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Institut  für Produktionstechnik Inhaltsverzeichnis  

Inhaltsverzeichnis   

Abk  ürzungen  1

1  Einleitung  2

1.1  Motivation  2

1.2  Zielsetzung  2

1.3  Aufbau der Arbeit  3

2  Mikrosystemtechnik  4

2.1  Einführung  4

2.2  Bedeutung der Mikrosystemtechnik  4

2.3  Einsatzbereiche und Marktpotential  5

2.4  Herausforderungen in der Mikrosystemtechnik  7

2.4.1  Technische Herausforderungen  7

2.4.2  Wirtschaftliche Herausforderungen  8

3  Qualitätssicherung von Mikrobauteilen  9

3.1  Ermittlung von Anforderungen in der Mikro-Messtechnik  9

3.1.1  Bedeutung der Messtechnik  9

3.1.2  Übertragung der Normenanforderungen für Mikrobauteile  9

3.1.3  Implizite Anforderungen beim prüftechnischen Umgang mit Mikrokomponenten  11

3.2  Geeignete Mikro-Messverfahren zur Qualitätssicherung  14

3.2.1  Konfokale Mikroskopie  15

3.2.2  Weißlichtinterferometrische Mikroskopie (WLI)  16

3.2.3  Digitale Holographische Mikroskopie (DHM)  17

3.2.4  Optisches Rasternahfeldmikroskop (SNOM)  17

3.2.5  Fiberskop  18

3.2.6  (Mikro-) Streifenprojektion  18

3.2.7  Rastersondenmikroskopie (SPM)  19

3.2.8  Rasterelektronen-Mikroskopie (REM)  20

3.2.9  Mikro-Koordinatenmessgeräte (MCMM)  21

3.3  Umsetzbarkeitsbetrachtung  22

4  Automatisierungstechnik für die Qualitätssicherung von Mikrobauteilen  25

4.1  Anforderungen an die automatisierte Qualitätssicherung  25

4.2  Automatisierungstechnik in der Mikro-Qualitätssicherung  25

4.2.1  Großraum-Positioniereinheiten  26

4.2.2  Mikro-Manipulatoren  27

4.2.3  Mikro-Greifer  27

Seite I

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4.2.4  Transportsysteme 29 

4.2.5  Komponenten zur Prozessüberwachung 29 

4.3  Umsetzbarkeitsbetrachtung 30 

5  Zusammenfassung und Ausblick 32  5.1  Zusammenfassung 32  5.2  Ausblick 33 

Abbildungsverzeichnis I 

Literaturverzeichnis II 

Anhang VIII 

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Abkürzungen

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1 Einleitung

1.1 Motivation

Als einer der zukunftsträchtigen technologiebasierten Trends wird u.a. insbesondere die Miniaturisierung gezählt, welche im Rahmen dieser Arbeit in das Handlungsfeld der Mikrosystemtechnik gezählt werden soll. Dabei kommt der Mikrosystemtechnik eine besondere Bedeutung zu, welche durch die Tatsache gegeben ist, dass sie das Potential zur Beeinflussung vieler sogenannter Megatrends hat. Aufgrund der anhaltenden Miniaturisierung von Systemen und deren Komponenten, wird dabei die Mikrosystemtechnik eine zentrale Rolle für zukünftiges unternehmerisches Handeln einnehmen. Die erhöhte Bedeutung der Mikrosystemtechnik wird weiterhin unterstrichen durch Überschneidungen mit anderen Zukunftstrends. So wird die Miniaturisierung im Bereich der Medizintechnik bereits zum aktuellen Zeitpunkt angewandt, aber auch im Bereich der Robotik wird eine Verkleinerung der Komponenten vorangetrieben. Diese durch die Trendforschung ermittelten Scenarios für die Zukunft im Zusammenhang mit der Mikrosystemtechnik stellen Forschungseinrichtungen und Unternehmen gleichermaßen vor besondere Herausforderungen.

Der Produktionsprozess kann dabei als der zentrale Problemschwerpunkt gesehen werden. Zum erreichen stabiler Produktionsprozesse, die sowohl fähig als auch vorhersagbar sind, wird eine effektive Qualitätssicherung benötigt, die durch geeignete Messverfahren die nötigen Qualitätsmerkmale ermitteln kann und somit letztendlich die Anforderungen der Kunden erfüllt [Buc-08]. Heutzutage wird hauptsächlich noch auf manuelle und damit prozessunsichere Tätigkeiten bei der Prüfung von Bauteilen gesetzt [Pfe-04] und anstelle einer modernen Qualitätssicherung auf eine Funktionsprüfung des vollständig montierten Systems zurückgegriffen. Im letzeren Fall ist dies besonders kostspielig, da das Produkt im Endzustand bereits einen hohen Wert hat und eine mögliche Fehlersuche bei vermehrten Defektteilen sich als sehr schwierig darstellt. Daher ist die Qualitätssicherung durch eine dimensionelle Messtechnik, die die nötigen Messunsicherheiten aufweist, als eine Voraussetzung zu sehen, um den gesamten Produktionsprozess effizienter zu gestalten. Hinzu kommt, dass die Zuverlässigkeit von Mikrosystemen in Zukunft eine größere Rolle spielen wird [Ger-06]. Eng verbunden mit der Qualitätssicherung ist die Automatisierung, da durch das Ausschalten menschlicher Ungenauigkeit eine deutlich höhere Outputrate mit entsprechend höherer Qualität möglich wird [Suz-03]. Mit Hilfe eines erhöhten Maßes an Qualitätssicherung und Automatisierung können die zurzeit enorm hohen Kosten in der Produktion, welche 80 - 95% der Gesamtkosten ausmachen [Pfe-04; Hue-04], deutlich gesenkt werden. Diese Möglichkeiten zur Anpassung der Qualitätssicherung an in der Makro-Welt übliche Standards soll daher Thema dieser Arbeit sein.

1.2 Zielsetzung

Basierend auf einer Literaturrecherche sollen in dieser Arbeit primär die aktuellen technologischen Themenschwerpunkte im Bereich der Qualitätssicherung von Mikrobauteilen überblickhaft vorgestellt werden. Die Literaturrecherche verzweigt sich zunächst in eine Normenrecherche und eine Literaturrecherche in Journals und Fachzeitschriften. Als ein Teilziel soll der Versuch unternommen werden, allgemeine Anforderungen bezüglich der Qualitätssicherung in der Produktion abzuleiten. Die so erhaltenen Anforderungen sollen als Rahmen für eine Analyse der Umsetzbarkeit dieser Anforderungen durch aktuelle Messtechnik dienen. Anhand des Überblicks zu den Mikromesstechniken in der Qualitätssicherung von Mikrobauteilen und den wichtigsten aus den Anforderungen herauskristallisierten Kriterien soll dann eine kurze, teils qualitative, teils quantitative Umsetzungsbetrachtung vorgenommen

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werden. Zuletzt sollen die Anforderungen einer automatisierten Qualitätssicherung im Bereich der Mikrosystemtechnik vorgestellt werden und die für eine Automatisierung notwenigen Handlingstechnologien sowie deren Umsetzbarkeit diskutiert werden. Bei dem jeweils erhaltenen Überblick kann es sich im Rahmen dieser Arbeit nur um eine Grobdarstellung handeln. Für eine detailliertere Darstellung sei auf die angegebene Literatur verwiesen.

1.3 Aufbau der Arbeit

Nach der Einleitung in Kapitel 1 wird zunächst in Kapitel 2.1 eine Einführung in die Thematik der Mikrosystemtechnik gegeben, um in den nachfolgenden Kapiteln 2.2 und 2.3 die Bedeutung und die Anwendungsfelder zu skizzieren. Kapitel 2 wird abgeschlossen durch einen Fokus auf die speziellen Herausforderungen in der Mikrosystemtechnik, welche die Ausgangssituation dieser Arbeit darstellen sollen. In Kapitel 3 wird nach einer kurzen Eingliederung der Qualitätssicherung und der Messtechnik die Rolle der Normen in Kapitel 3.1 kurz geschildert und nach erfolgter Normenrecherche allgemeine Anforderungen an eine Qualitätssicherung abgeleitet. Verfeinert wird diese durch Anforderungen aus einschlägiger Literatur der Mikrosystemtechnik. Bevor in Kapitel 3.3 Aussagen zu der Umsetzbarkeit dieser Anforderungen anhand von Kriterien gemacht werden können, werden in Kapitel 3.2 Messtechniken für die Qualitätssicherung von Mikrobauteilen vorgestellt. Ähnlich werden in Kapitel 4.1 die Anforderungen an eine automatisierte Qualitätssicherung beschrieben und diese anhand der in Kapitel 4.2 vorgestellten aktuellen Automatisierungstechnologien in Kapitel 4.3 hinsichtlich Umsetzbarkeit bewertet. Die Arbeit schließt mit Kapitel 5 ab, in dem eine kurze Zusammenfassung und ein Ausblick gegeben werden.

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2 Mikrosystemtechnik

2.1 Einführung

Die Mikrosystemtechnik (MST) betrachtet die Integration miniaturisierter elektrischer, mechanischer, optischer, thermischer oder fluidischer Funktionen von Komponenten in einem Gesamtsystem [Sch-09]. Bezüglich der für spätere Ausführungen relevanten Begriffe des Mikrosystems sowie der Mikrokomponente können vereinzelt abweichende Definitionen in der Literatur gefunden werden [Hil-06]. Die allgemeine Definition beschreibt ein Mikrosystem als System, bei dem so viele Funktionen wie möglich auf einem sehr kleinen Raum gehalten werden, sowie die Bedingung, dass mindestens eine der Komponenten mikromechanisch gefertigt wurde [Ser-97]. [Ger-06 S.16] definiert den Begriff wie folgt: „Die Mikrosystemtechnik umfasst den Entwurf, die Fertigung und die Applikation von miniaturisierten technischen Systemen, deren Elemente und Komponenten typische Strukturgrößen im Mikrometer- und Nanometerbereich besitzen.“ Historisch gesehen kristallisierte sich die MST aus der Mikroelektronik heraus, indem das Arbeitsfeld der Mikromechanik in die Betrachtungen mit aufgenommen wurde [Ger-06]. Im englischsprachigen Raum hat sich daher der Begriff der MicroElectroMechanical Systems (MEMS) eingebürgert. Ein Mikrosystem besteht weiterhin im Allgemeinen aus miniaturisierten Sensoren, Aktuatoren und signalverarbeitende Einheiten, welche ihre Systemfunktion erst im Zusammenspiel bewirken können [Ser-97].

Für diese Arbeit von ebenso hoher Bedeutung ist der Begriff der Mikrokomponente. [Sch-10b] definieren eine Mikrokomponente als eine Komponente, bei der mindestens eine Dimension im Mikrometerbereich liegt und sonstige zwischen 1 µm bis 1000 µm [Hil-06]. Zum besseren Verständnis zeigt Abbildung 2.1 die entsprechende Begriffshierarchie. Weiterhin kann eine Untergliederung in hybridische und monolithische Mikrosysteme unternommen werden, die sich auf die grundsätzliche Art der Integration von Komponenten bezieht [Hil-06]. Monolithische Systeme werden in abhängigen Schritten auf wenig unterschiedlichen Fertigungsprozessen beruhend hergestellt. Hybride Mikrosysteme vereinen mehrere Komponenten in einem und sind daher durch mehr Schnittstellen zur Umwelt, einer eher dreidimensionalen Form und einer komplexeren Montage der Einzelkomponenten gekennzeichnet [Mes-04; Hil-06].

2.2 Bedeutung der Mikrosystemtechnik

Seit Anfang der 90er Jahre ist die Miniaturisierung von Produkten und mit ihr die MST ein ständig präsenter Begleiter des technologischen Wandels und ist laut Experten eine wichtige

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Entwicklungstendenz der vergangenen Jahre [KIT-00]. Als Vorteile der MST-Produkte werden zum einen der kleine Platzbedarf und das verringerte Gewicht [Sch-09] und die damit einhergehende größere Funktionsdichte genannt, zum anderen die Möglichkeit der schnellen und sicheren Leistungsübertragung [KIT-00]. Kleinere Systeme können darüber hinaus schneller beschleunigt, sowie präziser ausgerichtet werden und besitzen eine sehr geringe Eigenfrequenz [Hue-04]. Bereits am Ende dieses Jahrzehnts konnte eine hohe Beeinflussung der MST auf Innovationen unterschiedlichster Art in zahlreichen Bereichen festgestellt werden [Ser-97]. Die MST ist also nicht auf einzelne Industriebereiche beschränkt, sondern aufgrund ihrer Querschnittfunktion universell und vielseitig einsetzbar [Hei-04; Bot-03]. Eine solch breite Technologiebasis eröffnet gleich einer Vielzahl von innovativen Industriebereichen mögliche zukünftige Absatzchancen, wie z.B. in den Bereichen Gesundheit, Automobil und Energie [Mül-04]. Damit ist die MST ihrem Charakter her eine Schlüsseltechnologie, da sie als Wegbereiter für innovative Produkte gesehen werden kann [BMWi-10; Bot-03]. Sie eignet sich aufgrund der geschilderten Eigenschaften Volkswirtschaften langfristig zu stärken, wobei insbesondere der Standort Deutschland, dessen Unternehmenslandschaft vor allem durch mittelständische Unternehmen geprägt ist, von der MST profitieren kann. Die MST eröffnet gerade für KMU die Möglichkeit durch Nischenstrategien sich erfolgreich am Markt zu behaupten. Bereits heute hängen ca. 766.000 Arbeitsplätze in Deutschland mit der MST zusammen [BMWi-10; Hei-04]. Weltweit ergibt sich ein Umsatz mit Produkten, die mikrosystemtechnische Komponenten verwenden, von über 227 Mrd. Euro, der direkte Anteil von Mikrosystembauteilen beträgt ca. $25 Mrd. [Nex-06] und die Wachstumsrate des Marktes steigt mit prognostizierten 15% - 20% pro Jahr [BMWi-10; Mül-04]. Trotz dieser Tatsachen konnte die MST ihr Potential bisher nicht vollständig ausspielen und den breiten Durchbruch nicht schaffen. Um die Voraussetzungen für eine schnellere Diffusion zu kreieren, müssen einige Hindernisse bezüglich der Profitabilität überwunden und Entwicklungstätigkeiten intensiviert werden. Infolgedessen werden Forschungen von verschiedenen Einrichtungen wie der DFG und des BMWi gefördert, um teure Grundlagenforschungen und anwendungsbezogene Forschungen in diesem Gebiet voranzutreiben und einen technologischen Vorsprung Deutschlands zu erlangen. Im Fokus liegen dabei insbesondere KMU, da diese sich an die Rahmenbedingungen durch Innovationen leichter anpassen können und müssen [BMWi-10; Bot-03]. Da Mikrosysteme im Sinne der Integration verschiedener Komponenten nicht nur auf dem Gebiet der Mikrotechnik beruhen, sondern auch auf der bereits etablierten Mikroelektronik, ergeben sich für Deutschland zusätzliche Chancen zum Aufholen entwicklungstechnischer Tätigkeiten in der Mikroelektronik und zur Eroberung von Marktanteilen in dieser Branche [KIT-00]. Dies ergibt sich daraus, dass Mikrosysteme aus unterschiedlichen Funktionsgruppen zusammengebaut werden und Unternehmen daher ein Interesse haben, Kompetenzen in möglichst allen Funktionsbereichen und in der Integration dieser aufzubauen. Es ist weiterhin darauf hinzuweisen, dass die MST bei vielen zukünftigen Anwendungen als Voraussetzung für die erfolgreiche

Schnittstellenübertragung von der Nano- zur Makro-Welt ist [BMWi-10]. Dies ist sowohl für die Aspekte der Informationsübertragung während der Anwendung, als auch bei der Herstellung und Auswertung von Anwendungen im Nanobereich der Fall. Die zukünftige Bedeutung der MST wird darüber hinaus durch Expertenbefragungen und Marktstudien zusätzlich hervorgehoben [Mes-04; Bott-03]. Führend bei der MST sind Länder wie die USA, Japan, Deutschland und die Schweiz [Ser-97].

2.3 Einsatzbereiche und Marktpotential

Durch eine Miniaturisierung können praktisch alle technischen Bereiche eine Leistungssteigerung erfahren. Die Bedeutung der MST wird daher ein weiteres Mal durch die vielfältigen Anwendungsfelder unterstrichen. Ausgehend von den Entwicklungen in der Computertechnologie und beruhend auf den dort angewandten Fertigungsverfahren wurde die Miniaturisierung auf Sensoren und Aktuatoren angewandt, die heute vielseitige Verwendung