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Blick in die Storz´sche Fertigung.
DI Impact Direktbelichter DXP3301 bei Storz.
Rückseite des DI Impact DXP3301 mit Energieversorgung.
DI Impact DXP3301 mit angeschlossenem Entlade- und Abstapelsystem.
Der Digital Light Processing Chip.

Schaltungsdruck Storz mit Sitz in Kenzingen im Breisgau gehört zu den Leiterplattenherstellern, die sich einen Platz in einer Marktnische aufgebaut haben: Produziert werden auch kleine Lose. Rund 500 aktive Kunden, jene also, die auch immer wieder einen Auftrag erteilen, gehören mit rund 30.000 unterschiedlichen Leiterplattentypen zu den Abnehmern Storz´scher Leiterplattenkunst. Mit Vorliebe werden Multilayer bis zu zwölf Lagen, auf Wunsch auch mehr, und doppelseitige technisch anspruchsvolle Platinen gefertigt.

Da neben Prototypen auch Musterserien gefertigt werden, liegt die minimale Losgröße bei drei bis fünf Leiterplatten. Geht es in die Serie – und darauf sind sowohl Prototypen als auch Muster ausgelegt – stehen schon mal Lose mit mehreren tausend Stück im Orderbuch.

Für die Fachleute bei Storz gehören HDI-Schaltungen und SBU-Aufbauten zum Alltag. Auch Dickkupferplatinen gehören zum Programm – derzeit nur bis maximal 210 µm Kupferdicke. 400 µm Kupfer und dicker würden den Fertigungsfluss entscheidend beeinträchtigen. Aber dafür gibt es nach Rolf Jäger, Manager Qualitätswesen, auch keine ausreichende Nachfrage.

Wirtschaftlich belichten

Um den ständig steigenden Anforderungen an die Technologie und Qualität der Leiterplatten gerecht zu werden, wird bei Storz von jeher ein besonderes Augenmerk auf kontinuierliche Investitionen in moderne, intelligente Fertigungsanlagen und Prozesse gelegt. So wird auch im Bereich Fotodruck ausschließlich mit drei automatisch arbeitenden Belichtern von ORC und einem Gerät von Ono Sokki gearbeitet, wobei diese Systeme aus Qualitätsgründen auch für kleine Losgrößen zum Einsatz kommen. Dies wird natürlich mit einem hohen Zeitaufwand für das Rüsten erkauft.

Da außerdem die Anforderungen an Auflösung und Registriergenauigkeit beim Belichten ständig steigen und mit herkömmlichen Filmbelichtern immer schwieriger zu erfüllen sind, stand seit einiger Zeit der Wunsch nach einem Direktbelichter oben auf der Liste der Investitionen. Die Schwierigkeit war, dass die am Markt befindlichen Lasersysteme die Auswahlkriterien von Storz für die Anschaffung eines solchen Systems nicht erfüllen konnten, wie z. B. das Erreichen eines bestimmten Durchsatzes unter Einsatz gängiger, 50 µm dicker Tentingresiste mittlerer Empfindlichkeit.

Vorteile des Direktbelichtens

ORC bot mit dem auf herkömmlichen Lichtquellen basierenden DI-Belichter eine Lösung an, welche diese Kriterien erfüllen konnte. Neben den bekannten Vorteilen aller DI-Belichter wie geringere Kosten für Filme und Filmkontrolle, sehr kurze Rüstzeiten, hohe Auflösung, beste Passgenauigkeit etc. zeichnet sich das ORC-System insbesondere durch einen deutlich höheren Durchsatz und weitere systemimmanente Vorteile aus. So fiel die Wahl auf den Belichter ORC DI Impact 3301 und die ORC Manufacturing Vertriebs GmbH in Düsseldorf, die europäische Niederlassung von ORC Japan, erhielt den Zuschlag.

Der kleine Unterschied

Was ist anders als bei vergleichbaren Systemen des Mitbewerbs? Vier Dinge fallen besonders ins Gewicht: die gute mechanische Verarbeitung, das Belichten mit eigenentwickelten UV-Brennern, der Einsatz von DMD-Chips und das individuelle Ausrichtverfahren, das vom Unternehmen auf der Basis seiner langjährigen Erfahrungen in diesem Sektor selbst entwickelt wurde. Die Mechanik greift mehrheitlich auf edelstahlbasierte Bauteile zu, um den vielleicht doch anfallenden Schmutzpartikeln keine Chance zum Anheften geben.

Im Innern der Maschine wird solider, aber auch durchdachter und moderner Maschinenbau sichtbar. Die eingesetzten Brenner entwickelt ORC seit 1968 selbst. Heute werden im DI Impact 3301 Kurzbogenlampen genutzt, deren Entladungsbogen in einer Atmosphäre von Quecksilberdampf unter hohem Druck brennt. Sie sind optimal auf die Anforderungen der Resiste in Punkto Energiemenge abgestimmt und zeichnen sich durch hohe Strahldichte aus.

DMD-Chips sind keine neue Erfindung der ORC. Sie sind schon seit längerem in verschiedenen Anwendungen in Gebrauch, wie z. B. in Kassenautomaten mit 2D-Scanner oder in der Projektionstechnik. Für das Platinenbelichten wurden sie bisher noch nicht genutzt, dafür aber in der Hlableiter-Waferherstellung.

DMD: Digital Micromirror Device

Digital Micromirror Devices oder Mikrospiegelaktoren sind mikromechanische Bausteine, die mit Hilfe einzeln beweglicher Spiegel zur gezielten Lichtlenkung genutzt werden. Matrixförmig angeordnete Einzelelemente bilden die DMD-Chips, bei denen jeder einzelne Mikrospiegel aus einer kippbaren spiegelnden Fläche mit einer Kantenlänge von nur wenigen µm besteht. Diese Mikrospiegel sind verschieden lang. Und je nach Aufgabenstellung oder Belichtungsanforderungen können die Spiegel in der Größe zwischen 16 und 9 µm variieren.

Jeder Mikrospiegel lässt sich in seinem Winkel einzeln verstellen. Und er kennt zwei stabile Endzustände, in deren Grenzen er blitzschnell, innerhalb 1 s, bis zu 5.000 mal hin- und herwechseln kann. Eine binäre pulsweitenmodulierte Ansteuerung erzeugt das Leiterbild über die Spiegel. Je nach der Länge der Einschaltung der DMDs fällt mehr oder weniger ultraviolettes Licht auf die Platinen. In modernen DMD Chips mit einer Bildauflösung von 1.024 X 768 Pixel tummeln sich 786.432 winzige Spiegel. Doch inzwischen gibt es DMD-Chips mit 4.160 X 2.080 Pixel Auflösung. Das entspricht 8.652.800 winzigen Spiegeln. Und dabei hat jeder nur eine Kantenlänge zwischen 16 µm und 9 µm.

Insgesamt sechzehn dieser Chips sind im DI Impact 3301 installiert. Je acht in jeder Belichtungsstation. Ihre Lebensdauer ist nahezu unbegrenzt. Gegenüber Verschleiß, Hitze oder Feuchtigkeit zeigen sie sich ziemlich stabil. Erfahrungen aus anderen Anwendungen berichten sogar von über 100.000 Stunden Betriebsdauer dieser DMD-Chips. Zum anderen ist diese Technik voll digital und erzielt im Vergleich zu analogen Techniken eine bessere Wiederholgenauigkeit. Und sie nutzen das Licht besser als andere Techniken. Dennoch sollten aus Gründen der Sicherheit die DMD-Module alle drei bis fünf Jahr ausgetauscht werden.

Ausrichten und Belichten ohne Zeitverlust

Im DI Impact 3301 kann zwischen drei Varianten gewählt werden. Die Normalausrichtung erfolgt über vier Bezugspunkte. Eventuell erkannte Maßdifferenzen werden über die gesamte Platine verteilt. Variante zwei sieht das Ausrichten per Parallelverschiebung in allen Richtungen vor. Auch hier werden Maßdifferenzen ausgeglichen. Neu und patentiert ist das Ausrichten pro Nutzen. Da die meisten mehrere Nutzen aufnehmen stellt das System je nach Anzahl der Nutzen die dafür erforderlichen Designs bereit. So werden sechs Nutzen über zwölf Fixierpunkte ausgerichtet und belichtet – vollautomatisch und ohne jeden manuellen Eingriff.

Dieses als DAT (Direct Adjustment Technology) bezeichnete Verfahren skaliert und belichtet jede Leiterplatte in Echtzeit. Dazu werden die von der CAM Station transferierten Daten ohne Zeitverzögerung sofort im Belichtungssystem genutzt. Für das Konvertieren, Vermessen und Skalieren der Platinen wird so gut wie keine Zeit geopfert. Am Ende schlägt sich das in erhöhtem Durchsatz und exakteren Belichtungsergebnissen nieder. So sieht Rolf Jäger auch kein Problem darin, bei einer möglichen Nachbelichtung von nur einer Platine den DI Impact 3301 zu nutzen.

Produktvielfalt braucht Flexibilität

Dass bei Schaltungsdruck Storz auf Flexibilität großer Wert gelegt wird, das wird allein schon aus der Vielzahl an Leiterplattentypen deutlich. Da müssen sich 50 Stück HDI-Schaltungen mit 100 µm Bahnbreite und 100 µm Abstand ebenso einfach und auf denselben Anlagen belichten lassen wie 250 Stück doppelseitige Platinen mit 150 µm Breite und Abstand.

Im Filmlager warten unzählige Arbeitsfilme auf ihren Einsatz, wobei nach den Worten von Rolf Jäger für komplizierte Boards die Arbeitsfilme für jedes Produktionslos immer neu erstellt werden, um als ein probates Mittel Fehler oder auch Serienfehler zu vermeiden. Doch noch besser geht es ohne Filme, mit dem DI Impact 3301: kein Film, keine Fehler.

Fazit

Längst ist bei den Fachleuten bei Storz der Direktbelichter nicht mehr weg zu denken. Im täglichen Gebrauch zeigt sich erst die enorme Zeitersparnis bei den Durchlaufzeiten, insbesondere wenn viele Lose mit kleinen Stückzahlen zu belichten sind. Außerdem ist die hohe Flexibilität des Systems mittlerweile unverzichtbar, da sich beispielsweise die Bearbeitung großer Lose für die Bearbeitung von Eildiensten auf Knopfdruck unterbrechen und fortsetzten lässt. In Verbindung mit der hohen Präzision beim Belichten, braucht der DXP im Haus kaum einen Mitbewerber zu fürchten.

Über ORC

ORC, Originality Reliability Communication, ist ein japanisches Unternehmen, das sich seit seiner Gründung 1968 mit Belichtungssystemen befasst. Die Systeme werden im Stammhaus in Tokio entwickelt und teilweise auch gebaut. Wie heute in der arbeitsteiligen Herstellung üblich, greift ORC beim Bau seiner Geräte auf zuverlässige Partner in der Wertschöpfungskette zurück. Das Unternehmen mit weltweit 550 Mitarbeitern beliefert sowohl die Halbleiterindustrie – hier speziell für die LCD-Fertigung – als auch die Leiterplattenindustrie in aller Welt. Seit 1992 wird die europäische Industrie von Düsseldorf aus betreut.

Über Schaltungsdruck Storz

Die ersten Leiterplatten produzierte Rainer Storz 1979 noch in seiner Garage. 1984 wurden neue Räume in Kenzingen bezogen. Heute beschäftigt Schaltungsdruck Storz rund 120 Mitarbeiter. An zahlreichen An-, Neu- und Umbauten lässt sich die expansive Entwicklung deutlich ablesen. Seine Produktschwerpunkte sieht Storz in den Marktsegmenten Industrieelektronik und Medizintechnik. Die Stärken liegen bei mittleren Auflagen von einem bis mehreren tausend Stück, denn Massenproduktion ist nicht das Ziel der Breisgauer. Auch Prototypen und Eildienste werden gefördert. Derzeit beträgt die Lieferzeit für Eildienste drei bis zehn Tage oder schneller je nach Aufgabenstellung. Mit rund 100.000 m² pro Jahr bedient das Unternehmen aktuell 500 Kunden mit 30.000 verschiedenen Produkten.