Neue Werkzeugelektroden für die Mikrofunkenerosion
Final Report Abstract
Durch die Kombination von UV-Lithografie und galvanischer Beschichtung wird im Rahmen dieses Projektes die Möglichkeit untersucht, Mikroelektroden für die Mikrofunkenerosion galvanisch herzustellen. Bisher war das Verschleißverhalten galvanisch abgeschiedener Elektroden nicht hinreichend bekannt. Die Forschung bezüglich der Fertigung von Mikroelektroden umfasst folgende drei Hauptfelder: die Entwicklung von Fertigungstechnologien für die lithografische Herstellung von organischen Mikroformen, die Füllung dieser Formen mittels galvanisch abgeschiedenen Mikroelektrodenmaterial sowie die Entfernung der organischen Mikroform. Für die Erzeugung von Mikroformen mit hohen Aspektverhältnissen, wie sie für die Mikrofunkenerosion benötigt werden, werden zwei Lacksysteme untersucht. Dies ist zum einen das AZ-Lacksystem, mit dem es möglich ist, mit einer Einfachbelackung eine Höhe von 90 µm zu erreichen. Es konnte hierbei ein Flankenwinkel von bis zu 90,7° erzielt werden. Der Vorteil des AZ-Lacks ist die einfache Entfernung mittels Lösungsmitteln. Allerdings verliert der Lack bei Höhen von über 100 µm seine Strukturtreue und es kommt zu erheblichen Aufweitungen, welche eine Fertigung von senkrechten Strukturen nicht mehr möglich machen. Für höhere Strukturen wird ein geeigneter Prozess zur Herstellung der Mikroelektroden entwickelt, welcher auf dem fotoempfindlichen Epoxidharz SU-8™ beruht. SU-8™-Lack weist bei der Belichtung Lichtwellenleiter-Charakteristik auf; hierdurch entstehen bei der Belichtung praktisch senkrechte und sehr g latte Seitenwände. SU-8™ lässt sich allerdings nicht wie übliche Fotoresists nach seiner Nutzung mittels Lösungsmittel entfernen. Für die galvanische Abscheidung zur Erzeugung der Mikroelektroden kommen sowohl makroskopisch bereits etablierte Elektrodenwerkstoffe zum Einsatz, als auch neue. Untersuchungen an bereits etablierten Elektrodenwerkstoffen umfassen Cu und W-Cu, Untersuchungen an neuen WCCu und CoFe. Die Entfernung von AZ-Resisten erfolgt mit üblichen, in der Mikrosystemtechnik eingesetzten Resistentfernern. Die Entfernung der SU-8™-Mikroform muss dagegen erforscht werden. Als Ergebnis dieser Arbeiten wird ein neues Plasmaätzverfahren entwickelt und erprobt, welches gestattet, sowohl SU-8™- Verunreinigungen als auch komplette SU-8™-Mikroformen zu entfernen. Zu diesem Zweck wurde durch das imt eine geeignete Plasmaätzanlage aus eigenen Mitteln erworben. Zur entwickelten Fertigungsfolge unter Verwendung von SU-8™-Mikroformen wird, um eine galvanische Abscheidung zu ermöglichen, eine Mikroform aus SU-8™ auf einer elektrisch leitfähigen Schicht (Startschicht) aufgebracht. Damit nur in den SU-8™ Mikroformen eine galvanische Abscheidung erfolgen kann, wird der nicht zu beschichtende Bereich der Startschicht mit AZ-Lack abgedeckt. Mit dieser Methode ist es möglich, Strukturen mit einer Höhe von mehreren hundert Mikrometern in einem Schritt herzustellen. In unserem Fall konnte eine Höhe von 650 µm in einem Schleuderprozess mit einem Aspektverhältnis von 26:1 erzielt werden. Als Beispiel für dreidimensionale Elektroden werden Pyramidstrukturen gewählt. Ihre Herstellung beginnt mit dem nasschemischen Ätzen der Mikroformen in Si-Wafern. Die so erzeugten Kavitäten werden dann galvanisch verfüllt. Anschließend wird der Si-Waferwerkstoff komplett nasschemisch entfernt. Der Einsatz der Elektroden im Funkenerosionsprozess umfasste verschiedene Untersuchungen. Es wurden nicht nur galvanisch hergestellte Elektroden, sondern auch drahterosiv hergestellte Elektroden eingesetzt und miteinander verglichen, um so eine Aussage über das generelle Einsatzverhalten der galvanisch hergestellten Elektroden im Vergleich zu Standardelektroden zu bekommen. Zu Beginn wurde der Einfluss der verschiedenen Dielektrika u. a. mit Pulveradditivierung auf das Prozessergebnis analysiert, da durch veränderte Spaltweiten die Spülung verbessert werden sollte. Dabei zeigte sich, dass die auftretenden Effekte von dem Herstellungsverfahren und damit der Zusammensetzung des Elektrodenmaterials abhingen. Die Abtragrate ließ sich bei drahterosiv hergestellten Elektroden in CH-basiertem Dielektrikum durch den Einsatz der verwendeten Pulver steigern. Bei galvanisch hergestellten Elektroden hatte nur der Einsatz von Graphitpulveradditivierung einen positiven Einfluss auf die Abtragrate. Generell muss zur Erzielung einer Prozessverbesserung nicht nur die Abtragrate gesteigert, sondern auch der Verschleiß gesenkt werden. Dies war bei den galvanisch hergestellten Elektroden durch Pulveradditivierung des Dielektrikums nicht möglich. Die Abformgenauigkeit ließ sich bei beiden Elektrodenformen nicht durch eine Additivierung des Dielektrikums beeinflussen. Verglichen mit ölbasierten Dielektrika führte der Einsatz von wasserbasierten Dielektrika zu keiner Prozessverbesserung. Eine Optimierung der Spülung ist nicht nur durch Beeinflussung der Spaltweite, sondern auch durch eine zusätzliche Abhebebewegung der Elektrode möglich. Daher wurde der Einfluss verschiedener Abhebebewegungen untersucht. Eine Abhebebewegung mit großer Amplitude und geringer Frequenz führte bei beiden Elektrodenformen zu einer Prozessverbesserung. Aufgrund der unterschiedlichen Elektrodengeometrie (lange, frei auskragende drahterosiv hergestellte Elektroden – kürzere, auf Wafern aufgewachsene galvanisch hergestellte Elektroden) war eine weitere Beeinflussung durch das zusätzliche Eintauchen des Waferplättchens in das Dielektrikum gegeben. Sie führte im Dielektrikum zu größeren Spülkräften, was den Abtrag steigerte. Weiterhin wurde der Einfluss der Elektrodengeometrie untersucht. Dabei zeigte sich, dass bei komplexeren Elektrodenformen sowohl Abtrag- und Verschleißrate zurückgingen als auch die Abformgenauigkeit negativ beeinflusst wurde. Dies ist durch Inhomogenitäten des elektrischen Feldes an scharfen Ecken und Kanten begründet. Ein weiterer Untersuchungsbereich war die Analyse des Einflusses des Elektrodenwerkstoffs. Generell waren alle galvanisch hergestellten Elektrodenwerkstoffe zum Einsatz im Funkenerosionsprozess geeignet. Sowohl mit den galvanisch als auch den drahterosiv hergestellten W-Cu- Elektroden ließ sich eine höhere Abtragrate erzielen. Abschließend wurde der Prozess beim Einsatz von Strukturelektroden aus Cu untersucht. Dort führte der schon bei den einfachen Formelektroden aufgetretene hohe Verschleiß zu einer geringen Abformgenauigkeit. Parallel zu den experimentell durchgeführten Untersuchungen wurde der Abtragprozess simuliert, um so den Temperaturverlauf in Elektrode und Werkstück analysieren zu können. Dazu wurde ein Modell erstellt, das es ermöglichte, sowohl bei Einzel- als auch bei Folgeentladungen an verschiedenen Stellen von Elektrode und Werkstück den Temperaturverlauf darzustellen und den Abtrag bzw. Verschleiß zu ermitteln. Es zeigte einen stärkeren und schnelleren Anstieg der Temperatur an Elektrode- und Werkstückoberfläche als im Inneren der Elektrode. Aufgrund der größeren Wärmeleitfähigkeit und -kapazität ist der Temperaturan- und -abstieg dabei in Cu-Elektroden größer als für W-Elektroden Dadurch sind bei der Cu-Elektrode das entstehende Temperaturmaximum und der Verschleiß höher. Ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit den experimentell ermittelten Werten für Verschleiß und Abtrag diente zur Validierung.
Publications
- Werkzeugelektroden für die Mikrosenkerosion, In Proceedings of the Fachtagung Funkenerosion – Prozesstechnologische und wirtschaftliche Erfolgsstrategien, Germany, Aachen, 05. - 06. November 2008
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- Traisigkhachol, O., Micro Electro Discharge Machining (µ-EDM) with Novel Tool Electrodes, In Proceedings of the 16th International symposium on Electromachining, China, Shanghai, Apr. 19-23, 2010
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