Einsatz der berührungslosen Handhabungstechnologie mittels Ultraschall in der

Einsatz der berührungslosen Handhabungstechnologie mittels Ultraschall in der Leiterplattenbestückung (Bild: Asja Schubert).

von Annika Mentgen

MÜNCHEN. Mit der Energiewende steigt der Bedarf an erneuerbaren Energiequellen und damit die Nachfrage nach Solarzellen. Das Ausgangsmaterial für deren Herstellung sind Silizium-Wafer. Diese sind hauchdünn und äußerst empfindlich. Die Handhabung mittels taktilen oder mechanischen Greifern birgt jedoch die Gefahr,  dass die Wafer brechen, sobald sie bewegt werden.

„Gerade aus diesem Grund benötigen wir schonende Handhabungsverfahren, denn sie definieren maßgeblich die Produktqualität“, sagt Prof. Gunther Reinhart, Leiter des Instituts für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) an der TU München. „Besonders großes Potenzial sehe ich hierbei in der ultraschallbasierten Handhabungstechnologie.“

Diese Handhabungstechnologie beruht auf dem Effekt der Squeeze-Film-Levitation. Dabei wird ein Bauteil auf einer schwingenden Oberfläche zum Schweben gebracht. Im Spalt zwischen Bauteil und Endeffektor findet eine periodische Kompression und Expansion der Luft statt. Bedingt durch die adiabate Zustandsänderung entsteht in diesem Luftspalt ein zeitlich gemittelter Überdruck. Somit können flache und relativ leichte Bauteile wie Wafer berührungslos gehalten und transportiert werden.

Die berührungslose, ultraschallbasierte Handhabung der Wafer ist aktuell jedoch auf Raumtemperatur beschränkt. Hochtemperatur-Anwendungen wie die Trocknung oder Dotierungsvorgänge, bei denen bis zu 1 100°C erreicht werden, erfordern nach wie vor taktiles oder mechanisches Handling. Doch Forscher am iwb der TU München haben die Vision, den gesamten Herstellungsprozess der Wafer berührungslos zu gestalten – einschließlich der Hochtemperatur-Anwendungen.

Dazu passen sie das Verfahren der Ultraschalllevitation auf hohe Temperaturen an. „Als Erstes wird das Verhalten des gesamten Werkzeuges und des tragenden Luftfilms bei erhöhter Temperatur anhand von Simulationen und Experimenten bestimmt“, erklärt Dipl.-Ing. Edgars Locmelis vom iwb, zuständig für berührungslose, ultraschallbasierte Transportsysteme für Hochtemperatur-Anwendungen, im Gespräch mit Produktion.

Quarzglas für Hochtemperatur-Anwendungen

„Im nächsten Schritt wird das berührungslose Werkzeug an die erhöhte Umgebungstemperatur angepasst, sprich eine Kühlung entwickelt und Komponenten aus temperaturfesten Materialien erstellt. Danach wird dieses System in die Hochtemperatur-Anlage integriert.“ Da die Struktur und der tragende Luftfilm von der Temperatur abhängig sei, werde im letzten Schritt eine Regelung für den Ultraschallantrieb entwickelt, um eine konstante Kraft auf das Bauteil zu gewährleisten.

Bisher ist das Handhabungssystem aus Metall aufgebaut. Da Metall aber bei solch hohen Temperaturen schmilzt, testen Locmelis und seine Kollegen gerade Quarzglas als Material für das berührungslose Werkzeug. Dieses Material hat eine Schmelztemperatur von rund 1 600°C, würde demnach den hohen Temperaturen in der Wafer-Herstellung standhalten.

Wenn es den iwb-Forschern gelingt, Silizium-Wafer prozesssicher auch bei Hochtemperatur-Anwendungen zu handhaben, wäre dies der Durchbruch für die Technologie der berührungslosen Ultraschall-Handhabung. Ganze Anlagen könnten dann mit dieser Technologie ausgestattet werden, die Nachfrage am Markt schätzt Locmelis dabei als hoch ein.

Doch die berührungslose Handhabung mittels Ultraschall ist nicht nur in puncto Hochtemperatur gefragt. Die immer weiter voranschreitende Miniaturisierung bei Bauteilen wie zum Beispiel Mikorchips erfordert einen schonenden Transport sowie eine partikelfreie Umgebung. „Hier haben wir zum Teil sehr empfindliche Oberflächen, die man mit konventionellen Handhabungssystemen nicht mehr greifen kann“, sagt M.Sc. Thomas Kirchmeier vom iwb. „Darum ist es notwendig, dass wir von der konventionellen, taktilen Handhabung wegkommen, hin zu einer berührungslosen und damit schonenden Handhabung.“

Zahlreiche Vorteile der Technologie

Kirchmeier nennt die Vorteile der berührungslosen Handhabungstechnologie: eine sehr homogen verteilte Kraft auf der gesamten Bauteilfläche, ein geringer Energiebedarf im Vergleich zu beispielsweise Bernoulligreifern und die Einsetzbarkeit bei unterschiedlichsten Bauteilwerkstoffen. Außerdem führt die gleichmäßige Umströmung zu einer Selbstzentrierung von kleinen Bauteien, wodurch sich kostenintensive Sensoren zur Lageerkennung einsparen lassen.

Prof. Gunther Reinhart sieht hier besonders für Konstrukteure eine interessante Entwicklung. Denn: „Aktuell werden nur Bauteile konstruiert, die man auch taktil greifen und handhaben kann. Wenn man aber die Möglichkeit des berührungslosen Handhabens hat, kann man in der Folge auch das Design der Chips ändern. Hier kann in Zukunft ein Umdenken stattfinden.“

Als konkretes Beispiel nennt Reinhart den Sicherheitsbereich an den Kanten von oberflächenstrukturierten und sensiblen Mikrochips. Diese dienen lediglich dazu, einem taktilen Greifer eine „Angriffsfläche“ zu bieten. Benötigt man keinen taktilen Greifer mehr, könne die Chipdichte auf der Waferfläche erhöht werden. „Das spart bares Geld.“