mikropro Die Untersuchung mikropro zum internationalen Stand der Mikroproduktionstechnik 1 Einleitung

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1 Mikrosystemtechnik mikropro Untersuchung zum internationalen Stand der Mikroproduktionstechnik J. Hesselbach, A. Raatz, J. Wrege, H. Herrmann, H. Weule, C. Buchholz, H. Tritschler, M. Knoll, J. Elsner, F. Klocke, M. Weck, J. von Bodenhausen, A. von Klitzing Die Untersuchung mikropro zum internationalen Stand der Mikroproduktionstechnik wurde vom Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, dem Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik und dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT durchgeführt. Ziel dieser Untersuchung war es, durch wissenschaftliche Recherchen und Fachgespräche mit den Technologieführern den weltweiten Stand der Technik und Forschung zu ermitteln und daraus den Forschungs- und Entwicklungsbedarf im Bereich der Mikroproduktionstechnik und die zukünftigen Potentiale dieser Technologien im Hinblick auf die marktübergreifende wirtschaftliche Nutzung miniaturisierter Produkte zu identifizieren. 1 Einleitung Weltweit ist die Miniaturisierung bei gleichzeitiger Funktionsintegration ein zentrales Thema der Produktentwicklung in den unterschiedlichsten Anwendungsfeldern. Bei der Fertigung einzelner Funktionsbaugruppen, aber auch kompletter Produkte, lassen sich zwei Entwicklungslinien feststellen: Die (klassischen) feinwerktechnischen sowie die (neueren) mikrotechnischen Verfahren. Die mikrotechnischen Miniaturisierungsansätze basieren auf Verfahren, deren Methoden aus den Verfahren in der Mikroelektronikfertigung abgeleitet wurden. Die Methoden der Feinwerktechnik dagegen nutzen eine eher evolutionäre Vorgehensweise, bei denen konventionelle Verfahren zur Herstellung miniaturisierter Bauteile, gegebenenfalls unter Einsatz neuer mikrotauglicher Materialien und Werkzeuge, weiterentwickelt werden [1]. Ein Beispiel dafür ist der Einsatz von Verfahren der Ultrapräzisionsbearbeitung bei der Fertigung kleinster Komponenten und Strukturen. Die Weiterentwicklung von Fertigungsverfahren, die mit formgebenden Werkzeugen arbeiten, in den Mikrometerbereich eröffnet interessante Ergänzungen und zum Teil auch Alternativen zu mikrotechnischen Prozessen (Bild 1). Bild 1. a) Mikrotechnische Miniaturisierung; Alkoholmessgerät (Quelle: IMT, Braunschweig) b) Feinwerktechnische Miniaturisierung (Quelle: FZK, Karlsruhe) Autoren J. Hesselbach, A. Raatz, J. Wrege, H. Herrmann Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) TU Braunschweig Langer Kamp 19 B, D Braunschweig Tel. +49 (0)531 / , Fax +49(0)531 / H. Weule, C. Buchholz, H. Tritschler, M. Knoll, J. Elsner Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik Universität Karlsruhe (wbk) Kaiserstr. 12, D Karlsruhe Tel. +49 (0)721 / , Fax +49 (0)721 / F. Klocke, M. Weck, J. von Bodenhausen, A. von Klitzing Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT Steinbachstr. 17, D Aachen Tel. +49 (0)241 / , Fax +40 (0)241 / c) Mikrostrukturierung (Quelle: Grundig) Aufgrund der vielfältigen Vorteile mikrosystemtechnischer Lösungen wird die Mikrosystemtechnik (MST) weltweit als eine Schlüsseltechnologie für das 21. Jahrhundert angesehen. In diversen Marktstudien (zum Beispiel in der 1999 durchgeführten Studie Wirtschaftliche Potentiale der Miniaturisierung aus industrieller Sicht [2]) wurde und wird der MST ein exponentielles Wachstum prophezeit. Es lässt sich allerdings aus derzeitiger Sicht ein Umsetzungsstau von der Forschung in die Praxis feststellen, da bisher nur für einige wenige Produkte die prognostizierten Umsatzerwartungen erfüllt wurden. Zu den wesentlichen Problemfeldern gehören: wt Werkstattstechnik online Jahrgang 93 (2003) H

2 hohe Komplexität der Produkte und Prozesse, Revolution in der Bauteilgröße, Notwendigkeit eines fachübergreifenden Wissens bei der Produktentwicklung, hoher Investitionsbedarf und damit hohes Risiko bei Fehlschlägen, oft nur ökonomisch sinnvoll für eine Massenproduktion sowie limitierte Produktflexibilität durch Adaption der mikroelektronischen Produktionsprozesse. Die Mikroproduktionstechnik umfasst in ihrer Gesamtheit alle einzelnen zum Teil hochspezialisierten Fertigungsverfahren für miniaturisierte Produkte und soll produktionstechnische Lösungen für eine wirtschaftliche Fertigung miniaturisierter Produkte bieten. Neben den wichtigen zumeist siliziumbasierten Fertigungstechnologien für Mikrosysteme (monolithische Mikrotechnik) wurden mit dem Einsatz neuer Werkstoffe und Mikrobauteilanforderungen vermehrt alternative Fertigungstechnologien für die Herstellung miniaturisierter Produkte (hybride Mikrotechnik) untersucht. Dabei konnte ein hohes Potential dieser Technologien insbesondere im Bereich der Mikrokomponentenherstellung festgestellt werden, da sich komplexe dreidimensionale Geometrien aus fast allen Materialien herstellen lassen. Sie zeichnen sich aufgrund ihrer Flexibilität und der zum Teil kurzen Fertigungszeiten insbesondere bei der Fertigung von mittleren und kleinen Stückzahlen aus. Über einen hybriden Aufbau lassen sich somit kostengünstig multifunktionale Mikrosysteme herstellen, die durch die Verknüpfung von mechanischen, elektronischen und optischen Komponenten Signalverarbeitung, Sensoren und Aktoren auf kleinstem Raum realisieren. In dieser Untersuchung wurde der Fokus auf die folgenden konventionellen Mikrofertigungstechnologien gelegt: spanende Bearbeitung; abtragende Verfahren (Funkenerosion, Laser); Urformen und Umformen; automatisierte Montage sowie Messtechnik und Qualitätssicherung. Der weltweite Stand der Technik im Bereich der Mikroproduktionstechnik wurde erfasst. Die Defizite und die zukünftigen Potentiale dieser Technologien im Hinblick auf die marktübergreifende wirtschaftliche Nutzung miniaturisierter Produkte wurden identifiziert. Mittels dieser Untersuchung der Mikroproduktionstechnik können realistische Einschätzungen der Perspektiven dieser Technologien für den Standort Deutschland getroffen sowie Defizite und der entsprechende Forschungsbedarf umrissen werden. Neben einer eingehenden Literatur- und Internetrecherche, ergänzt durch eine Patentrecherche, wurden dazu rund 50 persönliche technologieorientierte Interviews mit Experten geführt. Diese wurden in der Schweiz, in den USA und in Japan, Taiwan und Singapur aus Unternehmen und Forschungseinrichtungen ausgewählt, die auf dem Gebiet der Miniaturisierung und Ultrapräzisionsbearbeitung führend sind. Im Folgenden wird der in den einzelnen Technologien festgestellte weltweite Stand der Technik sowohl hinsichtlich der Potentiale als auch der technologischen Defizite zur Umsetzung einer branchenübergreifenden Miniaturisierung dargestellt und bewertet. Bild 2. Beispiele spanend erzeugter Mikrostrukturen 2 Spanende Mikrofertigungsverfahren Die Erweiterung der Verfahrensgrenzen der spanenden Fertigungsverfahren zu einer Miniaturisierung der Werkzeuge sowie einer Genauigkeitserhöhung der Bearbeitungsmaschinen bietet neue Möglichkeiten für die Mikrostrukturierung verschiedenster Werkstoffe und die Herstellung von Mikrobauteilen. In der Mikrozerspanung kommen praktisch alle aus dem konventionellen Bereich geläufigen Verfahren der Zerspanung mit geometrisch bestimmter und unbestimmter Schneide, wie Drehen, Fräsen, Bohren und Schleifen, zur Anwendung. Unterschieden wird zwischen Ultrapräzisionszerspanung, worunter meist die zerspanende Fertigung großflächiger Bauteile mit Submikrometer-Genauigkeit und optischen Oberflächenqualitäten verstanden wird, und Mikrozerspanung, womit meist die zerspanende Erzeugung von Strukturen mit Mikrometerabmessungen gemeint ist. Bild 2 zeigt einige Beispiele für spanend hergestellte Mikrostrukturen. In der Ultrapräzisionszerspanung werden fast ausschließlich Schneidwerkzeuge aus monokristallinem Diamant eingesetzt. Diamant besitzt einen sehr geringen Reibwert und eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, was sich günstig auf den Zerspanprozess auswirkt. Die Hauptvorteile dieses Schneidstoffes liegen in der großen Härte und in der Möglichkeit, eine Schneidkante von nahezu atomarer Schärfe zu erzeugen. Die Herstellung von extrem scharfen Schneidkanten gehört zu den wichtigsten Aufgaben, die in der Mikrozerspanung gelöst werden müssen. Eine Schneidkantenschärfe im Submikrometerbereich ermöglicht die Erzeugung von Oberflächen mit Rauheiten im Bereich weniger Nanometer, die somit optische Qualität besitzen [3]. Am meisten verbreitet und auch am weitesten erforscht ist derzeit das Ultrapräzisionsdrehen. Diewt Werkstattstechnik online Jahrgang 93 (2003) H

3 Bild 3. Bearbeitungsmaschinen für die Mikrozerspanung ses Verfahren wird unter anderem zum Erzeugen von Abformwerkzeugen aus Nichteisenmetallen für Fresnellinsen, wie sie beispielsweise in Overhead-Projektoren eingesetzt werden, oder für Rauheitsnormale, bei denen eine genau definierte Sinusstruktur zur Kalibrierung von Rauheitsmessgeräten genutzt wird, verwendet [4]. Wie in der konventionellen Fertigungstechnik, kann das Fräsen in der spanenden Mikrofertigung als das flexibelste Verfahren angesehen werden. Mit Einzahn-Diamantscheibenfräsern lassen sich ähnlich wie beim Foliendrehen Nuten erzeugen. Im Unterschied zum Foliendrehen lassen sich die erzeugten Nuten ein- oder mehrfach in entsprechenden Winkeln kreuzen, wodurch säulen- oder pyramidenförmige Strukturen entstehen. Werkstoffe, die in der Diamantbearbeitung zur Anwendung kommen, sind Aluminium, Kupfer, Messing, Neusilber und Nickel. Für die Stahlbearbeitung finden Hartmetallfräser Verwendung, die auch in der konventionellen Zerspanung eine weite Verbreitung haben. Hartmetallwerkzeuge sind aufgrund der einzelnen Körner, die sich in einer gewissen Mikro-Schartigkeit der Schneidkante zeigen, nicht geeignet, um optische Oberflächenqualitäten wie in der Diamantbearbeitung zu erreichen. Der vergleichsweise niedrige Preis sowie die Möglichkeit, im Gegensatz zu Diamantwerkzeugen auch Stähle bearbeiten zu können, liefern jedoch die Motivation für die Verwendung von Hartmetall als Schneidstoff für Mikrozerspanungswerkzeuge. Schon seit mehreren Jahren werden diese Miniaturfräser für die Strukturierung von Kupferelektroden für das Mikroerodieren sowie zur Fertigung filigraner Teile in der Schmuck- und Uhrenindustrie, aber auch für die Fertigung von Abformwerkzeugen in vergüteten Stählen eingesetzt [5]. Die für die Mikrofräsbearbeitung erforderlichen Diamant- und Hartmetallwerkzeuge sind derzeit mit Durchmessern im hunderstel Millimeterbereich kommerziell verfügbar. Das Mikrobohren hat sich vor allem im Bereich der mechanischen Leiterplattenbearbeitung etabliert. Die Mikrobohrwerkzeuge bestehen überwiegend aus HSS und Vollhartmetall mit kleinsten Durchmessern zum Teil unter 40 µm. Durch Mikroschleifen können plane Flächen oder Nuten sowie kleinste Bauteile, wie Miniaturwellen oder -bohrer, hergestellt werden. Da es sich bei den zu bearbeitenden Werkstoffen zumeist um Halbleiterwerkstoffe, Gläser, Keramiken oder Hartmetalle handelt, werden hauptsächlich Diamantschleifwerkzeuge eingesetzt. Das Schleifen von geradlinigen Mikrostrukturen wird durch Quer-Umfangs-Planschleifen durchgeführt. Da die eingesetzten Schleifscheiben sehr geringe Werkzeugbreiten von etwa 1 mm bis zu zirka 15 µm aufweisen können, spricht man auch vom Trennschleifen. Eine besondere Form des Trennschleifens ist das Dicing, bei dem Wafer durch Schleifen mit Schleifscheiben mit einer typischen Breite kleiner 100 µm, den Dicing Blades, in einzelne Chips zerteilt werden. Ein bedeutender Einsatzbereich dieser Technologie ist die Herstellung von Schreib-Leseköpfen für Magnetschichtspeicher, bei der die Bearbeitung dickerer Substrate aus unterschiedlichen Keramiken erforderlich ist [6]. Anwendungsbereiche von Schleifstiften sind beispielsweise die Uhren- und Feinmechanik, der Formen-, Werkzeug- und Lehrenbau, die Kugellager-, Düsen- und Schneideisenindustrie sowie der Stanz- und Presswerkzeugbau. Insbesondere in der Textilindustrie ist die Fertigung von Fadenführungen mit Durchmessern von 0,4 mm bis 4 mm aus Aluminiumoxid ein Anwendungsfeld für Mikroschleifstifte. Bei komplexeren Bauteilgeometrien, wie beispielsweise der Fertigung von keramischem Zahnersatz, kann das Koordinatenschleifen auf 5-Achs- Bearbeitungsmaschinen eingesetzt werden. Für die Mikroformerzeugung mit komplexen Geometrien und insbesondere für die Fertigung von Mikrobohrungen bietet das Ultraschallschwingläppen eine sinnvolle und manchmal auch die einzige Alternative zum Schleifen. Vorteil dieses Verfahrens ist die Möglichkeit, mit nur sehr geringen Kräften zu arbeiten und parallel eine Vielzahl von Kavitäten erzeugen zu können. Damit werden Einsenkungen im Durchmesserbereich kleiner 1 mm sowie die Bearbeitung dünner Substrate möglich. Die Fertigung von Mikrokomponenten mit Hilfe spanender Mikrofertigungstechniken stellt hohe Anforderungen an das Maschinenverhalten, da häufig Toleranzen von nur wenigen Mikrometern gefordert werden. Im Bereich der Feinwerktechnik, etwa der Uhren- und Schmuckindustrie, werden seit Jahrzehnten Präzisionsmaschinen mit geringem Bearbeitungsvolumen eingesetzt. Typische Arbeitsgenauigkeiten dieser Feinwerkmaschinen liegen heute bei unter 5 µm im gesamten Arbeitsbereich. Aufgrund der beengten Platzverhältnisse, die häufig in Uhrenmanufakturen herrschen, zeichnen sich diese Maschinen durch eine sehr kompakte Bauform aus. Bild 3 zeigt exemplarisch einige Bearbeitungsmaschinen für die spanenden Mikrofertigungstechniken. Im Großteil der modernen Ultrapräzisionsmaschinen werden hydrostatische Lagerungen in den Linearführungen eingesetzt. Die erhöhte Steifigkeit der hydrostatischen Lagerung gegenüber einer aerostatischen Lagerung sowie die guten Dämpfungseigenschaften erlauben neben der Dreh- und Fräswt Werkstattstechnik online Jahrgang 93 (2003) H

4 Bild 4. Feindrahtgeschnittenes Mikrozahnrad (Quelle: Panasonic) bearbeitung mit Diamantwerkzeugen zusätzlich eine Schleifbeziehungsweise Hartfeinbearbeitung mit CBN-Werkzeugen auf der Maschine. Maschinensysteme dieser Art ermöglichen Positioniergenauigkeiten im Submikrometerbereich. Neben neuartigen Maschinenkonzepten, wie tetraederförmige Maschinengestelle, gibt es Bestrebungen, die Maschinenabmessungen deutlich zu reduzieren, um den Energie- und Platzbedarf sowie insbesondere die Anschaffungskosten deutlich zu senken. Insgesamt stellt die Mikrozerspanung eine sinnvolle und vielversprechende Erweiterung der Palette der Mikrofertigungsverfahren dar. Zwar reicht die Kleinheit der erzeugten Strukturdetails nicht an diejenige heran, die mit den lithografischen Verfahren erreicht werden kann, jedoch bietet die Mikrozerspanung die Möglichkeit, verschiedenste Werkstoffe mit beliebigen räumlichen Strukturen zu versehen. Ein wichtiges zukünftiges Forschungsziel ist die ultrapräzise Stahlbearbeitung insbesondere im Hinblick auf die Herstellung von warm- und verschleißfesten Abformwerkzeugen. Dieser Anwendungsbereich ist eine Voraussetzung, um mit nachgeschalteten Replikationsverfahren eine kostengünstige Produktion hoher Stückzahlen von Mikrobauteilen zu ermöglichen [7]. Ansätze mit hohem Innovationspotential werden hierbei insbesondere bei der ultrapräzisen Stahlbearbeitung mit Ultraschallunterstützung [8, 9], dem Mikrobohren und -fräsen mit neu und weiterentwickelten Schneidstoffen für scharfkantige Werkzeuge sowie dem Mikroschleifen mit profilierten CBN-Umfangs- und Schaftwerkzeugen gesehen. werden. Der allgemein bei Mikrowerkzeugmaschinen feststellbare Trend zur Verkleinerung der Maschinen wurde auch hier beobachtet. Ein Beispiel dafür ist eine Senkerodiermaschine mit Abmessungen von etwa 200 mm x 50 mm x 50 mm. Auffällig ist zudem, dass dem Laserabtragen bei den besuchten Firmen in Japan keine Bedeutung zugemessen wird. Im Gegensatz dazu sind in Deutschland vielfältige Aktivitäten sowohl von Forschungseinrichtungen als auch zahlreichen Firmen in diesem Bereich erkennbar. Entwicklungspotential liegt hier zum Beispiel in der Fertigung hoher Aspektverhältnisse mit senkrechten Wänden und in der Minimierung der Strukturbreiten unter 50 µm. Der Einsatz des Elektrochemischen Abtragens (ECM), das in der Makrobearbeitung weit verbreitet ist, findet aufgrund der verfahrensspezifischen Strukturverrundungen nur bedingt eine Anwendung in der Mikrobearbeitung. Obwohl der Einsatz von Laserabtragmaschinen derzeit noch sehr neu ist und noch einiges Optimierungspotential bietet, wird die Bearbeitung mittels Mikrosenkerosion, Mikrodrahterosion und Mikrohartfräsen stets seine Berechtigung haben. Auch hier ist weiteres Handlungspotential, beispielsweise in der effizienten Elektrodenherstellung, der Maschinentechnik oder auch in der CAD/CAM-Kopplung, vorhanden. Es werden weiterhin alle Verfahren nebeneinander existieren, da jedes dieser Fertigungsverfahren verfahrensspezifische 3 Abtragende Fertigungsverfahren Bei den befragten Firmen und Forschungseinrichtungen konnte eine ausgeprägte länderspezifische Verbreitung der abtragenden Verfahren festgestellt werden. Die Entwicklung von Drahterodiermaschinen ist sowohl in Japan als auch in der Schweiz sehr weit fortgeschritten, wobei die eingesetzte Generatortechnik Oberflächenqualitäten bis unter 0,1 µm R a ermöglicht und Drähte mit Durchmessern bis zu 20 µm eingesetzt werden (Bild 4). Während Firmen in den USA die Mikrofunkenerosion kaum einsetzen und auch wenig über Forschungsaktivitäten diesbezüglich bekannt ist, konnte in Japan ein ausgesprochen intensiver industrieller Einsatz sowie ein sehr hoher Anteil dieses Verfahrens bei der universitären Forschung festgestellt Bild 5. Produktbeispiele des Kunststoffspritzgießprozesses (Quelle: Juken [JP], ikv [D], Nivarox [CH]) wt Werkstattstechnik online Jahrgang 93 (2003) H

5 Vor- und Nachteile hat, die produktspezifisch differenziert ausgenutzt werden. Eine sinnvolle Kombination dieser Verfahren erlaubt neue wirtschaftliche Perspektiven im Bereich der Miniaturisierung. 4 Ur- und umformende Verfahren 4.1 Urformende Verfahren Seit etwa 1980 werden urformende Verfahren, vorwiegend das Kunststoffspritzgießen, für die Herstellung von mikromechanischen Bauteilen angewendet (Bild 5). Die häufige Verbreitung dieser Technologie ist auf die Fähigkeit des Prozesses zurückzuführen, komplexe 3D-Geometrien in hoher Ausbringung kostengünstig herzustellen [10, 11]. So finden sich in Forschung und Industrie Produktbeispiele und Teststrukturen, die den Stand der Technologie repräsentieren: minimale Strukturbreiten von 2 µm bei maximal realisierbaren Aspektverhältnissen von etwa 100 sind im Kunststoffbereich möglich [12]. Die Kavitäten werden über Drahterodieren und Mikrofräsen (> 50 µm) sowie LiGA-Verfahren (< 50 µm) hergestellt. Zur Herstellung hochbelastbarer und verschleißfester Mikrobauteile wurde in den vergangenen Jahren das Mikro-Pulverspritzgießverfahren (µ-pim) entwickelt, das es ermöglicht, Mikrobauteile und mikrostrukturierte Teile in einer breiten Materialpalette aus Metallen und Keramiken zu fertigen (Bild 6). Aufgrund der im Vergleich zu reinem Kunststoff sehr zähen PIM-Formmassen sind die Einspritzdrücke hier sehr hoch. Gleichzeitig sind die zu entformenden Bauteile im Grünzustand sehr bruchempfindlich. Daraus ergeben sich extreme Anforderungen an die Handhabung der Bauteile sowie den Formenbau hinsichtlich Verschleißfestigkeit, Geometrieund Oberflächenqualität [13]. Hauptanwendungsfelder für den µ-pim-prozess sind derzeit unter anderem Telekommunikation, Dental- und Medizintechnik sowie die Herstellung von Halbzeugen für die Halbleiterindustrie. Derzeit erreichbare Strukturgrößen liegen unter 100 µm mit Form- und Lagetoleranzen von ± 0,05 % und Geometrien von ± 0,3 % des Nennmaßes. Trotz fortgeschrittener Technologie im Formgebungs - bereich fehlen derzeit eine durchgängige Automatisierung des µ-pim-prozesses, Rapid-Prototyping für Mikrobauteile, Maschinentechnik für minimale Spritzvolumina sowie die Simulation des Mikro-Formgebungsprozesses. Bild 6. Produktbeispiele des µ-pim- Prozesses (Quelle: InMaTec [D], SPT Roth [CH], FZK [D]) Bohrungen, zum Beispiel für Einspritzdüsen, werden Durchmesser von 50 µm bei einem Aspektverhältnis von 1 reproduzierbar hergestellt [15] (Bild 7). Für die Herstellung von Federn und Verbindungssteckern im endoskopischen Bereich werden im Biegeprozess minimale Drahtdicken von 80 µm verwendet [16]. Die Ausbringung beträgt dabei etwa 500 Stück pro Minute mit maximalen Biegefehlern von Umformende Verfahren Mit fortschreitender Miniaturisierung im MEMS-Bereich wurde auch das Mikro-Umformen weiterentwickelt, wobei vorwiegend Bauteile aus der Konsumgüterindustrie (wie Connector-Pins, Miniaturschrauben oder IC-Sockel) aus Technologien wie Stanzen oder Biegen in großen Stückzahlen hergestellt werden [14]. Speziell bei der Leadframeherstellung werden komplexe 2,5-D-Geometrien mit minimalen Strukturbreiten von 168 µm und Bauteildicken von 150 µm im kombinierten Stanz- und Biegeprozess mit einer Ausbringung von bis zu 2000 Stück pro Minute produziert [14]. Zur Herstellung von Bild 7. Produktbeispiele Stanzen, Biegen (Quelle: Induk Univ. [TW], LFT [D], Shinko [JP], Wafios [D]) wt Werkstattstechnik online Jahrgang 93 (2003) H

6 Im Bereich der Massivumformung wurden extrudierte Zahnräder mit einem Modul von 10 µm und einem Teilkreisdurchmesser von 100 µm realisiert. Mittels Kaltmassivumformung, deren Produkte in der Elektronikindustrie eingesetzt werden, wurden Kupfer-Pins mit einem Schaftdurchmesser von 0,8 mm und einer Wanddicke von 125 µm industriell hergestellt. Mittels der in den Anwendungsgebieten Mikrofluidik, Mikrooptik und Informationstechnologie eingesetzten Präge prozesse werden sowohl Mikrobauteile als auch Mikrostrukturierungen ermöglicht. Minimal reproduzierbar herstellbare Strukturen liegen im Bereich von 10 µm mit Aspektverhältnissen von bis zu 20 und Oberflächen - rauigkeiten von 20 nm (Bild 8). Neben der relativ hohen Ausbringungen umformender Prozesse fordert die Industrie präzisere Stanz- und Biege - prozessen mit Form- und Lagetoleranzen unter 2 µm sowie höhere Aspektverhältnisse und die Bearbeitung hochfester Materialien mit integrierter Sensorik zur Werkzeugbruch - erkennung. 5 Automatisierte Mikromontage Unter dem Oberbegriff der Mikromontage wurde der Stand der Technik der Fertigungs- und Montagekonzepte, der Handhabungseinrichtungen (Präzisionsroboter und Montagesysteme, Greifer und Speicher- und Zuführeinheiten) und eingeschränkt das Fertigungsverfahren Fügen untersucht. Bei der Entwicklung automatisierter Lösungen für die Montage komplexer hybrider Systeme sind die Kosten ein wichtiger Faktor, da durch die Montage bis zu 80 % der Produktionskosten von miniaturisierten Systemen beziehungsweise hybriden Mikrosystemen verursacht werden [1, 17]. Als eine Hauptmotivation für die Automatisierung von Mikromontageprozessen wurde weltweit die Entwicklung von wirtschaftlichen Montageprozessen genannt. Aber auch neue Technologien zu ermöglichen wurde als Motivation häufig genannt, wobei insbesondere von den Interviewpartnern aus den USA, Deutschland und der Schweiz diese Aussage oft in Verbindung mit dem Ziel höhere Genauigkeiten und gleichbleibende Qualität zu erreichen getroffen wurden, um neue Anwendungsbereiche wie faseroptische Systeme und Optoelektronik mit höheren Anforderungen erschließen zu können. Während in der Forschung auch parallele Montagestrategien, die die Kosten- und Zeitvorteile der Batch-Fertigung aus der Mikrotechnik in die Montage übertragen sollen, verfolgt werden, wurde von den Industrievertretern der serielle Montageprozess hinsichtlich der benötigten Genauigkeiten als notwendig angesehen. Produkt- und damit prozessabhängig werden parallele Montageschritte auch in Kombination mit seriellen nicht ausgeschlossen. Neben den noch häufig anzutreffenden Handarbeits- und mit Mikromanipulatoren ausgerüsteten Mikroskop-Arbeitsplätzen werden industriell überwiegend Roboter und Montagesysteme auf Basis kartesischer Achsanordnungen zur Montage von Mikrobauteilen genutzt. Einzelne Systeme erreichen dabei Montagegenauigkeiten von ± 1 µm, in Verbindung mit einem aufwendigen Kamerasystem und einer überlagerten intrinsischen Regelung, bei der die Information über die Lageabweichung aus dem zu montierenden Element gewonnen Bild 8. Produktbeispiele Massivumformung, Prägen (Quelle: Gunma Univ. [JP], SFS [D], LFT [D]) werden, sogar ± 0,3 µm (Bild 9). Diese Systeme werden allerdings oftmals kundenspezifisch auf die besonderen Anforderungen eines einzelnen Produkts hin entwickelt, so dass die Systeme die Genauigkeiten auf Kosten einer sehr geringen Flexibilität erlangen. Eine hohe Flexibilität wird aber als besonders wichtig für MST-Produkte angesehen, da es eine Vielzahl verschiedener Produkte mit unterschiedlichsten Funktionalitäten in eher kleineren Stückzahlen zu produzieren gilt. Grundsätzlich wurde Bedarf in einer Funktionserweiterung für Montagesysteme gesehen, die eine Positionierung und Orientierung in mehr als vier Bewegungsfreiheiten erlaubt, um in anderen Produktbereichen als der derzeitigen 2D-Pick&Place-Chip-Montage Anwendung zu finden. Ebenso wird für eine breite Automatisierung eine kostengünstigere Bild 9. SMS 1000 für die aktive automatisierte Montage von optischen Mikrosystemprodukten (Quelle: Sysmelec, Schweiz) wt Werkstattstechnik online Jahrgang 93 (2003) H

7 Gerätetechnik benötigt, um mit einem automatisierten Montageprozess in eine wirtschaftliche Konkurrenz zur manuellen Montage treten zu können. Forschungsseitig wird dies zunehmend auch in Verbindung mit dem Ziel, höhere Montage - genauigkeiten zu erreichen über die Entwicklung einer größenangepassten Gerätetechnik versucht [18]. Insbesondere in Japan wird dem Thema µ-factory ein großes Potential beigemessen (Bild 10). Ein zukünftiger Automatisierungsbedarf wird besonders von den europäischen und den nordamerikanischen Interviewpartnern in der gesamten Prozesskette gesehen. Dazu gehört sowohl eine durchgängige Prozessautomatisierung in den einzelnen Mikroproduktionstechniken als auch eine Einbindung der Fertigungsprozesse in den Gesamtprozess. Grundsätzlich stand immer die Überlegung im Vordergrund, durch automatisierbare Fertigungsprozessketten niedrige Produktionskosten zu erreichen, wodurch Chancen für neue Produkte beziehungsweise Produktionstechnologien auf dem Weltmarkt entstehen. Bild 10. Tisch-Montagesystem zur automatisierten Montage von Linsen für Endoskope (Quelle: Olympus) 6 Mikromesstechnik 6.1 Derzeitiger Stand Die Zukunft der Mikrosystemtechnik liegt in der Beherrschung der Integration hybrider Systeme, die aus mechanischen, elektronischen und optischen Systemkomponenten bestehen. Die Entwicklung dieser Systemkomponenten und die Fertigung der darin integrierten Bauteile verlangt eine flexible und hochpräzise Vermessung der Bauteile. Diese Bauteile sind mit entsprechenden Messverfahren zu untersuchen, wobei sich die Messaufgaben in vier Teilaufgaben gliedern: Materialtest, Gesamtheitsüberprüfung, Positions- und Dimensionsmessung sowie Test auf Funktionsfähigkeit. Wird die Häufigkeitsverteilung der einzelnen Messaufgaben als Kriterium zur Ermittlung der Anforderung herangezogen, so zeigt sich, dass nahezu 90 % aller metrologischen Anforderungen Dimensions- und Positionsmessaufgaben sind [19]. Infolgedessen liegt der Schwerpunkt dieser Ausführungen auf Messverfahren, die dieses erlauben. Des Weiteren muss eine Eingrenzung bezüglich der zu messenden Bauteile stattfinden. Während sich mikroelektronische Bauteile vorwiegend durch 2D-Strukturen auszeichnen, die mittels optischer Verfahren (Röntgeninspektion, vergleiche [20]) relativ problemlos in der Fertigungsprozesskette gemessen und funktional geprüft werden können, existieren diese Möglichkeiten für mikromechanische Bauteile nur eingeschränkt. Speziell für mikromechanische Bauteile sind Strategien, Technologien und Maschinen gefordert, die dreidimensionale komplexe Bauteile reproduzierbar präzise vermessen können [21]. Für Bauteilstrukturen im Bereich weniger hundert Mikrometer wird für die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse eine Genauigkeit von mindestens 0,1 µm sowie eine Auflösung von 0,01 µm und besser gefordert [22]. 6.2 Messverfahren Eine Aufstellung über mögliche Messverfahren in der Mikros ystemtechnik ist in Bild 11 wiedergegeben. Aus der Abbildung wird deutlich, dass sich grundsätzlich drei verschiedene Typen von Messverfahren im Einsatz befinden. Für geforderte höchste Auflösungen werden Rastersondenverfahren eingesetzt, auf die im Anschluss näher eingegangen wird. Eine zweite Gruppe von Messverfahren sind optische Verfahren, die aufgrund der berührungslosen Messung prinzipiell für das Vermessen von Mikrobauteilen geeignet scheinen, jedoch Schwächen im Bereich Vermessung hoher Aspektverhältnisse und in der Genauigkeit im Falle starken Reflexionsverhaltens des Probenwerkstücks haben. Die dritte Gruppe bilden taktile Verfahren. In der Schnittmenge aus tak- Bild 11. Potentielle Messverfahren in der Mikrofertigung wt Werkstattstechnik online Jahrgang 93 (2003) H

8 PFT Forschung für die Bild 12. Übersicht über Messverfahren für Mikrostrukturen und ihre typischen Einsatzgebiete tilen Verfahren die aufgrund ihrer prozessbedingten Messkraft oder Messkörpergeometrie für Mikrobauteile vorwiegend nicht einsatzfähig sind sowie optischen Verfahren liegen einige Geräte, die mit speziellen Antastelementen aus Glasfasern den Schwächen beider Verfahrensgruppen begegnen wollen Rastersondenverfahren (SPM: Scanning Probe Microscopy) Naheliegend in der Vermessung von Mikrostrukturen scheint zunächst der Einsatz von Rasterelektronenmikroskopen (REM) zu sein. Hochauflösend und stark vergrößernd (Auflösungsvermögen ab 1 nm, fache Vergrößerungen [23]) liefern sie Bilder in größter Tiefenschärfe. Jedoch haben Versuche am wbk, Karlsruhe, gezeigt, dass eine exakte Aufnahme des Probenkörpers aus verschiedenen Ansichten, die zur 3D-Auswertung nötig sind, aufgrund der innenliegenden Mechanik eines REM heute noch nicht zu bewerkstelligen sind. Ein klassischer Einsatzbereich für diese Messtechnologie ist heute die Materialforschung. Sowohl in der Entwicklung integrierter Schaltungen (ICs) auf Halbleiterbasis als auch in der Fehleranalyse von ICs sind jedoch andere Rastersondenverfahren im industriellen Einsatz. Sie erlauben den direkten Zugang in einem Rasterbereich von 0,1 nm bis 100 µm, ohne die Proben für die Mes- sung nachhaltig zu präparieren oder wie beim Rasterelektronenmikroskop im Vakuum zu arbeiten. Dadurch reduziert sich die Anzahl der möglichen Fehlereinflüsse und erhöht den Probendurchsatz in der Qualitätskontrolle. Besonders die Rasterkapazitätsmikroskopie (SCM = scanning capacitance microscopy) stellt hier ein gutes Messverfahren dar. Trotz allem findet der Einsatz der SPM-Methoden vorwiegend in der Forschung statt. Gründe hierfür liegen sowohl im hohen zeitlichen Aufwand für die Messung, bedingt durch die rasternde (serielle) Messweise, als auch in den hohen Anschaffungskosten sowie im notwendigen Expertenwissen. Beispielsweise ist die Auswertung und Quantifizierung der SCM-Messdaten aufgrund der Einflüsse verschiedener Messparameter (unter anderem Messsignalamplitude, Bias-Spannung, Aufladung der Probenoberfläche) [24] sehr anspruchsvoll Übersicht und Potentiale Wie der vorhergehende Abschnitt deutlich macht, ist es entscheidend, die Messaufgabe von Mikrostrukturen, die im Spannungsfeld zwischen hoher Auflösung, Mindestmessbereich (als auch Messgeschwindigkeit) und Anschaffungskosten liegt, im Vorfeld exakt zu analysieren. Standardlösungen gibt es für das Vermessen mikrostrukturierter Bauteile noch nicht. Sie sind in absehbarer Zeit noch nicht erkennbar. Abschließend zeigt Bild 12 eine zusammenfassende Über- wt Werkstattstechnik online Jahrgang 93 (2003) H

9 sicht heutiger Messverfahren und ihre zentralen Einsatzgebiete unter Beachtung von Auflösung und Messbereich, die als erste Eingrenzungsgrundlage in der Auswahl eines Messsystems für Mikrostrukturen herangezogen werden kann. Aufgrund der Eignung optischer Systeme, Bauteile im laufenden Produktionsprozess schnell, wirtschaftlich und vor allem berührungsfrei zwei- beziehungsweise dreidimensional vermessen zu können, wurden in der Industrie vorwiegend Verbesserungspotentiale optischer Systeme identifiziert. Zudem kommen diese Systeme in großer Anzahl bei den Unternehmen zum Einsatz. Im Bereich der Maschinentechnologie, um die Bauteilvermessung und eine fundierten Aussage über die stabile Prozessfähigkeit eines Produktionsprozesses zu ermöglichen, wurden seitens der befragten Unternehmen große Potentiale für zukünftige Verbesserungen deutlich. Zu diesen Verbesserungspotentialen zählen neben der Entwicklung kostengünstiger Messeinrichtungen zur In-Prozess- Kontrolle vor allem eine höhere Messauflösung, höhere Produktivität der Messeinrichtungen, verbesserte optische Systeme sowie Produktionsüberwachungssysteme für Parameter und durchgängige SPC-Auswertungen im Gesamtprozess. 7 Zusammenfassung Beim derzeitigen Stand der Mikroproduktionstechnik lässt sich im Vergleich der in den verschiedenen Ländern besuchten Einrichtungen kein allgemeiner Entwicklungsunterschied feststellen. Vielmehr sind traditionell bedingte, länderspezifische Schwerpunkte in der Anwendung und der Erforschung von Mikroproduktionstechniken sichtbar. Durch die starke MEMS-Entwicklung und die Unterstützung der Halbleitertechnik in den USA profitiert dort insbesondere die Branche der Automatisierungs- und Handhabungstechnik. Jedoch werden in den USA auch Ultrapräzisionsmaschinen und konventionelle Fertigungsverfahren entwickelt. Hingegen wird in Japan stärker versucht, über eine langfristige Forschung eine Produktionstechnik für miniaturisierte Produkte zu entwickeln und etablieren, die Schwerpunkte in den nichthalbleiterbasierten konventionellen Fertigungsverfahren und einer miniaturisierten Maschinentechnik hat. Hierdurch profitierende Branchen sind unter anderem die Feinwerktechnik, die Gebrauchsgüterindustrie, der Maschinen- und Anlagenbau sowie die optische Industrie. Aufgrund der umfangreichen Erfahrungen in der Fertigung miniaturisierter Produkte aus der Uhrenindustrie liegt der hauptsächliche Einsatzbereich der Mikroproduktionstechnik der Schweiz in der Feinwerktechnik. Dies sorgte für eine kontinuierliche Weiterentwicklung der dafür notwendigen mechanischen Produktionsverfahren. In Deutschland herrscht ein breites Wissen über die halbleiterbasierten mikrotechnischen Verfahren, die konventionellen Fertigungsverfahren, die größenangepasste Gerätetechnik und die Weiterentwicklung der konventionellen Gerätetechnik vor. Ein Schwerpunkt ist derzeit nicht feststellbar, so dass die Potentiale der verschiedenen Ansätze zukünftig gleichermaßen in der Mikroproduktionstechnik genutzt werden können. Eine Umsetzung dieser Technologien in der Entwicklung konkreter Produkte bietet aus Sicht aller Untersuchungsteilnehmer große Chancen, eine mikrotechnische Produktion speziell in lohnintensiven Industrieländern wirtschaftlich betreiben zu können. Generell rechnen die an der Studie teilnehmenden Firmen und Forschungseinrichtungen mit einer stetigen Weiterentwicklung im Bereich der miniaturisierten Systeme und der Mikroproduktionstechnik. Dagegen werden revolutionäre technische Entwicklungen und Marktentwicklungen in naher Zukunft nicht gesehen. Die konjunkturelle Schwäche des Weltmarktes wurde oftmals als größter, markthemmender Faktor angesehen. Überwiegende Meinung war jedoch, dass besonders in Zeiten schwacher Märkte eine Weiterentwicklung der Fertigungstechnologien und Produktentwicklungen notwendig sei, um nach einer wirtschaftlichen Erholung eine gute Ausgangsposition am Markt zu haben. Literatur [1] Hesselbach, J.: Montage miniaturisierter Bauteile. Fertigungstechnisches Kolloquium Stuttgart 2000 (FTK2000), Tagungsband. Berlin: Springer-Verlag 2000, S [2] Bierhals, R.; Cuhls, K.; Hüntrup, V.; Schünemann, M.; Weule, H.; Thies, U.: Wirtschaftliche Potentiale der Miniaturisierung aus industrieller Sicht. Abschlussbericht zur Studie des Wirtschaftsministeriums Baden-Württemberg, Karlsruhe, 1999 [3] Alschweig, E. u.a.: Skalierte Strukturen Konventionelle Verfahren in der Präzisions- und Mikrobearbeitung. Tagungsband: Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium. Aachen: Shaker-Verlag 2002, S [4] Brinksmeier, E.; Preuß, W.; Gessenharter, A.: Replication of Diamond Machined Calibration Standards for Surface Topography Measuring Systems. Production Engineering Vol. IX/1 (2002) [5] Weule, H.; Hüntrup, V.; Tritschler, H.: Microcutting of Steel to Meet New Requirements in Miniaturisation. Annals of the CIRP 50 (2001) H. 1 [6] Wenda, A.: Schleifen von Mikrostrukturen in sprödharten Werkstoffen. Dissertation, TU Braunschweig, 2002 [7] Klocke, F.; Bilsing, A.; von Bodenhausen, J.: Fertigungstechnische Aspekte in der Mikrosystemtechnik. MAV (2002) H. 3, S [8] Moriwaki, T.; Shamoto, E.: Ultraprecision diamond turning of stainless steel by applying ultrasonic vibration. Annals of the CIRP 40 (1991) H. 01, S [9] Brinksmeier, E.; Gläbe, R.: Elliptical Vibration Cutting of Steel with Diamond Tools. 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