Klebtechnik Kleben in der Mikrofertigung Kleine Verbindungen für große Innovationen
Inhalt Kleben Schlüsseltechnologie 1 im Mikrobereich Fundiertes Know-how in der 2 Mikrofertigung Kleben in kleinen Dimensionen 3 mehr als eine Fügetechnik Höchste Funktionalität auf 4 kleinstem Raum Innovative Leitklebstoffe für die 5 berührungslose Applikation Bilder Titelseite (links) Applikation von Leitklebstoff nach dem Ink-Jet-Prinzip. Siehe Seite 5 unten. (Mitte) Der Durchmesser der geklebten Endoskoplinse beträgt ca. 1 mm (Produkt: Karl Storz GmbH). (rechts) Mit Leitklebstoff gefertigtes elektronisches Bauteil. Siehe Seite 4 unten. Fraunhofer-Gesellschaft (FhG) Forschungspartner der Industrie Die Fraunhofer-Gesellschaft ist die führende unabhängige Trägerorganisation für Einrichtungen der angewandten Forschung in Europa. Sie betreibt derzeit 80 Forschungseinrichtungen, davon 57 Institute, mit etwa 12 700 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern an über 40 Standorten in der gesamten Bundesrepublik. Schwerpunkt des jährlichen Forschungsvolumens von über einer Milliarde Euro ist mit 900 Millionen Euro die Vertragsforschung für Industrie und öffentliche Hand, deren Ergebnisse einen wichtigen Beitrag zur Sicherung des Industriestandortes Deutschland leisten. IFAM Klebtechnik und Oberflächen Kompetenz und Know-how Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) Klebtechnik und Oberflächen ist die europaweit größte unabhängige Forschungseinrichtung auf dem Gebiet der industriellen Klebtechnik. Mehr als 120 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter sind mit der Forschung und Entwicklung für diese Fügetechnik beschäftigt. Ihr Ziel sind anwendungsorientierte klebtechnische Systemlösungen für die Wirtschaft. Multifunktionale Produkte, Leichtbau und Miniaturisierung erreicht durch die intelligente Kombination von Werkstoffen bieten neue Möglichkeiten, auf deren Realisierung sich das IFAM versteht. Die Arbeiten des Instituts reichen von der Grundlagenforschung über die Fertigung bis hin zur Markteinführung neuer Produkte. Die industriellen Einsatzfelder liegen im Anlagen- und Fahrzeugbau, in der Mikrofertigung sowie in der Verpackungs-, Textil- und Elektroindustrie. Der Arbeitsbereich Klebtechnik befasst sich vorrangig mit der Entwicklung und Charakterisierung von Klebstoffen, mit der konstruktiven Gestaltung von Klebverbindungen sowie ihrer Realisierung und Qualifizierung. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf zertifizierenden Aus- und Weiterbildungen in der Klebtechnik, denn eine zeitnahe, direkte und kompetente Personalqualifizierung wird beim Technologietransfer immer bedeutender. Der Arbeitsbereich Oberflächen ist in die Gebiete Plasmatechnik und Lacktechnik gegliedert. Hier geht es um die Vorbehandlung von Oberflächen der verwendeten Materialien. Dadurch werden den Werkstoffen zusätzliche Eigenschaften verliehen, die sie für weitere Anwendungsbereiche qualifizieren. Ein von beiden Bereichen bearbeitetes Feld ist die Oberflächen- und Grenzflächenanalytik. Das dort erlangte Basiswissen gewährleistet die Zuverlässigkeit von Klebverbindungen und Beschichtungen. Der Institutsteil Klebtechnik und Oberflächen ist nach DIN EN ISO 9001 zertifiziert, das Werkstoffprüflabor zusätzlich nach DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditiert. Das Klebtechnische Zentrum ist über DVS-PersZert nach DIN EN ISO/IEC 17024 als akkreditierte Personalqualifizierungsstelle für die klebtechnische Weiterbildung international anerkannt.
Kleben Schlüsseltechnologie im Mikrobereich Wertschöpfung entsteht vor allem durch neue, intelligente Technologien. Die Bedeutung von Forschung und Entwicklung als Wettbewerbsfaktor steigt ständig. Die Montage- und Fügeprozesse machen in der Mikrofertigung bis zu 80 Prozent der Herstellungskosten aus. Entsprechend hoch sind die Einspareffekte durch innovative Fügetechniken. Der Kunde setzt die Trends Wer mit Mikroprodukten an die Spitze will, muss seinen Kunden Spitzentechnologie zu attraktiven Preisen bieten. Herkömmliche Standards stoßen jedoch schnell an Grenzen nur moderne Werkstoffe sowie intelligente, wirtschaftliche Produktionsmethoden schaffen das Potenzial für den Erfolg im Wettbewerb. Doch vor dem Erfolg steht die Idee: Praxisorientierte Forschungs- und Entwicklungsarbeit ist die Voraussetzung für neue Produkte, die den ständig steigenden Ansprüchen der Kunden gerecht werden. Kleben die Schlüsseltechnologie Gerade in der Mikrosystemtechnik, der Feinwerk- und der Medizintechnik, der Mikroelektronik, der Optik sowie der Optoelektronik eröffnet das Kleben Unternehmen neue Perspektiven in der Produktion von kleinsten Bauteilen, die vielfältige Funktionen auf engem Raum vereinen. So können im gesamten Mikrobereich auch komplexe Konstruktionen in individuellen Konfigurationen geklebt werden. Gegenüber herkömmlichen Fügetechniken bietet das Kleben in der Mikrofertigung zahlreiche Vorteile. Unterschiedlichste Werkstoffe können spannungsarm miteinander verbunden werden; die niedrigen Prozesstemperaturen verringern die Belastung der Fügeteile und verhindern ihren Verzug. Gleichzeitig besteht eine hohe Temperatur- und Temperaturwechselbeständigkeit der Verbindung. Das Fügeverfahren ist flexibel einsetzbar. Zusatzfunktionen etwa optische oder elektrische Leitfähigkeit lassen sich durch den Klebstoff zusätzlich in das Bauteil integrieren. So ermöglicht die Klebtechnik innovative Produkte und erschließt zudem Rationalisierungspotenziale der Schlüssel für wirtschaftlichen Erfolg. Aufbau zur Qualifizierung von Leitklebstoffen. Auf keramischen Schaltungsträgern elektrisch leitend verklebte Bauelemente finden ihren Einsatz z. B. in der Fahrzeugelektronik. Klebtechnik Kleben in der Mikrofertigung 1
Fundiertes Know-how in der Mikrofertigung Weltweit wurden im Jahre 2004 mikroelektronische Produkte im Gesamtwert von rund 900 Milliarden Euro hergestellt. Dafür wurden mehr als 100 000 Tonnen Klebstoffe mit einem Wert von etwa einer Milliarde Euro eingesetzt. Die jährlichen Wachstumsraten in diesem Bereich betragen gegenwärtig ca. sechs Prozent. Mikrofertigung Je kleiner die Dimensionen, desto schwieriger wird das Kleben denn die aus dem Makrobereich bekannten Eigenschaften der Polymere lassen sich nicht uneingeschränkt in den Mikrobereich übertragen. Dadurch entstehen neue Herausforderungen. Um sie zu meistern, bedarf es beim Kleben im Mikrobereich des fundierten Knowhows kompetenter Fachleute. und den Vergleich verschiedener Fertigungskonzepte bis hin zu Prozessfähigkeitsanalysen und einer automatisierten Musterserienfertigung. Auf Kundenwunsch werden Mikroklebverbindungen mittels ausgewählter Prüfverfahren qualifiziert oder spezielle produktbezogene Prüfverfahren entwickelt. Das spezifische Anforderungsprofil von Anwendungen im Mikrobereich erfordert eine exakte Charakterisierung: In einem der ersten Arbeitsschritte werden die zu verklebenden Oberflächen untersucht, und es wird am Klebstoffmarkt projektbezogen nach verfügbaren geeigneten Klebstoffen recherchiert. Mit praktischen Versuchen und Simulationen werden Klebstoff und Klebverbindung nach Kundenwünschen oder international anerkannten Standards (DIN, EN, ISO etc.) für den Einsatz qualifiziert. Alternativ können Klebstoffe an spezielle Anforderungen angepasst werden. Zusammen mit dem Kunden werden Möglichkeiten zur Optimierung von Prozessen und Fertigungsmethoden, zur Anpassung vorhandener Produktionsanlagen und zur Behandlung und Vorbereitung der Oberflächen erarbeitet. Fertigungstechnik Ansprechpartner Mikrofertigung Dr.-Ing. Helmut Schäfer Telefon: +49 (0) 421 / 22 46-4 41 E-Mail sch@ifam.fraunhofer.de Dr. Thomas Gesang Telefon: +49 (0) 421 / 22 46-4 74 E-Mail ge@ifam.fraunhofer.de Bei Klebvorgängen im Bereich weniger Mikrometer garantiert erst die perfekte Abstimmung der Fertigungsprozesse den Erfolg. Mikrofertigungstechniken umfassen das reproduzierbare Aufbringen kleinster Klebstoffvolumina oder dünnster Klebschichten, die Positionierung und Justierung sehr kleiner Teile, ein kraft- oder weggeregeltes Fügen und die stressarme Aushärtung bei kleinen Taktzeiten. Diese Fertigungsschritte lassen sich mit einer am IFAM vorhandenen Mikroproduktionsanlage erproben. Sie erlaubt die Entwicklung Universelle Mikroproduktionsanlage (IFAM). (oben) Übersicht. (unten) Quellteller mit Mikroteilen, Greifer und Dispenser. 2 Klebtechnik Kleben in der Mikrofertigung
Kleben in kleinen Dimensionen mehr als eine Fügetechnik Für die faseroptische Datenübertragung wird eine VCSEL-Diode bei aktiver Rückkopplung in ein SMD-Gehäuse geklebt. Aufgrund von Toleranzen der Kunststofflinse der VCSEL-Diode können stark inhomogenen Klebschichtdicken (10 Mikrometer bis 490 Mikrometer) notwendig werden. Spezifikationsgemäß muss die Klebung eine Justage der Fügeteile zueinander mit einer Genauigkeit von kleiner ± 10 Mikrometer unter Einsatzbedingungen für 20 Jahre gewährleisten. Durch Auswahl eines für die Anforderung geeigneten Klebstoffs und Optimierung der Fertigungsparameter konnten die mechanischen Spannungen minimiert werden. Die geforderte langzeitbeständige Präzision ließ sich durch beschleunigte Alterungstests bestätigen. Optik Das Licht als Informationsträger ist das Medium des 21. Jahrhunderts. Voraussetzung für praxisgerechte Produkte und Anwendungen sind hoch präzise, miniaturisierte optische Bauteile, die extremen Belastungen standhalten. Klebverbindungen sind hier ideal geeignet: Richtig ausgeführt sind sie nicht nur wirtschaftlich, sondern auch spannungsarm und dimensionsstabil. Sie verbinden die unterschiedlichsten Materialien, bieten eine hohe Designfreiheit und ermöglichen zudem verlustarme, optisch transparente Verbindungen. In der Optoelektronik ist mit speziellen Klebstoffen die lichtleitende Verbindung von Komponenten möglich, wie es beispielsweise für die Glasfasernetze im Kommunikationsbereich erforderlich ist. In der Mikrooptik kommt die Klebtechnik bei der Produktion winziger optischer Komponenten zum Einsatz. Spannungsfreie Klebfugen verbinden beispielsweise Linsen und flexible Lichtleiter mit Metallen. Eine stressarme Mikroklebtechnik ist entscheidend für den Erfolg des Produktes, denn Stress in der Verbindung ist eine der Hauptursachen für das Auftreten von Fehlern und Ausfällen. Bei der Entwicklung einer geeigneten Klebtechnik bzw. Klebverbindung sind die maßgeblichen Einflussbereiche auf den Stress: Konstruktion, Werkstoff-Auswahl und Prozessführung. Diese Bereiche lassen sich mittels experimenteller Arbeiten und Finite-Elemente-Modelling (FEM) optimieren und aufeinander abstimmen. Medizintechnik Die Medizintechnik umfasst z. B. Geräte für Diagnose und Therapie sowie Prothesen und Implantate. Einerseits spielt bei den Letztgenannten wie auch bei Life-Science-Produkten die Biokompatibilität der Klebstoffe eine wichtige Rolle, andererseits herrscht in der Gerätetechnik ein stark zunehmender Kostendruck bei gleichzeitig hohem Qualitätsanspruch. Das Kleben in der Medizintechnik ermöglicht innovative, kostengünstige Produktionslösungen. So lassen sich beispielsweise Edelstahlkanülen preiswert und in großen Serien in Polypropylen-Kanülen einkleben. Geklebte Endoskopobjektive überstehen auch die Temperaturwechselbelastungen des Sterilisationsvorgangs, der nach jedem Einsatz eines medizinischen Instruments zwingend vorgeschrieben ist. Die optische Qualität des Endoskops bleibt davon unbeeinflusst. Die minimalinvasive Chirurgie ist ohne den Einsatz leistungsfähiger Endoskope nicht denkbar. Für die Montage der komplexen optischen Baugruppen werden hoch transparente und im Brechungsindex angepasste Klebstoffe eingesetzt. Der Durchmesser der Linse beträgt ca. 2,7 Millimeter (Produkt: Richard Wolf GmbH). Klebtechnik Kleben in der Mikrofertigung 3
Höchste Funktionalität auf kleinstem Raum Feinwerktechnik 4 Ansprechpartner Klebstoffformulierung Dr. Jana Kolbe Telefon: +49 (0) 421 / 22 46-4 46 E-Mail jk@ifam.fraunhofer.de Dr. Thomas Kowalik Telefon: +49 (0) 421 / 22 46-4 24 E-Mail kow@ifam.fraunhofer.de Klebtechnik Kleben in der Mikrofertigung Die fehlerfreie Beherrschung des Klebens von kleinen Bauteilen etwa in der Elektronik- oder der Uhrenindustrie ist die Grundvoraussetzung für das erfolgreiche Integrieren von Zusatzfunktionen durch den Klebstoff. Immer komplexere Anforderungen an Leistung und Funktion von Bauteilen verlangen auch von Klebstoffen mehr als die reine Verbindung zweier Fügeteile. Das IFAM hat in diesem Bereich umfassende Kenntnisse und innovative Lösungen erarbeitet. Mikroelektronik Das so genannte Leitkleben, also die Herstellung elektrisch leitender Verbindungen mit Klebstoffen, ist ein Meilenstein in der Produktion von mikroelektronischen Bauteilen. Elektrisch leitende Klebverbindungen ermöglichen Produkte und Anwendungen, die durch herkömmliche Lötverfahren bislang nicht realisierbar waren. So sind etwa elastische und dennoch hoch feste Klebverbindungen von Chips und anderen elektronischen Komponenten auf flexiblen Leiterplatten die Grundlage für innovative Anwendungen in vielen Bereichen. Die Produkte bewähren sich z. B. im Fahrzeug-, Maschinenund Anlagenbau, in der Medizintechnik, Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt und bei Haushaltsprodukten. Sie zeichnen sich durch höchste Funktionalität auf winzigem Raum und größtmögliche Zuverlässigkeit im Betrieb aus. In der Logistik werden in zunehmendem Maße zur Identifizierung und Qualitätssicherung von Warenströmen Transponder, so genannte RFID-Tags (Radio Frequency Identification), eingesetzt. Um hier über größere Reichweiten hin kommunizieren zu können, wird verstärkt auch der UHF-Bereich zur Datenübertragung erschlossen. Aus technologischen und wirtschaftlichen Formulierung von leitfähigen Klebstoffen mit produkt- oder fertigungsspezifisch angepassten Eigenschaftsprofilen. Beispiel: Solarzellen können mit einem im IFAM entwickelten temperaturwiderstandsfähigen Leitklebstoff (bis 300 C) zu Solarmodulen verbunden werden. Im Fertigungsprozess ist bei diesem Klebstoff innerhalb von 30 Sekunden die Weiterverarbeitung (Handhabbarkeit) gewährleistet. 12fach-Steckverbinder für Glasfaser-Bändchen zum Einsatz in der Datenübertragung. Die Fasern sind mit einer lateralen Präzision von ± 3 Mikrometern (zukünftig: ± 1 Mikrometer) in einen Kunststoffstecker eingeklebt (Produkt: Spinner GmbH). Hybridschaltungen werden in vielen Bereichen der Fahrzeugelektronik eingesetzt. Mit Leitklebstoffen in Oberflächenmontagetechnik (SMT) gefertigte Baugruppen bieten höchste Zuverlässigkeit auch unter extremen Betriebsbedingungen (Produkt: Conti Temic microelectronic GmbH).
Innovative Leitklebstoffe für die berührungslose Applikation Gründen kommt dabei einer kostengünstigen und zuverlässigen Aufbauund Verbindungstechnik eine besondere Bedeutung zu. Die Klebtechnik bietet hier Lösungen z. B. für die Chipmontage oder die Gestaltung der Antennen mit metallpulvergefüllten, elektrisch leitfähigen Klebstoffen. Diese Materialien müssen in immer kleineren Volumina (Pikoliter) und Strukturbreiten ( 50 Mikrometer) in der Serienfertigung appliziert werden. Hierzu eignet sich die Dosierung nach dem Ink-Jet-Prinzip, insbesondere, wenn die Applikation sehr flexibel und berührungslos erfolgen soll. Allerdings können marktverfügbare Leitklebstoffe wegen ihrer hohen Viskosität mit dieser Technik nicht verarbeitet werden. Im IFAM wurde daher ein neuer lösemittelfreier Leitklebstoff entwickelt, der trotz eines hohen Füllgrades (ca. 70 Gewichtsprozent Silber) eine niedrige Viskosität ( 80 Millipascalsekunden) und eine ausreichende Sedimentationsstabilität besitzt und sich mit dem Ink-Jet erfolgreich dosieren lässt. Für die wirtschaftliche Produktion von UHF-Antennenstrukturen in großen Stückzahlen unter Verwendung von elektrisch leitenden Klebstoffen sind besonders schnelle Drucktechniken von Vorteil, wie sie aus der Herstellung von Printmedien bekannt sind (z. B. Offset- oder Flexodruck). Die Rheologie der Klebstoffe muss auf die jeweilige Applikationsform Ink-Jet, Stempeln oder Drucktechniken abgestimmt sein. Die dafür notwendige Kenntnis der rheologischen Zusammenhänge wurde im IFAM erarbeitet. Mit diesem Dosierkopf eines Ink-Jet-Druckers wurde ein am IFAM formulierter elektrisch leitfähiger Klebstoff mit einem Füllstoffgehalt von 70 Gewichtsprozent Silber appliziert. Partikelgröße des Füllstoffes: 4 Mikrometer (D10), Durchmesser der Düse: 75 Mikrometer (Produkt: microdrop Technologies GmbH). Die Antennenstruktur zeigt die Leistungsfähigkeit von Dosierkopf und Klebstoff. Klebtechnik Kleben in der Mikrofertigung 5
Weiteres Informationsmaterial aus den Arbeitsbereichen Klebtechnik Oberflächen ist erhältlich. IFAM Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung Klebtechnik und Oberflächen Institutsleitung: Prof. Dr. Otto-Diedrich Hennemann Wiener Straße 12 28359 Bremen Telefon: +49 (0) 421 / 22 46-0 Fax: +49 (0) 421 / 22 46-4 30 E-Mail ktinfo@ifam.fraunhofer.de Klebtechnik Leitung: Dr.-Ing. Helmut Schäfer Telefon: +49 (0) 421 / 22 46-4 41 E-Mail sch@ifam.fraunhofer.de Weitere Informationen: www.ifam.fraunhofer.de