Möglichkeiten und Grenzen optischer Technologien in der Leiterplattenfertigung

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Reinhardt Kajetan Küchler
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1 Möglichkeiten und Grenzen optischer Technologien in der Leiterplattenfertigung Teil 2: Lageoptimiertes NC-Fräsen Blatt 1

2 Agenda 1. KSG Kurzportrait 2. Einsatz optischer Technologien 3. Grundlagen lageoptimiertes NC-Fräsen 4. Technologien 5. Weiterentwicklungen 6. Ausblick Blatt 2

3 1. KSG Kurzportrait Blatt 3

4 1. KSG Kurzportrait Gründungsjahr: Reprivatisierung: Gesamtfläche KSG: m² Bebaute Brutto-Grundfläche: m² Fertigungsfläche m² Umsatz 2010: Umsatz 2011: Umsatz 2012 (geplant): 60 Mio. Euro 66 Mio. Euro 60 Mio. Euro Zertifizierungen ISO TS 16949:2009 DIN EN ISO 9001:2008 DIN EN ISO 14001:2005 UL-Zertifikation Produktspektrum: doppelseitige LP Multilayer HDI / SBU LP Starrflex LP Semiflex LP Dickkupfer LP Blatt 4

500 m² Umsatz 2010: Umsatz 2011: Umsatz 2012 (geplant): 60 Mio. Euro 66 Mio. Euro 60 Mio.

5 2. Einsatz optischer Technologien 2D-Scanner: Kontrolle Bohrbild Laserbohrmaschine: Erzeugung von Microvias Optische Technologien werden bei KSG in verschiedenen Feldern im Fertigungsprozess von Leiterplatten angewendet, z.b. : CNC-Fräsautomat: lageoptimiertes NC- Fräsen AOI: Leiterbildkontrolle Quelle: diverse Hersteller Blatt 5

verschiedenen Feldern im Fertigungsprozess von Leiterplatten angewendet, z.b.

6 3. Grundlagen Kamerafräsen Motivation Die steigende Anzahl von Aufträgen mit geringen Lagetoleranzen zwischen Bohr-, Fräs- und Leiterbildern erfordern neue Technologien, um eine sichere Bearbeitung zu gewährleisten. Dafür ist es notwendig ein System zum Einmessen auf bestimmte Bezugsobjekte zu besitzen und dieses sicher einsetzen zu können. Blatt 6

eine sichere Bearbeitung zu gewährleisten.

7 3. Grundlagen Kamerafräsen Welcher Fehler soll minimiert werden? 1. Versatz 1.NC zu 2.NC (Einmessen auf Bohrung) 2. Versatz 2.NC zu Leiterbild (Einmessen auf Leiterbild) Je nachdem, um welche Korrektur es sich handelt, müssen die entsprechenden Einmesstargets gewählt werden. Blatt 7

NC zu Leiterbild (Einmessen auf Leiterbild) Je nachdem, um welche

8 3. Grundlagen Kamerafräsen Ablauf beim Einmessen über optische Systeme: 1. Anfahren eines Targets (Punkt, Quadrat, Passerkreuz etc.) 2. Vermessung der Lage des Targets (Position in x- und y Richtung) 3. Berechnung Versatzwerte, Schrumpfung, Dehnung (Δx; Δy) Wichtig: Der Versatz Kamerasystem zu Maschinensystem muss bekannt sein!! Blatt 8

Vermessung der Lage des Targets (Position in x- und y Richtung) 3.

9 3. Grundlagen Kamerafräsen Einflussfaktoren auf das Messergebnis: 1. Kamera/Optik (Linsensystem, Fokus) 2. Beleuchtung 3. Qualität des Messtargets 4. mechanische Stabilität des Messsystems 5. mechanische Stabilität des Maschinensystems Haupteinflussfaktor ist der Kontrast zwischen Messtarget und Leiterplattenoberfläche. Blatt 9

mechanische Stabilität des Messsystems 5.

10 3. Grundlagen Kamerafräsen Materialkombinationen für die Targetvermessung: Target Bohrung durchkontaktiert abgedeckt mit Ätzresist (blauer Film) Leiterbildendoberfläche chem. Sn, chem. NiAu, HAL (Hot Air Levelling), organische Oberflächenpassivierung (OSP) Leiterbild Materialkombinationen Basismaterialendoberfläche Maske (grün, schwarz, blau, rot etc. pp.), unmaskiertes Basismaterial (FR4, Rogers etc.) Alle Verbindungen zwischen Leiterbildendoberfläche und Basismaterialendoberfläche sind denkbar. Alle Materialkombinationen für die Targetvermessung besitzen spezielle Eigenschaften bzgl. Licht-Reflexion, -Transmission und Absorption. Blatt 10

NiAu, HAL (Hot Air Levelling), organische Oberflächenpassivierung (OSP) Leiterbild Materialkombinationen Basismaterialendoberfläche Maske (grün, schwarz, blau,

11 4. Technologien Optimierung an KSG Problemstellung (Mai 2011) - 2 Lieferanten für NC-Fräsautomaten - Lieferant 1 baut nur Maschinen mit max. 2 getrennt von einander verfahrbaren Frästischen und 2 Kameras - Lieferant 2 baut Maschinen mit max. 6 getrennt von einander verfahrbaren Frästischen und 6 Kameras - Maschinen von Lieferant 1 laufen für alle Anwendungen - Tests der Kameraanwendungen im Werk bei Lieferant 2 liefen zufriedenstellend - Unterschiede der Hersteller liegen bei Technologien - aufgrund Kapazitätsengpässen und positiver Tests wurde eine Maschine von Lieferant 2 angeschafft Blatt 11

6 getrennt von einander verfahrbaren Frästischen und 6 Kameras - Maschinen von Lieferant 1 laufen für alle Anwendungen - Tests der Kameraanwendungen

12 4. Technologien 2 Technologievarianten zur Erfassung eines Bildes Variante 1 Variante 2 Technologieablauf Beleuchtungsart Hardwaretechnische Bildoptimierung Softwaretechnische Bildoptimierung Kamera setzt direkt auf Fräspaket auf diffuse Beleuchtung mittels Weißlicht, Rotlicht oder Mix aus beiden Aperturblende Lichtstärke stufenlos programmseitig regelbar min. Konturerkennung prozentual einstellbar Kamera steht in festem Abstand zum Fräspaket diffuse Beleuchtung mittels Rotlicht oder Weißlicht Nicht möglich (nur umschalten zwischen Beleuchtungen möglich) Integrationszeit, Kontrast, Helligkeit, min. Konturerkennung prozentual einstellbar Blatt 12

Lichtstärke stufenlos programmseitig regelbar min.

13 4. Technologien Technologievariante 1 Kupfertarget auf Rogersoberfläche (rot auf weiß) Beleuchtung mit Weißlicht Beleuchtung mit Rotlicht Blatt 13

14 4. Technologien Technologievariante 1 Goldtarget auf Rogersoberfläche (gelb auf weiß) Beleuchtung mit Weißlicht Beleuchtung mit Rotlicht Blatt 14

15 4. Technologien Technologievariante 2 Kupfertarget auf Rogersoberfläche (rot auf weiß) Beleuchtung mit Weißlicht Beleuchtung mit Rotlicht?? Blatt 15

16 4. Technologien Technologievariante 1 Bohrungen unter Ätzresist (blauem Film) Beleuchtung mit Weißlicht Blatt 16

17 4. Technologien Technologievariante 2 Bohrungen unter Ätzresist (blauem Film) Beleuchtung mit Weißlicht Beleuchtung mit Rotlicht?? Blatt 17

18 4. Technologien Vergleich Technologievariante 1 und 2 Kupfertarget auf Rogersoberfläche, Bohrungen unter Ätzresist Technologievariante 1 Technologievariante 2 Sichere Erkennung von Targets ist gewährleistet durch korrekte Einstellung der Lichtschwellwerte. Eine sichere Erkennung ist nicht gewährleistet. weiterführende Erkenntnisse: 1. Die Erkennung der Targets ist abhängig von der Oberflächengüte der Targets (Oxidation, Glanz). 2. Bei Technologievariante 2 spielen Abschattungseffekte durch Fräsabdecker (Aussparungen für Targets vorhanden) sowie Lichtquellen von außen in die Qualität der Targeterkennung. 3. Für Technologievariante 2 müssen alternative Beleuchtungen gesucht werden. Blatt 18

Die Erkennung der Targets ist abhängig von der Oberflächengüte der Targets (Oxidation, Glanz). 2.

19 4. Technologien Technologievariante 2 Vorteil: unterschiedliche Beleuchtungen auf den Arbeitsstationen möglich Blatt 19

20 5. Weiterentwicklungen Technologievariante 1: keine Weiterentwicklungen notwendig, da Prozess stabil läuft Technologievariante 2: Entwicklung neuer Beleuchtungseinheiten (IR, grün) softwareseitige Steuerung der Beleuchtungsintensität Blatt 20

Technologievariante 2: Entwicklung neuer

21 5. Weiterentwicklungen Technologievariante 2 Kupfertarget auf Rogersoberfläche (rot auf weiß) Beleuchtung mit IR Beleuchtung mit Grünlicht? Blatt 21

22 5. Weiterentwicklungen Technologievariante 2 Bohrungen unter Ätzresist (blauem Film) Beleuchtung mit IR Beleuchtung mit Grünlicht Blatt 22

23 6. Zusammenfassung & Ausblick Technologievariante 1: keine Weiterentwicklungen notwendig, da Prozess stabil läuft Technologievariante 2: Entwicklung neuer Beleuchtungseinheiten (IR, grün) und softwareseitige Steuerung der Beleuchtungsintensität führten zu einem stabilen Prozess. Alle weiteren Materialkombinationen können sicher durch entsprechende Einstellungen erkannt und bearbeitet werden. Ausblick Weitere Miniaturisierungstendenzen und geringere Toleranzvorgaben führen zu einem steten Ausbau dieser Technologie. Sollten neue Oberflächen- und Materialkombinationen auftreten, so sind die Technologievarianten entsprechend zu testen und modifizieren. Blatt 23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Quelle: Blatt 24

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