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Mikromontage – mehr als nur Präzision


Beginnend mit dem Handhaben der Bauteile über das hochpräzise Fügen bis hin zur Qualitätskontrolle werden in der Mikrosystemtechnik für alle Teiloperationen eines Montageprozesses neue technologische Ansätze und angepasste Prozesslösungen benötigt.

Bilder 1a bis 1d. Typische Mikrokomponenten als Beispiel für die Vielfalt der Applikationen (Quellen: Fotolia und 2E mechatronic)
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Bild 2. Optische Linse im prozesstauglichen Gurtmagazin
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Bild 3. Montage von Fasern mit 100 μm Durchmesser
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Bild 4. Fluidbasiertes Self-Alignment: hydrophile Struktur (links), Fluiddepot
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(Mitte), ausgerichtete LED mit 250 μm Kantenlänge (rechts)
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Bild 4. Konzipiert für variierende Stückzahlen bei hoher Produktvarianz: das modulare Mikromontagesystem ›μProduction Tower‹
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In der industriellen Fertigung bezeichnet man als Montage den planmäßigen Zusammenbau von Bauteilen und/oder Baugruppen (Modulen) zu Erzeugnissen (Produkten). Im Fall der Mikromontage handelt es sich bei den Bauteilen und Baugruppen um kleinste Komponenten mit Abmessungen im Mikrometerbereich, die in vergleichsweise großvolumige Produkte eingearbeitet werden müssen. Das Spektrum der zu montierenden mikrotechnischen Bauteile reicht vom Mikrochip mit Kantenlängen bis 250 μm über winzig kleine Zahnräder bis hin zur mikrooptischen Faser mit einem Durchmesser im Bereich eines menschlichen Haars (Bild 1). Derartige Mikrobauteile müssen in unterschiedlichste Produkte und damit Substrate hochpräzise montiert werden, beispielsweise in hochintegrierte Leiterplatten, dreidimensional aufgebaute, kompakte Sensorgehäuse oder auch großflächige Maschinenelemente. Kleinste mikrotechnische Bauteile in verschiedenen Formen und aus unterschiedlichsten Materialien werden also in ein Produkt montiert, das aufgrund seiner Dimensionen der Makrowelt zugeordnet ist. In der Mikromontage gilt es, diesen Ansprüchen gerecht zu werden und gleichzeitig den Anforderungen nach höchster Präzision bei einer zunehmenden Empfindlichkeit von Bauteilen und Prozessen nachzukommen.

 

Maßnahmen und Ansätze für Prozesslösungen

 

Die Merkmale und Besonderheiten der Mikrosystemtechnik sowie die hohen Anforderungen erfordern für alle wesentlichen Teiloperationen eines Montageprozesses, angefangen beim Handhaben der Bauteile über das hochpräzise Fügen bis hin zur Qualitätskontrolle, die Entwicklung neuer technologischer Ansätze und angepasster Prozesslösungen. Hinzu kommt auf Anlagenseite der Bedarf an modularen, skalierbaren Montageanlagen, die den Gegebenheiten variierender Stückzahlen und hoher Produktvarianz gerecht werden. Erforderlich sind wandlungsfähige Lösungen, die einen bedarfsorientierten Übergang von der Teil- zur Vollautomatisierung zulassen. Dies zeigte sich auch auf der vom Carl Hanser Verlag und dem Fraunhofer IPA am 10. und 11. Mai 2011 erstmalig in Stuttgart durchgeführten Fachtagung Mikromontage. Knapp 70 Teilnehmer diskutierten anwendungsorientiert aktuelle und zukünftige Anforderungen an die Handhabungs- und Zuführtechnik sowie die Montage- und Integrationstechnik zum Aufbau hybrider Mikrosysteme. In Vorträgen namhafter Unternehmen wurden die Teilnehmer über verfügbare Lösungen, insbesondere für Fälle mit veränderlicher Stückzahl und hoher Produktvarianz, informiert. Welchen Herausforderungen sich die Mikromontagetechnik stellen muss und welche Maßnahmen und Ansätze dafür geeignet sind, zeigen die folgenden, an industriellen Anwendungen orientierten Fallbeispiele – angefangen beim übergreifenden Thema der Handhabung über das Fügen sensibler Bauteile bis hin zum visionären Self-Assembly.

 

Zuverlässiges Handhaben von Mikrokomponenten

 

Mit der stetigen Miniaturisierung von Produkten und der gleichzeitigen Steigerung des Integrationsgrads werden die Produktkomponenten immer kleiner. Dagegen wird die zunehmende Empfindlichkeit der Mikroteile und des Handhabungsprozesses gegenüber äußeren Einflüssen immer größer. So besteht beispielsweise bei jedem Greif- und Haltevorgang die Gefahr einer Beschädigung oder Kontamination wichtiger Funktionsstrukturen. Auf Prozessebene wiederum kann es vorkommen, dass bei der Verarbeitung das gegriffene Teil mit seinem hohen Verhältnis von Oberfläche zu Gewicht, beispielsweise aufgrund von Adhäsion durch Van-der-Waals-Kräfte, anhaftet. Ein gezieltes Bereitstellen zur Bearbeitung und ein Ablegen in definierter Position ist damit nur eingeschränkt möglich. Während in der Makrowelt solche Einflüsse weitestgehend zu vernachlässigen sind, gilt es in der Mikromontage diese zu vermeiden, zu beherrschen oder gar gezielt zu nutzen. Ziel der Mikromontage ist es daher, die Anzahl erforderlicher Handhabungsschritte im Bereich der Fertigung und der Verarbeitung sowie der Montage auf ein Minimum zu reduzieren. Eine Möglichkeit sind angepasste Werkstückträgersysteme. Zudem wird versucht, die in der Mikrowelt auftretenden Oberflächeneffekte zum Halten und Greifen von Bauteilen gezielt zu nutzen und störende Effekte zu kompensieren. Beispiele hierfür sind Adhäsionsgreifer beziehungsweise mikrostrukturierte, nichthaftende Greifoberflächen. Ein vom Fraunhofer IPA für den Bauteiltransport und die Zuführung mikrotechnischer Bauteile verfolgter Lösungsansatz ist ein universelles, an die Applikation anpassbares Trägersystem. Dieses besteht aus einem Rahmen, der als Schnittstelle für den Operator oder die Anlagentechnik dient, und aus einsetzbaren passiven oder aktiven Fixierelementen (Bild 2) zur Aufnahme der Bauteile und Substrate. Während das Rahmenteil möglichst einheitliche, eventuell einem Standard entsprechende Abmessungen aufweist, werden die Einsätze bauteilspezifisch und für möglichst viele Prozesse ausgelegt. Die Fertigung dieser Einsätze erfolgt je nach Anforderung durch unterschiedliche Aufbau- und  Integrationstechniken. Neben der einfacheren Fixierlösung sind aktive Module denkbar, die sensorische und/oder aktorische Funktionalitäten aufweisen und damit die Bearbeitung unterstützen. Das können sowohl in die Aufnahme integrierte, elektrische Kontakte zur Inline-Prüfung sein als auch eine Aktorik zur definierten, räumlichen Ausrichtung des Bauteils relativ zum Werkzeug.

 

Montage von biegeschlaffen Mikrokomponenten

 

Die wesentliche Herausforderung beim Fügen mikrotechnischer Fasern, Drähte oder ähnlicher Elemente mit einem Durchmesser von weniger als 500 μm ist die Auslenkung oder Verformung, die aufgrund der Flexibilität beim Beschleunigen oder bei Berührung entsteht. So kann es vorkommen, dass das Element zwar definiert im Greifer liegt, das freiliegende Bauteilende jedoch abhängig von seiner Orientierung oder durch die Berührung mit dem Substrat beim Fügen einen undefinierten Versatz zur Mittelachse aufweist. Ein hochpräzises Positionieren des referenzierten Greifers unter Annahme einer durch das Greifen bestimmten Bauteilposition ist hier nicht ausreichend. Unabdingbar für ein zuverlässiges Aufsetzen (zum Beispiel auf einer Kontaktfläche, Bild 3) oder für ein definiertes Einfädeln (zum Beispiel in eine Bohrung), ist daher die Bestimmung der tatsächlichen Bauteillage und der exakten relativen Position des Bauteilendes vor und während des Fügevorgangs. Dabei ist zu berücksichtigen, dass mit geringer werdendem Durchmesser die Empfindlichkeit gegenüber äußeren Krafteinwirkungen wächst und daher bereits kleinste Kräfte wie auftretende Oberflächeneffekte, Luftströmungen oder Reibungen ausreichend sind, um eine axiale und/oder laterale Auslenkung zu bewirken. Ein in der Mikromontage typischer Lösungsansatz ist der Einsatz von Bildverarbeitungstechnik zur Bauteilbestimmung und Prozessüberwachung – eine Maßnahme, die bei der Automatisierung in den meisten Fällen unumgänglich ist. Die am Fraunhofer IPA für derartige Industrieanwendungen entwickelte Mikromontagelösung kombiniert mehrere Kameras und Beleuchtungssysteme. Dabei wird die Bildverarbeitungstechnik zum Referenzieren und zur Kontrolle des Montagewerkzeugs eingesetzt. Des Weiteren wird sie zur Bestimmung der tatsächlichen Bauteillage im Zuführbereich und am Greifwerkzeug verwendet sowie zur genauen Lagebestimmung des Substrats. Zusätzlich dient die Bildverarbeitungstechnik zur Ermittlung des Oberflächenzustands, wie zum Beispiel der Reinheit relevanter Oberflächenstrukturen. Als wesentliche Erfolgsfaktoren für die Zuverlässigkeit der erzielbaren Montage wurde eine Auslegung der optischen Systeme und eine optimale Ausleuchtung des Montagebereichs zur Erkennung kleinster Strukturen vorgenommen. Des Weiteren wurde eine mögliche Kapselung des Montagesystems zur Reduzierungstörender Lichteinflüsse aus der Umgebung berücksichtigt. Entwickelt wurde mit dem Systemaufbau unter anderem ein Verfahren zum Einfädeln und Fügen von Mikrofasern mit einem Durchmesser von weniger als 100 μm.

 

Self-Assembly von LEDs

 

Die Mikrosystemtechnik ermöglicht innovative Produkte in den unterschiedlichsten Anwendungsfeldern. Dies führt dazu, dass Montagelösungen gefordert werden, bei denen die konventionellen Mikromontagetechniken an ihre technischen und/oder wirtschaftlichen Grenzen stoßen, beispielsweise wenn eine große Anzahl kleinster Sensor- oder Aktorelemente über eine große, beliebig geformte Fläche verteilt und mit höchster Präzision in die Produktoberfläche montiert werden sollen. Erforderlich ist dies unter anderem zur Herstellung großflächiger Produkte mit sensitiver oder aktiver Oberfläche. Ein mögliches Beispiel wären flexible Leuchtmittel auf Folienbasis mit hybrid integrierten Leuchtdioden. Die Herausforderung, die derartige Anwendungenan die Mikromontagetechnik stellen, liegt in der parallelen und zuverlässigen Montage mehrerer Elemente in einem Prozessschritt. Dies erfordert innovative Montagetechniken, die über das klassische Verfahren des Pick & Place hinausgehen. Geforscht wird daher an neuartigen Montageverfahren, die sich die in der Nano- und Mikrowelt auftretenden physikalischen und chemischen Effekte zunutze machen. Ein Beispiel hierfür ist das sogenannte Verfahren des ›Self-Assembly‹, bei dem die Bauteile sich, getrieben durch definierte Oberflächenkräfte, selbstständig an gewünschter Stelle positionieren und ausrichten. Ein diesbezüglicher Lösungsansatz des Fraunhofer IPA beruht auf dem Effekt der selbstständigen Anordnung, beispielsweise eines Mikrochips, sobald er mit einem auf das Substrat aufgebrachten, definiert geformten Flüssigkeitsdepot in Berührung kommt. Das Bauteil richtet sich hierbei entsprechend der Lage des mit Flüssigkeit benetzten Oberflächensegments aus. Zur geometrisch bestimmten Einstellung des aufgebrachten Flüssigkeitstropfens werden in einem hydrophoben Umfeld mittels einer ortsselektiven Oberflächenaktivierung definiert hydrophile Bereiche erzeugt. Die Form dieser Segmente entspricht der Kontur des Bauteils, wodurch dieses sich im Prozess entsprechend ausrichtet. Entwicklungsziel ist es, dass über eine grob positionierende Vorrichtung parallel die Bauteile auf den verteilt angeordneten Flüssigkeitsdepots abgelegt werden und sich diese dann selbstständig montieren. Durchgeführt werden die Arbeiten innerhalb des von der EU in FP7 geförderten Projekts ›Lightrolls‹ (www.lightrolls.eu).

 

Modulare Prozesstechnik

 

Neben der Entwicklung innovativer Prozesse für die Montage mikrotechnischer Produkte liegt die Herausforderung darin, der Industrie eine Anlagentechnik zur Verfügung zu stellen, die bei typischerweise variierenden Stückzahlen und hoher Produktvarianz eine wirtschaftliche Montage ermöglicht. Wichtig dabei ist die möglichst einfache und bedarfsabhängige Integration der jeweils erforderlichen Prozesse. Einen Lösungsansatz stellen modulare Montageanlagen dar, wie beispielsweise der vom Fraunhofer IPA entwickelte ›μProductionTower‹ (Bild 4). Dieser Ansatz sieht das Kapseln eines Prozesses innerhalb eines Moduls vor, sodass dieser einfach integriert und bei Bedarf ausgetauscht werden kann. Während bisherige Modularisierungslösungen meist firmenspezifisch sind und damit das Prozessspektrum einschränken, soll im Rahmen eines im Spitzencluster MicroTec Südwest laufenden und vom BMBF geförderten Projekts eine anbieterübergreifende modulare Systemtechnik mit Prozessen für die Mikromontage entwickelt werden. Ziel ist ein Modulbaukasten, der dem Anwender unterschiedliche mikrotechnische Prozessmodule zur bedarfsorientierten und wirtschaftlichen Integration in seine Montageplattform bereitstellt. Begleitet wird das Projekt von einem für Produzenten mikrotechnischer Produkte offenen Anwenderkreis. Weitere Informationen hierzu unter www.mikromontage.net.

 

Die Abteilung Reinst- und Mikroproduktion des Fraunhofer IPA betreibt seit mehreren Jahren Forschung und Entwicklung in der Mikromontagetechnik. Das Leistungsspektrum erstreckt sich von Machbarkeitsuntersuchungen über die Verfahrensentwicklung und -automatisierung bis hin zur Anlagenkonzeption und prototypischen Umsetzung. Möglich ist auch die Herstellung von Muster- und Pilotserien. Das Ziel der Arbeit sind ganzheitliche Montagelösungen, die alle relevanten Kern- und Hilfsprozesse umfassen und so zur Erreichung der geforderten Qualität und Zuverlässigkeit beitragen. Für die Arbeiten stehen Reinraumlabore mit modernster Ausstattung zur Verfügung. 

 

AUTOR
DIRK SCHLENKER ist Gruppenleiter
Mikromontage am Fraunhofer-Institut für
Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart; schlenker[at]ipa.fraunhofer.de

 

INSTITUT
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik
und Automatisierung (IPA)

70569 Stuttgart
Tel. +49 711 970-1508
Fax +49 711 970-1007
http://www.ipa.fraunhofer.de