Montage hybrider Mikrosysteme (eBook)

Handhabungs- und Fügetechniken für die Klein- und Mittelserienfertigung

Ulrich Dilthey, Anette Brandenburg (Herausgeber)

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2005 | 2005
X, 218 Seiten
Springer Berlin (Verlag)
978-3-540-27536-7 (ISBN)

Infos

Das Buch beschreibt die Technologien rund um die Montage hybrider Mikrosysteme. Nicht der Entwurf oder das Mikrosystem als solches stehen im Vordergrund, sondern die Fertigungstechnologien zu ihrer Beherrschung. Neben den reinen Fügeverfahren werden die Handhabung sowie die Prozessüberwachung und -steuerung, die Sensorentwicklung und -integration und die zu verwendenden Werkstoffe behandelt. Ziel des Buches ist eine umfassende Dokumentation neuer Montage- und Fügetechnologien für hybrid aufgebaute, nicht für monolithische Mikrosysteme. Es dient dem Wissenschaftler ebenso wie dem Anwender als unterstützendes Werkzeug für die Auswahl des aus technologischer Sicht prädestinierten Verfahrens für hybride Mikrosysteme.

Professor Dr.-Ing. Ulrich Dilthey

Langjährige Tätigkeit in Führungspositionen weltweit operierender, führender Unternehmen auf den Gebieten Schweißtechnik, Mechanisierung, Automatisierung und Robotic. 1989 Berufung zum Universitätsprofessor für Schweißtechnische Fertigungsverfahren und Ernennung zum Direktor des gleichnamigen Instituts der RWTH Aachen. Aktives Mitglied in verantwortlichen Positionen im VDI, im DVS (Mitglied des Präsidiums, Vorsitzender des Ausschusses für Technik), im International Institute of Welding (IIW, Mitglied des Board of Directors, Chairman des Technical Management Boards), in der American Welding Society (AWS), im Verein VDEh, in der DGM, der DECHEMA und vielen anderen Organisationen, nationalen und internationalen technischen Ausschüssen. Redaktionsbeirat führender technischer Zeitschriften und Programmkommissionen technischer Tagungen.
1972 erhielt Herr Professor Dilthey die Borschers Plakette der RWTH-Aachen, 1996 den Adams Memorial Membership Award der AWS, 1996 den Ehrenring des DVS, 1998 die Ehrenmedaille des VDI, 2001 die Stanislaw Olszewski Medaille der Schweißtechnischen Sektion des Vereins Polnischer Ingenieure, 2002 die Brooker Medal des TWI.

Anette Brandenburg, geboren am 01. Oktober 1967 in Simmerath, studierte von 1987 bis 1992 an der TU München Maschinenwesen mit dem Schwerpunkt Fertigungs- und Betriebstechnik. Nach dem Studium arbeitete sie drei Jahre im Institut für Schweißtechnische Fertigungsverfahren (ISF) der RWTH Aachen auf dem Gebiet der Klebtechnik. Im Juli 1996 promovierte sie bei Prof. Dr.-Ing. Ulrich Dilthey. Seitdem ist sie als Oberingenieur im ISF tätig. 1996 war sie maßgeblich an der Gründung und dem Aufbau des Technologie Centrums Kleben in Übach-Palenberg (bei Aachen), der Klebtechnischen Lehranstalt des DVS, beteiligt. Im Rahmen der Arbeitsgruppe V8 des DVS arbeitete sie an der Erstellung der DVS-Ausbildungsrichtlinien für Klebpraktiker und Klebfachkräfte mit.

Inhalt

Vorwort 5
Inhaltsverzeichnis 7
1 Einleitung 10
2 Handhabung und Justage 14
2.1 Greifer und Montagemaschinen 16
2.1.1 Einleitung 16
2.1.2 Prozesssicherheit in der Mikromontage 17
2.1.3 Handhabungssysteme zur automatisierten Mikromontage 24
2.1.4 Zusammenfassung 28
Literatur 29
2.2 Passive Justage für die Montage 30
2.2.1 Einleitung 30
2.2.2 Stand der Technik 31
2.2.3 Theoretische Analyse passiver Justagestrukturen 32
2.2.5 Zusammenfassung 43
Literatur 44
2.3 Passive Justage zur Prüfung und Kontaktierung von Mikrosystemen 48
2.3.1 Einführung und Motivation 48
2.3.2 Angewandte Methoden 50
2.3.3 Ergebnisse 55
2.3.4 Diskussion und Ausblick 58
Literatur 59
2.4 Aktive Laserstrahljustage 62
2.4.1 Laserstrahlumformen von Mikrostrukturen 62
Literatur 65
3 Fügeverfahren 66
3.1 Weichaktivlöten 68
3.1.1 Einleitung 68
3.1.2 Entwicklung 69
Literatur 73
3.2 Transient Liquid Phase Bonding 74
3.2.1 Grundlagen 74
3.2.2 Abscheidung mittels PVD-Verfahren und Fügung mittels Laser- und Elektronenstrahl 78
3.3 Laserstrahl-Löten 88
3.3.1 Stand der Technik 88
3.3.2 Laserstrahl-Weichlöten eines keramischen Schaltungsträgers 93
3.4 Laserstrahlbonden 100
3.4.1 Waferbonden – Stand der Technik 100
3.4.2 Laserstrahlbonden von Silizium und Glas 100
3.4.3 Mikrostrukturelle Charakterisierung 103
3.4.4 Technologische und mechanische Eigenschaften 104
3.4.5 Thermisch geregelte Prozessführung 108
3.4.6 Potentiale des Laserstrahlbondverfahrens 110
Literatur 111
3.5 Laserstrahlmikroschweißen 112
3.5.1 Laserstrahlschweißen von Metallen 112
3.5.2 Laserstrahlschweißen von Kunststoffen 121
Literatur 130
3.6 Elektronenstrahl-Schweißen 132
3.6.1 Einleitung 132
3.6.2 Technologie 133
3.6.3 Strahlführungsprinzipien 138
3.6.4 Verfahrensablauf 139
3.6.5 Fügebeispiele 140
3.6.6 Ausblick 145
Literatur 145
3.7 Ultraschallschweißen von Kunststoffen 146
3.7.1 Energieumsetzung beim Ultraschallschweißen 147
3.7.2 Maschinentechnik 148
3.7.3 Verfahrensvarianten 149
3.7.4 Einflussfaktoren auf den Ultraschallschweißprozess 150
3.7.5 Ultraschallschweißgerechte Konstruktion der Fügeteile 150
3.7.6 Anforderungen an eine Maschinentechnik für die Mikrotechnik 152
3.7.7 Entwicklung eines Maschinenkonzeptes 152
3.7.8 Entwicklung einer geeigneten Probekörpergeometrie 154
3.7.9 Experimentelle Untersuchungen und Prozessanalyse 155
Literatur 156
3.8 Mikro-Montagespritzgießen 158
3.8.1 Verfahrensbeschreibung 158
3.8.2 Bauteilbeispiele 163
3.8.3 Untersuchung der Verbundfestigkeit 165
3.8.4 Ausblick 167
Literatur 167
3.9 Mikrokleben 170
3.9.1 Einleitung 170
3.9.2 Klebstoffe 171
3.9.3 Prozesstechnik 176
Literatur 181
4 Prozesskontrolle 182
4.1 Offline-Verfahren 184
4.1.1 Einführung in die Laserscanning-Mikroskopie 185
4.1.2 Angepasste Oberflächeninterpolation 187
4.1.3 Mehransichtenmethode 193
4.2 Inline-Verfahren 196
4.2.1 Bildverarbeitung 196
4.2.2 Faser-Optik 205
4.2.3 Pyrometrie 216
Literatur 226

Textauszug

3.1 Weichaktivlöten (S. 59-60)
E. Lugscheider und S. Ferrara, Lehr- und Forschungsgebiet Werkstoffwissenschaften, RWTH Aachen

3.1.1 Einleitung

Neben den gängigen Lötprozessen in der Mikrosystemtechnologie hat sich ein innovatives Lötverfahren als besonders interessant erwiesen: das Weichaktivlöten (Smith 2001, Lugscheider u. Ferrara 2004). Zielsetzung dieses Verfahrens ist es, artungleiche Werkstoffe in der Mikrotechnik stoffschlüssig zu fügen und hybride Mikrostrukturen zu realisieren. Hierbei wurde besondere Aufmerksamkeit auf die Löttemperatur gerichtet, da zu hohe Prozesstemperaturen für zahlreiche Anwendungen in der Mikrotechnik von Nachteil sind. In der Makrotechnologie werden Aktivlötprozesse erfolgreich zum Verbinden keramischer Werkstoffe untereinander bzw. an metallische Werkstoffe eingesetzt. Um die Benetzung der nicht metallischen Substrate zu ermöglichen, muss allerdings das Aktivlötverfahren mit Prozesstemperaturen von mindestens 850 °C und Schutzgas- oder Hochvakuumatmosphäre durchgeführt werden. Im Gegensatz dazu kann man durch das Weichaktivlöten, das in der Mikrotechnik angewendet wird, in einem Temperaturbereich von 200 – 450 °C metallische und nichtmetallische Werkstoffe benetzen. Aufgrund der niedrigen Prozesstemperaturen wird darüber hinaus das Auftreten thermisch induzierter Spannungen wegen der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der hybriden Mikrobauteile vermieden (Hillen et al. 1998).

Mittels des Weichaktivlötens ist es möglich, artgleiche, artfremde oder schwer benetzbare Werkstoffe wie Glas, Silizium oder Keramik miteinander bzw. an metallische Werkstoffe zu fügen. Die Problematik der Beschränkungen hinsichtlich der zu fügenden Grundwerkstoffe, die häufig bei anderen Fügeverfahren in der Mikrotechnologie auftritt, entfällt deshalb bei diesem Lötprozess. Von großer Bedeutung bei diesem innovativen Fügeverfahren sind auch die kurzen Prozesszeiten sowie die Durchführung des Lötverfahrens an Luft, d.h. ohne Vakuum bzw. Schutzatmosphäre, und ohne Verwendung von Flussmittel. Beim konventionellen Weichlöten kommt dagegen üblicherweise Flussmittel zum Einsatz, das die Oxidhäute von der metallischen Oberfläche entfernt und deren Bildung während des Lötprozesses verhindert. Nach dem Weichlötprozess muss das Flussmittel entfernt werden, da es korrosiv wirken kann. Beim Weichaktivlöten hingegen tritt prinzipbedingt kein Problem hinsichtlich möglicher korrosiver Flussmittelreste in der Lötverbindung und Einsatz umweltschädlicher Reinigungsmittel auf.

Im Bereich der Mikroelektronik spielt heutzutage die Zusammensetzung der für die Fügeaufgaben verwendeten Lotlegierungen eine große Rolle, da gefährliche Stoffe wie Blei, Cadmium, Quecksilber bzw. sechswertiges Chrom nach der Richtlinie WEEE der Europäischen Kommission ab 1.1.2006 ersetzt werden müssen (Komm. Europ. Gem. 2001). Weichaktivlote enthalten keine gefährlichen Stoffe nach der o.g. Richtlinie und können problemlos für die Herstellung elektrischer sowie elektronischer Mikrobauteile eingesetzt werden.

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 28.12.2005
• Reihe/Serie: VDI-Buch
• Reihe/Serie: VDI-Buch
• Zusatzinfo: X, 218 S.
• Verlagsort: Berlin
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Maschinenbau
• Themenwelt: Wirtschaft ► Betriebswirtschaft / Management ► Logistik / Produktion
• Schlagworte: Fertigung • Fertigungsverfahren • Fügeverfahren • Handel • Handhabung • Mikrosystem (MEMS) • Mikrosystemtechnik • Prozessüberwachung • Steuerung • Systeme • Technologie • Verfahren • Werkstoff • Werkstoffe • Werkzeug
• ISBN-10: 3-540-27536-3 / 3540275363
• ISBN-13: 978-3-540-27536-7 / 9783540275367