Methoden und Maschinentechnik für die Qualitätssicherung von Mikroteilen


Wissenschaftliche Studie, 2010
50 Seiten, Note: 1,0

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungen

1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Zielsetzung
1.3 Aufbau der Arbeit

2 Mikrosystemtechnik
2.1 Einführung
2.2 Bedeutung der Mikrosystemtechnik
2.3 Einsatzbereiche und Marktpotential
2.4 Herausforderungen in der Mikrosystemtechnik
2.4.1 Technische Herausforderungen
2.4.2 Wirtschaftliche Herausforderungen

3 Qualitätssicherung von Mikrobauteilen
3.1 Ermittlung von Anforderungen in der Mikro-Messtechnik
3.1.1 Bedeutung der Messtechnik
3.1.2 Übertragung der Normenanforderungen für Mikrobauteile
3.1.3 Implizite Anforderungen beim prüftechnischen Umgang mit Mikrokomponenten
3.2 Geeignete Mikro-Messverfahren zur Qualitätssicherung
3.2.1 Konfokale Mikroskopie
3.2.2 Weißlichtinterferometrische Mikroskopie (WLI)
3.2.3 Digitale Holographische Mikroskopie (DHM)
3.2.4 Optisches Rasternahfeldmikroskop (SNOM)
3.2.5 Fiberskop
3.2.6 (Mikro-) Streifenprojektion
3.2.7 Rastersondenmikroskopie (SPM)
3.2.8 Rasterelektronen-Mikroskopie (REM)
3.2.9 Mikro-Koordinatenmessgeräte (MCMM)
3.3 Umsetzbarkeitsbetrachtung

4 Automatisierungstechnik für die Qualitätssicherung von Mikrobauteilen
4.1 Anforderungen an die automatisierte Qualitätssicherung
4.2 Automatisierungstechnik in der Mikro-Qualitätssicherung
4.2.1 Großraum-Positioniereinheiten
4.2.2 Mikro-Manipulatoren
4.2.3 Mikro-Greifer
4.2.4 Transportsysteme
4.2.5 Komponenten zur Prozessüberwachung
4.3 Umsetzbarkeitsbetrachtung

5 Zusammenfassung und Ausblick
5.1 Zusammenfassung
5.2 Ausblick

Abbildungsverzeichnis

Literaturverzeichnis

Anhang

Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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 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.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1 : Aufbau der Arbeit

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 Strukturgröß en 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].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1 : Begriffshierarchie zur Mikrosystemtechnik [Ger-06, S.18]

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 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 finden. Ein wesentlicher Anteil heutiger mikrosystemtechnischer Produkte findet sich in der Medizintechnik. Beispielsweise ermöglichen Mikro-Endoskope sowohl minimalinvasive operative Eingriffe als auch Diagnosen und verkürzen damit die Genesungszeit der Patienten, die Narbenbildung und führen zu kürzeren Krankenhausaufenthalten [Ser-97]. Darüber hinaus können heute durch implantierte Dosierungsapparate Medikamente direkt verabreicht werden [Hsu-04] oder mit Mikrokathetern eine kontinuierliche Blutdruckmessung vorgenommen werden [Ger-06]. Die ansteigenden Sicherheitsbedingungen in der Automobilindustrie konnten der MST in dem Bereich der Sensorik zu einem großen Absatzmarkt verhelfen [Bot-03]. Moderne Fahrerassistenzsysteme als präventive Sicherheitsmaßnahmen, wie das ABS oder ESP, benötigen eine Vielzahl von Sensoren zur Messung unterschiedlicher Parameter, wie die Quer- und Längsbeschleunigung, Gierwinkel und -geschwindigkeit, Lenkradwinkel und Drehzahl. Aber auch passive Schutzmaßnahmen wie durch Crashsensoren ausgelöste Gurtstraffungssysteme und Airbags, sind aus einem modernen Fahrzeug nicht mehr wegzudenken. Weiterhin werden in der Umwelt- und Biotechnik zur Untersuchung chemischer oder biologischer Substanzen Mikroanalysesysteme verwendet, welche in Echtzeit kontinuierlich Messdaten liefern können [Ger-06]. Hiermit ist es möglich, eventuelle Gefahren für die Umwelt rechtzeitig zu entdecken und Schäden an Mensch und Umwelt zu verhindern. In der Informations- und Kommunikationstechnologie finden Mikrosystemkomponenten bereits in Mobiltelefonen, CD/DVD/Blu-ray Laufwerken und in Schreib-/Leseköpfe für Magnetplatten verbreiteten Einsatz [Bot-03]. Weitere bekannte Einsatzgebiete sind typischerweise Scanner, Druckköpfe und Hörimplantate.

In Abbildung 2.2 zeigt sich eindeutig die dominierende Rolle der Informationstechnologie. Verantwortlich für diese Entwicklung ist vor allem die gestiegene Nachfrage an LCD Fernsehern und Festplatten. Aber auch die Automobil-, Elektronik- und Medizintechniksektoren machen einen Großteil der Anwendungsfelder aus. Durch den in Abbildung 2.2 zu erkennenden Trend ist ein verstärkter Fokus auf Verbraucherelektronik auch in der Zukunft zu erwarten. Daneben werden verstärkt kleinere Nischengebiete geringe Marktanteile gewinnen können, die erst im Zeitverlauf sich zu möglichen Massenmärkten entwickeln können [Hei-04]. Zusammenfassend lässt sich besonders aufgrund der aufgezeigten unterschiedlichen Anwendungen in verschiedenen Branchen das übergreifende Marktpotential verdeutlichen [Hei-04]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2 : Marktanteile in der MST [Nex-06, S.2]

2.4 Herausforderungen in der Mikrosystemtechnik

Ein nach wie vor bestehendes Problem, das einem Durchbruch der MST entgegensteht, ist die mangelnde Übertragung der Forschungsergebnisse in praktische Anwendungen [Ser-97]. Die grundlegenden Fertigungsprozesse zur Erstellung von Mikrokomponenten sind zum heutigen Zeitpunkt weitgehend bekannt und erforscht, eine Kompetenzaneignung der Technologien durch Unternehmen findet jedoch nur unzureichend statt. Für diese Situation sind eine Reihe technischer und wirtschaftlicher Herausforderungen ursächlich.

2.4.1 Technische Herausforderungen

Ausgehend von den in der Mikroelektronik eingesetzten Fertigungsverfahren zur Herstellung monolithisch aufgebauter Komponenten, gewinnt die Herstellung von hybriden Mikrosystemen aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung an Bedeutung. Dies wirft zahlreiche Probleme vor allem in fertigungs- und montagetechnischer Hinsicht auf. Daneben sind die Fertigungsverfahren in der Mikroelektronik größtenteils auf zweidimensionale Komponenten beschränkt, für dreidimensionale, hybride Systeme werden also zum Teil neuartige Verfahren benötigt. Zu diesen Themen wurden in den vergangenen Jahren vermehrt Forschungen und Entwicklungen vorangetrieben, jedoch stehen die Produktionsprozesse stets vor der Herausforderung, ohne Erfahrungen der Abläufe auszukommen. Damit sich diese Verfahren in der industriellen Praxis verbreiten, müssen sie fortlaufend weiterentwickelt und adaptiert werden. Darüber hinaus besteht die Notwendigkeit einer effizienten und prozesssicheren Montage der Mikrokomponenten zum Erstellen des Gesamtsystems. Die Mikromontage kann nur durch eine Automatisierung prozesssicher und kostengünstig gestaltet werden, weshalb dies weitere zu lösende technische Probleme mit sich bringt, wie z.B. die Auswertung von Bildsignalen durch geeignete Bildverarbeitungssoftware [Buc-08; Bou-04]. Ein grundlegendes entwicklungstechnisches Problem besteht zudem in der Ausführung von zuverlässigen Kopplungen mit der Marko-Umwelt [Ger-06].

Voraussetzung für robuste Prozesse ist die Messbarkeit der Qualitätsmerkmale, um unnatürliche Variabilität in den Prozessen ausfindig zu machen und entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten. Hier resultieren die meisten Herausforderungen innerhalb der Messtechnik aus den hohen Anforderungen selber [Buc-08; Gut-07]. Moderne Messtechniken und -methoden aus der Makro-Welt können nicht ohne Weiteres übernommen werden, da die Mikro-Welt anderen Gesetzmäßigkeiten folgt. In der Marko-Messtechnik größtenteils vernachlässigbare Einflussgrößen, wie Adhäsions- und Kapillarkräfte, Abrasion und tribochemische Reaktionen, müssen nun gezielt berücksichtigt werden [KIT-00]. Zudem erweist sich sowohl die dimensionale und geometrische Antastbarkeit von verschiedenen Messobjekten, als auch die Antastbarkeit bezogen auf verschiedenartige Oberflächenstrukturen- und Eigenschaften als schwierig [Buc-08]. Die Variabilität von unterschiedlichen Messobjekten erfordert zusätzlich eine ausreichende Flexibilität, um sich aktiv den Gegebenheiten anzupassen, aber auch um Messmaschinen im Zeitverlauf über mehrere Perioden hinweg für unterschiedliche Aufgaben umrüsten zu können. Die Flexibilität muss auch bezüglich der Dimensionen von Messobjekten gegeben sein, da Mikrokomponenten in einer Dimension unter 1 mm liegen können, in anderen jedoch wesentlich größer sein können [Buc-08]. Hinzu kommt, dass bei allen Prozessschritten besondere Behutsamkeit im Umgang mit den Mikrobauteilen gefragt ist, sei es bei der taktilen Messung oder bei der automatisierten Handhabung. Die Messunsicherheit stellt sich aufgrund hoher Toleranzanforderungen als Schlüsselherausforderung dar und fordert eine entsprechende Fähigkeit der Messtechniken und der Bediener.

2.4.2 Wirtschaftliche Herausforderungen

Bekanntermaßen konnte sich die MST auf ihrer Technologietrajektorie noch nicht derart entwickeln, wie es sich manche Branchenexperten wünschen würden. Die momentane Situation ist im Gegensatz zu der Elektrotechnik durch die noch recht magere industrielle Verbreitung gekennzeichnet, die weit unter dem zugewiesenen und anerkannten Potential bleibt. Für Unternehmen bedeuten die zahlreichen technischen Herausforderungen Hürden, die nicht ohne Weiteres überwunden werden können. Unternehmen, die sich dem Geschäftsfeld der MST annähern wollen, sehen sich einer relativ teuren Fertigung und hohen Energiekosten gegenübergestellt, weshalb die nötige Wirtschaftlichkeit oftmals nicht erlangt wird. Daraus wiederum folgt, dass solche Produkte nicht wettbewerbsfähig sind und etablierte alternative Produkte dominant bleiben. Diffusionshemmnisse sind vor allem durch das Fehlen von Normen und Standards und der hohen Komplexität und Unzugänglichkeit von Mikrosystemprodukten gekennzeichnet. Die noch in der Entwicklung steckende Produktionstechnologie kann ein solches Diffusionshemmnis sein [Hei.04]. Schwächen in der Produktionstechnologie können trotz guter Marktprognosen als grundsächlich für die Zurückhaltung von potentiellen Nutzern und Herstellung gesehen werden [Pfe-01]. Abbildung 2.3 zeigt, dass viele Anwendungsbereiche erhebliche bis hohe Diffusionshemmnisse überwinden müssen, um angesprochene Potentiale zu erschöpfen. Diese Aufgrund dieser Problematik dauert die zeitliche Marktdurchdringung länger, wie es Unternehmen recht ist. Es müssen daher die Forschungstätigkeiten kontinuierlich vorangetrieben werden und Produktionsprozesse besser integriert werden [Hei-04], damit sich Mikrosystemprodukte gegenüber konkurrierenden konventionellen Produkten behaupten können und für Kunden einen eindeutigen Vorteil im Sinne eines Alleinstellungsmerkmals bieten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3 : Diffusionshemmnisse und bewährte Technologien [Bie-00, S.119]

Zusätzlich muss die Mikrofertigung besonderen Anforderungen genügen, was sich in enormen Investitionskosten in Produktionsanlagen und Peripherietechnik auswirkt. Aufgrund des Erfahrungsmangels ist die Lernkurve noch nicht weit vorangeschritten und mit ihr die Kostendegression. Diese anforderungsbedingten Investitionen sind besonders problematisch für mittelständische Unternehmen, welche oft nicht in der Lage sind, entsprechende Risiken zu tragen und im Hinblick auf kurzfristige Unternehmensgewinne anderen Themen Vorrang gewähren. Abhilfe in dieser Hinsicht können finanzielle Anreize oder ein Ressourcenpooling durch Kooperationen von Unternehmen bzw. Forschungseinrichtungen schaffen.

3 Qualitätssicherung von Mikrobauteilen

Die Qualitätssicherung soll nach [Masing] als Unterstützung für Qualitätsplanung und -lenkung bei der Fehlerminimierung dienen, indem durch sie sichergestellt wird, dass Qualitätsanforderungen erfüllt werden. [DIN 9000 S.21] definiert die Qualitätssicherung allgemein als „ Teil des Qualitätsmanagements, der auf das Erzeugen von Vertrauen darauf gerichtet ist, dass Qualitätsanforderungen erfüllt werden “. Für diese Arbeit soll der Fokus der Qualitätssicherung auf der Produktion liegen und somit auf die Prozesskontrolle durch das Prüfen von Qualitätsmerkmalen durch Messtechnik. In der MST ist die Qualitätssicherung hauptsächlich in dem Montageprozess notwendig, um eine sichere Montage garantieren zu können [Sch-03]. Anhang A1 gibt darüber hinaus einen Überblick über relevante Einrichtungen, welche sich mit der Qualitätssicherung von Mikrobauteilen beschäftigen.

3.1 Ermittlung von Anforderungen in der Mikro-Messtechnik

3.1.1 Bedeutung der Messtechnik

Die Messtechnik stellt einen integralen Bestandteil für die Qualitätssicherung in der Produktion dar. Für eine effektive Qualitätssicherung sind valide, eindeutige und relevante Informationen über die Eigenschaften der Produktionsprozesse von größter Bedeutung. Nach [Masing] ist es nur mit Hilfe dieser Informationen überhaupt möglich, die Qualität zu beurteilen und eventuelle Gegenmaßnahmen zu ergreifen oder Verbesserungen anzustreben. Daher stellen Messtechnologien und Technologien in deren Nähe den Schwerpunkt aktueller Forschungen dar [Bia-10]. Weiterhin können durch diese Informationen Qualitätsregelkreise aufgebaut werden, die es ermöglichen, Prozesse zum Optimum hin zu steuern. Beispiel für einen solchen Regelkreis ist die statistische Prozessregelung (SPC), welche aufgrund von Messungen wichtiger Merkmale auf Basis von Stichproben im Zeitverlauf Aussagen zu dem Prozessverhalten machen kann und dadurch rechtzeitig in den Prozess eingreifen kann, um Ausschussteile zu minimieren. Zudem ist es möglich, Parameter des Herstellprozesses direkt zu beeinflussen, wenn eine Messung der gefertigten Komponenten nicht möglich ist. Da davon ausgegangen werden kann, dass Mikrosysteme in Zukunft eine häufigere Anwendung finden werden, muss die Qualitätssicherung darauf reagieren und vermehrt den Anforderungen entsprechen. Um die Erfüllung der Qualitätsanforderungen zu gewährleisten, ist es daher wichtig, die passenden Prüfmittel auszuwählen.

3.1.2 Übertragung der Normenanforderungen für Mikrobauteile

Es wurde in der Normen- und Richtliniendatenbank Perinorm und auf der Internetseite des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) nach Anforderungen an die Qualitätssicherung von Mikrobauteilen recherchiert. Es konnten hierbei keine offiziellen Anforderungen ermittelt werden, da dieser Themenbereich noch recht jung ist. Es ist dem Autor jedoch bekannt, dass Fachausschüsse der Gesellschaft für Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) sich zurzeit mit einem Normprojekt "Messtechnik und Qualitätssicherung in der Mikrosystemtechnik" befassen. Ein Entwurf dieser Normungsinhalte konnte auf Anfrage jedoch nicht erlangt werden. Daher wird in nachfolgenden Kapiteln der Versuch unternommen, allgemeine Anforderungen der Qualitätssicherung aus den Normen zu ermitteln, um diese anschließend auf den Bereich der MST zu beziehen und Äußerungen zu der Übertragbarkeit zu machen. Einen Überblick der zur Untersuchung herangezogenen Normen ist in Anhang A2 zu finden.

Problematisch bei den ermittelten Anforderungen für die branchenunspezifische Qualitätssicherung ist, dass diese sehr allgemein gehalten werden und sich in Großteilen auf ganze Qualitätsmanagementsysteme beziehen. Es werden beispielsweise keine genauen Spezifikationen für Messprozesse oder Mindestwerte für Merkmale von Messmitteln gefordert, sondern lediglich die Angemessenheit der Prüfprozesse gefordert. Es wird diesbezüglich sogar gefordert, dass „ qualitative Aussagen zu den metrologischen Merkmalen, z.B. bezüglich der ‚ geforderten Genauigkeit der Messmittel ‘ , [...] vermieden werden [sollen] “ [DIN 10012 S.21]. Weiterhin werden Anforderungen gegeben, die zur als unproblematisch zu sehen sind. Diese Anforderungen stehen oft in einem produktionsunterstützenden Verhältnis zur Qualitätssicherung. Als Beispiel für solche Anforderungen sind die Mindestaufbewahrungsdauern von Messdaten und anderen Dokumenten zu nennen, aber auch Anforderungen zur Verwendung einheitlicher Abkürzungen und Formeln können hier vernachlässigt werden.

Es soll nun auf die relevanten Anforderungen aus den Normen und der Literatur eingegangen werden. Unter Berufung auf [DIN 9001] können für die Messtechnik folgende Anforderungen für Organisationen festgehalten werden:

- Es sollen die Ressourcen und Informationen, die zur Überwachung notwendig sind, stets verfügbar sein.

Mit der Sicherstellung des Vorhandenseins von Informationen wird indirekt auf eine Messung und Dokumentation dieser angesprochen. Die Dokumentationsanforderungen sind bei der Übertragung in die Mikro-Welt unproblematisch. Bezogen auf die Messung wird lediglich festgehalten, dass entsprechende Messungen zum Erhalten von Informationen notwendig sind, also muss dies auch in der MST erfolgen. Wie dies konkret aussieht, wird nicht näher ausgeführt.

- Messmittel müssen gegen Verstellungen, die Messfehler verursachen, gesichert werden

Neben der Notwendigkeit zum regelmäßigen Kalibrieren, Justieren und zur sachgemäßen Kennzeichnung, müssen Messmittel so ausgelegt werden, dass stören Messeinflüsse minimiert werden [DIN 9001]. Für die Mikro-Welt sind diese Anforderungen aufgrund der kleinen Dimensionen besonders herausfordernd. Dies führt zu der Forderung nach Messtechniken, welche extrem niedrige Messunsicherheiten bzw. eine sehr hohe Messauflösung aufweisen.

In [DIN 62047] werden folgende Anforderungen speziell zur Messung von Bauteilen der MST gegeben.

- Es müssen Prüfprozesse geplant, entsprechend den Anforderungen die Zielmessunsicherheit festgesetzt und geeignete Messmittel ausgewählt werden.

Die Zielmessunsicherheit wird nicht von der Norm vorgeschrieben, sondern muss durch anderweitige Spezifikationen für das Produkt festgeschrieben werden. Hier fordert [DIN 32937 S.8] allgemein, dass „ Prüfmittel [ … ] so ausgewählt werden, dass mit ihnen die Konformität von Produkten mit festgelegten Anforderungen nachgewiesen werden kann. “ Die Messunsicherheit als solches ist einer der Hauptprobleme, wenn es um das Messen von Bauteilen im Mikrometerbereich geht. Eine Umsetzung dieser Forderung ist entsprechend schwierig, aber wie in Kapitel 3.3 gezeigt wird, heute mit Hilfe geeigneter Maßnahmen durchaus möglich.

Schließlich befasst sich [DIN 10012] mit dem Einsatz von Messmanagementsystemen, deren Aufgabe die Erfüllung von metrologischen Anforderungen ist.

- Die metrologischen Anforderungen sind aus Anforderungen der Kunden, des Unternehmens und gesetzlicher Anforderungen abzuleiten.

In dieser Forderung wird der kundenorientierte Ansatz aus [DIN 9000] widergespiegelt. Diese Kundenanforderungen setzen sich somit weiter in Anforderungen für Messmittel und -prozesse. Diese können nach [DIN 10012 S.10] beispielsweise Grenzwerte für „ Messabweichungen, zulässige Unsicherheit, Messbereich, Stabilität, Auflö sung, Umweltbedingungen oder Bedienerfähigkeiten “ sein. Alle oben genannten Anforderungskategorien sind bei der Messung von Mikrobauteilen als kritisch zu sehen, weshalb sie bei der Wahl geeigneter Prüfmittel berücksichtigt werden.

- Es muss die Kompetenz des Bedienpersonals für die Messmittel sichergestellt und nachgewiesen werden.

Aus den besonderen Anforderungen an die Messtechnik folgen erhöhte Anforderungen an die Fähigkeiten des Bedienpersonals. Da die Welt der MST für Menschen nur schwer zugänglich ist, können diese die Korrektheit des Prozesses nur durch von der Maschine gegebene Parameterangaben begutachten. Daher ist es notwendig, das Personal vertieft in dem Umgang der hochempfindlichen Messtechnik zu schulen und mit den Anforderungen vertraut zu machen.

- Es müssen alle Einflussgrößen auf den Messprozess ermittelt und berücksichtigt werden.

Beim Messen und Prüfen von Mikrobauteilen herrschen andere Rahmenbedingungen, welche sich in einer Vielzahl von besonderen Einflüssen bemerkbar machen. Um falsche Messergebnisse zu verhindern, muss die Messtechnik diese besonders beachten.

3.1.3 Implizite Anforderungen beim prüftechnischen Umgang mit Mikrokomponenten

Im vorliegenden Kapitel wird von den ausdrücklich festgeschriebenen, zugegebenermaßen zu allgemeinen Anforderungen an die Prüf- und Messtechnik weggetreten, um die durch die Besonderheiten der MST implizit gegebenen Anforderungen an die Mikromess und -prüftechnik zu erörtern. Den folgenden Schilderungen liegen hauptsächlich Beiträge aus einschlägigen Journals und Fachzeitschriften zugrunde und spiegeln somit eine Konkretisierung der Normenanforderungen wider. Als einer der Gründe weshalb der Übergang von Forschungsergebnissen zum industriellen Einsatz nur stockend voranschreitet, ist, dass eine wirksame Qualitätssicherung als Voraussetzung zur Einsatzfähigkeit dem fertigungstechnischen Know-How noch nachhinkt. Heutige Messtechniken zur Qualitätssicherung können dabei nicht ohne Weiteres übernommen werden und müssen angepasst werden [Fle-04; Rög-09].

Einige der wesentlichen Rahmenbedingungen, die eine effektive Qualitätssicherung herausfordern, sind umseitig in Abbildung 3.1 gegeben. Beispielsweise sind die Einflussfaktoren auf Prozesse, wie die der Messung, ein noch größeres Problem und führen zu einer erhöhten Variabilität des Prozesses [Kip-10]. Es kommt daher vor, dass Fehler auch bei stabilen Prozessen aufgrund ihrer Unvorhersehbarkeit in Erscheinung treten können [Sch-10a]. Dies führt leicht zu Messungenauigkeiten, welche das Einhalten notwendiger Toleranzbereiche erschwert. Es müssen daher neue Tolerierungsgrundsätze ausgearbeitet werden und die Genauigkeit und Präzision von Messprozessen erhöht werden. Des Weiteren gibt es keine Standards bezüglich der Komponenten, was das Messen mit unflexiblen Messmaschinen erschwert. Besonders herausfordernd sind dreidimensionale Mikrobauteile und Systeme, welche die Erreichbarkeit von Messpunkten ebenfalls verkompliziert [Spa-01]. Die Erfahrungen von Maschinenbedienern, welche kritische Prozesssituationen in der Makrowelt z.B. aufgrund von Geräuschbildung schnell identifizieren können, fallen ebenfalls weg, da visuelle und auditive Signale zu gering sind, um vom Menschen wahrgenommen zu werden [KIT-00].

Diese Rahmenbedingungen münden nach [Spa-01] in eine Reihe grundsätzlicher Anforderungen für die Qualitätssicherung durch Prüf- und Messprozesse, die im Folgenden kurz beschrieben werden sollen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1 : Rahmenbedingungen bder MST [Kip-10]

- hohe Auflö sung des Messbereichs in allen Dimensionen

Aufgrund der extrem kleinen Dimensionen muss die Messtechnik die zu messenden Merkmale in einer ausreichend hohen Auflösung darbieten können, um die Konformität des Bauteils eindeutig zu widerlegen bzw. zu bestätigen und somit Fehlentscheidungen zu minimieren. Diese hohe Auflösung muss zudem der oftmals dreidimensionalen Struktur von Mikrobauteilen und montierten Systemen gerecht werden [Sch-10a]. Dies verlangt Auflösungen für Strukturen, die bei einem Messvolumen von 500 µm mindestens kleiner als 1 µm sind [Rön-99].

- geringe Messunsicherheit

Die Toleranzen bei Mikrobauteilen liegen im Mikro- und teilweise im Submikrometerbereich [Kip- 10]. Dies fordert dimensionelle Messprozesse hinsichtlich Messgenauigkeit derart, dass nur spezielle, kaum kommerziell zur Verfügung stehende Messtechniken dem ansatzweise gerecht werden [Buc-08]. Die meisten der zurzeit verbreiteten Präzisionsmessmaschinen verfügen über Messunsicherheiten, die bei Mikrobauteilen zu untauglichen Messaussagen führen würden. Die Messunsicherheit ist zum einen durch die Messauflösung gegeben, zum anderen wird sie durch minimale, kumulativ wirkende Einflüsse, die jedem Messprozess innewohnen, erhöht. Solche Einflüsse sind natürliche Streuungen, die das Messergebnis minimal beeinflussen [Masing]. Diese natürlichen Streuungen haben jedoch bei Mikrobauteilen einen aufgrund der geringen Dimensionen entsprechend hohen Einfluss, welcher den tatsächlichen Wert des Messergebnis stark von dem des gemessenen Wertes abweichen lassen kann. Die Messunsicherheit liegt also in der Größenordnung der geforderten Toleranzen und gestaltet eine Entscheidung bezüglich Annahme oder Ablehnung des Bauteils schwierig. Bei solch niedrigen Toleranzwerten kann die Forderung, dass die Messunsicherheit nicht mehr als ein Zehntel der Toleranz beträgt, nicht mehr eingehalten werden [Lan-08]. Der Unterschied im Bezug auf das Verhältnis von Toleranzbreite zu Messunsicherheit und der in der Mikro-Messtechnik kleineren Konformitätszone ist umseitig in Abbildung 3.2 veranschaulicht.

[...]

Ende der Leseprobe aus 50 Seiten

Details

Titel
Methoden und Maschinentechnik für die Qualitätssicherung von Mikroteilen
Hochschule
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)  (Institut für Produktionstechnik)
Note
1,0
Autor
Jahr
2010
Seiten
50
Katalognummer
V154767
ISBN (eBook)
9783640678839
ISBN (Buch)
9783640681587
Dateigröße
1770 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Maschinentechnik, Qualitätssicherung, MEMS, Mikrobauteile, Qualitätskontrolle, Mikroteile, Messung
Arbeit zitieren
Dipl.-Wirtsch.-Ing. Christoph Holzapfel (Autor), 2010, Methoden und Maschinentechnik für die Qualitätssicherung von Mikroteilen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/154767

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Titel: Methoden und Maschinentechnik für die Qualitätssicherung von Mikroteilen


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