Mikroschalter

Galvanik Anwendungsbeispiel

Rechts: Die mechanisch beweglichen Elemente bestehen aus ca 12 μm dicken  galvanischem Nickel (Verwendeter Elektrolyt: NB Semiplate Ni 100). Die kleinste Abmessung der Ni-Balken ist 4 μm. Die Kontaktelemente bestehen aus Gold (Elektrolyt: NB Semiplate Au 100).

Die transparenten Elemente bestehen aus einem quervernetzten Negativlack und dienen der mechanischen Verbindung. Wesentliche Anforderungen an die Galvanik bestehen hinsichtlich der Vermeidung von Stressgradienten, der Dickenuniformitäten, insbesondere bei unterschiedlichen Strukturgrößen, und der Dauerstabilität der Eigenschaften unter mechanischer und thermischer Belastung.

Schön zu erkennen sind die unterschiedlichen Ebenen durch die Überwachsung des Nickels als Verbindung zu Goldstrukturen sowie die Überwachsung der  Nickelbalken über die Kante der Opferschicht (aus ca. 4 μm dickem Cu, bereits entfernt). Diese unterschiedlichen Ebenen stellen eine hohe Anforderung an den  Lackprozess (hier AZ® 9260).

Links und unten: REM-Aufnahmen eines thermischen Aktors und eines Kontaktes eines Mikroschalters. Mechanische Elemente bestehen aus Glanznickel (Elektrolyt:
NB Semiplate Ni 100). Für die Erzielung der vertikalen Auslenkung wird durch die
Abscheideparameter ein Stressgradient in der Nickelschicht eingestellt.

Auch hier ist die Stabilität der Kornstruktur von fundamentaler Bedeutung.

Der Kontaktbereich besteht aus Glanzgold (Elektrolyt: NB Semiplate Au 100). Zur Freilegung der beweglichen Elemente wurden Opferschichten aus Kupfer (Elektrolyt: NB Semiplate Cu 100) mit sehr guter Dickenuniformität und  Oberflächenqualität eingesetzt. Zur elektrischen Trennung und mechanischer Verbindung werden Elemente aus quervernetztem Negativlack eingesetzt.

Oben, Abb. links unten: REM-Aufnahme der Aktor-Struktur des Mikroschalters aus Nickel (Elektrolyt: NB Semiplate Ni 100). Die schmalen Nickelbalken wurden auf einer Opferschicht aus Kupfer (Elektrolyt: NB Semiplate Cu 100) mit guter Dickenuniformität und hoher Oberflächengüte abgeschieden. Die Schichtdicke der Opferschicht beträgt hier ca 3 μm. Gut erkennbar ist die Überwachsung der Nickelstruktur über die Kante der Opferschicht. Die Breite der Nickelbalken  beträgt etwa 4 μm, die Kantensteilheit ist nahezu 90°. Solche Verhältnisse und Anforderungen stellen hohe Ansprüche an den Lackprozess, wobei hier ein Lackprozess mit 18 μm AZ® 9260 bei einem Aspektverhältnis von 4,5 mit nahezu senkrechten Seitenwänden über eine Kupferkante von ca 3 μm optimiert wurde. Dabei erfordern nicht zuletzt die unterschiedlich starken Reflexionen der Untergründe (Kupferopferschicht und Goldstartschicht) eine sorgsame Anpassung der Belichtungsparameter.

Links oben: Schnittansicht einer strukturierten Nickelabscheidung (FIB-Schnitt).  Das Nickel wurde ohne Glanzzusatz prozessiert. Zu erkennen ist die Kornstruktur und das typische Stängelwachstum. Deutlich erkennbar ist auch die kleinere Kornstruktur im unteren Schichtbereich, wo die Anpassung an den Untergrund stattfindet.

In manchen Anwendungen ist hierauf spezielles Augenmerk zu richten. Eigenschaften wie Glanz, Stress und Kornwachstum lassen sich in bestimmten Grenzen durch Ergänzer, aber auch durch die Prozessführung beeinflussen. Eine Beimischung von Mn beispielsweise schützt die Kornstruktur vor Veränderungen bei mechanischer oder thermischer Belastung.

Eine feine Kornstruktur kann für schmale Federlemente, wie hier mit 4 μm Breite, bevorzugt werden, allerdings nur, wenn gewährleistet ist, dass die Körner stabil sind und sich nicht unter Belastung vergrößern oder verändern.

Links, Mitte: REM-Aufnahme eines lateralen Mikrokontaktes aus Gold (NB Semiplate Au 100) auf Kupferopferschicht (NB Semiplate Cu 100). Die Kupferopferschicht zeigt eine sehr gute Dickenuniformität und Oberflächengüte. Bemerkenswert ist, dass die zwar geringe, aber erkennbare höhere Rauheit der Opferschicht durch die Goldabscheidung wieder eingeebnet wird.

Links unten: REM-Aufnahme des Kontaktbereiches des Mikroschalters.

Die Kontakte bestehen aus Glanzgold (NB Semiplate Au 100). Im Bedarfsfall kann der NB Semiplate Au 100 mit einem Palladiumzusatz modifiziert werden (zu NB Semiplate AuPd 100), um die Kontakteigenschaften zu verbessern. Das Nickel des thermischen Aktors (NB Semiplate Ni 100) ist mit dem Goldkontakt durch Überwachsung verbunden.

Das Nickel wird im Hinblick auf den Haftverbund mit dem Negativlack mit wenig Glanz prozessiert. Nichtsdestotrotz wird eine gewisse Feinheit der Korngröße im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften im Federelement mit geringer Breite von nur 4 μm (siehe Schnittbild links oben) prozessiert.

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