Eigentlich Routinearbeit

Neben dem optischen System wird auch von den Schiebetischen höchste Präzision verlangt. Vollautomatisiert werden sie sich im Betrieb mit einer Genauigkeit circa 150 Nanometer bewegen. Dazu meldet eine Skala die genaue Position des Tisches, was die Gesamtpräzision nach Implementierung aller Messprotokolle auf  50 Nanometer steigert. Sind Draht und Siliziumchip zueinander positioniert, soll die komplette Einheit unter eine Bondnadel gefahren werden. Diese verbindet den Draht mit dem Chip dauerhaft an vier Punkten. Das Verfahren dieser speziellen Art des Bondens kann auch als Schweißen bezeichnet werden, da im Gegensatz zum klassischen Bonden kein Draht mitgeführt wird, sondern der vorhandene Draht lediglich mit dem Silizium verschweißt wird.

Illustration des Schweißverfahrens mittels Hitze, Ultraschall und Druck. Bild: SVS-vistek

Als Energie nutzt das Verfahren keinen Strom. Der nämlich würde die Elektronik gefährden. Stattdessen soll eine Mischung aus bereits implizierter Hitze, Druck und Ultraschall zum Einsatz kommen. Die Ausgangstemperatur der Materialen beträgt bereits bei der Positionierung 160 Grad Celsius; da ein nachträgliches Erhitzen die erreichte Positionierung gefährden würde. Schwingungen zwischen sechzehn Kilohertz und einem Gigahertz in der Nadel regen das Metall weiter an, und erhitzen es weiter. Rund zwanzig Gramm Druck und damit das Gewicht eines modernen Autoschlüssels sind ausreichend, um mit der nur sechzig Mikrometer dicken Spitze der Nadel den Ultraschall zu übertragen und die dauerhafte Schweißverbindung herzustellen. Ein oft erprobtes Verfahren, mit dem man bei Arteos bereits viel Erfahrung gesammelt hatte, das jedoch auf eine ruhende Lage der Bauteile angewiesen ist.

Auswirkungen der Hitze auf den Strahlengang von Licht. Rechts: Minimierung der Wirkung durch Verkürzung der Hitzesäulen. Bild: SVS-vistek

Gleich einer Fatamorgana

Das Problem der Ingenieure von Arteos ist jedoch, dass der Draht immer noch um die finale Position schwingt und dieses Verhalten beim Dazuschalten weiterer Komponenten verstärkt. Spekulationen über ein Flirren des Lichts oder den Einfluss von Schwingungen aus dem Boden, wie sie von vorbeifahrenden Lkw oder der bloßen Benutzung der nahen Treppe herrühren, stehen im Raum. Bei schrittweisem Abschalten aller Komponenten stellt sich heraus, dass Vibrationen des Bodens durchaus zu beobachten sind, sie jedoch nicht für das periodische Schwingen des Drahtes verantwortlich sind. Stattdessen ist es die Hitze, die ein Flirren verursacht. Die erhitzten Komponenten erwärmen die Luft kontinuierlich, dehnen sie aus und lassen sie unterschiedlich warme Schichten bilden. Der Mikrokosmos bringt unter dem Kameraauge Erscheinungen hervor, die dem Flirren auf Autodächern in der Sonne oder den unterschiedlichen, spiegelartigen Luftschichten einer Fatamorgana gleichen. So brechen die entstehenden Hitzesäulen das Licht in wiederkehrenden Mustern und erzeugen den Anschein einer Schwingung.

Subpixeloptimierung – Gerade bei der Betrachtung von scharf abgesetzten Kanten kann mit Hilfe von Subpixeloptimierung eine deutlich höhere Auflösung generiert werden. Sie beruht auf mathematischen Algorithmen und wird nach der physischen Aufnahme der Bildinformation hinzugefügt. Ähnlich einer Vektorisierung, sucht die Software im Bild nach Kanten.

Abstand bringt Abkühlung

Ist das Problem einmal erkannt, können sich die Ingenieure von Arteos auf die Suche nach einer Lösung machen: Ein Point-Of-No-Return, da die Hitze von elementarer Bedeutung für das weitere Verfahren ist. Daher versuchen es die Ingenieure zunächst mit der Kühlung der Luft in Form eines Ventilators. Doch auch dieser bringt den Draht physisch zum Schwingen und stellt keine Lösung dar.

Fünffach verbesserte Auflösung – Gerade bei der Betrachtung von scharf abgesetzten Kanten kann mit Hilfe von Subpixeloptimierung eine deutlich höhere Auflösung generiert werden. Sie beruht auf mathematischen Algorithmen und wird nach der physischen Aufnahme der Bildinformation hinzugefügt. Ähnlich einer Vektorisierung, sucht die Software im Bild nach Kanten.

Schließlich bringt eine Anpassung des optischen Systems die alles entscheidende Verbesserung. Das Team nutzt die Proportionalität der Brechungen zur Höhe der Warmluftsäule und verlängert das Objektiv mit einem vorschraubbaren Adapter-Tubus. Auf diese Weise senken die Ingenieure schließlich den Abstand vom Objekt zum ersten Glas und minimieren den Einfluss der erhitzten Luft auf ein zu vernachlässigendes Minimum. bf

Von Alexander Lucke

Alexander Lucke
SVS-Vistek