Automation

Die Welt unter der Lupe

28.09.2006 | Redakteur:

Modular konzipierte Mikroproduktionsanlage setzt für die Montage auf das Mikrokleben. Die Handhabung und Montage von mikrotechnischen Produkten erfordert neue Montage- und Verbindungstechniken, da...

Die Handhabung und Montage von mikrotechnischen Produkten erfordert neue Montage- und Verbindungstechniken, da klassische Fertigungstechniken und konventioneller Anlagenbau die immer höher werdenden Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit nicht mehr erfüllen können. Dies betrifft insbesondere die sehr präzise Handhabung in Kombination mit der Mikroklebtechnik. Die Montage- und Verbindungstechnik ist häufig ein limitierender Faktor in der Mikro-Produktionstechnik. Das Kleben weist dabei eine Reihe von Vorteilen auf und ist im Mikrobereich in vielen Fällen sogar alternativlos. Gründe sind beispielsweise der zunehmende Materialmix. Die Montageanlagen zum Herstellen von Mobiltelefonen haben typischerweise eine Wiederholgenauigkeit von 20 µm. Andere, spezielle Montageanlagen werden mit einer garantierten Reproduzierbarkeit der Bewegung von rund 5 bis 10 µm angeboten. Für die Montage von Glasfasern in der Kommunikationstechnik wird eine Wiederholgenauigkeit von wenigen µm (zukünftig sub-µm) und eine Auflösung von wenigen Nanometern gefordert. Das behutsame Greifen der Mikrobauteile ist ebenso wichtig. Dies zeigt das Beispiel der Montage von Substratbalken für 800 GHz bis 1 THz Hochfrequenzmodule der Kommunikationstechnik, die eine Kantenlänge von 35 µm 3 80 µm aufweisen. Nur mit wenigen Nanometern Auflösung beim Greifen bleiben diese Bauteile unbeschädigt, und die Substratbalken werden nicht weggeschleudert. Diese und weitere Anforderungen erfüllt eine neue Generation von Mikroproduktionsanlagen, die von der Klocke Nanotechnik und dem Fraunhofer-Institut IFAM angeboten wird. Kompatible Module bieten viele Freiheitsgrade Die eigens entwickelten, kleinsten und genauesten Linearmotoren der Welt (Nanorobotik-Module) ermöglichen eine Bewegung mit wenigen Nanometern Auflösung, eine Belastbarkeit mit kilogramm-schweren Objekten bei einigen Zentimetern Hub. Dies ist eine Verbesserung der Genauigkeit um den Faktor 100 im Vergleich zu klassischen Antrieben des Maschinenbaus.Diese Nanorobotik-Module lassen sich auf kleinstem Raum kombinieren und erlauben so Aufgaben wie Handhabung, Mikromontage, Analyse und Qualitätskontrolle. Beispielsweise können zwei Mikrogreifer Bauteile bewegen und gleichzeitig trägt ein Dosierer Klebstoff auf. Weitere Vorteile des Anlagenkonzepts sind der schnelle Austausch von kompatiblen Komponenten wie Positioniermodule, Vakuum- und Mikrogreifer, Klebstoff-Dispenser, Kraftsensoren, Härteprüfer, Nanofinger, Videomikroskope, Wafer Prober, Nanomanipulatoren oder anderer Sensoren und Aktoren. Die flexible Umgestaltung der gesamten Anlage ist von Vorteil, wenn neue Produkte gefertigt werden sollen Mikroproduktionsanlage bietet bis zu 16 AchsenDie Steuerung erfolgt mit einer ebenso modularen netzwerkfähigen Elektronik und Software. Die Kontrolle kann manuell per Joystick, halbautomatisch oder vollautomatisch per Objekterkennung erfolgen. Bei einem Bildfeld von 4 mm × 3 mm wird immer noch eine Wiederholgenauigkeit der Objekterkennung im Zusammenspiel mit den Antrieben von 400 nm erreicht. Insgesamt wird so die Automatisierung von sehr genauen Fertigungsschritten ermöglicht.Die entwickelten Mikroproduktionsanlagen [1] basieren auf dieser Nanorobotik und bieten bis zu 16 Bewegungsachsen, teils mit Wiederholgenauigkeiten von 50 nm (Bild 1). Das modulare Konzept der Mikroproduktionsanlagen erlaubt den Start mit einem kostengünstigen minimalen Basissystem, das bereits die hohe Genauigkeit der Handhabung bietet. Damit ist das Investitionsrisiko auf ein Minimum reduziert und gleichzeitig die technische Zukunftsfähigkeit gesichert. Diverse weitere Ausbaustufen bieten ein Wachstum bis hin zur Vollautomatisierung, zum Beispiel parallel zur Entwicklung eines neuen Mikroprodukts vom Prototyp zum Serienteil. Das modulare Design ermöglicht auch die flexible Konfiguration für verschiedene Aufgabenstellungen. Dies erlaubt die Fertigung unterschiedlicher Produkte auch in kleineren oder mittleren Losgrößen oder auch die Verwendung der Anlage als universelles Test-, Entwicklungs- und Reparatursystem.Ebenso modular ist die Ethernet-basierte dezentrale Netzwerkelektronik und die Prozesssteuerung ausgelegt. Komplexe Handhabungsaufgaben wie etwa das Verkleben von LED mittels aktiver Rückkopplung oder das Applizieren von 2,5D-Klebstoff-Raupen mit konstanter Bahngeschwindigkeit sind bereits realisiert.Mikrokleben als universelle VerbindungstechnikFür die Montage der Mikroteile kommt häufig nur das Mikrokleben in Frage. Das Mikrokleben in kleinen Dimensionen unterscheidet sich grundsätzlich vom Kleben in der Makrowelt. So sind zum Beispiel bei der Applikation kleinster Klebstoff-Volumina Toleranzen im Pikoliterbereich erforderlich [2] oder ein Benetzungsverhalten, das verbotene Zonen von Klebstoff freihält. Spezielle Kombihärtungsmechanismen tragen dem Wunsch nach einer schnellen und hochqualitativen Härtung Rechnung. Im Vergleich zu anderen Verbindungsmethoden bietet das Mikrokleben weitere Pluspunkte [3]:- Verbindung verschiedenster Materialien, - erweiterte Funktionalität wie Leitfähigkeit der Verbindung, - nur eine kleine oder keine Wärmeentwicklung, - geringe, gleichförmige mechanische Belastung der Mikroteile, - galvanische Isolation der Teile (keine Kontakt-Korrosion). Die Besonderheit von Klebstoffen in kleinen Dimensionen liegt im Verhältnis von großer Ober- und Grenzfläche zu kleinem Volumen [4]. Dies kann zu Veränderungen des Klebstoffs führen, und viele Klebstoffe sind nicht unverändert für die Mikrotechnik verwendbar. Zur dauerhaften Aufrechterhaltung der Genauigkeit der Mikroklebung muss außerdem die Minimierung des internen Stresses des Klebstoffs (durch Auslegung der Klebung, Klebstoff-Auswahl, geeignete Härtungsverfahren und Prozessparameter) beachtet werden. Die klebtechnischen Verfahren sind Bestandteil der vorgestellten Mikroproduktionsanlagen. Dazu zählen zum Beispiel Mikrodispenser, kraftgesteuertes Fügen (zum Beispiel für anisotrop leitfähige Klebstoffe) oder Qualitätskontrolle der Verbindung während und nach der Montage. Bild 2 zeigt eine mittels aktiver Rückkopplung in ein SMD-Gehäuse eingeklebte VCSEL-Diode, Bild 3 einen Augeninnendruck-Sensor mit elektrischen Kontaktierungen. Die in Bild 1 gezeigte Mikroproduktionsanlage enthält neben diversen Modulen der Handhabung und Analytik auch das nötige Equipment für die Mikroklebetechnik. Dieses System steht als Dienstleistungsanlage für die Entwicklung von Fertigungsprozessen zur Verfügung und wird bereits von verschiedenen namhaften Unternehmen genutzt. Damit reduziert sich das Investitionsrisiko in eine neue Fertigung im Vergleich zum Kauf einer Komplettanlage auf folgende Zwischenstufen:- Entwicklung von Handhabungs- und Montageverfahren an der Dienstleistungsanlage und die Fertigung von Mustern. - Konzeptionierung einer passenden Version der gesamten Mikroproduktionsanlage und Definition von funktionellen Unter-Ausbaustufen dieser Anlage. - Entwicklung und Fertigung der ersten funktionellen Ausbaustufe der Anlage und Test der kritischen Handhabungsaufgaben (ohne aufwändige Automatisierung). - Schrittweise Erweiterung durch weitere Ausbaustufen bis hin zur vollautomatischen Produktionsanlage. Nach jedem der obigen Zwischenschritte kann das Projekt gestoppt oder in eine andere Richtung gelenkt werden. Das modulare Konzept der Mikroproduktionsanlage ermöglicht eine erheblich flexiblere Projektplanung und reduziert Scale-up-Probleme. Im Gegenzug entwickelt sich dieses Anlagenkonzept durch die Vielzahl von möglichen Adaptionen quasi automatisch von Anwendung zu Anwendung weiter. Ebenso sind neben dem Kleben weitere Fügeverfahren vorgesehen. Dadurch entstehen kundenspezifische Lösungen vom einzelnen Mikrogreifer bis hin zu komplexen Anlagen. Die meisten Lösungen entstehen dabei nicht durch eine Neuentwicklung, sondern durch Konfiguration aus bestehenden Komponenten. Literatur[1] Klocke V.: Nanorobotics for Micro Production Technology. Spie conference Photonics Fabrication Europe, Brügge, Belgien, 2002. [2] Netzelmann U., S. Gondrom und T. Gesang: Qualitätskontrolle beim Dispensen leitfähiger Klebstoffe im Sub-Nanoliter-Bereich. Produktion von Leiterplatten und Systemen 8(6) 2004, S. 1356 -1361. [3] Gesang T. und V. Klocke: Montage hybrider Mikrosysteme. Fachkongress Mikrosystemtechnik, 24. bis 25. Mai 2004, Würzburg. [4] Gesang T.: Adhäsion - vom Mikroskopischen zum Makroskopischen. VDI-Seminar Kleben - Innovative Verbindungstechnik für die Industrie, 23. bis 24. November 2004, Bremen.