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Blick in die Fertigung von Schaltungsdruck Storz.
Der Direktbelichter DI Impact DXP3301 ermöglicht die Direktstrukturierung von feinen bis feinsten Leitern.
Rückseite des DI Impact mit der Energieversorgung.
Die Gesamtansicht des kompakten Direktbelichters.
Der DI Impact DXP3301 mit angeschlossenem Entlade- und Abstapelsystem.
Spieglein, Spieglein: Der Digital Light Processing Chip beherbergt eine Fülle einzeln beweglicher Spiegel zur gezielten Lichtlenkung.

Die Entwickler von ORC haben mit dem System DI Impact 3350 einen Weg gefunden, der die Dominanz des Lasers brechen könnte. DI steht für Direct Imaging und mit Impact 3350 wird ein vollautomatisches und zugleich doppelseitig belichtendes System bezeichnet. Dabei kommen UV-Brenner als Lichtquelle zum Einsatz. In harmonischer Verbindung mit mehreren DMD-Bauteilen macht diese Symbiose jeden Arbeitsfilm überflüssig. Zudem kommt dem Anwender noch ein großer Nutzen zu Gute: Die meisten in der Fertigung bewährten und erprobten Resiste und Lötstopplacke lassen sich verarbeiten. Gerade dieser Weg macht speziell auf die Anwendung zugeschnittene Produktformulierungen überflüssig.

Schon seit ihrer Gründung im Jahr 1979 setzt Schaltungsdruck Storz auf zeitgemäße und moderne Fertigungs- und Prozesstechnologien. Um ein möglichst breites Spektrum an Verarbeitungsmöglichkeiten anbieten zu können, sind beispielsweise mehrere Galvaniken im Parallelbetrieb am Laufen. Darunter auch eine HAL-Anlage in Horizontaltechnik für bleifreie Anwendungen. Die Horizontalanlage stresst Platinen laut Rolf Jäger, zuständig für das Qualitätswesen, deutlich weniger als die konventionellen Tauchanlagen, da die Kontaktzeiten mit dem Lot für alle Bereiche des Nutzens identisch und deutlich kürzer als beim herkömmlichen vertikalen Verfahren sind. Jüngste Investition bei Storz ist nun eine intelligente Desmear-/Direktmetallisierung-Anlage. Auf über 30 m sollen Bohrlöcher intensiv gereinigt und die Kupfergalvanisierung in den Bohrlöchern optimal vorbereitet werden.

Produkt- und Typenvielfalt

Konzentration auf die eigenen Stärken lautet die Devise. Und die sieht das Unternehmen in technologisch anspruchsvollen Leiterplatten. Das sind doppelseitige durchkontaktierte Platinen ebenso wie Multilayer bis zu zwölf Lagen und auf Wunsch auch mehr. Dafür kommen Multilayerkerne von 0,1, 0,2, 0,36, 0,51, 0,90 und 1.55 µm zum Einsatz. Für Kupferkaschierungen kann zwischen 18 µm, 35 µm, 70 µm und 105 µm starken Auflagen gewählt werden und zwar bei Materialdicken von 1.0 bis 3.2 mm. 100 µm Leiterbahnbreiten sind dagegen Standard. Auch für HDI- und SBU-Techniken sieht sich Storz gut gerüstet. Selbst Dickkupferplatinen bis 210 µm Kupferdicke schrecken die Fachleute aus Kenzingen nicht.

Heute blickt das Unternehmen auf einen Stamm von rund 500 Kunden. Mit rund 30.000 unterschiedlichen Produkten lässt sich in diesem Zusammenhang die Flexibilität des Unternehmens am besten festmachen. Vor diesem Hintergrund steht die Tatsache, dass Storz nach wie vor alle Bohrungen mechanisch in das Basismaterial einbringt – egal ob Lochenddurchmesser bei Durchkontaktierungen von 150 µm, 200 µm oder 100 µm bei Microvias bei einem Aspect Ratio 1:10 in FR4- oder Hoch-TG-Material gefordert sind.

Belichten als Knackpunkt – Fokus auf dem Nutzen

Erst das Belichten bringt Strukturen auf die vorbereiteten Leiterplattenrohlinge. Hier wird die Basis für eine funktionsfähige Platine gelegt. Deshalb fällt auch die Entscheidung für ein spezielles Belichtungssystem oder/und Verfahren unter der Vielzahl der Anbieter nicht leicht. Der Vollautomat DI Impact 3301 ist für die Inline-Fertigung ausgelegt. Er lässt sich auch mit Be- und Entladesystemen erweitern. Als Lichtquellen kommen Kurzbogenlampen zum Einsatz, deren Entladungsbogen in einer Atmosphäre von Quecksilberdampf unter hohem Druck brennt. Sie sind auf die Anforderungen der Resiste hinsichtlich der Energiemenge abgestimmt und zeichnen sich durch hohe Strahldichte aus. Das System wird an Ein- und Auslauf entweder mit Staplern ausgerüstet oder direkt per Band in den Fertigungsablauf einbezogen. Nach Beladen und gleichzeitigem Ausrichten der Platine wird zuerst von oben beschrieben. Daran schließt sich eine Wendestation an. Die legt die Leiterplatte im wahrsten Sinne des Wortes aufs Kreuz und gibt sie zum Beschreiben der Unterseite an die zweite Belichtungseinheit weiter. Und die Platine läuft in den Stapler oder direkt auf dem Förderband zur Entwicklung.

Das System beansprucht eine Grundfläche von knapp 5 m bei rund 3 m Breite und knapp 1,90 m Höhe. Bei einer maximal nutzbaren Belichtungsfläche von 535 mm x 635 mm wird eine Leiterbahnbreite von derzeit bis zu 27,5 µm bei 2,5 µm Genauigkeit erzielt. Das System arbeitet auflösungsfrei mit einer Positioniergenauigkeit von ± 6 µm. Überdies ist mit der Direktbelichtung lediglich ein intaktes Programm im richtigen Format nötig. Das setzt natürlich fehlerfreie Designs und Konvertierungen voraus. Das hat ORC mit seinen verschiedenen Ausrichtfunktionen im DI Impact im Griff – alles vollautomatisch und ohne manuelle Eingriffe. Eine Variante sieht die Ausrichtung über die vorgesehenen Fixierpunkte über alle vier Ecken vor. Auftretende Ungenauigkeiten werden über die Fläche vermittelt. Bei der zweiten Variante wird das Leiterbild über die Platinen ausgebreitet und durch paralleles Drehen und Verschieben in die exakte Position gebracht.

Doch mit der dritten Variante wird eine Lösung präsentiert, die bislang noch in keinem Belichtungssystem eingesetzt wurde: das Ausrichten pro Nutzen. Dazu ist nur die Zahl der Nutzen in das System einzugeben. Je mehr Nutzen, desto mehr Punkte werden von der eigenentwickelten Software für das Ausrichten berücksichtigt. Beispielsweise werden bei einem vierfachen Nutzen insgesamt neun Ausrichtpunkte genutzt. Und bei einem sechsfachen Nutzen sind es zwölf Ausrichtpunkte. Den gesamten Rest wickelt das System völlig eigenständig und automatisch ab: Ausrichten, Skalieren, Belichten, und so weiter. Das von ORC als DAT (Direct Adjustment Technology) bezeichnete Verfahren skaliert und beschreibt jede Leiterplatte/Nutzen in Echtzeit. Dazu lassen sich die von der CAM-Station transferierten Daten ohne Zeitverzögerung direkt im Belichtungssystem nutzen. Für das Konvertieren, Vermessen und Skalieren der Platinen wird so gut wie keine Zeit geopfert.

Spiegel übernehmen die Lichtverteilung

Digital Micromirror Devices oder Mikrospiegelaktoren sind mikromechanische Bausteine, die sich mithilfe einzeln beweglicher Spiegel zur gezielten Lichtlenkung nutzen lassen. ORC nutzt diese Technologie jetzt zur Direktbelichtung von Leiterplatten mit UV Licht: Matrixförmig angeordnete Einzelelemente bilden im Prinzip die DMD-Chips, bei denen jeder einzelne Mikrospiegel aus einer kippbaren spiegelnden Fläche mit einer Kantenlänge von wenigen Mikrometern besteht. Die Mikrospiegel auf einem DMD-Chip gibt es mit unterschiedlichen Kantenlängen. Je nach Aufgabenstellung oder Belichtungsanforderungen können die Spiegel in der Größe zwischen 16 µm und 9 µm variieren. Im Vergleich zu einem menschlichen Haar von circa 80 µm sind diese Dimensionen für das menschliche Auge kaum noch sichtbar.

Die richtige Einstellung der Mikrospiegel für das Belichten nimmt eine integrierte Software über elektrostatische Felder vor. Jeder Mikrospiegel lässt sich in seinem Winkel einzeln verstellen. Und er kennt zwei stabile Endzustände, in deren Grenzen er blitzschnell, innerhalb einer Sekunde 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. Da jeder Spiegel verantwortlich für einen Bildpunkt ist, ergeben sich also insgesamt über acht Millionen Bildpunkte und mehr.

Insgesamt sind sechzehn dieser Chips im DI Impact installiert. Ihre Lebensdauer ist nahezu unbegrenzt. Lediglich der UV-Brenner ist des Öfteren zu wechseln, während sich die DMDs gegenüber Verschleiß, Hitze oder Feuchtigkeit ziemlich stabil zeigen. Praxiserfahrungen aus anderen Anwendungen berichten gar von einer Betriebsdauer der DMD-Chips von über 100.000 h. Zum anderen ist diese Technik voll digital und erzielt im Vergleich zu analogen Techniken einen entschieden besseren Grad an Wiederholgenauigkeit. Schliffbilder zeigen deutlich, dass Flankensteilheit, Kantenschärfe und Wiederholgenauigkeit stimmen. Geht es nach Rolf Jäger sind bei solch klaren Ergebnissen keine Lasersysteme mehr nötig. Auch der Durchsatz kann sich sehen lassen. Eine Leiterplatte im Format 510 mm x 610 mm mit Leiterbahnbreiten von 30 µm durchläuft das System in gut 20 s. Unterm Strich laufen rund 180 Panels/h durch das Belichtungssystem. Bei einem Format von 406 mm x 510 mm und gleicher Bahnbreite dauert der Vorgang nur noch 18 s. Und der Durchsatz steigt auf 200 Panels/h an.

Zufrieden mit den Ergebnissen

Interne Vergleichstests mit anderen Systemen sehen den DI Impact 3301 klar vorn. Bei gleicher Panelgröße und gleichem Resist geht der Vergleich deutlich zu Gunsten des ORC-Systems. Rechnerisch belichtet das System über 2.300 Panels bei einem Dreischichtbetrieb an einem Arbeitstag. Mit lediglich gut 1.830 Panels fällt das Vergleichssystem deutlich zurück. Dass mit dem ORC-System auch gleichzeitig weniger Bedienpersonal erforderlich ist, verschafft der Investition sowohl mit Blick auf die kaufmännische als auch technologische Seite einen hohen Stellenwert.