• Uni/Hochschule: Institut für Mikroproduktionstechnik (IMPT) Leibniz Universität Hannover
  • Land: Deutschland
  • Autor(en): Lutz Rissing, Berend Denkena, Marc Wurz, Thilo Grove, Esmail Asadi, Abdelhamid Bouabid
  • Artikel vom: 25 August 2015
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  • Artikel Nummer: 054-012-d
  • Kategorie(n): WERKZEUG ANWENDUNGEN, Fräswerkzeug
  • Neuartige Herangehensweise für eine Batchproduktion keramischer Mikrofräswerkzeuge

    Seit Jahrzehnten wächst der Bedarf an Mikrobauteilen und Bauteilen mit miniaturisierten, funktionalen Strukturen in mehreren Abwendungsbereichen. Für die Herstellung solcher Bauteile eignet sich das Mikrofräsverfahren [1]. In der Elektroindustrie werden beispielsweise durch das Mikrofräsen hergestellte Halbleiterelementen in Schaltkreisen verwendet, um Gewichts- sowie Volumenersparnisse erzielen zu können [2]. In der Medizintechnik und insbesondere in der Dentalmedizin wird das Mikrofräsen ebenfalls vermehrt eingesetzt. In diesen Bereichen werden Keramik- und Titanimplantate mit komplizierten, dreidimensionalen Geometrien durch einen simultanen 5-Achs-Mikrofräsbearbeitungsprozess hergestellt [2, 3]. Ein weiteres Einsatzgebiet des Mikrofräsens stellt der Werkzeug- und Formenbau dar. In diesen Gebieten werden zum Beispiel Elektroden aus Graphit oder Kupfer mittels Mikrofräsen mikrostrukturiert, um die Reibungsverluste zu reduzieren [3].

    Für die Herstellung von Mikrofräsern kommen thermische, elektrochemische oder spanabhebende Verfahren zum Einsatz. Zu den thermischen Verfahren gehören der Focused Ion Beam Prozess (FIB-Prozess) und das Electrical Discharge Maschining (EDM). Während Friedrich und Adams nachweisen, dass mit dem FIB-Prozess Mikrofräser mit einem Durchmesser von 25 µm gefertigt werden können, ist Egashira gelungen, Mikrofräser mit einem Durchmesser von 20 µm mit Hilfe des EDM-Verfahrens herzustellen und einzusetzen [4, 5, 6]. Darüber hinaus zeigte Egashira, dass mit dem EDM-Verfahren Kantenverrundungen von etwa 0,5 µm an den Schneiden eingebracht werden konnten [6]. Ferner konnte Fleischer Mikrofräser mit einem Durchmesser von 45 µm mithilfe eines elektrochemischen Verfahrens, dem Electro-Discharge-Grinding-Verfahren (EDG) herstellen [7]. Schaller und Zhan untersuchten die Herstellbarkeit von Mikrofräsern aus polykristallinem Diamant (PCD) und Hartmetall mit Durchmessern von 35 µm bis zu 120 µm spanhebend mittels Diamantschleifscheiben [8, 9]. Eine weitere Reduzierung der Werkzeugdurchmesser auf 11 µm konnte Onikura durch Einsatz von Ultrasonic-Vibrationen beim Mikroschleifen erreichen [10].

    Da es sich bei den zuvor genannten Herstellverfahren für Mikrofräser um Einzelfertigungsverfahren handelt, erlaubt die Batchfertigung durch gleichzeitige Herstellung mehrerer Werkzeuge mit dem reaktiven Ionentiefenätzen (DRIE) eine Steigerung der Prozesswirtschaftlichkeit. Hierbei besteht die Herausforderung darin, dass mithilfe dieses Verfahrens Werkzeuge mit qualitätsgerechten Schneiden im Mikrometerbereich erzeugt werden können. Als Werkstoff der zu entwickelnden Mikrofräser wird Siliziumcarbid eingesetzt, da dieser Werkstoff in Form von Wafern mittels Dünnfilmtechnik mikrostrukturiert werden kann [11, 12]. Hinzu kommt, dass sich Siliziumcarbid aufgrund seiner guten thermischen und mechanischen Eigenschaften als Werkstoff für Zerspanwerkzeuge eignet.

    Herstellung von Mikrofräsern

    Die Prozesskette zur Batchfertigung der Mikrofräser setzt sich aus den Teilschritten Beschichtungstechnik, Photolithographie des SiC-Wafers, Trockenätzen des Wafers mit DRIE sowie der Nachbearbeitung der erzeugten Werkzeuge zusammen (Abb.1). Im ersten Schritt gilt es zunächst die Geometrie der Werkzeuge (1), welche anschließend in eine Folienmaske als Fotomaske (2) übertragen wird, auszulegen. Die Fotomaske stellt das unmittelbare Bindeglied zwischen dem Layout- und dem Strukturdesign auf der Substratoberfläche dar. Als Grundsubstrat werden 4-Zoll Wafer aus gesintertem SiC mit einer Dicke von 1 mm verwendet. Bevor die Wafer für die notwendigen Schritte der Beschichtungstechnik und der Lithographie eingesetzt werden können, soll die Rauheit der Waferoberfläche durch Läppen und Polieren (Chemisch-Mechanisches-Polieren) reduziert und anschließend durch chemische Reinigungsschritte von Verunreinigungen befreit werden (3).

    Als Maskierungsmaterial wird Nickel eingesetzt (7). Nickel kann dabei galvanisch abgeschieden werden und weist eine hohe Beständigkeit gegenüber dem chemischen und physikalischen Ätzangriff auf. Für die galvanische Abscheidung der Nickelstrukturen als Maskenmaterial werden die Wafer zunächst mit einer Chrom- und Goldstartschicht (5) beschichtet. Im Anschluss wird eine wenige Mikrometer dünne Fotolackschicht (6) mittels Rotationsbeschichtung aufgetragen. Der Fotolack wird anschließend mit ultraviolettem Licht belichtet und in einer Entwicklerlösung strukturiert. Somit werden die Strukturen der Fotomaske in dem Fotolack übertragen. In den freigelegten Bereichen des Fotolacks wird abschließend Nickel abgeschieden. Bevor das Verfahren des DRIE angewendet werden kann, werden der Fotolack und die Startschicht entfernt (8). Für die Umsetzung der ausgelegten Strukturen in Mikrofräsern wird das Verfahren DRIE (9) eingesetzt. Mit diesem Verfahren können gleichzeitig bis zu 1.000 Mikrofräser mit hoher Genauigkeit gefertigt werden. Aufgrund des anisotropen Ätzverhaltens sind die herstellbaren Strukturen jedoch in der Tiefe eingeschränkt, sodass die Realisierung von schrägen Flächen sowie einem Drall der Schneiden nicht möglich sind. Zurzeit kann eine Höhe der geätzten Mikrofräser von 150 µm erreicht werden. Als signifikante Prozessstellgrößen sind für das reaktive Ionentiefenätzen die Prozessparameter Zykluszeit, Gasflussrate von Octafluorcyclobutan (C4F8) und Schwefelhexafluorid (SF6), elektrische Leistung und Maskierungsmaterial definiert. Die Einflüsse auf die Ausgangsgrößen sind durch Abtragsrate, erzielbares Aspektverhältnis, Winkel der Seitenflächen und Topografie der Seitenflächen festgelegt.

    Nachdem die Werkzeughöhe von 150 µm mit dem DRIE-Verfahren erreicht ist, werden die Maskierungs- und die Startschicht nasschemisch entfernt (10). Eine REM-Aufnahme der auf dem SiC-Wafer erzeugten Mikrofräser bis zu diesem Prozessschritt stellt Abb.2 dar. Zunächst ist eine rauhe, schwammartige Struktur der Grundfläche des Wafers festzustellen. Es handelt sich dabei um die während des Ätzprozesses bearbeitete SiC-Oberfläche. Die Stirnseite der Mikrofräser kennzeichnet sich dagegen durch eine glatte Oberfläche aus, da sie durch die Ni-Maske gegen den Ätzangriff abgeschirmt worden ist. Ferner geht aus einem Vergleich zwischen den Ziel-Geometrien und den tatsächlichen geätzten Geometrien hervor, dass die hergestellten Mikrofräser unerwünschte Kantenverrundungen aufweisen. Diese Ungenauigkeiten konnten bereits auf der Fotomaske identifiziert werden. Sie entstehen aufgrund der unzureichenden Auflösung beim Ausdrucken der Folienmaske und werden auf die hergestellten Fotolackstrukturen und somit auch auf die Ni-Maskierungsstrukturen übertragen. Im nächsten Schritt werden die Mikrofräser mittels Trennschleifen vereinzelt (11), optisch ausgerichtet und schließlich mit einem Schaft zusammengefügt (12) und nachbearbeitet (13). Um die Handhabbarkeit bei dem Ausrichten und Zusammenfügen zu vereinfachen, werden die Mikrofräser mittig auf einer 1x1 mm² Grundfläche abgetrennt. Durch diese Maßnahme wird ebenfalls gewährleistet, dass eine Beschädigung der Mikrofräser während des Trennprozesses vermieden wird.

    Einsatzuntersuchungen

    Zunächst werden die Funktionsfähigkeit der Mikrofräser sowie deren Einsatzverhalten in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit betrachtet. Eine Übersicht der Versuchsanordnung ist in Abb.3 dargestellt. Die eingesetzte Werkzeugmaschine ist eine „Ultrasonic 10“ 5-Achsbearbeitungsmaschine der Firma „Sauer“. Die Hauptspindel der Maschine kann eine maximale Drehzahl von nmax = 40.000 1/min erreichen.

    Als zu zerspanender Werkstoff wird galvanisch abgeschiedenes Kupfer eingesetzt, da Kupfer vermehrt in der Elektroindustrie eingesetzt und dort mittels Mikrofräsverfahrens bearbeitet wird. Die Länge einer zu fräsenden Nut beträgt 100 mm. Insgesamt werden je Prozessstellgrößenkombination fünf Nuten gefräst. Die Prozesskräfte werden mit Hilfe einer Kraftmessplattform „MiniDyn“ der Firma „Kistler“ aufgenommen. Die Fräsuntersuchungen erfolgen trocken.

    Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen werden die Drehzahl und die Zustellung auf jeweils n = 30.000 1/min und ap = 10 µm konstant gehalten. Ferner wird der Zahnvorschub in drei Stufen variiert (fz = 0,005; 0,01; 0,015 mm). Die eingesetzten Werkzeuge haben einen Durchmesser von d = 400 µm. Den REM-Aufnahmen in Abb.2 können die drei Geometrien der hergestellten Fräser entnommen werden. Diese drei Varianten weisen einen konstanten Keilwinkel β, Freiwinkel α und Spanwinkel γ auf. Der Unterschied zwischen den einzelnen Fräsern liegt darin, inwieweit die Freiflächen und/ oder die Spanflächen mit einer Verrundung versehen sind. Im Rahmen dieser experimentellen Untersuchungen werden Werkzeuge mit der Geometrie 1 eingesetzt.

    Ergebnisse

    Die Mikrofräser werden gemäß dem zuvor beschriebenen Versuchsplan eingesetzt. In Abb. 4 ist der Verlauf der gemittelten Passiv-, Vorschub- und Vorschubnormalkraft in Abhängigkeit des Vorschubwegs dargestellt. Zunächst ist aus diesen Verläufen zu entnehmen, dass die Passivkraft den höchsten Wert aufweist. Darüber hinaus wird die niedrigste Kraft in Vorschubnormalrichtung beobachtet. Diese Tendenzen sind bei der Mikrofräsbearbeitung unüblich, da die Vorschubkraft in der Regel das höchste Niveau aufweist. Diese Unregelmäßigkeit ist darauf zurückzuführen, dass es sich bei der Stirnseite des Mikrofräsers um eine plane Fläche handelt, sodass es verstärkter Reibung im Nutgrund kommt. Darüber hinaus werden die Späne, die aufgrund der Geometrie der Stirnseite nicht von der Kontaktzone abtransportiert werden, in das Werkstück hinein gequetscht, sodass hohe Passivkräfte entstehen.

    Ferner charakterisieren sich die Kraftverläufe bei den Zahnvorschüben fz1= 0,005 mm und fz2=0,01 mm durch ein vergleichbares Niveau der drei Komponenten, da die Variation des Zahnvorschubs in dem untersuchten Bereich einen geringfügigen Einfluss auf die Prozesskräfte haben. Der Mikrofräser bricht dagegen an der Fügestelle bei einem Zahnvorschub von fz= 0,015 bereits nach einer Bahn ab. Da die üblichen Zahnvorschübe bei dieser Anwendung bei einem Durchmesser von 400 µm bei fz1= 0,012 liegen, ist es zurück zu schließen, dass die durch den Fügeschritt erzielte Haftung zwischen dem Schaft und dem Werkzeug gegeben ist.

    Zusammenfassung und Ausblick

    Die dargestellten Ergebnisse zeigen, dass mit Hilfe der entwickelten Prozesskette die Batchfertigung von einsatzfähigen Mikrofräswerkzeugen möglich ist. Die Einsatzuntersuchungen zeigen, dass die entwickelten Mikrofräser die dynamischen Belastungen bei einer Vorschubgeschwindigkeit von bis zu vf = 600 mm/min und einer Drehzahl von n = 30.000 1/min standhalten können. Darüber hinaus können mit diesen Werkzeugen Vorschubwege von mehr als lc = 600 mm erreicht werden.

    Um die Leistungsfähigkeit der Mikrofräser zu erhöhen, müssen Optimierungen hinsichtlich der Fräsergeometrien und Prozessparameter vorgenommen werden. An Stelle der Folienmaske kann zur Erhöhung der Genauigkeiten der Schneiden eine Glasmaske eingesetzt werden, die höhere Ätzgenauigkeiten ermöglicht. Durch die Anpassung des Ätzprozesses kann zum einen die Prozesszeit reduziert und somit die Wirtschaftlichkeit erhöht werden, zum anderen kann die Werkzeugkopfhöhe gesteigert werden. Die Vermeidung des frühzeitigen Werkzeugbruchs kann durch die Optimierung des Fügeprozesses erzielt werden. Des Weiteren stellt die Erhöhung der Positioniergenauigkeit einen wichtigen Aspekt bei der Optimierung des Fügeprozesses dar, da der Fräser und der Schaft möglichst genaue aufeinander positioniert werden müssen. Dieser Ansatz erlaubt es, Werkzeuge ohne Rundlauffehler herzustellen und somit deren Standzeit zu erhöhen. Letztlich können die Geometrien der Mikrofräser durch numerische Untersuchungen bereits vor dem Herstellen an die Zerspanaufgabe exakt angepasst werden.

    Danksagung

    Die vorgestellten Untersuchungen wurden innerhalb des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekts DE 447 / 116-1 „Batchgefertigte SiC-Mikrofräswerkzeuge für die spanende Präzisionsbearbeitung von Kupferwerkstoffen“ durchgeführt.


    Info

    Esmail Asadi
    Institut für Mikroproduktionstechnik (IMPT)
    Leibniz Universität Hannover
    Tel: +49 511 762-2775
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    www.impt.uni-hannover.de
    Abdelhamid Bouabid
    Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW)
    Leibniz Universität Hannover
    Tel.: +49 511 762-18006
    Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
    www.ifw.uni-hannover.de

    Quellen

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    Jiang, L., et al. (2003). Fabrication of SiC microelectromechanical systems using one-step dry etching. Journal of Vacuum Science & Technology B, S. 2998-3001

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