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Piezoelektrische Sensoren Piezoelektrische Sensoren von Kistler für die dynamische Kraftmessung

Dynamische Messtechnik
Piezoelektrische Sensoren von Kistler für die dynamische Kraftmessung

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Neue Technologien wie 5G oder IoT und Fortschritte im Umgang mit Big Data haben die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Halbleitern erhöht. Das macht auch deren Produktion zunehmend komplexer. Für Hersteller von Halbleitern wird es immer herausfordernder, hohe Qualitätsstandards und Produktionserträge zu erreichen und langfristig beizubehalten. Hier hat sich die dynamische Kraftmessung mit piezoelektrischen Sensoren als effektive Methode zur Kontrolle von Produktionsprozessen erwiesen.

»Robert Hillinger, Business Development Manager, Kistler Gruppe, Wintherthur

Inhaltsverzeichnis
1. Vorteile von piezoelektrischen Sensoren bei der Kraftmessung
2. Piezoelektrische Sensoren als Teil der Messkette
3. Kistler mit breitem Spektrum an Piezoelektrischen Sensoren
4. Genaue Messergebnisse dank piezoelektrischer Sensoren
5. Kraftmessung mit piezoelektrischen Sensoren

Die aufgebrachte Prozesskraft ist ein kritischer Faktor bei der Herstellung von Halbleitern, sowohl bei Front-end Prozessen wie dem Schleifen, Polieren, chemisch-mechanischen Polieren (chemical mechanical polishing CMP) oder dem Delaminieren von Wafern, als auch bei Back-end Prozessen wie dem Stanzen von Leadframes, dem Chip-, Draht- und Waferbonden, Abdichten, und Sortieren. Abweichungen in der aufgebrachten Kraft während dieser Prozesse bedeuten mechanischen Stress und können zu Qualitätsproblemen führen. Die Kraftmessung ist daher ein wichtiger Parameter, um eine engere Prozesssteuerung zu gewährleisten und mechanische Belastungen zu vermeiden, die zum Beispiel durch Werkzeugverschleiß, verändertes Materialverhalten und Maschinenstörungen bei der Halbleiterherstellung auftreten. Anwender können damit Kraftsignale mit bestimmten Produktqualitätsparametern korrelieren.

Vorteile von piezoelektrischen Sensoren bei der Kraftmessung

Die Kraftmessung mit piezoelektrischen Sensoren hat sich in den vergangenen Jahren als hocheffiziente Methode zur Überwachung, Steuerung und Optimierung der Halbleiterproduktion erwiesen. Das Funktionsprinzip basiert auf dem piezoelektrischen Effekt. Dieser postuliert, dass piezoelektrische (PE) Materialien wie Quarzkristalle als Reaktion auf eine mechanische Belastung ein elektrisches Ladungssignal erzeugen. Das Entscheidende dabei ist, dass die Ladung linear proportional zu der aufgebrachten Kraft ist. Die hohe Linearität ermöglicht hochgenaue Messungen in weiten Messbereichen: Die hochauflösenden Sensoren sind für Messbereiche von 0,1 N bis 100 kN ausgelegt. Ein weiterer Vorteil ist, dass der PE-Effekt in Kraftrichtung, in Relation zur Kraft und diagonal als Schereffekt auftritt. Daher können PE-Sensoren auf verschiedene Weise in eine Maschine integriert werden. Wegen ihrer Steifigkeit reagieren sie präzise auf schnelle Kraftänderungen. Insgesamt eignen sich PE-Sensoren aufgrund ihrer Eigenschaften sehr gut für viele anspruchsvolle Messanwendungen.

Piezoelektrische Sensoren als Teil der Messkette

Piezoelektrische Sensoren werden nicht als einzelne Messeinheiten eingesetzt. Vielmehr sind sie Teil einer industriellen Messkette, in die sie sich nahtlos einfügen lassen. In einer solchen Kette misst der PE-Sensor die Kraft, ein Ladungsverstärker wandelt sie um und stellt der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) oder dem Industrie-PC ein elektrisches Signal zur Verfügung, das der gemessenen Kraft entspricht. Hard- und Software zur Prozessüberwachung wie etwa von Kistler verarbeitet die gemessenen Signale weiter. Jeder Produktionsschritt wird durch eine Kurve (entweder Kraft/Zeit oder Weg) visualisiert und kann so einfach auf seine Qualität hin überprüft werden. Zusätzlich kann der Anwender die Kurvenauswertung mit Hilfe von Auswerteobjekten (Evaluation Objects, EOs) an die individuelle Überwachungsaufgabe anpassen. Damit kann jeder Produktionsschritt überprüft und Schlecht- oder Gutteile ermittelt werden.

Kistler mit breitem Spektrum an Piezoelektrischen Sensoren

Neben der Hard- und Software zur Prozessüberwachung bietet der Hersteller ein breites Spektrum an PE-Sensoren und Ladungsverstärkern an. Abhängig von der Anwendung und den Platzverhältnissen können Anwender die am besten geeigneten Sensoren auswählen. Je nach Anzahl der Kanäle, des Messbereichs und der Messungsart (statisch/dynamisch), analogem oder digitalem Ausgangssignal sowie Frequenzbereich kann der geeignetste Ladungsverstärker gewählt werden. Neben einer sorgfältigen Wahl von Aufbau und Komponenten der Messkette gehört es zu einer guten Messpraxis dazu, Beschleunigungs- und Temperaturänderungen während der Messung zu vermeiden. Ist dies nicht möglich, sind Maßnahmen erforderlich, um ihren Einfluss zu verringern. Darüber hinaus sollte der Anwender für eine gute Kabelisolierung und -führung sorgen sowie den Reset/Operate-Sprung kompensieren, etwa mit dem Maxymos-Auswertesystem des Herstellers oder einer SPS. Die Inline-Messung, bei der Kraftsensoren direkt in der mechanischen Struktur der Halbleiteranlage montiert sind, ist die bevorzugte Anwendung. In Kombination mit dem Ladungsverstärker und der Prozessauswertung können Anwender mithilfe dieser Sensoren die aufgebrachte Kraft aufzeichnen und beurteilen. Vor allem aber können sie auf Basis der gesammelten Montagedaten den Produktionsprozess optimieren. Da Inline-Messketten die Messung und Aufzeichnung der Kraft bei jedem Produktionsschritt ermöglichen, eignen sie sich für die automatische Prüfung von Massenartikeln. Auch die Rückverfolgbarkeit für jeden gefertigten Artikel lässt sich auf diese Weise gewährleisten.

Genaue Messergebnisse dank piezoelektrischer Sensoren

Die Auflösung ist definiert als die Fähigkeit des Messsystems, kleine Änderungen beim Messresultat zu erkennen und genau anzuzeigen. Wie erwähnt, verfügen Piezoelektrische Sensoren von Natur aus über eine hohe Auflösung. Selbst bei Kräften von nur 1 N erreicht die PE-Kraftmessung in industriellen Anwendungen Auflösungen von weniger als 0,01 N. Zudem wartet die PE-Messung mit Qualitätsfaktoren wie Wiederholpräzision oder Serienpräzision auf, die es erlauben, die Genauigkeit von wiederholten Messungen zwischen identischen Produktionsschritten zu bestimmen. Anwender können diesen Vorteil nutzen und die relative statt die absolute Messung einsetzen.

Kraftmessung mit piezoelektrischen Sensoren

In der Vergangenheit wurde die piezoelektrische Kraftmesstechnik hauptsächlich zur Maschinenverifikation und zum hochgenauen Drahtbonden, Schleifen und Polieren von Wafern eingesetzt. Heute wird die Technologie in einer wachsenden Anzahl von Anwendungen in der gesamten Halbleiterindustrie eingesetzt – in Front-End- und Back-End-Prozessen sowie in Prüfprozessen. Die Komplexität der Produktionsprozesse bei der Halbleiterherstellung wird in Zukunft noch weiter zunehmen und erfordert große Anstrengungen, um die Qualität und Produktionsleistung der Fertigung zu verbessern. Die dynamische piezoelektrische Kraftmessung ist die Technologie der Wahl, um diese Anforderungen zu erfüllen, denn sie bietet eine hohe Auflösung und Wiederholpräzision auch bei kleinen Kräften. Hersteller profitieren von der langen Lebensdauer und den kompakten Abmessungen der Sensoren. Die Vorteile für die Produktion selbst sind vielfältig: Die dynamische piezoelektrische Kraftmessung verbessert die Maschinenleistung in Bezug auf Geschwindigkeit und Genauigkeit, erhöht die Qualität der produzierten Teile und senkt damit die ppm-Ausfallrate – das senkt letztlich die Kosten. (jg)

Mehr Informationen zu den piezoelektrischen Kraftsensoren von Kistler:

hier.pro/pG3kC

Kontakt:
Kistler Group
Eulachstrasse 22
8408 Winterthur
Tel. +41 52 224–1111
info@kistler.com
www.kistler.com

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