Minuscule, haute précision et sensible - un défi dans toutes les dimensions

Nettoyage de précision par ultrasons des composants dans une salle blanche de classe ISO 1.

Des processus d'impression par sérigraphie conventionnelle aux composants fabriqués de manière générative, en passant par des applications dans le domaine biomédical – les possibilités d'utilisation des technologies d'impression numériques sont presque infinies.

Pour la séparation, le tri et l'alimentation sans contamination ni dommage de micro-composants sensibles de moins de 500 micromètres, le Fraunhofer IPA utilise des effets de surface dans les liquides. Les pièces à traiter sont déposées depuis un récipient de collecte de manière ciblée sur la surface du liquide de processus, réglée en fonction du niveau dans le réservoir de liquide. La gravité déplace les pièces flottantes vers le bord du liquide contre une butée amovible installée à cet endroit, où les pièces s'alignent.

IPA.FluidSorting – Tri sélectif basé sur des liquides et alimentation de composants microtechniques.

Satellite de nettoyage CO2

Dr.-Ing. Udo Gommel

Les premiers PC, apparus au début des années 1980, étaient de lourds coffres qui offraient à peine du confort. Aujourd'hui, chaque montre connectée au poignet réalise plusieurs fois cette performance de ces dinosaures. La miniaturisation a atteint un niveau que personne n'aurait pu imaginer il y a seulement une décennie. Un transistor sur un circuit intégré est plus petit que n'importe quelle bactérie, des capteurs mesurent seulement quelques millimètres et pour observer certains petits détails, il faut une loupe. Il existe des stimulateurs cardiaques de la taille d'une pilule et des laboratoires jetables pour l'analyse du sang, équipés de pompes, de valves et de canaux, qui tiennent sur une puce en silicium. De minuscules pico-satellites, lancés dans l'espace, pèsent à peine plus qu'une tranche de beurre.

Le penchant pour le petit et le minuscule se retrouve notamment dans l'électronique et la microtechnologie. « La miniaturisation impose des exigences très strictes à la production et nécessite parfois des approches totalement nouvelles », explique le Dr Udo Gommel, qui a dirigé le domaine d'activité jusqu'en février 2016. Surtout : tout doit se faire dans un environnement extrêmement propre. Si une seule poussière peut entraîner la défaillance totale d'un composant ou même d'un appareil entier, la pureté est une priorité absolue. La fabrication et l'assemblage à ce degré de miniaturisation nécessitent également de nouvelles technologies. Par exemple, il n'est plus possible de manipuler les composants minuscules et sensibles avec les outils et méthodes habituels. De plus, l'application de colles lors du processus d'assemblage doit être réalisée avec une précision extrême. Les employés du domaine « Électronique et Microtechnologie » relèvent ces défis liés à la fabrication de tels produits. Ils apportent une contribution essentielle à la résolution des questions technologiques de production dans l'industrie. S'ajoutent à cela des approches de produits développées en interne ou en partenariat, comme par exemple un scanner radar compact réalisé dans le cadre du réseau Fraunhofer, capable de traverser des obstacles optiques et de voir clairement même dans la poussière, la fumée, le brouillard ou la pluie.

Plus grand laboratoire de recherche en salle blanche au monde

Pour fabriquer des structures extrêmement fines ou traiter des composants très petits, il faut un environnement contrôlé en termes de pureté, généralement une salle blanche. Pour la recherche et l’évaluation des dépendances du comportement de contamination des équipements de production et de la qualité des produits fabriqués, le Fraunhofer IPA dispose, en plus de nombreux systèmes d’analyse, du plus grand laboratoire de recherche en salle blanche au monde de classe ISO 1, avec un flux laminaire. Il couvre environ 150 mètres carrés de surface au sol, avec une hauteur sous plafond de plus de 6 mètres. Avec sa conception pour supporter des charges lourdes, il ne sert pas seulement à examiner des produits finis très petits, mais aussi, en combinaison, des installations et systèmes de production souvent très grands et lourds, pesant jusqu’à près de 40 tonnes. Un mètre cube d’air dans ce laboratoire ne contient pas plus de 10 particules de 0,1 micromètre, contre 10¹³ particules dans l’air urbain ordinaire. L’institut possède également des équipements de pointe tels que des microscopes électroniques à balayage, des micro-tomographes ou des spectromètres de masse, permettant de mesurer la contamination des composants, d’évaluer et de comparer l’efficacité des différentes méthodes de nettoyage. Il n’est donc pas surprenant que des experts de Stuttgart siègent dans des instances importantes en charge de la normalisation des procédés de pureté et de nettoyage.

Associations industrielles « Consumables compatibles salle blanche » (CSC) et « MediClean »

La importance de ce sujet pour l’industrie est illustrée par la création de deux nouvelles initiatives lancées par le Fraunhofer IPA. Le réseau industriel « Consumables compatibles salle blanche » (CSC) concerne les matériaux consommables utilisés quotidiennement dans la salle blanche, comme les combinaisons, gants, masques, lingettes, etc. La motivation : la meilleure salle blanche est inutile si elle est constamment recontaminée par des contaminants issus des matériaux consommables lors de leur utilisation prévue. Jusqu’à présent, il manquait des règles fiables ou même des mesures comparatives, ce qui entraîne souvent le dépassement des limites de propreté spécifiques aux produits. « Nous essayons d’éclaircir la situation », explique l’expert du Fraunhofer IPA, Frank BÜRGER. Des entreprises de tous secteurs dépendant de zones contrôlées en termes de propreté participent, notamment la pharmacie, l’électronique et l’aérospatiale. Le cadre réglementaire qui en résultera sera ultérieurement établi comme norme internationale. La deuxième initiative vise des objectifs similaires dans le domaine médical. « MediClean » s’occupe de la propreté des produits médicotechniques, comme les implants ou les aiguilles injectables. La propreté et l’hygiène sont vitales dès la fabrication, mais aussi dans les hôpitaux et cabinets médicaux, car la biocontamination (microbes, etc.) peut provoquer des infections ou le rejet d’un implant. Jusqu’à présent, il n’existe pas de normes contraignantes pour une fabrication propre ou un nettoyage efficace. Cela peut entraîner des complications. Les caisses d’assurance maladie estiment le coût économique des réactions de rejet dues à des implants contaminés à environ 7 milliards d’euros par an en Allemagne. Le réseau industriel, dirigé par le Fraunhofer IPA, doit apporter une solution. Sur le plan technologique aussi, le Fraunhofer IPA contribue de manière décisive à la mise en œuvre industrielle de produits de haute technologie grâce à ses compétences regroupées dans le domaine d’activité. Par exemple, le nettoyage d’un composant sensible à la contamination — pas de problème. Le Fraunhofer dispose des principales méthodes de nettoyage, qu’il s’agisse de plasma, d’ultrasons ou de dioxyde de carbone, qu’elles soient humides ou sèches.

Nettoyage au CO2

Le Fraunhofer IPA possède une expertise particulière dans le nettoyage au CO2, idéal pour les pièces très sensibles. Les experts de Stuttgart développent une méthode pour nettoyer, lors de la fabrication en rouleau, des films et substrats en verre utilisés dans de nombreux smartphones. À l’aide d’une buse à deux fluides brevetée, les surfaces à nettoyer sont « bombardées » avec de la neige de CO2 cristalline. En ajustant la pression du jet, la composition du mélange, l’angle, la distance, etc., il est possible d’optimiser l’efficacité du nettoyage en fonction des spécificités de la surface. D’une part, à température ambiante, une différence de température d’environ 100 Kelvin entre la surface et le CO2 provoque la dissociation des contaminants filmés, comme les huiles ou les graisses. La pression du jet permet alors de détacher et d’éliminer ces contaminants. De plus, la neige de CO2 sublimate au contact de la surface, passant instantanément à l’état gazeux. Elle explose littéralement, son volume augmentant d’un facteur 800. Les particules de saleté dispersées se détachent inévitablement, sans endommager le substrat sensible. Une application récente dans ce domaine concerne le nettoyage de composants pour la fabrication de satellites et de sondes spatiales dans les laboratoires du Fraunhofer.

Propreté des processus de fabrication

Outre le nettoyage de composants individuels, la propreté des processus de fabrication est déterminante pour la qualité. Les microprocesseurs et les écrans sont des pièces particulièrement sensibles, qui ne tolèrent quasiment aucune contamination. Un seul particule de poussière fine peut provoquer un court-circuit et ruiner l’électronique. Pour éviter toute mauvaise surprise, il faut concevoir toute la chaîne de fabrication dès le départ, depuis la conception et l’équipement en salle blanche, jusqu’aux outils, au choix des matériaux et à la tenue du personnel. Des experts du Fraunhofer IPA, comme l’équipe de Frank BÜRGER, proposent des solutions adaptées. En cas de doute, ils effectuent les tests nécessaires et peuvent même former le personnel si souhaité.

Manipulation de pièces minuscules

Un défi particulier dans la fabrication de produits microélectroniques et micromécaniques, comme par exemple le smartphone, est la manipulation de pièces minuscules. Isoler, saisir, alimenter, fixer, positionner — tout cela ne peut pas se faire comme dans la fabrication de meubles. Il faut des méthodes innovantes. Par exemple, le groupe de travail de Dirk Schlenker a développé une méthode pour isoler et transporter des composants microscopiques, qui se trouvent en tas désordonnés, vers l’endroit où ils sont nécessaires. Les convoyeurs vibrants traditionnels atteignent leurs limites techniques pour des pièces de moins d’un demi-millimètre, car ces « nains » restent simplement sur le tapis à cause de leur faible poids. L’équipe de chercheurs a donc dû repenser complètement la démarche. L’inspiration vient de la nature : les limnées peuvent marcher sur l’eau en exploitant la tension de surface. De minuscules vis, engrenages, billes, puces ou capteurs sont également assez légers pour ne pas couler. Avec la méthode brevetée appelée « IPA.Fluid-Sorting », qui a été mise en œuvre avec succès dans un prototype, ces composants légers flottent à la surface d’un liquide créé artificiellement et glissent grâce à la gravité vers le bord du film liquide. Là, ils heurtent une butée et s’alignent comme des perles sur un fil. Après avoir retiré le liquide, on peut les saisir facilement. La méthode convient à tous les composants de moins de un à deux millimètres. La limite inférieure est presque inexistante : « En principe, nous pouvons même trier des grains de poussière. Plus c’est petit, mieux c’est », explique Schlenker. La demande pour de telles installations de tri microscopiques est encore limitée, mais il est évident que de plus en plus de petites pièces seront nécessaires, que ce soit dans la technologie médicale, l’horlogerie ou la microélectronique.

Microdosage

Outre la manipulation, l’assemblage de composants minuscules nécessite également de nouvelles idées. Par exemple, le collage : tout le monde connaît cette frustration quand la colle goutte après le travail, parce que la pression dans le tube se relâche lentement. Lorsqu’il s’agit de micro-assemblage, cela ne doit pas arriver. Une seule goutte peut ruiner un produit entier. L’équipe de Schlenker a réussi, en collaboration avec un partenaire industriel, à commercialiser avec succès la « IPA.VALVE » développée au Fraunhofer IPA. Avec cette valve à fermeture, qui peut être facilement fixée aux systèmes de dosage modernes pour éviter le gouttage, tous types de liquides — colle, huile ou matériau d’étanchéité — peuvent être dosés de manière plus fiable qu’auparavant. Lors du dernier salon professionnel de l’automatisation de la production et de l’assemblage, Motek, « la valve a été le succès », se réjouit Schlenker. Elle est si simple qu’elle devrait bientôt être disponible comme pièce à usage unique pour quelques euros.

Transporteur de pièces intelligent

En plus des progrès technologiques réalisés, le Fraunhofer IPA propose également des solutions de production innovantes. Les experts du Fraunhofer travaillent actuellement sur l’usine du futur, qui, sous le mot-clé « Industrie 4.0 », inaugurera une nouvelle ère de la production. Un sujet pertinent pour ce domaine est la mise en réseau intelligente des composants. L’idée : les machines et moyens de production ne sont plus des combattants isolés, mais travaillent en équipe. Elles communiquent entre elles et trouvent ainsi la solution optimale. Cela augmente considérablement la flexibilité et l’efficacité d’une usine. Les ingénieurs du Fraunhofer ont, dans le cadre du projet collaboratif « smartWT » financé par le BMBF, apporté un autre élément à cette usine connectée : un transporteur de pièces intelligent, qui transporte des composants d’une machine à l’autre et les met à disposition dans le processus. Le « smartWT » permet de collecter en continu des données logistiques et de processus, qu’il transmet sans fil. Il est équipé de modules miniaturisés pour le traitement du signal, la communication et le stockage d’énergie. De plus, il est conçu pour pouvoir effectuer des tâches de manière autonome pendant le transport, comme positionner un composant. La tâche du Fraunhofer était d’intégrer les différentes unités fonctionnelles dans le transporteur de pièces et de développer des scénarios d’application possibles.

L’installation de montage modulaire

Associée à la tendance vers des systèmes intelligents, la demande pour des solutions de production permettant de fabriquer de manière rentable des produits adaptés à leur application, comme par exemple des capteurs, augmente. Ainsi, pour de grands volumes comme dans la fabrication de téléphones portables, l’investissement dans de grandes installations est rentable. Dans le domaine des capteurs, la production doit être différente, car les quantités sont plus faibles et la variété très grande. La phase initiale de la mise en œuvre industrielle est particulièrement risquée, car certains processus et leur enchaînement ne sont pas encore finalisés. En partenariat avec d’autres, le Fraunhofer IPA a développé une solution dans le cadre du projet collaboratif financé par le BMBF et associé au cluster d’excellence microTEC Südwest : l’installation de montage modulaire « VolProd ». Elle permet de remplacer facilement certains modules de processus et, selon les besoins, de les automatiser et de les relier étape par étape. Un démonstrateur installé au Fraunhofer montre à quoi cela peut ressembler.

Impression numérique

En plus du développement d’installations miniaturisées et modulaires pour la microtechnologie, les chercheurs du Fraunhofer travaillent sur des solutions de production pour une nouvelle génération de produits. Il s’agit notamment des solutions innovantes de fabrication par impression 3D. Cependant, le Fraunhofer ne se limite pas à la simple construction de couches successives de manière fiable, mais s’intéresse aussi à la question de la production : l’intégration directe de composants lors du processus de fabrication. En collaboration avec des partenaires, des solutions innovantes de processus et de systèmes ont été développées, qui sont maintenant disponibles comme base de développement et pour la démonstration. Par exemple, un module d’assemblage permettant d’insérer de minuscules LED dans une poche d’une pellicule porteuse, constituant une partie d’une pellicule d’éclairage multicouche.

La liste des compétences du Fraunhofer dans la production électronique et microtechnologique pourrait encore s’allonger, par exemple dans des domaines de recherche tels que la galvanoplastie, la reconnaissance d’images, la mise en réseau de capteurs ou le traitement de l’information.

Martin Schleef dirige depuis mars 2016 le domaine « Électronique et Microtechnologie ». Le Dr Udo Gommel, qui occupe cette fonction depuis lors avec succès, est son adjoint. Il dirige le département « Reproduction en salle blanche et microfabrication ».

Dr.-Ing. Udo Gommel :
Directeur du département Reproduction en salle blanche et microfabrication, vice-directeur du domaine « Électronique et Microtechnologie »