmelzendes Metall oder eine niedrig schmelzende Metalle­gierung gebildet. Geeignet ist z. B. eine Metallegierung aus Blei, Zinn, und ggf. Wismut.
    Die Herstellung der Verbundschicht erfolgt ansonsten analog zu a) oder durch Auflaminieren der beiden durch Walzen als Folien vorgefertigten Schichten.
  • c) Die elektrisch leitende Schicht nach a), b) oder c) wird auf eine Metallplatte z. B. aus Aluminium aufgegossen.
    Die weitere Herstellung der Verbundschicht erfolgt analog zu a).
In a first step, a composite layer is created. This composite layer can be produced in three different ways.
  • a) One with electrically conductive particles such. B. Thermoplastic layer with added graphite powder is poured out on a flat surface. This layer forms the electrically conductive layer of the composite layer to be produced.
    After it has solidified, a further, pure thermoplastic layer is poured over it. The materials polypropylene, polyethylene, PMMA, polycarbonate, PVC, polystyrene, ABS, polycetal or polyamide can be used as thermoplastic. The latter thermoplastic layer forms the electrically insulating layer of the composite layer.
  • b) The electrically conductive layer is formed by a low-melting metal or a low-melting metal alloy. Is suitable for. B. a metal alloy of lead, tin, and possibly bismuth.
    The composite layer is otherwise produced analogously to a) or by laminating the two layers prefabricated by rolling as foils.
  • c) The electrically conductive layer according to a), b) or c) is on a metal plate z. B. cast from aluminum.
    The further production of the composite layer takes place analogously to a).

Das plattenförmige Werkzeug wird auf der Sonotrode einer Ul­traschall-Schweißmaschine befestigt. Die Befestigung kann durch Kleben oder Löten erfolgen. Die Verbundschicht wird mit ihrer elektrisch leitenden Schicht auf den Amboß der Ultra­schall-Schweißmaschine aufgelegt. Der Amboß ist mit Ansaugöff­nungen versehen, die mit einer Vakuum-Pumpe, einem evakuierten Behälter oder einer sonstigen geeigneten Vorrichtung in Verbindung stehen. Durch den Unterdruck haftet die Verbund­schicht auf dem Amboß.The plate-shaped tool is attached to the sonotrode of an ultrasonic welding machine. The attachment can be done by gluing or soldering. The composite layer with its electrically conductive layer is placed on the anvil of the ultrasonic welding machine. The anvil is provided with suction openings that are evacuated by a vacuum pump Container or other suitable device in connection. Due to the negative pressure, the composite layer adheres to the anvil.

Die Abformung des Werkzeugs erfolgt analog zu Beispiel 1, Schritt b), wobei jedoch das Werkzeug mit Ultraschallunter­stützung in die Verbundschicht eingepreßt und wieder entfernt wird.The mold is molded analogously to Example 1, step b), but the tool is pressed into the composite layer with ultrasound support and removed again.

Die weiteren Verarbeitungsschritte entsprechen dem Beispiel 1.The further processing steps correspond to example 1.

Claims (5)

1. Verfahren zum Herstellen eines zweidimensional ausgedehnten Mikrostrukturkörpers aus Metall mit einer Vielzahl feiner Öffnungen vorgebbarer Abmessungen und Verteilung, bei dem
a) ein an der Oberfläche mit Mikrostrukturen versehenes Werkzeug hergestellt wird,
b) die Mikrostrukturen des Werkzeuges wiederholt mit einer Abformmasse abgeformt werden, wobei die Abformmasse aus einer elektrisch isolierenden und einer elektrisch lei­tenden Schicht besteht und die Mikrostrukturen des Werk­zeuges durch die elektrisch isolierende Schicht hindurch bis in die elektrisch leitende Schicht eingeführt wer­den,
c) worauf die so entstandene Form galvanisch unter Verwen­dung der elektrisch leitenden Schicht als Kathode mit einem Metall aufgefüllt und danach die Form entfernt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
d) das Werkzeug solche Mikrostrukturen aufweist, daß in der Abformmasse eng benachbarte, sich zur elektrisch leitenden Schicht hin verjüngende Mikrostrukturen abge­formt werden, und daß
e) die so entstandene Form galvanisch so weit aufgefüllt wird, bis der Abstand zwischen je zwei benachbarten gal­vanischen Füllungen an deren Oberfläche der vorgegebenen Abmessung der betreffenden Öffnung des herzustellenden Mikrostrukturkörpers entspricht.1. A method for producing a two-dimensionally expanded metal microstructure body with a plurality of fine openings of predeterminable dimensions and distribution, in which
a) a tool is provided with microstructures on the surface,
b) the microstructures of the tool are repeatedly molded with an impression compound, the impression compound consisting of an electrically insulating and an electrically conductive layer and the microstructures of the tool being introduced through the electrically insulating layer into the electrically conductive layer,
c) whereupon the resulting shape is galvanically filled with a metal using the electrically conductive layer as cathode and the shape is then removed,
characterized in that
d) the tool has such microstructures that closely adjacent microstructures tapering towards the electrically conductive layer are molded, and that
e) the shape formed in this way is galvanically filled in until the distance between two adjacent galvanic fillings on their surface corresponds to the predetermined dimension of the relevant opening of the microstructure body to be produced. 2. Verfahren zur Herstellung eines mit den Mikrostrukturen nach Anspruch 1 versehenen Werkzeuges, dadurch gekennzeich­net, daß f) in die Oberfläche eines zerspanbaren Substrats mittels eines oder mehrerer Formdiamanten eng benachbarte Nuten eingebracht werden, die sich zum Nutgrund hin verjüngen, g) worauf die so strukturierte Oberfläche des Substrates mit Metall oder Keramik abgeformt und die abgeformten Oberfläche als Werkzeug verwendet wird. 2. A method for producing a tool provided with the microstructures according to claim 1, characterized in that f) closely adjacent grooves are made in the surface of a machinable substrate by means of one or more shape diamonds, which taper towards the base of the groove, g) whereupon the thus structured surface of the substrate is molded with metal or ceramic and the molded surface is used as a tool. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat eine Metallplatte verwendet wird.3. The method according to claim 2, characterized in that a metal plate is used as the substrate. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat eine Verbundplatte, bestehend aus einer elektrisch leitenden und einer elektrisch isolierenden Schicht, ver­wendet wird, daß die Nuten so tief eingebracht werden, bis sie in die elektrisch leitende Schicht reichen, und daß die Abformung mit Metall auf galvanischem Wege unter Verwendung der elektrisch leitenden Schicht als Kathode mit an­schließender Entfernung des Substrats durchgeführt wird.4. The method according to claim 2, characterized in that a composite plate, consisting of an electrically conductive and an electrically insulating layer, is used as the substrate that the grooves are made so deep until they reach into the electrically conductive layer, and that the Impression taking with electroplating is carried out using the electrically conductive layer as cathode with subsequent removal of the substrate. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abformen der Mikrostrukturen das Werkzeug mit Ultraschall­unterstützung in die Abformmasse eingeführt und wieder her­ausgeführt wird.5. The method according to claim 1, characterized in that when molding the microstructures, the tool is inserted with ultrasound support into the impression material and is brought out again.
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