Herstellungsprozesse LED-Direktbelichtung bringt Fortschritte in der Leiterplattenfertigung

Die Anforderungen an die Produzenten von Leiterplatten haben sich in den vergangenen Jahren enorm entwickelt. Immer höhere Ansprüche werden an Präzision und Reaktionszeiten, speziell im Prototyping, gestellt. Dafür müssen die Prozesse stimmen - und es braucht das richtige Equipment.

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Beta LAYOUT GmbH

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Becker & Müller Schaltungsdruck GmbH

Einer der ersten Schritte in der Leiterplattenfertigung ist die Übertragung der Schaltungs-Layouts auf die Leiterplatten-Rohlinge. Das geschieht mit fotochemischen Prozessen. Das lithografische Verfahren, bei dem zunächst ein Arbeitsfilm belichtet und entwickelt werden musste, um das Layout zu übertragen, wurde in den vergangenen Jahren immer mehr durch Direktbelichtungsverfahren abgelöst. Die Entwicklung der Digitaltechnik machte es möglich, auf den Zwischenschritt der Filmentwicklung zu verzichten.

Der Energiebedarf des klassischen lithografischen Verfahrens war hoch. Vor allem die Lichtquellen für die Belichtung waren sehr energieintensiv. Außerdem mussten für die Entwicklung der Arbeitsfilme eine Menge Chemikalien beschafft und entsorgt werden. So hat sich in der neueren Zeit in den Fertigungen die Laser-Direktbelichtung etabliert. Der Vorteil, nun keinen Arbeitsfilm mehr zu brauchen, ist bahnbrechend. Präzision, Qualitätsvorteile und Produktionsgeschwindigkeit haben mit den modernen Direktbelichtern einen Sprung gemacht.

LDI-Maschinen (Laser Direct Imaging) sind seit den späten 1980er-Jahren im Einsatz. Anfangs waren sie noch deutlich langsamer als das herkömmliche lithografische Verfahren. Aber die Entwicklung der Technik brachte die Vorteile der neuen Methode immer mehr zum Tragen - kürzere Rüstzeiten, höhere Flexibilität durch schnellere Produktwechsel, weniger mechanische Einflüsse im Produktionsprozess durch den Wegfall der Filme. Durch die feinen Laserpunkte konnten nun auch feinere Layouts realisiert werden. Auch die Ausrichtung der Rohlinge, also die präzise Platzierung der Layouts auf den Rohlingen, wurde durch die Digitaltechnik wesentlich verbessert.

Das bedeutete im Endeffekt Reduzierung von Fehlern, dadurch natürlich auch weniger Ausschuss und letztendlich Kostenreduzierung. Ein Nachteil der LDI-Technik aber blieb. Die Laserlichtquellen brauchen sehr viel Strom und durch die hohe Abwärme wird eine erhebliche Kühlleistung benötigt. Außerdem ist die Lebensdauer der Lichtquellen relativ kurz und die Ersatzkosten sind hoch.

Die Erkenntnis, dass für die Direktbelichtung nicht zwingend Laserlicht gebraucht wird, sondern vielmehr Wellenlängen, Wellenlängenmix und Lichtintensität die entscheidenden Faktoren sind, brachte innovative Entwickler auf die Idee, LEDs als Lichtquelle einzusetzen. LEDs gehen wesentlich sparsamer mit Energie um, sind um ein Vielfaches haltbarer und bieten so ein hohes Potenzial an Kosteneinsparungen.

Die Entwickler der Schweizer Printprocess AG (PP) setzten von Anfang an bei ihren Belichtern auf die LED-Technik. Die rasanten Weiterentwicklungen bei den LEDs – vor allem was die Lichtintensität betrifft – haben der Entwicklung bei Printprocess großen Vorschub geleistet. Seit 2005 schon werden UV-LEDs in den konventionellen Belichtern eingesetzt und sie sind der erste Hersteller, der UV-LEDs auch in Direktbelichtern eingesetzt hat. Das LIcht der UV-LEDs wird über DMD-Module (Digital Micromirror Device) präzise auf die Leiterplatten gelenkt und bildet dort Pixel für Pixel das Layout ab. Die Lebensdauer solcher DMD-Module ist nahezu unbegrenzt. Praxiserfahrungen aus anderen Anwendungen berichten von über 100.000 Stunden Betriebsdauer der Chips.

Zudem ist die Technik voll digital und erzielt einen entscheidend besseren Grad an Wiederholgenauigkeit und Lichtausnutzung. Die Stromeinsparung allein bei den LEDs ist erheblich: die LEDs im PP-Direktbelichter werden nur eingeschaltet, wenn belichtet wird - ein Vorheizen ist nicht nötig. Die kalkulierten Stromkosten eines solchen Belichters liegen bei etwa 500 Euro/Jahr.

Bei Lasersystemen, die auf dem Markt verfügbar wären, liegen die Stromkosten (Laser dürfen nicht ausgeschaltet werden) bei mehreren Tausend Euro jährlich. Mit ihrem Hochleistungs-UV-LED-Belichter haben die Schweizer den weltweit wirtschaftlichsten UV-Belichter auf den Markt gebracht, mit Einsparungen bei den Betriebskosten von bis zu 90 Prozent im Vergleich zu Lasersystemen.

Beim Leiterplattenhersteller Becker & Müller Schaltungsdruck aus Steinach im Kinzigtal in der Nähe von Offenburg stand schon seit 2003 ein konventioneller PP-Belichter, der nach wie vor bestens funktioniert hat. Normalerweise werden solche Maschinen im Turnus von 15 bis 20 Jahren erneuert. Aber die Option, in großem Maße Energie zu sparen, die Prozesse und Produktivität zu optimieren und sich technologisch zu verbessern, brachten Xaver Müller und Michael Becker zu der Entscheidung, in das LED System Apollon-DI-A11 von Printprocess zu investieren. Im Sommer 2013 wurde die Maschine bestellt und die Umstellungsprozesse sind im vollen Gange.

Die langjährige Zusammenarbeit mit den Schweizern und die Zukunftsfähigkeit des UV-LED-Direktbelichters gaben den Ausschlag für die Investition. Auf dem Weg zur Entscheidung wurde gemeinsam mit PP umfangreich getestet. Ein zentrales Argument war die Zukunftsfähigkeit. Veränderungen und Neuerungen können problemlos in die vorhandene Maschine integriert werden. Zeitersparnis, höherer Durchsatz und die Verbesserung bei den Toleranzen durch gleichzeitige Belichtung bringen weitere Fortschritte.

Auch die Leistung der LEDs wird steigen. Experten rechnen mit etwa 30 Prozent jährlicher Leistungssteigerung bei LEDS. Solche Weiterentwicklungen können nachgerüstet werden. So werden die Maschinen schneller und leistungsfähiger. Die LED-Technik spielt also eine entscheidende Rolle in der weiteren Zukunft.

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