Ein kurzer Einblick in die Mikrobearbeitung (und ihren wachsenden Markt)
Haben Sie sich schon einmal gefragt, wie klein 1–500 µm sind? Um Ihnen eine bessere Vorstellung davon zu vermitteln: Die durchschnittliche Breite eines einzelnen menschlichen Haares liegt zwischen 10 und 200 µm. Das ist ein SEHR kleiner Durchmesser. Stellen Sie sich nun eine Laserverarbeitungstechnologie vor, mit der sich winzige Strukturen in dieser Größenordnung herstellen lassen. Dieser Prozess wird als Mikrobearbeitung bezeichnet. Die Mikrobearbeitung ist eine fortschrittliche Technologie, bei der mithilfe von Mikrofertigungsverfahren Mikrostrukturen in Bauteilen mit Abmessungen von 1–500 µm hergestellt werden. In diesem Blogbeitrag werden die Grundlagen der Mikrobearbeitung erläutert. Außerdem werden wir uns damit befassen, wie dieser Markt für Wachstum sorgt.
So funktioniert es
Bei der Laserbearbeitung ist es entscheidend, ein System zu entwickeln, das einen Laser und eine Laserscan-Lösung umfasst, die für hohe Präzision und Stabilität bei mikroskaligen Aufgaben ausgelegt sind. Eine der häufigsten Herausforderungen bei dieser Anwendung ist die Komplexität, die mit der Arbeit an Systemen dieser Größenordnung einhergeht. Deshalb sind Präzision und höchste Genauigkeit für Systemintegratoren so wichtig. Bei der Mikrobearbeitung kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz, darunter das Bohren. Dabei werden Löcher mit einem Durchmesser von nur 10 µm in beliebige Materialien gebohrt, wobei unabhängig vom Zielmaterial glatte Kanten erzielt werden. Ein weiteres Verfahren ist die Laserbearbeitung sowie das Mikrofräsen. Beide beziehen sich auf den Prozess des Materialabtrags bis zu einer bestimmten Tiefe. Beide erzeugen zudem Strukturen wie Rillen, Schlitze und Profile – alles ohne das Material vollständig zu durchschneiden.
Verwendete Lasertypen
In der Mikrobearbeitung setzen Hersteller üblicherweise gepulste Laser ein, da diese präzise Energiemengen in ein Material einbringen, was zu einem exakten Materialabtrag führt, der über den gesamten Arbeitsgang hinweg reproduzierbar ist. Es ist diese Energieeinbringung, die es dem Laser ermöglicht, ein Material abzutragen, zu schneiden, zu bohren, zu bearbeiten oder zu ritzen.
Typische Materialarten
Wir haben über die verschiedenen Verfahren und Lasertypen gesprochen, die in der Mikrobearbeitung zum Einsatz kommen; nun wollen wir uns auf die Materialarten konzentrieren. Typische Materialien sind Polymere, Glas, Keramik, Metalle, Silizium, Solarzellenwafer, Diamant und Halbleiterwafer. Je nach Anwendung und Laser stehen verschiedene Fertigungsverfahren zur Verfügung, die sich hinsichtlich Durchsatz, Genauigkeit und Leistung unterscheiden. Einige Beispiele sind:
- Via-Lochbohren – Laserbohren von Löchern in dünne Materialien.
- Bohren und Trepanieren von flexiblen Leiterplatten – Bohren von Löchern oder Abtragen von Material auf Leiterplatten aus Platten.
- Lochbohren und Formschneiden in Keramik – für Aluminiumoxid oder andere keramische Werkstoffe zum Schneiden oder Bohren beliebiger Formen sowie für nichtlineare Schnitte.
- Strukturierung leitfähiger Schichten – für die Verarbeitung von Flachbildschirmen und Touchscreens, zum Beispiel Muster auf verschiedenen Materialien wie Glas, Kunststoff, Keramik, Folie usw.
- Solarzellenfertigung – PERC, SE, Bohren, Kantenisolierung und Ritzen
Wichtige Anwendungsherausforderungen, die die Mikrobearbeitung löst
Die Mikrobearbeitung und – ein noch kleinerer Bereich – die Nanotechnologie spielen eine Schlüsselrolle bei der Lösung spezifischer Anwendungsherausforderungen bei der Herstellung von Mikro- und Kompaktkomponenten. Diese reichen von biomedizinischen Anwendungen bis hin zu chemischen Mikroreaktoren und Sensoren. Diese beiden Technologien kommen in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) zum Einsatz.
Diese Art von Technologie ermöglicht es, mechanische Strukturen zu miniaturisieren und in eine elektrische Struktur zu integrieren, wodurch ein einziges System entsteht. Da die Marktnachfrage nach kleineren Geräten steigt, hat sich die Produktminiaturisierung zu einem zunehmenden Trend entwickelt.
Dank kontinuierlicher technologischer Fortschritte in diesem Bereich ist die Massenproduktion von mikrogroßen Bauteilen für Mikro- und Nanosysteme möglich geworden. Bei der Massenproduktion von Silizium mittels Mikrobearbeitung können Strukturen im Inneren eines Substrats hergestellt werden, während die Oberflächenmikrobearbeitung strukturelle Dünnschichten auf einer Opferschicht für die Halbleiterindustrie erzeugen kann.
Marktwachstum
Die steigende Marktnachfrage nach der Miniaturisierung von Produkten und Systemen hat das Wachstum in diesem Nischenmarkt beflügelt und lässt eine starke Wachstumswelle für die Mikrobearbeitung erwarten. Der Bericht von Optech Consulting prognostiziert einen erwarteten Anstieg der durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) für die Mikrobearbeitung von 10 % im Zeitraum 2017 bis 2020 bzw. von 7 % im Zeitraum 2020 bis 2025. Im Jahr 2015 beliefen sich die weltweiten Marktumsätze für Stromsparlösungen in der Materialbearbeitung auf 2,9 Milliarden US-Dollar, wobei die Mikrobearbeitung satte 51 % dieses Gesamtbetrags ausmachte. All dies sind deutliche Indikatoren für die weitere Entwicklung der Mikrobearbeitung in den kommenden Jahren.
Ganz gleich, ob Sie sich für Miniaturisierung und deren Auswirkungen auf MEMS interessieren oder einfach nur neugierig sind, mehr über die Mikrobearbeitung zu erfahren – eines ist sicher: Dieser Markt birgt ein deutliches Wachstumspotenzial. Dank der fortschrittlichen Technologie der Mikrobearbeitung hat die Herstellung von mikro-kleinen Systemen Unternehmen dabei geholfen, sich an neue Rahmenbedingungen anzupassen und Innovationen sowie Leistungssteigerungen selbst auf kleinstem Raum voranzutreiben.
