Strukturieren von Leiterbahnen Laser unter Druck

Vor kurzem noch galt für die Direktstrukturierung von feinen bis feinsten Leiterbildern der Lasereinsatz als ideales Mittel, insbesondere bei der Verarbeitung von Fotoresisten. Ganz nach dem Motto: kein Film, keine Fehler. Auf Grund seiner extremen Schnelligkeit und Genauigkeit genießt der Laser hohe Wertschätzung, doch UV-Direktbelichtung könnte die Dominanz der Laser-Methode brechen.

Erst das Belichten bringt Strukturen auf die vorbereiteten Leiterplatten-Rohlinge.

Dieser Prozessschritt legt die Basis für eine funktionsfähige Platine, weshalb auch die Entscheidung für ein spezielles Belichtungssystem oder/und Verfahren unter der Vielzahl der Anbieter nicht leicht fällt.

Argumente pro und contra werden sorgfältig abgewogen, eine Entscheidung fällt dann mit Blick auf die eigene Fertigung.

Generell hat sich die Laser-Direktbelichtung etabliert, denn gegenüber früheren lithografischen Verfahren ist der Vorteil, auf einen Arbeitsfilm verzichten zu können, sehr groß. Zudem spielen Geschwindigkeit und Präzision eine gewichtige Rolle.

Um die Laserbelichtung herum hat sich ein »Ökosystem« aus Fotoresisten und Lötstopplacken etabliert. Tatsächlich ist jedoch nicht unbedingt Laserlicht erforderlich, entscheidend sind vielmehr Wellenlängenmaximum und Intensität, außerdem natürlich Kompatibilität zu den verbreiteten Materialien. Eben dies verspricht ORC mit dem Belichtungsautomaten »DI Impact 3350« (Bild 1). Der Direktbelichter nutzt UV-Brenner als Lichtquelle und kann doppelseitig belichten.

Ausrichten im Fokus

Bislang wurden überwiegend mechanische oder optische Ausrichtungen genutzt, um die zu belichtenden Leiterplatten exakt unter dem Filmwerkzeug zu platzieren. Meist kamen Filme aus verschiedenen Materialien (allerdings eher selten Glasmaster) in vorgefertigten Filmkassetten in Betracht, um den Werkzeugwechsel zu erleichtern.

Doch mit dem Vormarsch der Direktbelichtung hat sich dieses Bild rapide gewandelt. Kein Film, keine Kassette, nur ein intaktes Programm im richtigen Format und ab geht die Belichtung. Das setzt natürlich fehlerfreie Designs und Konvertierungen voraus. Das läuft im DI Impact vollautomatisch ohne manuelle Eingriffe ab. Eine Variante sieht die Ausrichtung über die vorgesehenen Fixierpunkte über alle vier Ecken vor.

Auftretende Ungenauigkeiten werden über die Fläche vermittelt. Mit diesem Ausrichtverfahren arbeiten nahezu alle Systeme am Markt. Bei der zweiten Variante wird das Leiterbild über die Platinen ausgebreitet und durch paralleles Drehen und Verschieben in die exakte Position gebracht. Einen eher ungewöhnlichen Weg schlägt die dritte Variante ein: das Ausrichten pro Nutzen.

Dazu ist nur die Zahl der Nutzen in das System einzugeben. Je mehr Nutzen, desto mehr Punkte berücksichtigt die eigenentwickelte Software für das Ausrichten. Beispielsweise werden bei einem vierfachen Nutzen insgesamt neun Ausrichtpunkte genutzt, bei einem sechsfachen Nutzen sind es zwölf Ausrichtpunkte. Das von ORC als »DAT« (Direct Adjustment Technology) bezeichnete Verfahren skaliert und beschreibt jede Leiterplatte/Nutzen in Echtzeit.

Dazu kommen die von der CAM-Station transferierten Daten ohne Zeitverzögerung direkt im Belichtungssystem zum Einsatz. Für das Konvertieren, Vermessen und Skalieren der Platinen wird so gut wie keine Zeit geopfert. Am Ende schlägt sich das, so verspricht es der Hersteller, in erhöhtem Durchsatz und exakteren Belichtungs-ergebnissen nieder.

DMD-Module verteilen Licht

Mikrospiegelaktoren (Digital Micromirror Devices, DMD) sind mikromechanische Bausteine, die einzeln bewegliche Spiegel nutzen, um Licht gezielt abzulenken. ORC beschreitet mit dieser Art der Direktbelichtung kein Neuland; denn die Technik ist bewährt und bekannt. Videoprojektoren und 2D-Scanner-Spiegel an Kassenautomaten sind die bekanntesten Vertreter.

Sie kann jedoch auch der Direktbelichtung von Leiterplatten mit UV-Licht dienen. 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 Belichtungsanforderung können die Spiegel in der Größe zwischen 16 µm und 9 µm variieren. 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 kennt zwei stabile Endzustände, in deren Grenzen er bis zu 5000-mal pro Sekunde 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 1024 x 768 Pixel tummeln sich 786 432 winzige Spiegel. Inzwischen gibt es DMD-Chips mit 4160 x 2080 Pixel Auflösung.

Das entspricht 8 652 800 winzigen Spiegeln mit einer Kantenlänge zwischen 16 µm und 9 µm (Bild 2). Insgesamt sind sechzehn solcher 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 von über 100 000 Stunden Betriebsdauer der Chips.

Zudem ist diese Technik voll digital und erzielt im Vergleich zu analogen Techniken einen entschieden besseren Grad an Wiederholgenauigkeit und Lichtausnutzung.

Es wird aus Sicherheitsgründen jedoch empfohlen, die DMD-Module alle drei bis fünf Jahre auszutauschen.

In der Praxis

Zu den ersten Anwendern des DI Impact 3301 gehört Schaltungsdruck Storz. Deren Auswertungen deuten an, dass die Belichtungsergebnisse im Rahmen der Erwartungen liegen. Mithilfe von Schliffbildern lassen sich Flankensteilheit, Kantenschärfe und Wiederholgenauigkeit überprüfen, die, wie es scheint, kaum schlechter als bei Lasersystemen ausfallen.

Für den Durchsatz zeigt sich, dass eine Leiterplatte im Format 510 mm x 610 mm mit 30 µm Bahnbreite das System in gut zwanzig Sekunden durchläuft. Bei Storz laufen rund 180 Panels pro Stunde durch das Belichtungssystem. Beim Format 406 mm x 510 mm und gleicher Bahnbreite dauert der Vorgang nur noch 18 s bei einem Durchsatz von 200 Panels pro Stunde. Feinere Strukturen benötigen bei der UV-Direktbelichtung etwas mehr Zeit.

Bei Bahnbreiten um 27,5 µm und Maximalformat 510 mm x 610 mm nimmt der komplette Durchlauf knapp über 22 s in Anspruch und reduziert den Durchsatz damit auf etwas über 160 Panels pro Stunde. Bei herkömmlichen 50-µm-Resisten und einem Leiterplattenformat von 635 mm x 535 mm laufen etwa 100 Panels durch.

Über den Autor:

Manfred Frank leitet das Redaktionsbüro Frank.