Microchip: van zandkorrel tot smartphone

De microchip zit overal in

Vrijwel alle moderne technologie is gebaseerd op één centraal element: de microchip. Van koffiezetapparaat tot communicatiesatelliet, er is vrijwel geen enkel apparaat dat kan functioneren zonder microchip. Dat betekent dat het vervaardigen van microelektronische componenten bij uitstek een sleuteltechnologie is. En bij alle belangrijke stappen in dit proces spelen motoren een rol, van de verwerking van siliciumkristallen tot aan de montage van printplaten.

Zandwafels

De grondstof voor een chip is eenvoudig: zand. Kwartszand, om precies te zijn. Dat zand wordt eerst gesmolten, en de verschillende componenten worden gescheiden van de hoofdcomponent: silicium. In de vloeibare massa van silicium wordt een zogeheten entkristal gebruikt om een grote, cilindervormige staaf te ‘kweken’ van één enkel kristal, zodat een homogene structuur ontstaat.

Van deze staaf – boule of ingot genoemd – worden vervolgens schijfjes afgezaagd van ongeveer twee millimeter dikte. Dit zijn de onbewerkte ‘wafers’. Bij de bewerking worden de schijfjes glad gemaakt en gepolijst en vervolgens krijgen ze een lichtgevoelige coating. De volgende stap is het aanbrengen van de geleidingen met behulp van fotolithografie, gevolgd door een etsbewerking. In moderne chips zijn de paden van een circuit slechts enkele nanometers breed.

In deze processtap worden de complexe structuren opgebouwd die miljoenen transistoren op een microchip verbinden om een geïntegreerd circuit (vaak afgekort tot IC) te bouwen. Iedere component wordt tot dertig keer belicht, steeds met een ander masker. De vele tientallen componenten op de wafer moeten bijzonder nauwkeurig worden uitgelijnd met de positionering van de vorige belichting. Dit is een proces met vele stappen, en bij iedere stap verschijnen er meer chipstructuren op de ronde siliciumschijf. Die heeft nu wat weg van een wafel (Engels: wafer, vandaar dus de naam).

Bij iedere stap beweegt een robot de wafer en stuurt deze zo door het productieproces. Het onafgewerkte materiaal is bijzonder gevoelig, dus stoten moeten absoluut worden vermeden – terwijl er meestal maar weinig ruimte is in de systemen. Om de structuren van een microchip zonder fouten af te leveren, moeten de wafers steeds weer bijzonder exact worden gepositioneerd voor iedere bewerkingsstap. Dit geldt natuurlijk ook voor de optica van de lasers in de fotolithografische systemen. De nauwkeurige bewegingen van de componenten in de robots en lasersystemen, steeds met betrouwbare herhaalbaarheid, wordt geleverd door aandrijvingen van FAULHABER, zoals DC-motoren, stappenmotoren en piëzomotoren.

Bedrading en synthetische hars

Nadat de structuren in het kristallijne silicium af zijn, worden de afzonderlijke blanco chips uit de wafers gesneden. Nu worden de de elektrische aansluitingen (pinnen) aangebracht, in de vorm van dunne aluminiumof gouddraden. De draden worden afgerold van spoelen, en natuurlijk verloopt ook dat proces volledig automatisch. Het hechten van de draad is de taak van een speciale machine. Deze beweegt de draad naar de gewenste locatie, rolt hem af, snijdt de benodigde hoeveelheid af en soldeert deze vast.

Hierna wordt de microchip ‘verpakt’ in een beschermlaag, meestal van zwarte synthetische hars. Het verpakkingsproces lijkt op het spuitgieten van kunststof, maar ook hier is de vereiste precisie weer extreem hoog. De hoeveelheid synthetische hars moet perfect worden gedoseerd, zodat het circuit effectief wordt beschermd zonder dat er materiaal uitsteekt dat de installatie of werking van de chip kan hinderen. Voor de dosering wordt daarom een gemotoriseerde eenheid gebruikt. De synthetische hars – meestal zwart gekleurd – wordt door een spindel geleid en de voorwaartse beweging van de spindel transporteert de hars naar de injectiemal. Nadat de motor een nauwkeurig bepaald pad heeft afgelegd, gemeten tot op de millimeter, schakelt de motor in zijn achteruit. Zo kan er een nauwkeurig gedoseerde hoeveelheid hars worden ingebracht in de mal. De chips hebben nu hun herkenbare uiterlijk. Ze zijn in principe klaar, maar eerst worden ze nog getest. Ook dit werkt geautomatiseerd, met een testmachine.

Deze machine bevat een robot om de microchip op te pakken, te transporteren en in de testapparatuur te plaatsen. Omdat hier onderdelen worden verwerkt die maximaal een paar vierkante centimeter groot zijn, moeten de onderdelen van het testsysteem ook bijzonder klein zijn. De motoren die de bewegingen van de componenten aandrijven, moeten dus compact zijn, maar tegelijkertijd moeten ze extreem hoge acceleraties kunnen leveren. Dit geldt ook voor de aansturing van de draadhechting die hierboven is beschreven.

Voor beide processen zijn motoren nodig die met bijzonder veel precisie werken. Omdat de vereisten zo hoog zijn, maken veel machines in dit procesbereik gebruik van motoren van FAULHABER, zoals de BX4-serie met een geïntegreerde Motion Controller of motoren uit het portfolio van lineaire DCservomotoren.

Snelle montage en naaldtest

De geteste microchip wordt meestal in een kunststof transportband gezet en vervolgens overgebracht naar de volgende stap voor de fabricage van microelektronica: de montage in de PCB. De printed circuit board, de printplaat, is ongetwijfeld bekend: een groene kunststof plaat met chips en diverse andere elektronische componenten, koperen geleidingen en glanzende zilverkleurige soldeerpunten.

Printplaten zijn tegenwoordig vrijwel overal terug te vinden. In combinatie met de onderdelen eromheen en met de benodigde aansluitingen vormen ze de kleine of grote rekeneenheden die verantwoordelijk zijn voor een vlekkeloze werking van computers, smartphones, auto’s, huishoudelijke apparatuur, machines en talloze andere producten. Ook hier gaat het dus om massaproductie: iedere dag worden er ontelbare componenten op printplaten gemonteerd.

En ook dit werk wordt gedaan door machines voor automatische plaatsing; zogenaamde pick-and-place machines. De transportbanden met componenten worden op rollen aangevoerd naar de montagestations. Kleine uitsparingen in de banden bevatten de componenten, een perforatie aan de rand van de riem maakt nauwkeurig transport mogelijk. De band wordt afgerold zodat de plaatsingskop altijd één component kan opnemen. Meestal wordt hiervoor onderdruk gebruikt: de component wordt de kop ingetrokken en hier vastgehouden. De kop verplaatst zich naar de doellocatie op de printplaat, waar er uitsparingen zijn voor de pinnen van de chip of de andere component. De machine plaatst de chip in deze uitsparing, later worden de chips op de printplaat gesoldeerd.

De pinnen voor de aansluiting zijn dun als een haar, dus het is logisch dat ze bijzonder gevoelig zijn. Als de plaatsing ook maar een fractie van een millimeter verkeerd is, worden de pinnen verbogen en werken ze niet meer goed. Ook hier moet precisie dus de allerhoogste prioriteit krijgen. Tegelijkertijd gaat het om enorme hoeveelheden, dus er is een hoge productie nodig. Sommige machines verwerken meer dan 100.000 componenten per uur, met het blote oog zijn de snelle bewegingen niet te volgen. De vereisten voor de motoren die de transportbanden bewegen en de montagekoppen aansturen, liggen even hoog als voor de andere fabricageprocessen in de productie van micro-elektronica.

Ook de kwaliteitsinspectie na de productie moet extreem snel worden doorgevoerd, omdat iedere afzonderlijke printplaat grondig wordt getest. De elektrische geleiding van de pinnen levert informatie over de correcte werking van de circuits. Om deze geleiding te testen worden bijzonder dunne naalden naar de afzonderlijke pinnen gebracht – met twee of meer tegelijk – en onder spanning gezet. Deze procedure wordt herhaald voor ieder onderdeel, totdat alle geleidende verbindingen gecontroleerd zijn. Hoewel de test dus grondig is, is het beeld van ontspannen laboratoriumwerk volledig verkeerd: deze printplaten worden vaak in miljoenen geproduceerd. De controles worden daarom uitgevoerd door volledig geautomatiseerde testmachines, die grote productvolumes moeten kunnen verwerken. De naalden bewegen bijvoorbeeld zo snel, dat dit alleen in sterk vertraagde slow motion zichtbaar wordt voor het menselijke oog.

Meer informatie

Lees ook:
Aandrijfsysteem online berekenen
Robots en AI: veel misvattingen
Nieuwe GPT tandwielkasten