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A Complimentary Inspection Technique based on Computer Tomography and Plenoptic Camera for MEMS Components

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Mikrokomponenten genauer betrachtet

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind mikrofabrizierte Vorrichtungen, die in der Elektronik weithin zum Einsatz kommen. Bei ihrer Herstellung kommt es allerdings oft zu schwer erkennbaren Mängeln. Forschende haben nun ein System entwickelt, das solche Fehler mithilfe von Röntgenstrahlung und 3D-Visionstechnologie mit Leichtigkeit aufspürt.

Industrielle Technologien

MEMS sind überall im Einsatz – von Beschleunigungssensoren und Gyroskopen über Drucksensoren bis hin zu Mikrofonen und vielen weiteren Bereichen. Diese Komponenten werden als grundlegende Bestandteile in Automobilelektronik, Videospielgeräte und mobile Kommunikationsanwendungen integriert. Alle MEMS dieser Art werden mit Mikrofabrikationswerkzeugen in erster Linie in dreidimensionalen Prozessen hergestellt. Die herstellenden Unternehmen benötigen für 3D-Mikrostrukturen sehr anspruchsvolle Inspektionswerkzeuge, doch die gegenwärtigen Methoden können dazu führen, dass kritische Mängel unbemerkt bleiben, und die manuellen Alternativen sind schlicht zu teuer. Das EU-finanzierte Projekt CITCOM verfolgt das Ziel, die MEMS-Herstellung drastisch zu verbessern, indem es den Technologiereifegrad von 3D-Bildgebungssystemen und Röntgeninspektionssystemen verbessert. Die Forschenden beabsichtigten die Bereitstellung von implementierfähigen Inspektionssystemen für den Einsatz bei Herstellfirmen wie Philips oder Microchip als Endkunden.

Zwei Module für die MEMS-Inspektion

CITCOM entwickelte zwei Module: ein 3D-Inline-Visionssytem zur lückenlosen Inspektion der MEMS-Produktion und ein Röntgensystem zur Sideline-Inspektion, das für selektive und fortgeschrittene Analysen genutzt werden kann. Das optische 3D-Visionsmodul basiert auf einem konventionellen mikroelektrischen Wafer-Prober, der mit einer Lichtfeldkamera und einer Software zur automatisierten Inspektion nachgerüstet wird, um wichtige Informationen aus Lichtwellen zu erfassen. „Diese Kameras erfassen die Informationen aus der Quelle des eintreffenden Lichtstrahls im 3D-Raum über ein Mikrolinsenarray, das direkt vor einem konventionellen lichtsensiblen Chip eingebaut ist“, so CITCOM-Projektkoordinator Francesco Crivelli. „Nach der Kalibrierung der Kamera wird das dargestellte Objekt auf dem Computer rekonstruiert, sodass eine 3D-Tiefenkarte und ein vollständig fokussiertes Bild entstehen.“ Das Röntgensystem von CITCOM besteht aus einer von den Forschenden eigens für das Projekt entwickelten Röntgenquelle, einem Detektor und einem Manipulator. Die Forschenden statteten das System mit einem großen ladungsintegrierenden Detektor mit 5,5 MP aus, der die effektive Erkennung von Fehlern im Submikron-Bereich ermöglicht. Das Team entwickelte außerdem eine eigene Software zur Automatisierung der Inspektion für beide Module sowie eine Backend-Software, welche die Steuerung der Bildgebungsgeräte integriert, die Bildanalyseprozesse steuert und Informationen an alle weiteren Komponenten des Inspektionssystems übermittelt. Außerdem entwickelten die Forschenden eine Funktion zur automatisierten Fehlererkennung, die mithilfe von Tiefem Lernen Anomalien wie Mängel und Fremdkörper erkennt.

Zuverlässigkeitsprüfung der Module

Anhand von MEMS-Proben, die von den endanwendenden Partnern zur Verfügung gestellt wurden, prüften die Forschenden die Zuverlässigkeit und Robustheit des CITCOM-Systems. Für die Proben von Microchip nutzte CITCOM zur Zuverlässigkeitsprüfung spezialisierte Labore. Das Projektteam konnte bestätigen, dass CITCOM durch die Bereitstellung der nötigen Werkzeuge zur Fehlererkennung in der frühen Produktionsphase tatsächlich das Potenzial zur Verbesserung der Produktionseffizienz hat. Die CITCOM-Forschenden stellten fest, dass ihr System die Effizienz steigerte und den Stromverbrauch sowie das Abfallaufkommen verringerte, sodass die Instandhaltungs- und Betriebskosten um bis zu 76 % gesenkt werden konnten. Zudem zeigte sich im Hinblick auf die Umweltauswirkungen in Bereichen wie Klimawandel, Energienutzung und Eutrophierung ein Verringerungspotenzial von 40 %. „Der erfolgreiche Abschluss des CITCOM-Projektes wird durch das konkrete Interesse mehrerer Partner zur Fortsetzung der Zusammenarbeit nach Projektende weiter bestätigt“, wie Crivelli anmerkt. „Dadurch werden wir diesen Aufbau in echten Produktionsumgebungen testen und die Technologie für die Kommerzialisierung finalisieren können.“ Die höhere Nachhaltigkeit des Prozesses, die durch den verbesserten Produktionsertrag von komplexen MEMS und Mikrosystemen erreicht wird, wird Abfälle deutlich verringern und damit einen positiven Beitrag für die Umwelt leisten.

Schlüsselbegriffe

CITCOM, mikroelektromechanische Systeme (MEMS), Röntgen, optisch, 3D-Vision, 3D-Bildgebung

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