3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion · PDF fileSsk > 0...

1© Bruker Nano Surfaces Division, Dezember 2012 1“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion

Dr. Udo Volz, Bruker Nano GmbH, Karlsruhe

Webinar, 11. Dezember 2012

2“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Bessere Charakterisierung von Oberflächen - Motivation / Schlüsselfaktoren

• Miniaturisierung- Kleinere Dimensionen erfordern kleinere Toleranzen- Anderes Reib- und Verschleißverhalten auf Mikro-Skala

• Fremdvergabe / Outsourcing- Unterschiedliches Verhalten gleicher Teile mit gleichen Spezifikationen von verschiedenen Zulieferern- Nicht spezifizierte versteckte Eigenschaften

• Gesetze / Verordnungen- Emissionsgrenzwerte für Fahrzeuge- Energieeffizienz von Haushaltsgeräte / Lampen- Wiederverwertbarkeit

• Garantie / Haltbarkeit- Produktlebensdauer soll immer weiter steigen

• Differenzierung vom Wettbewerb- Erscheinungsbild- Höchste Produktqualität

3“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Übergang zu 3D-Mikroskopie- Einige Gründe

• 2D-Parameter korrelieren oft nicht mit Funktion- z. B. Effizienz von Photovoltaikzellen- Reib- und Verschleißverhalten auf der Mikro-Skala

• Statistische Sicherheit bei 2D-Linienscans- Linienscan muß senkrecht zur Bearbeitungsspur sein- Radius und Qualität der Meßspitze beeinflussen Resultat- Begrenzte Anzahl von Meßlinien- Betrachteter Anteil der Fläche ist gering

• Zeit bis zum Resultat- schnellerer Feedback in den Fertigungsprozess

• Berührungsfreie Messung- keine Beschädigung von Probe oder Meßspitze

4“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Übersicht

3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion

• Gestatten … Bruker !

• Interferometrie – Grundlagen

• Optische 3D-Rauheitsmessung

• Produktionsnahe Anwendungsbeispiele

• Schlußbemerkungen

5“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Bruker - Messtechnik und Analytik

Bruker BioSpinMedizintechnik(NMR, MRI, EPR)

Bruker DaltonicsElementanalyse(MS, GC)

Bruker ESTEnergie, Supraleiter

Bruker AXSRöntgen-Analytik(XRF, XRD, µXRD)

Bruker OpticsSpektroskopie (FT-IR, NIR, Raman, THz)

Bruker Nano Surfaces DivisionCharakterisierung von Oberflächen(Rasterkraftmikroskopie, Optische & taktile Profilometrie, Tribologie und mechanisches Testen)

Gründung: 1960 KarlsruheJahresumsatz 2008: > 1000 Mio. US-$

6“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

RasterkraftmikroskopieMessung von Textur und Rauheit, Charakterisierung von elektrischen, magnetischen, mechanischen und anderen Materialeigenschaften.

Optische ProfilometrieKontaktlose 3-dimensionale Messung von Textur und Rauheit von Oberflächen, Stufenhöhen und Filmdicken

Bruker Nano Surfaces Division*- Charakterisierung von Oberflächen

Universeller Material-TesterTribologie, Verschleißtests, Kratztests für dünne Schichten, Mikro- und Nanoindentation

Taktile ProfilometrieMessung von Textur und Rauheit, von Oberflächen, Stufenhöhen und Stress von dünnen Schichten.

7“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Übersicht

3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion

• Gestatten … Bruker !

• Interferometrie – Grundlagen

• Optische 3D-Rauheitsmessung

• Produktionsnahe Anwendungsbeispiele

• Schlußbemerkungen

8“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Abbildendes Interferometer (= Profilometer)

- Aufbau

Digitale Intensität

Strahlteiler

Digitale Kamera

Illuminator

MikroskopObjektiv

Verschiebe-einheit

InterferometerObjektiv

LED Quellen

FeldBlende

AperturBlende

Probe

DichroitischerSpiegel

Referenz-spiegel

Strahlteiler

Multiplikatorlinse

9“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Abbildendes Interferometer (= Profilometer)

- Interferenzstreifen

• Das Interferometer überzieht das optische Bild der Probe mit einem Muster aus Interferenzstreifen.

• Die Interferenzstreifen entsprechen den Höhenlinien auf einer Landkarte.

• Jeder Interferenzstreifen repräsentiert eine Linie konstanter Höhe.

• Höhenabstand der Linien ist ½ Wellenlänge (~ 260 nm).

20 m

260 nm

10“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Phasenschiebende Interferometrie (PSI)und Weißlicht-Interferometrie (VSI*)

• Monochromes Licht

• Erstes Interferometrieverfahren zur Oberflächenabbildung: ab 1983.

• Für glatte Oberflächen Ra < 50 nm , maximale Stufenhöhe ∆z < λ/4

• Hauptanwendung: Optiken und Spiegel.

• Gleicht dem “Rennwagen”: benötigt ebene “Rennstrecke”.

Phasenschiebende Interferometrie (PSI)

Weißlicht-Interferometrie (*Vertical Scanning Interferometry)

• Weißes Licht, die kurze Kohärenzlänge des Lichts (1 µm) ist entscheidend !

• Erstes kommerzielles Weißlicht-Interferometer: Wyko RST, 1992.

• Für alle Oberflächen, meßbare Stufenhöhe unbegrenzt.

• Hauptanwendung: alles, was nicht spiegelglatt ist !

• Gleicht dem “Geländewagen”: fährt “überall” hin.

Andreas Tille, Creative Commons CC—BY-SA

Rick Dikeman, Creative Commons CC—BY-SA

11“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Phasenschiebende Interferometrie (PSI)- Grundprinzip

• Höhenabstand der Linien ist ½ Wellenlänge (~ 260 nm).

• PSI interpoliert die Graustufen des Interferogramms.

• Vorteil: hohe Reproduzierbarkeit:

R < 0.1 nm (rms)

• Nachteil: nur glatte Oberflächen (Spiegel), maximale Stufenhöhe ∆z < λ/4

∆z = λ/2

12“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Phasenschiebende Interferometrie (PSI)- Beispiel: ultraflacher SiC-Spiegel

• Extrembeispiel einer ultraglatten Oberfläche (Ra < 0.1 nm).

• Hauptanwendung PSI: Oberfläche von Optiken und Spiegeln.

Ra = 0.09 nm

100 µm

13“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Weißlicht-Interferometrie (VSI)- Grundprinzip

• Weißes Licht hat eine sehr kurze Kohärenzlänge von ca. 1 µm.

• Interferenzstreifen überdecken nur noch einen Höhenbereich von ca. 1 µm.

• VSI konstruiert die Oberfläche aus einem Bilderstapel

• Immer noch hohe Reproduzierbarkeit:

R < 3 nm (rms)

• Vorteil: keine prinzipielle Beschränkung des meßbaren Höhenbereichs

∆z = 1 µm

14“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Das Objektiv wird auf die Probe zu bewegt.

Dadurch wandern die Interferenzstreifen wie Höhenlinien von oben nach unten über die Probenoberfläche.

Aus dem Bilderstapel wird die Oberfläche rekonstruiert.

Weißlicht-Interferometrie (VSI)- Messvorgang

Fokus

15“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Weißlicht-Interferometrie (VSI) - Anwendungsbeispiele

Metalle

Zylinderinnenwand

Verschleißtests

Mikrofluidik

Hüftgelenkschale

Sandgestrahlt

16“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Interferometrische Profilometrie- Übersicht Meßverfahren

16

� Weißlicht-Interferometrie (VSI)

= Vertical Scanning Interferometry ⇒ Reproduzierbarkeit in z: R = 3 nm (rms)⇒ Meßzeit: wenige Sekunden bis Minuten.

� Phasenschiebende Interferometrie (PSI)(glatte Oberflächen, Ra < 50 nm)⇒ Reproduzierbarkeit in z: R < 0.1 nm (rms)⇒ Meßzeit: wenige Sekunden

� VXI = Kombiniert VSI und PSI(Meßvorgang wie bei Weißlicht-Interferometrie,Auswertung vermittelt flexibel und selbständig, je nach Datenlage zwischen VSI und PSI)⇒ Reproduzierbarkeit in z: R ~ 0.5 nm (rms)⇒ Meßzeit: wenige Sekunden

NEU !

Smart

Mode

17“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Interferometrische Profilometrie- Vergleich mit anderen Meßverfahren

17

� Die Reproduzierbarkeit in z ist von der Vergrößerung unabhängig:

VSI: R = 3 nm (rms)PSI: R < 0.1 nm (rms)VXI: R ~ 0.5 nm (rms)

Objektiv-Vergrößerung /Numerische Apertur (NA)

Bre

ite d

es

Meßsi

gnals

Kohärenzlänge: 1.2 µm

Konfokale Signalbreite

100x 20x 10x100x 20x 10x100x 20x 10x100x 20x 10x 5x 2.5x5x 2.5x5x 2.5x5x 2.5x

Die vertikale Auflösung eines Interferometers ist nur durch die Kohärenzlänge des Lichts bestimmt !

*z. b. konfokale Mikroskopie, Autofokus-Verfahren, chromatische Aberration, etc.

� Die Reproduzierbarkeit in z ist von der Vergrößerung abhängig !

� Niedrige Vergrößerungen ( ≤≤≤≤ 20x ) sind deutlich benachteiligt.

Die vertikale Auflösung anderer Verfahren* ist durch die Schärfentiefe des Objektivs bestimmt.

18“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Übersicht

3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion

• Gestatten … Bruker !

• Interferometrie – Grundlagen

• Optische 3D-Rauheitsmessung

• Produktionsnahe Anwendungsbeispiele

• Schlußbemerkungen

Sa

Ra

19“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Optische Rauheitsmessung in 3D - 3D Rauheitsparameter

• Wann ist eine dreidimensionale optische Messung sinnvoll ?• Wann genügt eine taktile Messung auf einer Linie ?• Welche Nutzen bieten neuartige 3D-Rauheitsparameter ?• Standards für die optische 3D-Rauheitsmessung ?

20“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Warum flächenhafte Rauheitsmessung ?

• Rauheit wird seit Jahrzehnten am 2D-Profilschnitt gemessen.

• Wozu flächenhafte 3D-Messung und neue 3D-Parameter ?

Gerichtete Strukturen von der Bearbeitung

(Drehen, Fräsen, Schleifen)

Regelmäßige 3-dimensionale Strukturen (gehonte Zylinderinnenwand)

Zufällig verteilte Elemente (Si-Kristalle in Aluminium-

Zylinderinnenwand)

2D-Schnitt senkrecht zur Bearbeitungsrichtung i. A.

ausreichend

3D-Messung gibt zusätzliche Informationen über

Hon-Riefen

2D-Schnitt ergibt zufällige Ergebnisse – 3D-Messung

erforderlich.

21“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Form, Welligkeit und Rauheit (anhand des Matterhorns erläutert)

• Textur = die Gesamtheit der Abweichungen einer realen Oberfläche von der idealen Form.

• Beinhaltet Welligkeit und Rauheit.

Form Welligkeit(Form abgezogen)

Rauheit(Form und Welligkeit

abgezogen)

Andrew Bossi, Creative Commons CC-BY-SA-2.5 Andrew Bossi, Creative Commons CC-BY-SA-2.5Andrew Bossi, Creative Commons CC-BY-SA-2.5

22“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Form, Welligkeit und Rauheit - Zwei Schritte zur Rauheit

• Schritt 1: Beseitige Form und Welligkeit

⇒ Filterung ⇒ Rauheits-Profil !

• Schritt 2: Berechne Rauheits-Parameter aus Rauheits-Profil

Linienprofil (2D):

Gaußsches Filter (DIN ISO 11562,

13565-1)

Flächenprofil (3D-Bild):

„Robustes“ Gaußsches Filter 2. Ordnung (ISO 16610 – Teil 71, auch VDA 2008)

Linienprofil (2D):

Ra, Rq, Rz, Rsk, Rku, etc. (DIN ISO 3274, 4287,

4288, 13565-2/3)

Flächenprofil (3D-Bild):

S-Parameter Sa, Sq, Sz, etc. (ISO 25178 – Teil 2)

23“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Robuster Gaußscher Filter - Was heißt hier „robust“ ?

nicht robust

robust

Rohdaten

Gefilterte Daten

Gefilterte Daten

Filterfläche

Filterfläche

Filter-ArtefakteRobustes Gauß-Filter beseitigt Filter-Artefakte

24“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Robuster Gaußscher Filter 2. Ordnung- Was heißt hier „2. Ordnung“ ?

0. Ordnung

2. Ordnung

Rohdaten

Gefilterte Daten

Gefilterte Daten

Filterfläche

Filterfläche

Rand-ArtefakteGauß-Filter 2. Ordnung beseitigt Rand-Artefakte

25“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Form, Welligkeit und Rauheit - Wahl der Filterlängen für die Rauheit

• Für Linienprofile (2D) - siehe DIN EN ISO 4288:

1.3 bis 4

0.4 bis 1.3

0.13 bis 0.4

0.04 bis 0.13

0.013 bis 0.04

RSm [mm]

Periodische Profile

40810 bis 8050 bis 200

12.52.52 bis 1010 bis 50

40.80.1 bis 20.5 bis 10

1.250.250.02 bis 0.10.1 bis 0.5

0.40.08bis 0.02bis 0.1

ln [mm]λλλλc [mm]Ra [µm]Rz [µm]

MeßstreckeGrenzwellen-länge

Aperiodische Profile

• Für Flächenprofile (3D) - siehe ISO 25178 – Teil 2:

… 0.1 / 0.2 / 0.25 / 0.8 / 1 / 2 / 2.5 / 8 / 10 …

Grenzwellenlänge L-Filter [mm] / Quadratische Meßfläche [mm]

Keine Festlegung der Filterlänge abhängig von Periodenlänge bzw. Rauheit mehr. In den meisten Fällen Orientierung an der alten Norm DIN EN ISO 4288 sinnvoll.

26“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Neue 3D-Oberflächenkenngrößen gemäß ISO 25178

Sa, Sq, Sz, Ssk, Sku, Sp, Sv

Sk, Spk, Svk, Smr, Smc, SMR1, SMr2, Vv, Vvv, Vvc, Vm,

Vmp, Vmc

Sdq, Sdr,Sdr, Ssc

Sal, Str, Std

Amplitudenparameter(beurteilt vertikale Ausdehnung und

Form, analog Ra, Rq, Rz…)

Hybrid-Parameter

Räumliche Parameter

Funktionale Parameter

(aus Autokorrelationsfunktion abgeleitet, z. B. Vorzugsrichtung Std, typische

Strukturgröße Sal)

(aus Abbott-Kurve abgeleitet, beurteilen Schmierungsverhalten)

(verbindet vertikal + lateral, z. B. mittlere Steigung Sdq,

mittlerer Krümmungsradius Sds)

27“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Mittlere Rauheit Ra (2D) und Sa(3D)- wohldefiniert ...

X

YZ

Die “Mittlere Rauheit” Ra (bzw. Sa) ist der Mittelwert der absoluten Abweichung der Profilhöhen über einedefinierte Länge (Fläche).

dxdyyxZA

SLxLy

a ∫∫=00

),(1

LdxxZ

LR

L

a ∫=0

)(1

2D

3D

Surface Texture (Surface Roughness, Waviness and Lay)ANSI/ASME B46.1, 2009, American Society of Mechanical Engineers, NY, New York 10017.

28“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Mittlere Rauheit Ra (2D) und Sa(3D)- wohldefiniert … aber limitiert

Zwei Oberflächen mit identischer mittlerer Rauheit Ra (bzw. Sa)

Die beiden Oberflächen sind offenbar sehr unterschiedlich.

Die flächenhaften 3D-Rauheits-Parameter (S-Parameter) wurden entwickelt um diese Unterschiede zu quantifizieren.

29“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Skewness Ssk (Schiefe) und Kurtosis Sku- höhere Momente der Höhenverteilung

dxdyA

ZASqsk

S ∫

= 3

31

dyA

dxZASqku

S ∫

= 4

41

∫

=A

dxdyZAq

S 21

Skewness und Kurtosis bewerten die Höhenverteilung, machen aber keine Aussage über die laterale Verteilung !

Skewness, Schiefe:

Kurtosis

“RMS”-Rauheit:

Asymmetrie in Richtung positiver Höhen

⇒ Ssk > 0

⇒ Spikes ? Grate ?

Ssk > 0

30“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Räumliche S-Parameter Std, SalAutokorrelation zeigt Vorzugsrichtungen

Std = 71°

Sal

Isotrope Oberfläche

Gerichtete Oberfläche

Sal

Sal = typische Riefenbreite

Sal = typische Strukturgröße

Autokorrelationsfunktion AKF

Autokorrelationsfunktion AKF

31“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Räumliche S-Parameter Str, SalAutokorrelation zeigt Vorzugsrichtungen

Str: Texture Aspect Ratio = Direktionalität (isotrop = 1 / gerichtet = 0)

AKFderAbfallsnlangsamstedesLängeAKFderAbfallsnschnellstedesLänge

trS −−−−−−−−−−=

)2.0()2.0(

Sal: Fastest Decay Autocorrelation Length = typische laterale Strukturbreite

2.0−−−−−−−= aufAKFderAbfallsnschnellstedesLängeal

S

Lithoplatte = isotrop Bremsscheibe = gerichtet

32“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Hybride S-Parameter Sds, SscBeispiel: Verschleiß Wellendichtfläche

6 mm-149 mm-1Ssc

166 µm20 µmR = 1/Ssc

247 mm-21130 mm-2Sds

769 nm368 nmSa

verschlissenneu

Welle - neu Welle – starker Verschleiß

Sds = Dichte der lokalen Gipfel pro FlächeSsc = mittlere Krümmung auf lokalen Gipfeln

600 µm

33“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 201212/11/2012 33

Svk

Spk

Sk

Abbott-Kurve / Tragflächenanteile

Mr1 Mr2

Aus der Abbott-Kurve / Tragflächenanteilskurve abgeleitete S-Parameter:

Spk = “Peak Height” .. Region des ersten KontaktsSk = “Core Height”... Kernregion, ArbeitsregionSvk = “Valley Depth” ... “Schmiermittelvorrat”

Funktionale S-Parameter Spk, Sk, SvkSchmierung / tragende Flächen

34“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 201212/11/2012 34

Sci: Core Fluid Retention Index

qA

hVhVci SS vv ÷

−= )()( 80.005.0

Vv(h) ist das Leervolumen bei Höhe h, Vm(h) ist das Materialvolumen bei Höhe h

Svi: Valley Fluid Retention Index

qA

hVi SSv v ÷

= )( 80.0

Gauss-Profil, Sci = 1.56, glatter ⇒ Sci kleiner

Gauss-Profil, Svi = 0.11, Gute Schmierung ⇒ Svi größer

Funktionale S-Parameter Sbi, Sci, SviSchmierung / tragende Flächen

Sbi: Surface Bearing Index

)05.0(h

qbi

SS =

Gauss-Profil, Sbi = 0.61 , Hohes Sbi ⇒ gute tragende Fläche

35“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion

• Gestatten … Bruker !

• Interferometrie – Grundlagen

• Optische 3D-Rauheitsmessung

• Produktionsnahe Anwendungsbeispiele

• Schlußbemerkungen

Übersicht

36“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Viele Industrien nutzen3D-Mikroskopie in der Produktion

• Datenspeicher

– Schreib-/Leseköpfe

– Schreibarm (Planarität)

• Halbleiter / MEMS

– Stufenhöhen

– Stressmessung

– Filmdicken

– Dynamisches Verhalten

• Orthopädische Implantate

– Hüftgelenk, Kniegelenk

– Radius, Rauheit, Defekte….

• Ophtalmik

– Kontaktlinsen, Intraokularlinsen

– Form, Rauheit…

• Mikrofluidik

– Breite, Tiefe, Volumen

37“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

• Über 2000 Hersteller weltweit

• 20% jährliches Wachstum für High-Tech Präzisions-Wälzlager

• Umfassende Metrologie für Kugeln, Walzen, Käfige und Laufflächen benötigt:- Rauheit- Ebenheit- Rundheit- Durchmesser- Schmierung- Verschleiß

Beispiel : Wälzlager

38“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

PSI Messung, Bildfeld 315 µm x 240 µm, Pixel 0.67 µm Pixel

Wälzlagerkugeln- Oberflächentextur

39“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

• Alle Sa-Werte sind deutlich niedriger als der Grenzwert der glattesten Kugel (Grade 5)- Kugeln stärker poliert als nötig, geringerer Durchsatz- Konsequenzen für Schmierung ?

• Keramische Kugeln haben geringste Rauheit aller Kugeln(unabhängig vom Grade)

• Der Spk-Wert (reduzierte Gipfelhöhe) hilft dabei Defekte zu identifizieren, die zu lokal begrenzten Überschreiten der Spezifikation führen können.

• Der Sbi-Wert (Surface Bearing Index) beurteilt die Trageeigenschaften der Oberfläche (je höher, desto besser)

Wälzlagerkugeln- Oberflächentextur

40“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

• Messung der Ölfilmdicke an zwei Kugeln (Grade 25, 1000), eine Stunde nach Entnahme aus Ölbad

• Kugel Grade 5 ist glatter, Ölbelag ist 40 % dünner(im Vergleich zu Kugel Grade 100)

Schmiermittelhaftung wird von Oberflächentextur beeinflußt

Grade 1000:

Filmdicke: 14.22 µm

Grade 25:

Filmdicke: 8.34 µm

VSI Filmdicke Messung, Bildfeld 160 µm x 120 µm, Pixel 0.34 µm Pixel

1. Oberfläche

2. OberflächeFilmdicke

1. Oberfläche

2. OberflächeFilmdicke 2. OberflächeFilmdicke

1. Oberfläche

2. OberflächeFilmdicke

41“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Photovoltaik –Anwendungen der 3D-Mikroskopie

• Breite und Höhe

– Leiterbahnen (Si-Zellen)

– gelaserte Trenngräben (Dünnschicht-Zellen)

• Filmdickenmessung

– (CIGS / CdTe-Zellen)

• Oberflächentextur

– Korrelation Textur – Effizienz ?

Leiterbahn (pc-Si) Trenngraben (Dünnschicht) Oberflächentextur (CIGS)

42“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Photovoltaik – Effizienz korreliert mit 3D-Oberflächen-Parametern

0.1796 mW/mm ² 0.1552 mW/mm ² 0.1319 mW/mm ²

• Oberflächentextur beeinflußt die Effizienz der Zelle

• Ssk, Sbi und andere S-Parameter korrelieren mit der Effizienz

• Keine ausgeprägte Korrelation mit Ra

Effizienz vs. Ssk Effizienz vs. Ra

43“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 201243

Medizinische Implantate- Künstliches Hüftgelenk

• Gleitlager: Großflächiger Kontakt von Kugel und Schale

• Oberflächenbeschaffenheit führt zu

– Geräuschentwicklung

– Vorzeitiger Verschleiß

– Bio-Adhäsion

• Oberflächenbeschaffenheit korreliert mit Morphologie und metabolischer Aktivität von Zellen

• Metrologie liefert:

– Verständnis der Einlaufprozesse

– Korrelation Oberflächenstruktur mit Verschleiß/Geräuschen

1.2mm x 0.9mm

44“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Medizinische Implantate- Künstliches Hüftgelenk / Schale

• Hüftgelenkschale auf Optischem Profilometer NPFLEX:– Superlanger Arbeitsabstand (35 mm)– 5X Objektiv mit 1.3 x 1.2 mm² Bild– Form und Formabweichung

Form

Abweichung von idealer Kugelform

45“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Medizinische Implantate- Künstliches Hüftgelenk / Kugel

• Inspektion mit Taster

– Übersichts-Linienscans über Kugelumfang• 5 mm Linienabstand• 10 min pro Umlauf• ~ 1 h Messzeit (6 Umläufe)

– Identifikation von Problemzonen– Detail-Linienscans über Kugelumfang

• mit 1 mm Linienabstand– Weitere Linienscans Pol-zu-Pol– Gesamtmesszeit kann 3 h betragen.

46“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Medizinische Implantate- Künstliches Hüftgelenk / Kugel

• 3D-Optische Inspektion

– NPflex mit 5-Achsen Translation/Rotation• 1 mm² Bildfeld mit 5x Objektiv• Messzeit 2.5 s pro Bild• Messzeit 3.5 min pro Umlauf

– Höhere Geschwindigkeit: > 3X schneller

• Messzeit 20 min (6 Umläufe)– Bessere Auflösung in 3D:

• Bei 3X kürzerer Messzeit trotzdem1500X mehr Datenpunkte

• Identifizierung von Defekten, Volumenbestimmung in 3D

• Visualisierung von Verschleiß in 3D– Bessere Statistik, Wiederholbarkeit

47“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 201212/11/2012

Herstellung von Hochleistungs LEDs - Patterned Sapphire Substrates (PSS)

• Höhe, Durchmesser und Abstand der PSS-Strukturen– Spezielle Substratstrukturen erhöhen die Effizienz und

die Farbkonsistenz von Hochleistungs-LEDs

– Wafer-Lader mit Kassetten für hohen Durchsatz

– Voll automatisierte Messung und Auswertung

48“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion

• Gestatten … Bruker !

• Interferometrie – Grundlagen

• Optische 3D-Rauheitsmessung

• Produktionsnahe Anwendungsbeispiele

• Schlußbemerkungen

Übersicht

�

49“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Interferometrische Oberflächenmessungen- ContourGT Optische Profilometer

• Kontaktlose, zerstörungsfreie optische Messung des Oberflächenprofils.

• Höchste laterale Auflösung.

• Große Bildfelder.

• Sehr genaue Höhenmessungen durch Interferometrie– Vertikale Auflösung bis in den

Angstrom-Bereich.– Kein Verlust von vertikaler Auflösung

bei niedriger Vergrößerung.

• Präzise, schnelle, 3D-Analyse für– Forschung, Entwicklung,– Prozesskontrolle, Fehleranalyse

50“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Bruker Website: www.bruker-axs.com

Udo Volz Kontakt: udo.volz@bruker-nano.com

Fragen & Antworten

50“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

51“3D-Oberflächenmesstechnik für die Produktion“, 11. Dezember 2012

Impressum

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