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Aufbau- und Verbindungstechnik

 

Für den Funktionsnachweis, bzw. die Charakterisierung von gefertigten Sensoren und Aktoren werden am IMPT mehrere Aspekte der AVT untersucht, entwickelt und angewendet.

Elektrisches Kontaktieren

Grundsätzlich wird eine elektrischer Kontak zwischen dem Bauteil (Sensor oder Aktor) und einer Platine mittels Ultraschall-Drahtbonden erzeugt. Ultraschall-Drahtbonden ist eine Schweißtechnik zur Herstellung diskreter elektrischer Verbindungen von Chips auf Leiterplatten-Substraten. Die zu fügenden Komponenten müssen geeignete Kontaktflächen besitzen („Pads“ / Landeplätze), wobei die verwendeten Drähte überwiegend aus Gold oder Aluminium bestehen und einen Durchmesser von ca. 10 μm besitzen. Der Draht wird nicht aufgeschmolzen, sondern durch Druck, Wärme und Ultraschallenergie gegen die Pad-Kontakfläche aufgerieben und eine dauerhafte Verbindung entsteht. Für das Ultraschall-Drahtbonden stehen am IMPT ein manueller und ein halbautomatisches Bonder zur Verfügung. Dabei werden Au- oder Al-Drähte auf den Au-,Cu- oder Ni-Kontaktpads gebondet. Elektrisches Kontaktieren kann auch mittels Lötverfahren erzeugt werden.

Fügen/Verbinden

Um Mikrobauteile mit einander zu verbinden, werden verschiedenen Techniken genutzt. Die am IMPT genutzten Verfahren sind Kleben, Löten und anodisches Bonden. Kleben und Löten gehören zu der Gruppe der stoffschlüssigen Fügeverfahren. 

Eine Klebverbindung besteht aus den beiden Fügeteilen und der dazwischen liegenden Klebschicht. Eine bedeutende Rolle für die endgültige Fügefestigkeit spielt die Benetzung an den Fügeflächen. Um die Benetzung der Fügepartner zu beeinflussen, können die Oberflächen behandelt (bearbeitet oder beschichtet) oder ein Klebstoff mit passender Viskosität gewählt werden. Die innere Festigkeit (Kohäsion) gewinnt der Kleber schließlich durch physikalische Abbindevorgänge oder durch chemische Reaktion. Dieser Prozess wird auch Aushärten genannt. Die Aktivierungsenergie für die Aushärtung kann durch Feuchtigkeit, Temperatur oder UV-Belichtung hervorgerufen werden. Am IMPT werden neben den Cyanacrylat-, Epoxidharz-, oder UV-aushärtenden Klebstoffarten, verschiedene abwaschbare (leichtentfernbare) Klebstoffe (Crystalbond™, Aquabond™, spezielle Wachse) angewendet. Abhängig von Zusatzpartikeln im Klebstoff, kann man elektrisch leitende oder wärmeleitende Verbindungen erzeugen. 

Löten ist ein thermisches Verfahren bei dem eine stoffschlüssige Verbindung zwischen zwei Grundwerkstoffen mit einem Zusatzwerkstoff (Lot) hergestellt wird. Man kann entweder zwei Fügeteile mit einem Lot verbinden (Verbindungslöten) oder eine elektrische Verbindung zwischen zwei Elektronikteilen erzeugen (Kontaktierungslöten). Voraussetzung für das Löten sind reine Oberflächen der Fügeteile. Beim Löten schmilzt der Verbindungswerkstoff, das Lot, auf, die Schmelzpunkte der Grundwerkstoffe (Fügepartner) werden dabei jedoch nicht erreicht. Das Lot wird in unterschiedlichster Form verarbeitet, als Paste, als Barren, als vorgeformtes Element, als Stange, oder in Spezialfällen kann auch gesputtert werden. Abhängig von der Anwendung wird das Löten am IMPT für die mechanische Verbindung sowie für die elektrische Kontaktierung von Mikrobauteilen eingesetzt. Für eine extrem feste mechanische Verbindung mit sehr dünner Haftschicht wird das Hartlöten von Mikroteilen mit eienr gesputterten Glasschicht im Hochtemperaturofen (bis 800°C) durchgeführt.

Anodisches Bonden ist ein durch Temperatur und elektrische Felder unterstütztes Verfahren für die Verbindung von Metallen oder Halbleitern mit ionenhaltigen Glassubstraten. Durch anodisches Bonden werden sehr stabile, hermetische und kostengünstige Verbindungen erzeugt. Der Prozess stellt aber sehr höhe Anforderungen bezüglich Ebenheit, Qualität (niedrige Rauheiten) und Sauberkeit der Fügeoberflächen. In Silizium-Mikromechanik ermöglicht es den Aufbau dreidimensionaler Systeme mit integrierter Datenverarbeitung. Am IMPT wird anodisches Bonden für das Verbinden von Si- oder SiO2-Chips, abhängig von der Anwendung eingesetzt.

Mikromontage

Seit Jahren beschäftigt sich das Institut für Mikroproduktionstechnik mit der funktionsorientierten Montage von in der Forschung befindlichen Mikrobauteilen. Insbesondere bewegliche Systeme der Aktorik benötigen eine präzise und zuverlässige Führung von aktiven und passiven Teilen zueinander. Um die Aktorfunktion in einem sehr kleinen Toleranzbereich gewährleisten zu können, werden verschiedene Handling-Konzepte und Selbstausrichtungs-Prinzipien entwickelt und angewendet. Die langjährige Erfahrung des IMPT in mechanischer Präzisionsbearbeitung von harten und spröden Materialien (Si, Al2O3-TiC, Saphir und SiC) konnte dabei für die Erstellung hochpräziser Montagekomponenten genutzt werden.  Durch den Einsatz des Ultrapräzisionstrennschleifens (Dicing) konnten verschiedenste geometrisch komplexe und hochgenaue Mikroteile bzw. -Profile gefertigt werden. Eine Profiltreue liegt in diesen Fällen unter 5 µm. Ein Beispiel für die selbstausgerichtete Mikromontage von Aktoren mit einer Kugelführung, unter Verwendung von 200 µm Rubinkugeln, wurde mehrfach erfolgreich etabliert. Dabei wurde ein Luftspalt von weniger als 8 µm zwischen aktivem und passivem Teil ermöglicht. Eine Weiterentwicklung dieses Verfahrens ist ein System mit reibungsloser elektromagnetischer Führung, welches in verschiedenen Ausführungen aufgebaut und getestet wurde. Vor Beginn jeder Montage werden alle Anforderungskriterien, Spezifikationen und die Wahl der Montageart ausgewählt und festegelegt.