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Blick in die Fertigung: Varioprint arbeitet mit eine Laseranlage mit einem Picolaser inklusive Doppeltisch von Schmoll Maschinen.
Allein durch den hohen Automatisierungsgrad wird bereits bei der Erstellung der Auftragspapiere erheblich Zeit eingespart.
Der Prüfbericht zeigt deutlich wie exakt die vorgegebenen Toleranzen eingehalten werden.
Die Arbeitsstationen kompensieren mit Sensoren die Dicke der zu bearbeitenden Bauteile.
Seit geraumer Zeit wird mit einem konfokalen Laser-Raster-Mikroskop von Keyence gearbeitet.
Eine neue Galvanikanlage erlaubt es, das Aspect-Ratio, die Kupferverteilung im Loch und auch auf der Oberfläche zu optimieren.
Varioprint zählt mit seinen 140 Mitarbeitern mit zu den technisch führenden Herstellern von Leiterplatten in Europa.

Auf den ersten Blick erscheint die Produktepalette als überaus normale Technik. Doch bei näherem Hinsehen werden die Unterschiede deutlich sichtbar: Fine-Line-Konstruktionen mit Leiterbahnbreiten und Abständen von 50 µm, mechanische Bohrungen von 75 µm sowie mittels Lasertechnik erstellte Bohrungen hinunter bis zu 50 µm Durchmesser mit anschließender Galvanisierung sind nur einige Spezialitäten. Eine HDI-Leiterplatte kann je nach Verwendungszweck und Lagenzahl eine Dicke bis zu 4,8 mm aufweisen. Kommen keine weiteren Anforderungen dazu, wie etwa eine spezifizierte Impedanz (Wechselstromwiderstand), dann muss bei der Dimensionierung der Bohrungen und dem dazu gehörenden Leiterbild auf den Aspekt-Ratio Rücksicht genommen werden.

Dabei handelt es sich um das Verhältnis des Lochdurchmessers zur Bohrtiefe, unabhängig davon, ob die Bohrung mechanisch gebohrt oder mittels Laser erstellt wurde. Darüber hinaus gilt es zwischen den Nichtdurchgangsbohrungen und Durchgangsbohrungen zu unterscheiden. Nichtdurchgangsbohrungen sind Sacklöcher, auch Blind-Via genannt, welche die Leiterplatte nicht vollständig durchstoßen. Diese müssen einen minimalen Aspekt-Ratio von 1:1 aufweisen. Der Bohrdurchmesser entspricht also der Tiefe des Sackloches. Für Durchgangsbohrungen hat sich innerhalb der Branche einer allgemein gültigen Aspekt-Ratio von 1:8 herauskristallisiert. Das bedeutet, dass der minimal empfohlene Bohrdurchmesser achtmal kleiner als die Bohrtiefe ist. Da es sich um eine Durchgangsbohrung handelt, ist die Bohrlochtiefe identisch mit der Leiterplattendicke. Bei einer verkupferten Durchgangsbohrung von 0,3 mm sollte die Leiterplattendicke beispielsweise nicht mehr als 2,4mm betragen.

Im Normalfall ist das alles unkritisch. Doch schon mit den Außenlagen wird das anders. Aufgrund der oben genannten Aspekt-Ratio-Anforderungen wird die Grenze für die maximale Lagendicke der im Sequential-Build-up verwendbaren Prepregs immer enger. Dabei spielen Aspekte wie Kupferdicke und Bohrverfahren eine entscheidende Rolle. Das engt zugleich die Auswahl der Gewebetypen doch erheblich ein. Weiter relevante Parameter wie Bohrdurchmesser, Restringbreite, Prepregtyp und -hersteller, Prepregdicke und deren Harzanteil spielen in dem Zusammenhang eine bedeutende Rolle. Durch das Verpressen mittels SBU-Technik lassen sich Signale auf den inneren Lagen verbinden und entflechten, ohne den Platz für Bauteile mit hoher Pindichte zu blockieren. Dünne Substratlagen mit 100-µm- bis 125-µm-Leiterstrukturen machen dabei impedanzkontrollierte Leitungen für hohe und höchste Frequenzen möglich.

Der Engineering-Prozess Variopedia

Auf die sich stets wandelnden Produktanforderungen muss sich auch ein Unternehmen wie Varioprint immer wieder neu einstellen. Eingefahrene Abläufe und Prozesse gibt es aufgrund der raschen technologischen Veränderungen kaum. So wurde der Angebots- und Produktionsprozess komplett neu ausgerichtet. Dazu wurde eine Engineering-Software installiert, um das gesamte Prozess-Know-how zu bündeln und mit den Kundenanforderungen abzugleichen. Die komplette Neuorganisation des Engineeringprozesses hat Varioprint unter dem Projektnamen Variopedia zusammengefasst. In Anlehnung an das virtuelle Nachschlagewerk Wikipedia, dessen Inhalte permanent fortgeschrieben werden, hat sich das Projekt inzwischen zu einem unverzichtbaren Helfer entwickelt.

Alle Kundenanforderungen und Prozessregeln sind in einer zentralen Datenbank untergebracht. Nun wird bei einer Bestellung oder dem Wunsch nach einem Angebot die Datenbank geladen und automatisch den erforderlichen Operationen zugewiesen. Bevor die Papiere, ob Auftrag oder Angebot, in die Produktion oder an den Kunden weitergegeben werden, erfolgt ein punktgenauer Abgleich der Kundenanforderungen mit den Herstellungsspezifikationen. Weicht irgendetwas ab, bekommt der Bediener das am Monitor sofort angezeigt. Allein durch den hohen Automatisierungsgrad wird bereits bei der Erstellung der Auftragspapiere erheblich Zeit eingespart. Das System schlägt aus seinem Fundus den Lagenaufbau von Multilayern vor. Innerhalb weniger Sekunden werden alle erdenklichen Varianten vorgeschlagen. Die wiederum lassen sich nach Kosten, Genauigkeit oder auch Materialverfügbarkeit gliedern. Die kostengünstigste Lösung nach Vorgaben der Kunden kann damit rasch ausgewählt werden. Ist der Auftrag einmal im System, werden alle nachfolgenden Änderungen aufgezeichnet. Bei Abruf des Auftrages wird der auf den neusten Stand gebracht. Das System lernt mit den Erkenntnissen und fügt die wiederum in die bestehenden Aufträge ein. Wer das System bedient spielt keine Rolle. Das Resultat bleibt immer gleich.

Innerhalb von Sekunden sind dank produktspezifischen Operationen die Herstellkosten berechnet. Dem Bediener präsentiert sich eine Übersicht der einzelnen Kostenpositionen. Er kann die Optimierungspotentiale in der Herstellung erkennen und auch Anpassungen vornehmen. Die Eingaben bei der Angebotsphase lassen sich bei der Bestellung wieder verwenden. Die Software ist modular aufgebaut und ist je nach Erfordernis erweiterbar. Als Betriebssystem wird Windows unterstützt und als Datenbank bevorzugt Oracle genutzt. Apps oder auch mobile Lösungen sind ebenfalls denkbar und lassen sich individuell realisieren. Daneben bestehen Standard-Schnittstellen zum ERP-System, das Varioprint im Kontext mit Variopedia auch erneuert hat.

Ausbau der Laserkapazität

Gerade in der Telekommunikation, Industrieelektronik, Medizintechnik und Automobilindustrie werden die Aufgabenstellungen immer anspruchsvoller. Das Unternehmen trägt dem mit der Erweiterung seines Maschinenparks Rechnung. Zwei zusätzliche Laserschneidanlagen stocken den Bestand an Laseranlagen auf fünf Laserbohr- und Schneidautomaten auf. Vor der Integration der neuen Anlagen in die Produktion standen umfangreiche Prozessqualifikationen. Dabei standen die statistische Datenerfassung und -auswertung im Vordergrund. Diese wiederum bilden mit die Grundlage für die Anwendung der für die Maschinenabnahme und Prozessqualifikation erforderlichen Verfahren sowie die Interpretation der errechneten Ergebnisse. Großer Wert wird auf die Visualisierung der Ergebnisse in unterschiedlichen Darstellungsformen gelegt. Dadurch erhält der Anwender schnell Einblick in die von ihm zu bewertenden Sachverhalte.

Mit der Investition stehen jetzt zwei Laseranlagen von Excellon mit dem Schwerpunkt Laserbohren für Microvias zur Verfügung. Daneben hat das Unternehmen drei Laserschneideanlagen von LPKF für die Bearbeitung hochpräziser Konturen von Leiterplatten angeschafft. Wird ein miniaturisiertes Hörgerät als Maßstab genommen, dann wird deutlich, wie maßgenau und exakt die Konturenschnitte sein müssen. Als Material kommen PTFE, bekannt als Teflon, Polyimid und FR4 zur präzisen Konturbearbeitung unter den Laser. Aber auch das Einbringen von Kavitäten oder Hohlräume, in die bei einem späterem Verarbeitungsschritt elektronische Bauteile oder Metallbausteine zur Entwärmung von Baugruppen eingesetzt werden, setzt Lasertechnologie voraus. Oder es werden damit Biegezonen bei flexiblen oder semiflexiblen Leiterplatten gestaltet. Mit der aktuellen Geräteausstattung und der damit verbundenen Kapazität kann das Unternehmen sehr flexibel auf Kundenwünsche eingehen. Zugleich sind mit dieser Technologie technisch anspruchsvolle Lösungen möglich. Um flexibel auf neue Projektanforderungen reagieren zu können, stehen Optionen für den weiteren Ausbau der Laserkapazitäten zur Verfügung.

Picolaser im Einsatz

Bei Varioprint steht eine Laseranlage mit einem Picolaser inklusive Doppeltisch vom Hersteller Schmoll Maschinen. Er trägt nahezu jedes Material kalt und präzise ab. Je nach Kapazitätssituation lässt sich die Anlage mit zwei oder vier Galvoköpfen auf zwei Bearbeitungsstationen ausstatten. Mit einer Laserleistung von 25 W bei einer Pulsspitzenleistung von 70 MW werden selbst kleinste Materialvolumen fast schmauchfrei abgetragen.

Die Arbeitsstationen kompensieren mit Sensoren die Dicke der zu bearbeitenden Bauteile. Die Autofocus-Korrektur übernimmt eine automatische Z-Achse in jedem der installierten Galvoköpfe. Auch die Laserleistung wird ständig gemessen. Entsprechende Messeinrichtungen an beiden Bearbeitungsstationen kompensieren automatisch die Leistung bei Leistungsdifferenzen. Zusätzlich sind beide Arbeitsstationen mit hochauflösenden CCD-Kameras mit LED-Ringlicht ausgerüstet. Damit lassen sich Korrekturen an Offset, Rotation, Schrumpfen und Dehnen automatisch durchführen.

Oberflächenanalyse von Leiterplatten

Seit geraumer Zeit arbeitet man im Unternehmen mit einem konfokalen Laser-Raster-Mikroskop des Typs VK-X100 von Keyence. Dieses bildet eine punktförmige Lichtquelle auf das Präparat ab. Von der beleuchteten Stelle wird Licht durch das Objektiv über eine Lochblende fokussiert und an den Detektor weitergegeben. Der Punkt in der Mitte der Lochblende und der beleuchtete Punkt im Präparat sind dabei konfokal zueinander. Anders als bei der konventionellen Lichtmikroskopie wird nicht das komplette Präparat beleuchtet, sondern immer nur ein winziger Teil davon. Und dieser Lichtpunkt scannt Zug um Zug das gesamte Präparat Volumenelement für Volumenelement (Voxel) ab. Das Bild wird nahezu in Echtzeit am zugehörigen Computer zusammengesetzt und liefert eine Aufnahme der Oberflächentopographie mit einer Auflösung von bis zu 5 nm.

Erstaunlich viel gibt es seitdem zu entdecken. So lassen sich Oberflächen über die zerstörungsfreie Profilometrie überaus exakt messen und auch darstellen. Zum Beispiel bei Rauheitsmessungen. Wer versucht, Rauheiten mit Tastspitzen zu messen, der muss Spitzen vorweisen, die kleiner sind als das zu messende Objekt. Und das dürfte bei Dimensionen unter 2 µm schwer fallen. Oder es ist extrem schwierig bis nahezu unmöglich, die zu messende Stelle überhaupt mit einer Tastspitze zu treffen. Außerdem könnte die Probe zerkratzen, da die Tastspitze mit ihr unversehens in Kontakt kommt. Im Vergleich mit einem REM arbeitet das KLAR-Mikroskop mit einer viel höheren Auflösung und auch Vergrößerung. Vergrößerungen bis zum 24.000-fachen sind möglich. Daneben wird ein vollständig fokussiertes Abbild dargestellt. Auch bei der Vorbereitung und Betrachtung der Proben hat das neue Gerät die Nase vorn. Dabei spielt auch die Probengröße keine Rolle. Messproben in allen Größen und nahezu allen Materialien werden vom Gerät analysiert und in HD-Echtfarbe dargestellt. Als besonders vorteilhaft stellt sich der schnelle Messvorgang am Gerät heraus. Die Daten lassen sich zu einem späteren Zeitpunkt an einem beliebigen Arbeitsplatz inspizieren und auswerten. Aufgrund dieser Laser-Intensitätsmessung wird die Topographie der Probe mit einer Auflösung bis zu 5 nm erfasst.