Einsatz von einkristallinem Silizium als Werkzeugwerkstoff für Schneidprozesse dünner Folien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Trend zu einer weiteren Miniaturisierung und Funktionsintegration elektronischer Produkte und metallischer Bauteile stellt hohe Ansprüche an die Qualität und Wirtschaftlichkeit der verwendeten Fertigungsprozesse sowie der dazu benötigten Werkzeuge. Daher wurden innerhalb dieses Projekts mikrotechnische Verfahren angewendet und qualifiziert, um Kleinstwerkzeuge mit Strukturbreiten unter 100 µm für das Mikroscherschneiden von Kupferfolien herzustellen. Im Gegensatz zu einer seriellen Werkzeugfertigung, beispielsweise durch Mikroerodieren, weisen die eingesetzten Ätz- und Galvanikverfahren eine sehr gute Eignung zur Parallelisierung und somit eine gute Wirtschaftlichkeit bei hoher Oberflächenqualität auf. Aufgrund des spröden Materialverhaltens des stempelseitig eingesetzten Werkstoffs Silizium wurde in der zweiten Projektphase intensiv der Einfluss verschiedener Prozessfehler auf die Werkzeugbelastung numerisch und experimentell untersucht. Anhand geätzter Siliziumstrukturen konnte nachgewiesen, dass insbesondere Verkippungen vom Stempel zur Matrize sowie verbleibende Werkstückpartikel am Stempel zum Ausfall führen, während eine Dezentrierung von Stempel und Matrize bezüglich der Werkzeugbelastung eine untergeordnete Rolle spielt. Außerdem konnte gezeigt werden, dass einseitige Ausbrüche an einer Schneidkante zu einer Belastungsverschiebung in Richtung der gegenüberliegenden Schneidkante führen. Ursache hierfür ist eine durch die Ausbrüche resultierende Verrundung der Schneidkante und somit geringere Spannungskonzentration als bei scharfkantigen Werkzeugen. Auf dieser Grundlage erfolgte eine gezielte Analyse der Werkzeugbelastung in Abhängigkeit der lokalen Schneidkantengeometrie. Es wurde ein Wafer-basierter mikrotechnischer Prozess entwickelt, mit dem Schneidkanten der Si-Stempel gezielt verrundet werden können. Mit Hilfe dieses Verfahrens kann der Krümmungsradius der Schneidkante exakt auf beliebige Werte im Bereich bis 3 µm Radius eingestellt werden. Experimentelle Untersuchungen stützen dabei die numerischen Ergebnisse, dass Schneidkantenradien im Bereich von 1-2 µm zu einer deutlichen Standzeiterhöhung gegenüber scharfkantigen Stempeln führen. Eine Möglichkeit der weiteren Standzeiterhöhung wurde anhand einer Hartstoffbeschichtung mittels Siliziumkarbid aufgezeigt. Mit Hilfe dieser Maßnahmen war es möglich die Streuung der Werkzeuglebensdauer zu verringern und mit deutlich über 250 Hüben einen weiteren Schritt in Richtung Kleinserienanwendung solcher parallelisiert hergestellten Werkzeuge zu gehen. Zur weiteren Reduktion von Prozessfehlern wurde ein komplett mikrotechnisch herstellbares Werkzeugsystem Stempel-Matrize zur hochgenauen, verkippungsfreien Selbstjustierung von Stempel zur Matrize entwickelt. Hierbei werden stempelseitig im gleichen Herstellungsprozess mit den Siliziumstempeln sogenannte Nebenformelemente ausgebildet, die deutlich höher als die Stempel sind und über die das Stempelwerkzeug mit exakt passenden Führungen auf der Matrize zum Schneidspalt ausgerichtet wird. Die Matrize wird dazu galvanisch vom Stempelwerkzeug aus Si abgeformt. Hierzu wurde für die anomale galvanische Abscheidung von Ni und Co ein Prozess entwickelt, der zu NiCo-Schichten großer Härte führt. Die erforderliche hohe Positioniergenauigkeit zur Einstellung kleiner Schneidspaltbreiten wird durch die lithographisch und ätztechnisch mögliche hohe Genauigkeit der Strukturbreiten von Stempel und Nebenformelementen und der nachfolgenden exakten Abformung mittels Galvanik erreicht. Die grundsätzliche Anwendbarkeit solcher Werkzeugsysteme zum Mikroscherschneiden von Kupferfolien wurde abschließend experimentell mit Rechteck-, Rund- und Ovalschnittgeometrien nachgewiesen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Corner rounding of sharp silicon punching tool edges by local oxidation of silicon. Microelectronic Engineering, 141(2015), S. 178–183
Mescheder, U.; Khazi, I.
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Improved Tool Performance in Microblanking of Thin Metal Foils Through Defined Cutting Edge Modification of Silicon Punches. In: Annoni, M.; Fassi, I.; Wiens, G.J.; Dimov, S. (Hrsg.): Proc. 4M/ICOMM2015 Conf., Research Publ., 2015, S. 238-241
Hildering, S.; Engel, U.; Merklein, M.
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Influence of Process Errors on the Tool Load in Microblanking of Thin Metal Foils with Silicon Punches. J. Micro Nano-Manuf. 3(2015)2, art.no. 021001, 1-8
Hildering, S.; Engel, U.; Merklein, M.
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Self-aligning micro punch-die tool-system for high precision blanking of thin metal foils. In: VDE (Hrsg.): Proceedings MikroSystemTechnik Kongress, 2015, S. 429-432
Khazi, I.; Mescheder, U.
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Surface polishing of rough (110) silicon plane by HNA etching resulting from wet anisotropic KOH etching. In: VDE (Hrsg.): Proceedings MikroSystemTechnik Kongress, 2015, S. 417-420
Khazi, I.; Mescheder, U.
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Tool Load Sensitivity against Multidimensional Process Influences in Microblanking of Thin Metal Foils with Silicon Punches. J. Manuf. Sci. Engng. 138(2016)9, 1-9
Hildering, S.; Michalski, M.; Engel, U.; Merklein, M.
