Piccolo, altamente preciso e sensibile - una sfida in ogni dimensione

Pulizia di precisione ultrasuoni dei componenti in una camera bianca di classe ISO 1.

Dalla sostituzione dei processi di serigrafia convenzionali fino a componenti prodotti tramite tecnologie generative e alle applicazioni nel settore biomedico – le possibilità di impiego delle tecnologie di stampa digitale sono quasi illimitate.

Per la separazione, selezione e alimentazione di microcomponenti sensibili più piccoli di 500 micrometri, privi di contaminazioni e danni, l'IPA Fraunhofer utilizza effetti di superficie nei liquidi. I pezzi da lavorare vengono prelevati da un contenitore di raccolta e applicati miratamente sulla superficie del liquido di processo, regolata in base al livello di riempimento nel serbatoio del liquido. La gravità muove le parti galleggianti verso il bordo del liquido, contro un bordo di battuta intercambiabile installato lì, dove le parti si allineano in fila.

IPA.FluidSorting – Separazione e alimentazione di componenti microtecnici basate su liquidi.

Satellite di pulizia Co2

Dott. Ing. Udo Gommel

Le prime PC, che sono arrivati sul mercato all'inizio degli anni '80, erano ingombranti valigie che offrivano pochissimo comfort. Oggi ogni smartwatch al polso svolge molteplici funzioni rispetto a questi dinosauri. La miniaturizzazione ha raggiunto un livello che solo un decennio fa nessuno avrebbe potuto sognare. Un transistor su un circuito integrato è più piccolo di qualsiasi batterio, i sensori misurano solo millimetri e per osservare alcuni piccoli dettagli si necessita di una lente di ingrandimento. Esistono pacemaker delle dimensioni di una pillola e laboratori usa e getta per l'analisi del sangue, completi di pompe, valvole e canali che trovano spazio su un chip di silicio. Piccoli satelliti Pico, lanciati nello spazio, pesano appena più di un panetto di burro.

La tendenza verso il piccolo e il minuscolo si riscontra in particolare nell'elettronica e nella microtecnica. «La miniaturizzazione impone requisiti estremi alla produzione e richiede talvolta approcci completamente nuovi», spiega il Dr. Udo Gommel, che fino a febbraio 2016 ha diretto il settore. Soprattutto: bisogna garantire condizioni di altissima purezza. Se anche una singola particella di polvere può causare il fallimento totale di un componente o addirittura di un intero dispositivo, la purezza è una priorità assoluta. Anche la lavorazione e il montaggio a questa scala di miniaturizzazione richiedono tecnologie innovative. Ad esempio, i componenti minuscoli e sensibili possono essere gestiti solo in modo limitato con gli strumenti e i metodi tradizionali. Inoltre, l'applicazione di adesivi nel processo di incollaggio deve essere eseguita con la massima precisione. Il personale del settore «Elettronica e Microtecnica» affronta le sfide legate alla produzione di tali prodotti, contribuendo in modo sostanziale alla risoluzione delle problematiche produttive dell'industria. A ciò si aggiungono approcci di prodotto sviluppati autonomamente o in collaborazione con partner, come ad esempio un compatto scanner radar realizzato nel consorzio Fraunhofer, capace di attraversare ostacoli ottici e di vedere chiaramente anche in presenza di polvere, fumo, nebbia o pioggia.

Il più grande ambiente di ricerca in campo pulito al mondo

Per la produzione di strutture sottilissime o la lavorazione di componenti di dimensioni minime, è necessario un ambiente controllato dal punto di vista della purezza, di solito una camera bianca. Per la ricerca e la valutazione delle dipendenze del comportamento di contaminazione delle apparecchiature di produzione e della qualità dei prodotti realizzati, il Fraunhofer IPA dispone, oltre a numerosi sistemi di analisi, del più grande ambiente di ricerca in campo pulito al mondo di classe ISO 1, con flusso laminare di sovrapposizione. Esso copre circa 150 metri quadrati di superficie e ha un'altezza di oltre 6 metri. Con la sua configurazione per carichi pesanti, è possibile non solo esaminare e ottimizzare prodotti finali molto piccoli, ma anche, in combinazione, le grandi e pesanti apparecchiature di produzione/sistema, fino a un peso totale di circa 40 tonnellate. Un metro cubo di aria contiene al massimo 10 particelle di diametro 0,1 micrometri, mentre nell'aria urbana normale sono presenti 10¹³ particelle. Inoltre, l'istituto è dotato di strumenti all'avanguardia come microscopi elettronici a scansione, micro-tomografi a raggi X o spettrometri di massa, che consentono di misurare l'inquinamento dei componenti e di valutare e confrontare l'efficacia dei vari metodi di pulizia. Non sorprende quindi che esperti di Stoccarda siedano nei principali organi di standardizzazione delle procedure di purezza e pulizia.

Associazioni industriali «Consumabili adatti alle camere bianche» (CSC) e «MediClean»

Il ruolo cruciale di questo tema per l'industria si evidenzia anche nella creazione di due nuove iniziative promosse dal Fraunhofer IPA. La prima, «Cleanroom Suitable Consumables» (CSC), riguarda i materiali di consumo utilizzati quotidianamente nelle camere bianche, come tute, guanti, mascherine, panni e simili. La motivazione: la camera bianca più performante è inutile se viene continuamente contaminata da materiali di consumo che rilasciano particelle durante l'uso. Finora, mancano regole affidabili o anche solo misurazioni comparabili, e spesso si superano i limiti di pulizia specifici del prodotto. «Stiamo cercando di fare luce su questo problema», afferma l'esperto IPA Frank Bürgen. Alla rete partecipano aziende di vari settori, in particolare farmaceutico, elettronico e aerospaziale. La normativa che ne deriverà sarà successivamente adottata come norma internazionale. La seconda iniziativa mira a obiettivi simili nel settore medico: «MediClean» si occupa della pulizia di prodotti medicali, come impianti o aghi. La pulizia e l'igiene sono fondamentali già durante il processo di produzione, ma anche negli ospedali e negli studi medici, poiché le contaminazioni biologiche (ad esempio batteri) possono causare infezioni o rigetti di impianti medici. Finora, mancano norme vincolanti su come realizzare prodotti puliti o come effettuare una pulizia efficace, e ciò può portare a complicazioni. Le assicurazioni sanitarie stimano un danno economico di circa 7 miliardi di euro all'anno in Germania solo a causa delle reazioni di rigetto di impianti contaminati. La rete industriale guidata dal Fraunhofer IPA mira a risolvere questa problematica. Inoltre, il Fraunhofer IPA contribuisce con le proprie competenze tecnologiche alla possibile industrializzazione di prodotti high-tech, come ad esempio componenti sensibili alla contaminazione, grazie ai metodi di pulizia disponibili, come plasma, ultrasuoni o anidride carbonica, sia in forma umida che secca.

Pulizia con CO2

Il Fraunhofer IPA ha una competenza particolare nella pulizia con CO2, che è insuperabile per parti altamente sensibili. Gli esperti di Stoccarda stanno sviluppando un metodo per pulire durante la produzione di pellicole e substrati di vetro, come quelli usati in molti smartphone. Utilizzando un ugello a doppia sostanza brevettato, le superfici da pulire vengono «bombardate» con neve di CO2 cristallina. Variando i parametri come pressione, miscela, angolo di incidenza, distanza, ecc., si ottengono efficienze di pulizia ottimizzate in base alle caratteristiche specifiche della superficie. A temperatura ambiente, grazie alla differenza di circa 100 Kelvin tra superficie e CO2, avviene la dispersione di contaminanti filmici, come oli o grassi. La pressione del getto provoca la scrostatura e la rimozione di tali contaminanti. Inoltre, la neve di CO2 sublimandosi all'impatto sulla superficie, passa immediatamente allo stato gassoso, espandendosi di un fattore 800. In questo modo, le particelle di sporco vengono eliminate senza danneggiare il substrato sensibile. Un'applicazione attuale di rilievo in questo campo è la pulizia di componenti per la costruzione di satelliti e sonde spaziali, effettuata nei laboratori del Fraunhofer IPA.

Purezza dei processi di produzione

Oltre alla pulizia di singoli componenti, la purezza dei processi di produzione è determinante per la qualità. Microchip e display sono parti estremamente sensibili, che quasi non tollerano contaminazioni. Anche una singola particella di polvere può causare un cortocircuito e rovinare l'elettronica. Per evitare brutte sorprese, l'intera linea di produzione deve essere progettata fin dall'inizio in modo adeguato, dal design e dall'allestimento della camera bianca, agli strumenti e ai materiali utilizzati, fino all'abbigliamento del personale. Gli esperti del Fraunhofer IPA, come il team di Frank Bürgen, forniscono soluzioni adeguate. In caso di dubbi, eseguono i test necessari e, se richiesto, formano il personale.

Gestione di parti microscopiche

Una sfida particolare nella produzione di prodotti microelettronici e microtecnici, come gli smartphone, è la manipolazione di parti di dimensioni minuscole. Separarle, afferrarle, alimentarle, fissarle, posizionarle – tutto ciò non può essere fatto come nella produzione di mobili. Sono necessarie metodologie innovative. Ad esempio, il gruppo di lavoro di Dirk Schlenker ha sviluppato una metodologia per separare e trasportare parti microscopiche disposte in modo disordinato, portandole dove sono necessarie. I tradizionali trasportatori vibranti raggiungono i loro limiti con componenti più piccoli di mezzo millimetro, poiché i «piccoli» rimangono semplicemente sul nastro a causa del loro peso ridotto. Per questo, il team di ricerca ha dovuto ripensare completamente il metodo. L'ispirazione è arrivata dalla natura: i water strider (insetti che camminano sull'acqua) sfruttano la tensione superficiale. Piccole viti, ingranaggi, sfere, chip o sensori sono abbastanza leggeri da non affondare. Con il metodo brevettato chiamato «IPA.Fluid-Sorting», che è stato implementato con successo in un prototipo, le parti leggere galleggiano su una superficie liquida creata e, grazie alla gravità, si spostano verso il bordo del film liquido. Lì, urtano contro un bordo di arresto e si allineano come le perle di una collana. In questo modo, dopo aver ritirato il liquido, possono essere facilmente raccolte. Il metodo è adatto a tutte le parti di dimensioni inferiori a uno o due millimetri. La soglia inferiore è quasi inesistente: «In teoria possiamo anche ordinare polveri sottili. Più sono piccole, meglio è», afferma Schlenker. La domanda per tali sistemi di micro-ordinamento è ancora limitata, ma si prevede che sempre più parti miniaturizzate saranno richieste, ad esempio in tecnologia medica, orologeria o microelettronica.

Microdosaggio

Oltre alla manipolazione, anche l'assemblaggio di parti di dimensioni minime richiede nuove idee. Ad esempio, l'uso di adesivi: tutti conoscono il fastidio di quando il collante cola dalla tubetta dopo averlo usato, perché la pressione all’interno si riduce lentamente. Quando si tratta di micro-assemblaggi, ciò non deve accadere. Una singola goccia può rovinare un intero prodotto. Il team di Schlenker, in collaborazione con un partner industriale, è riuscito a commercializzare con successo il «IPA.VALVE», valvola di chiusura sviluppata al Fraunhofer IPA. Con questa valvola, che può essere facilmente avvitata ai sistemi di dosaggio attuali per evitare il tipico gocciolamento, è possibile dosare in modo più affidabile tutti i tipi di fluidi, come colle, oli o materiali sigillanti. Durante l'ultima fiera di settore Motek, la valvola è stata il grande successo, commenta Schlenker. È così semplice da essere presto disponibile come componente monouso a pochi euro.

Trasportatore intelligente di pezzi

Oltre ai progressi tecnologici, il Fraunhofer IPA propone anche soluzioni innovative di produzione. Gli esperti stanno lavorando alla «fabbrica del futuro», che sotto il nome di «Industria 4.0» inaugurerà una nuova era della produzione. Un tema rilevante per il settore sono i componenti intelligenti. L’idea: le singole macchine e i mezzi di produzione non sono più concorrenti isolati, ma lavorano in team. Comunicano tra loro e trovano così la soluzione ottimale. Ciò aumenta notevolmente la flessibilità e l’efficienza di una fabbrica. Gli ingegneri del Fraunhofer hanno contribuito, nell’ambito del progetto congiunto «smartWT», finanziato dal BMBF, a un ulteriore elemento della fabbrica connessa: un trasportatore di pezzi intelligente, che trasporta i componenti da una macchina all’altra e li mette a disposizione nel processo. Il «smartWT» permette di raccogliere continuamente dati logistici e di processo e di trasmetterli senza fili. È dotato di moduli miniaturizzati per l’elaborazione dei segnali, la comunicazione e la conservazione dell’energia. Inoltre, è progettato per poter svolgere autonomamente compiti durante il trasporto, come posizionare un componente. Il compito del Fraunhofer IPA era integrare le singole unità funzionali nel trasportatore e sviluppare scenari applicativi.

Il sistema di montaggio modulare

In linea con la tendenza verso sistemi intelligenti, sono sempre più richieste soluzioni di produzione che consentano di realizzare prodotti adattati all’applicazione, come sensori, in modo economico. Per grandi volumi, come nella produzione di smartphone, conviene investire in impianti di grandi dimensioni. Nel settore dei sensori, la produzione deve essere diversa, poiché le quantità sono più piccole e la varietà di varianti molto ampia. La fase più rischiosa è quella iniziale di implementazione industriale, quando alcuni processi e le loro concatenazioni non sono ancora definitivi. In collaborazione con partner, il Fraunhofer IPA ha sviluppato una soluzione: il sistema di montaggio modulare «VolProd». Permette di sostituire facilmente singoli moduli di processo e, secondo le necessità, di automatizzarli e collegarli gradualmente. Un esempio di come potrebbe essere questa soluzione è mostrato dal dimostratore allestito presso il Fraunhofer IPA.

Tecnologia di stampa digitale

Oltre allo sviluppo di impianti miniaturizzati e adattabili per la microtecnica, i ricercatori del Fraunhofer IPA lavorano a soluzioni di produzione per una nuova generazione di prodotti. Si tratta delle innovative soluzioni di stampa 3D. Tuttavia, l’IPA si concentra non solo sulla sfida di costruire strati affidabili, ma anche sulla questione della produzione: l’integrazione diretta dei componenti nel processo di costruzione. In collaborazione con partner, sono state sviluppate soluzioni di processo e sistemi innovativi, ora disponibili come base di sviluppo e dimostrazione. Ad esempio, un modulo di assemblaggio che permette di inserire microLED in una tasca di una pellicola portante, parte di una pellicola illuminante multistrato.

La lista delle competenze dell’IPA nella produzione di elettronica e microtecnica potrebbe essere ancora più lunga, includendo settori come galvanica, riconoscimento delle immagini, rete di sensori o elaborazione delle informazioni.

Martin Schleef dirige dal marzo 2016 il settore «Elettronica e Microtecnica». Il Dr. Udo Gommel, che ha ricoperto con successo questa funzione finora, è il suo vice. Dirige il dipartimento «Rein- und Mikroproduktion».

Dr.-Ing. Udo Gommel:
Responsabile del dipartimento di produzione in ambienti controllati e micro, vice direttore del settore «Elettronica e Microtecnica»