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Elektromotoren

Das Sandkorn im Smartphone

| Redakteur: Ute Drescher

Das zentrale technische Element unserer modernen Welt ist der Mikrochip. Von der Kaffeemaschine bis zum Kommunikationssatelliten gibt es praktisch nichts mehr, was ohne ihn funktionieren würde. Motoren spielen bei ihrer Fertigung eine Schlüsselrolle.

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Komplexe Strukturen: Die Leiterbahnen auf einem Wafer werden in einem fotolithografischen Verfahren und anschließendem Ätzen des Materials geschaffen.
Komplexe Strukturen: Die Leiterbahnen auf einem Wafer werden in einem fotolithografischen Verfahren und anschließendem Ätzen des Materials geschaffen.
(Bild: ©Scanrail - stock.adobe.com)

Der Grundstoff für die Chipherstellung könnte kaum schlichter sein: Sand. Genauer gesagt handelt es sich um Quarzsand, der zunächst geschmolzen wird, andere Inhaltsstoffe werden von seinem Hauptbestandteil Silizium abgetrennt. Ein sogenannter Impfkristall aus demselben Material leitet in der flüssigen Masse das Kristallwachstum ein. Es entstehen zylinderförmige Stäbe mit homogener Struktur. Aus ihnen werden Scheiben von etwa 2 mm Stärke abgeschnitten: die rohen Wafer (engl. für Waffel). Nach einigem Glätten und Polieren werden die Rohlinge mit einem lichtempfindlichen Lack beschichtet. Die Leiterbahnen, deren Stärke bei den modernsten Chips im Nanometerbereich liegt, werden in einem fotolithografischen Verfahren und anschließendem Ätzen des Materials geschaffen.

So entstehen die komplexen Strukturen, welche Millionen von Transistoren auf einem Chip zu einem integrierten Schaltkreis verbinden. Jede Einheit wird dreißigmal oder öfter mit unterschiedlichen Fotomasken belichtet. Dabei muss die Ausrichtung der vielen Dutzend Einheiten auf dem Wafer jedesmal exakt derjenigen bei der zuvor erfolgten Belichtung entsprechen. In diesem vielstufigen Prozess erscheinen schließlich die Chip-Strukturen auf der runden Scheibe, die ihr Ähnlichkeit mit einer Waffel und ihren Namen verleihen.

Motoren sorgen für präzise Bewegungen

Die Wafer werden bei allen Schritten von Robotern bewegt und den verschiedenen Prozessschritten zugeführt. Die Rohlinge sind hochempfindlich und dürfen trotz meist beengter Verhältnisse in den Anlagen nirgendwo anstoßen. Damit fehlerfreie Strukturen entstehen können, muss ihre Ausrichtung eine enorme Präzision erreichen. Das gleiche gilt für die optischen Komponenten der Laser in den fotolithographischen Vorrichtungen. Für das genaue Bewegen der Komponenten mit verlässlicher Reproduzierbarkeit sorgen in den Robotern und in den Lasern Antriebe von Faulhaber, zum Beispiel DC-, Schritt- oder Piezomotoren.

DC-, Schritt- oder Piezomotoren sorgen für präzise Bewegungen bei der Produkton von Wafern.
DC-, Schritt- oder Piezomotoren sorgen für präzise Bewegungen bei der Produkton von Wafern.
(Bild: Faulhaber)

Anwendertreff Mechatronische Antriebstechnik

Im Fokus des Anwendertreffs Mechatronische Antriebstechnik stehen die mechanischen Komponenten Getriebe, Kupplungen und Bremsen sowie deren Auslegung, Dimensionierung und Zusammenspiel im mechatronischen Gesamtsystem.

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Wire Bonding geschieht vollautomatisch

Nachdem die Strukturen im kristallinen Silizium ihre endgültige Form erlangt haben, werden die einzelnen Chip-Rohlinge aus den Wafern herausgeschnitten. Diese erhalten nun ihre elektrischen Anschlüsse (Pins) in Form von feinen Drähten aus Aluminium oder Gold. Sie werden von Rollen abgewickelt, ebenfalls vollautomatisch. Eine spezielle Maschine ist für diesen Produktionsschritt, das Wire Bonding zuständig. Sie führt das Drahtende an die gewünschte Stelle, wickelt und schneidet die benötigte Menge ab und erledigt das Anlöten.

Anschließend werden die Chips von einer schützenden Hülle aus meist schwarzem Kunstharz umschlossen. Der Vorgang ähnelt dem Kunststoff-Spritzguss, nur dass hier wieder einmal hohe Präzision gefragt ist. Die Menge des Kunstharzes muss präzise dosiert sein, damit der Schaltkreis wirksam geschützt ist aber nichts übersteht und Einbau oder Funktion behindert. Deshalb wird die Dosierung von einer motorisierten Einheit übernommen: Das meist schwarze Kunstharz läuft durch eine Spindel, deren Vorwärtsbewegung sie in Richtung Spritzgussform befördert. Nach einer genau bemessenen Strecke – wir bewegen uns hier im Millimeterbereich – schaltet der Motor in den Rückwärtsgang, damit sich eine präzise definierte Menge des Harzes ablösen kann und in die Form gelangt. Nach diesem Vorgang haben die Schaltkreise ihr charakteristisches Aussehen erlangt: Der Chip ist jetzt fertig und wird im sogenannten Test Handler geprüft.

Pick&Place-Roboter platzieren die Chips in der Testvorrichtung

In dieser Maschine ist ein Pick&Place-Roboter für das Befördern und Platzieren der Chips in den Testvorrichtungen zuständig. Da hier Teile bearbeitet werden, die höchstens einige Quadratzentimeter messen, sind auch die Dimensionen der Anlagenteile entsprechend filigran. Die Motoren für ihre Bewegung müssen extrem kompakt sein, zugleich aber sehr hohe Beschleunigungswerte vorweisen können. Ähnliches gilt auch für das oben erwähnte Wire Bonding. In beiden Fällen müssen die Motoren ihre Arbeit mit größter Präzision verrichten. Weil die Anforderungen so hoch sind, findet man in sehr vielen Maschinen dieses Prozessbereichs Motoren von Faulhaber, zum Beispiel aus den Baureihen BX4 mit integriertem Motion Controller oder dem Portfolio an linearen DC-Servomotoren.

Rasende Bestückung und Nadelprobe

Die geprüften Chips werden meist in Kunststoffgurte verpackt und gelangen zur nächsten Etappe in der Mikroelektronik-Fertigung: zur Bestückung der Leiterplatten. Man kennt diese meist grünen Kunststoffplatten mit Chips, diversen anderen elektronischen Bauteilen, kupfernen Leitbahnen und silbern schimmernden Lötpunkten, denn wir begegnen ihnen buchstäblich überall. Zusammen mit den Komponenten, die sie aufnehmen und verbinden, bilden sie die kleinen oder großen Rechnereinheiten, die nicht nur im Computer und Smartphone, sondern auch in jedem Auto, in jedem elektrischen Haushaltsgerät, in jeder Maschine und in zahllosen anderen Produkten für das einwandfreie Funktionieren zuständig sind. Auch hier herrscht die Massenproduktion: Unzählige Komponenten werden täglich auf Millionen von Leiterplatten befestigt.

Seminartipp

Die Grundkenntnisse, wie sich Servoantriebe optimal parametrieren lassen und wie die Steuerungs- und Regelfunktionen bei Motion Controllern beherrscht werden, lernen Teilnehmer im Grundlagenseminar Servoantriebe.

Diese Arbeit übernehmen Bestückungsautomaten. Die Gurte mit den Bauteilen werden auf Rollen der Bestückung zugeführt. Kleine Täschchen im Gurt enthalten die Bauteile, eine Perforation am Rande des Gurts erlaubt den exakten Transport. Der Gurt wird so abgerollt, dass der Bestückkopf immer ein Bauteil aufnehmen kann. Letzteres geschieht in der Regel durch Unterdruck: Die Komponente wird angesaugt und auf dieselbe Weise festgehalten. Der Kopf fährt dann an die Stelle der Leiterplatte, an der sich die passenden Aussparungen für die Anschlüsse des Chips oder eines anderen Bauteils befinden. Darauf platziert er die Chips, später werden sie mit der Platte verlötet.

Präzision ist oberste Pflicht

Man kann sich leicht vorstellen, wie empfindlich die haarfeinen Anschlüsse sind. Jede Fehlplatzierung, und sei es um Bruchteile eines Millimeters, würde sie verbiegen und damit zerstören. Also: Präzision ist hier ebenfalls oberste Pflicht. Zugleich braucht man aber großen Durchsatz für die riesigen Stückzahlen. Manche Maschinen schaffen über 100.000 Bauelementen pro Stunde. Das bloße Auge sieht auch hier nur den Schatten der rasend schnellen Bewegung. Die Anforderungen an die Motoren, welche die Fördereinheiten und die Bestückköpfe bewegen ähneln denen in den anderen Bereichen der Mikroelektronik-Produktion.

Rasend schnell muss es auch bei der anschließenden Qualitätskontrolle gehen, denn jede einzelne Leiterplatte wird gründlich geprüft. Die elektrische Leitfähigkeit der Anschlüsse gibt Auskunft über die korrekte Funktion der Schaltkreise. Um sie zu vermessen, werden feinste Nadeln an einzelne – jeweils zwei oder mehr – Anschlüsse geführt und unter Spannung gesetzt. Das wird bei jedem Teil solange wiederholt, bis alle Leitbahnen durchgecheckt sind. Allerdings darf man sich diesen Ablauf nicht als gemächlichen Prüfvorgang vorstellen, denn die Platten werden oft in Millionenstückzahlen produziert. Die vollautomatischen Testmaschinen müssen also ebenfalls einen großen Durchsatz ermöglichen. Die Bewegung der Nadeln etwa ist so schnell, dass man sie nur in Superzeitlupe verfolgen kann. (ud)

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