Mikrostrukturierung von Glas durch Heißprägen von beschichteten Glaswafern

Ziel der Forschungsarbeiten war die Herstellung von Kavitäten unterschiedlicher Geometrien und Abmessungen im mm- und μm-Bereich in anorganischen Gläsern durch die Heißformgebung. Die Anwendungen überstreichen dabei die Mikrofluidik, die Optoelektronik, das Packaging bis hin zur Solartechnik. Andere Strukturierungsverfahren von Glas zum Einbringen von Mikrostrukturen (Ätzen, Spanen, Strahlabtragen) sind entweder sehr teuer, geometrie- bzw. glasartbeschränkt oder schädigen das Glas in der Nähe der Bearbeitungsstelle.

Dies macht die Heißformgebung zu einem ökonomisch sehr interessanten Verfahren, vor allem bei der Herstellung größerer Stückzahlen. Im Gegensatz zum Blankpressen muss bei hohen Aspektverhältnissen und Strukturbreiten im μm-Bereich unter isothermen Prozessbedingungen abgeformt werden, wobei die alleinige Beschichtung der Formwerkzeuge zur Verhinderung von Klebeerscheinungen zwischen Glas und Werkzeug bisher wenig erfolgreich war. Abweichend von dieser Vorgehensweise wurde hier versucht, mittels einer Beschichtung des Glases, nicht des Werkzeugs, eine Entkopplung der Viskosität im Volumen und des Klebeverhaltens an der Oberfläche zu erzielen.

Eine dünne, haftfeste Schicht auf dem Glas dient als Trennung von Substrat und Werkzeug. Diese muss in gewissen Grenzen duktil sowie mechanisch und chemisch stabil sein. Prinzipiell eignen sich dafür dünne Metallschichten, amorpher Kohlenstoff oder keramische Schichten.

Die Vorteile der Glasbeschichtung liegen auf der Hand: Bei jedem Umformvorgang herrschen identische Anfangsbedingungen und es tritt kein Schichtverschleiß auf. Die Beschichtung von Flachglas mit dünnen duktilen Schichten ist Stand der Technik und auch die Anforderungen an die Beschichtung sind sehr viel geringer als an eine Werkzeugbeschichtung. Außerdem ist durch diese Technologie eine breitere Auswahl an Werkzeugwerkstoffen möglich.

In einem ersten Schritt wurden Gold-, Chrom-, Kohlenstoff- sowie Oxidschichten, hinsichtlich ihrer mechanischen und chemischen Stabilität im Prägeprozess untersucht. Alle Schichten zeigten eine klare Reduzierung der Haftkräfte und eine Verschiebung der Klebetemperatur in höhere Temperaturbereiche. Einige Schichten führten sogar zur Aufhebung jeglicher Hafterscheinungen im gesamten für das Heißprägen relevanten Viskositätsbereich. Im Folgenden wurde die Dehnbarkeit der Schichten im Prägeprozess untersucht. Systematische Stauchversuche mit beschichteten Glasproben einerseits sowie die Dehnung von Glas und Beschichtung ohne Kontakt zum Werkzeugwerkstoff andererseits dienten der Beurteilung der Duktilität der Beschichtung. Das Verhalten an den Strukturkanten wurde durch ein Anschneiden der Schichten simuliert. Es zeigte sich, dass alle untersuchten Schichten in einem gewissen Bereich duktil sind. Bei größeren Umformgraden kommt es jedoch bei allen Schichten zu einem Versagen, meist in Form von Rissen. Dies führt aber nicht notwendigerweise zu einer Beeinträchtigung des Prägevorgangs. Diese Experimente dienten zur Optimierung der Glasbeschichtung für das Heißprägen fluidischer Strukturen. Schließlich wurde die Übertragung der Ergebnisse auf praktische Mikrostrukturen experimentell realisiert. Verschiedene Demostrukturen wurden in Floatglas geprägt und in Analysesystemen bewertet. Die lateralen Strukturabmessungen der Kanäle und Kammern betrugen zwischen 10 μm und 2 mm bei Prägetiefen bis zu 2 mm. Das größte Aspektverhältnis von Prägetiefe zu Strukturbreite betrug dabei 3. Es konnte nachgewiesen werden, dass die erzielbaren Genauigkeiten und Oberflächenqualitäten dem des verwendeten Werkzeuges entsprechen. Damit wurde das Ziel des Vorhabens erreicht und die Anwendbarkeit der neuen Beschichtungsstrategie für den industriellen Einsatz gezeigt.

Das Forschungsvorhaben 245 ZBR der Forschungsvereinigung Europäische Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e.V. wurde im Programm zur Förderung der 'Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)' vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF finanziert.

Laufzeit: 01.02.2007 bis 31.01.2009
Forschungsstellen:
Fraunhofer-Institut Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz
Otto-Schott-Institut für Glaschemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena

Veröffentlichung

Der Abschlußbericht ist als pdf-Download verfügbar.
Die wichtigsten Ergebnisse sind in einem Poster zusammengefaßt, das ebenfalls als pdf-Download verfübgar ist.