Laserumformen von Siliziummikrostrukturen

Löschner, Udo GND

Abstract In this work fundamental theoretical and experimental investigations on the bending of silicon microstructures by means of laser radiation are presented for the first time. At the beginning the state of the art is analysed.The performed simulation of the laser bending process of silicon microstructures gives information on the distribution of temperature, strain and stress inside the mate-rial and the resulting bending angle. The results of those calculations were used to develop a model of the laser induced bending process.Experimental investigations using Nd:YAG laser radiation of 1064 nm and 532 nm wavelengths yield information on the influence of important parameters on the laser bending process. Those parameters include laser power, the number of consecutive irradiations and the machining speed. The experimental results are compared with the results of the simulation.The laser bended samples have been characterized in relation to changes compared to undeformt samples. Beside material modifications there occur also geometrical deviations in the bending zone as well as variations in mechanical strength of the material.In consequence of the installation of a closed loop control, which uses the bending angle as input parameter, the reproducibility can be considerably improved because the actual bending is not influenced anymore by tolerances on the laser bending process.The silicon bending technology, which has been developed, can be used in a quite number of different applications. For example, specially designed micromechanical components made of silicon can be formed in such a way, that they are able to fix the position of other components, to guide or to stack components or even to transfer mechanical, electrical or electronical tasks to more than one wafer plane.In a final chapter the results of special investigations on the bending of silicon with laser radiation and an additional bending tool are presented.

In dieser Arbeit werden erstmalig grundlegende theoretische und praktische Untersu-chungen zum Umformen von Siliziummikrostrukturen mit Hilfe von Laserstrahlung durchgeführt. Vorangestellt ist eine gründliche Analyse des Kenntnisstandes der Technik.Die Simulation des Laserumformprozesses von Siliziummikrostrukturen an einem auf die experimentellen Untersuchungen zugeschnittenen FE-Modell gibt Aufschluss ü-ber die entstehenden Temperatur-, Dehnungs- und Spannungsfelder im Material und die entstehenden Biegewinkel. Die Berechnungsergebnisse fließen in eine modell-hafte Beschreibung des laserinduzierten Biegeprozesses von Siliziummikrostrukturen ein.Die experimentellen Untersuchungen mit Nd:YAG-Laserstrahlung der Wellenlängen 1064 nm und 532 nm liefern Erkenntnisse zu wichtigen Parametern im Laserum-formprozess wie beispielsweise zum Einfluss von Laserleistung, der Anzahl an wie-derholten Bearbeitungen oder der Bearbeitungsgeschwindigkeit. Die experimentellen Ergebnisse sind denen aus den Simulationsrechnungen gegenübergestellt. Nach der Umformung werden die Biegeproben hinsichtlich Veränderungen gegen-über unverformten Proben beurteilt. Neben Materialveränderungen in der Biegezone liegen sowohl geometrische Abweichungen als auch veränderte mechanische Fes-tigkeitseigenschaften vor. Durch den Aufbau eines Regelkreises mit dem Biegewinkel als Stellgröße lässt sich die Reproduzierbarkeit der hergestellten Umformungen von den Toleranzfeldern im Laserumformprozess entkoppeln und dadurch deutlich verbessern.Das entwickelte Verfahren eignet sich sehr gut zum Umformen von Siliziumbauteilen für verschiedenste Anwendungen. Speziell entworfene mikromechanische Bauteile aus Silizium können so umgeformt werden, dass sie in der Lage sind, andere Bautei-le mechanisch in ihrer Lage zu fixieren, zu führen, zu stapeln oder sogar mechani-sche oder elektrische Aufgaben auch über mehrere Waferebenen zu übertragen. Abschließend werden spezielle Umformuntersuchungen mit Laser und zusätzlichem Biegewerkzeug durchgeführt.

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Löschner, Udo: Laserumformen von Siliziummikrostrukturen. 2007.

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