Bildverarbeitung Digital Imaging - unabhängig von großen Anbietern Von Einzel-Photon-Pixeln bis Chip-on-Board: Kundenspezifische Fertigung von Bildsensoren garantiert langjährige Verfügbarkeit und optimale Eigenschaften Bild 1: Bildsensoren, die nach individuellen Anforderungen gefertigt werden, sparen nicht nur Kosten, da unbenötigte Features weggelassen werden können, sondern garantieren auch eine langjährige Verfügbarkeit der oft systemkritischen Bauteile. Alle Bilder: Caeleste Bildsensoren sind heute kritische Bestandteile unterschiedlichster Arbeitsprozesse, je nach Anwendung müssen sie dabei sehr spezielle Anforderungen erfüllen, um die benötigte Leistung zu bringen. Wird ein bewährter Sensor vom Hersteller abgekündigt – so wie kürzlich die CCD-Reihe von Sony – kann das für Produzenten von Kameras oder Messwerkzeugen ein ernstes Problem bedeuten. Eine Alternative dazu bieten kundenspezifisch gefertigte Sensoren, die nicht nur genau auf das Aufgabenspektrum zugeschnitten werden können, sondern auch über die gesamte Produktlebenszeit erhältlich bleiben. Der deutsche Entwicklungsdienstleister Eureca Messtechnik GmbH hat in diesem Bereich in Kooperation mit dem belgischen Design- Haus Caeleste bereits verschiedene OEM-Projekte realisiert, so etwa sehr empfindliche UV-Sensoren für die chemische Analyse oder präzise High-Speed-Sensoren mit Global Shutter. Basis der Entwicklungen ist modernste CMOS- Technologie, die eine langjährige Verfügbarkeit gewährleistet. Wie groß die Abhängigkeit des Digital Imaging-Sektors von einigen Zulieferern ist, zeigte der Aufruhr in der Branche, als Sony im Februar 2015 das Ende seiner CCD-Sensoren ankündigte. Inzwischen hat der Konzern auf Druck der Kunden die Laufzeiten einiger Typen nochmals verlängert, das Problem wurde damit aber nur verschoben. Unternehmen, in denen Bildgebungssysteme mit bestimmten Eigenschaften und Funktionalitäten essentiell für die Produktion sind – etwa in der Qualitätssicherung, der Analyse oder der Überwachung – sowie die Hersteller entsprechender Geräte verlassen sich aufgrund solcher Lieferrisiken immer häufiger auf individuell gefertigte Sensoren. Diese werden gezielt produziert, wann und wie der Kunde sie braucht, was eine hohe Sicherheit der Verfügbarkeit über den gesamten Produktlebenszyklus gewährleistet. Unvermittelte Umstellungen bei Geräten, die sich in der Praxis bewährt haben, können so vermieden werden. „Prinzipiell wäre für solche kundenspezifischen Modelle die Verfügbarkeit garantiert, solange es irgendwo auf der Welt noch die nötige Fertigungstechnik gibt“, erklärt Karsten Sengebusch, einer der Geschäftsführer von Eureca. Für jede Aufgabe genau der passende Sensor Zweiter großer Vorteil bei diesem Ansatz ist, dass sich die Leistungscharakteristika der Sensoren je nach Anwendungsanforderung maßschneidern lassen. Nicht benötigte Features, die bei Standard-Sensoren einfach zum Paket gehören, können dabei wegfallen und stattdessen andere wichtigen Funktionen optimiert werden, womit der Kunde einen für ihn optimalen Sensor mit den bestmöglichsten Spezifikationen erhält, die mit Standardkomponenten nicht erreichbar sind. Bild 2: Der deutsche Optoelektronikexperte Eureca Messtechnik und die belgischen Fertigungsspezialisten von Caeleste entwickeln Lösungen mit kundenspezifischen Eigenschaften, wie diesen tiefkühlbaren Auslesechip für Infrarot-Sensoren. 112 PC & Industrie 11/2015
Bildverarbeitung Bild 3: Für Messsysteme, die eine extrem hohe UV-Empfindlichkeit erfordern, wurden Sensoren geschaffen, bei denen neben dem gängigen Backside-Thinning auch die Frontseite abgeätzt wird. Das minimiert den Quantenverlust durch Absorption im dielektrischen Stapel im Material. Neben Sensoren mit geringem Rauschen und hoher Lichtempfindlichkeit lassen sich so beispielsweise auch High-Speed-Sensoren für extreme Schärfe bei schnellsten Bewegungen erstellen, indem die erfassten Daten in großer Masse parallel verarbeitet werden. Für andere Anwendungen sind auch Lösungen mit ultra-hohem Dynamikbereich innerhalb einer Belichtung möglich, bei denen nach nur einer Belichtung die Pixelinformationen mehrfach mit verschiedenen Verstärkungsstufen ausgelesen werden. Die spezielle Abstimmung der Auslesevorgänge verhindert hierbei eine Verfälschung der Bilddaten und garantiert höchste Linearität. UV-empfindliche Sensoren Für Messtechnikaufgaben sind Eureca und Caeleste zudem beispielsweise in der Lage, besonders UV-empfindliche Sensoren zu fertigen. Neben dem gängigen Backside-Thinning wird dazu auch die Frontseite abgeätzt, um den Verlust an UV-Quanten durch Absorbtion im dielektrischen Stapel zu minimieren. Selbst der Nachweis einzelner Photonen lässt sich mittels sogenannter „Single-Photon Avalance Diodes“ (SPAD) erreichen, bei denen die durch die detektierten Lichtteilchen erzeugten Ladungen im Pixel selbst verstärkt werden. Je nach Bedarf werden die Sensoren auch nicht nur als autarke Einheiten mit eigenem Gehäuse gefertigt, sondern können ebenso direkt auf eine Platine montiert werden, was Bauraum und Produktionskosten spart. Rentabel schon ab geringen Stückzahlen Ab welchen Stückzahlen sich solche spezifischen Sensoren rechnen, hängt prinzipiell von den Anforderungen der Anwendung ab. Handelt es sich um sehr spezielle Ansprüche, kann die Entwicklung schon bei Mengen ab zehn Stück sinnvoll sein. Häufige Gründe für diese Entscheidung sind unter anderem Vorgaben wie unsymmetrische Pixelgeometrie, hohe Geschwindigkeiten und Dynamikbereiche, selektive Zeitauflösung, unübliche Formfaktoren, erweiterte spektrale Eigenschaften, extreme Quanten- oder Rauschanforderungen, Strahlungsfestigkeit oder Temperaturstabilität. Andererseits lohnen sich auch die Entwicklungen von Sensoren mit einfachen Spezifikationen, wenn eine ausreichend große Zahl bestellt und die Technik kostengünstig – etwa via Chip-on-Board, mit einer minimierten Siliziumfläche, erhöhtem Yield oder über eine reduzierte Supply-Chain – verbaut wird. „Unter diesen Gesichtspunkten sind kundenspezifische Sensoren oft schon bei geringeren Stückzahlen rentabel, als man allgemein annehmen würde. So umfassen die meisten unserer momentanen Projekte Produktvolumina von unter 1.000 Stück pro Jahr und Typ“, erklärt Sengebusch. Rentabilität prüfen Um zu ermitteln, ob die individuelle Kundensituation die Investition rechtfertigt, ist eine umfassende Analyse der jeweiligen Bedingungen unerlässlich. Eureca berät sich dazu intensiv mit dem jeweiligen Kunden und erarbeitet dabei eine mathematische Beschreibung der aus der Applikation kommenden Anforderungen, aus der sich wiederum die Spezifikationen des benötigten Sensors ableiten lassen. „Mit Hilfe eines eigens entwickelten Berechnungsprogramms kann die Bildgebung unterschiedlicher Sensorspezifikationen sogar vorab virtuell simuliert werden, um zu prüfen, ob sie den Ansprüchen genügt“, fasst Sengebusch zusammen. Anhand dieser Daten kann dann entweder ein passender Standardsensor gefunden oder eine fundierte Entscheidung über den wirtschaftlichen Nutzen einer spezifischen Entwicklung getroffen werden. Vor-Ort-Beratung und Umsetzung durch spezialisierte Partner Fällt die Wahl auf die Spezialanfertigung, erstellen die Experten ein erstes Lastenheft mit Spezifikationen, das an Caeleste übergeben wird. Die dortigen Designer kümmern sich um die technische Realisation, so erstellen sie beispielsweise die Masken für die Fotolithographie und suchen aus allen möglichen Fabrikationsstätten einen Produktionspartner mit dem für das konkrete Sensor-Modell geeigneten Fertigungs-Know-how. Letzteres erlaubt es, ein breites Spektrum unterschiedlichster Spezifikationen anzubieten, was mit einem festen, auf einen Typus von Sensoren spezialisierten Zulieferer nicht möglich wäre. Dass Caeleste quasi in der Nachbarschaft sitzt und ebenfalls nach europäischen Standards arbeitet, sorgt für eine unkomplizierte Kooperation und eine schnelle Projektabwicklung. Aufträge, bei denen bereits eine Ausgangsbasis an Anforderungen besteht, können dadurch teilweise in weniger als einem Jahr umgesetzt werden. Aber auch Projekte, die vom Reißbrett an beginnen müssen, dauern in der Regel lediglich ein bis zwei Jahre. Eureca betreut den Kunden während dieses gesamten Entwicklungs- und Fertigungszeitraums in enger Zusammenarbeit und wenn nötig auch direkt vor Ort. • EURECA MESSTECHNIK GMBH info@eureca.de www.eureca.de Bild 4: Ein weiterer Vorteil der individuellen Fertigung ist, dass die Bildsensoren statt in ein Gehäuse wahlweise auch direkt auf die dazugehörige Platine montiert werden können, was Produktionskosten und Bauraum spart. PC & Industrie 11/2015 113
November 11/2015 Jg. 19 Sonderteil
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