Fachartikel

Direktbelichter für die Herstellung von Leiterplatten

Hochpräzise Synchronisierung von mehreren Antrieben

Leiterplatten werden in nahezu allen elektronischen Geräten verbaut. Sie fungieren als Träger von unzähligen elektronischen Bauteilen, die über Leiterbahnen miteinander verbunden sind. Die innovativen Direktbelichter von MIVA Technologies ermöglichen es, diese leitenden Strukturen mithilfe von UV-LEDs auf das Leiterplattenmaterial zu übertragen. Diese Methode ermöglicht eine besonders effiziente und präzise Bearbeitung der Leiterplatten. Für die Steuerung der komplexen Belichtungsvorgänge setzt das Unternehmen Lösungen von SIEB & MEYER ein.

Die Übertragung der Leiterbahnen mithilfe von fotochemischen Prozessen ist ein wichtiger Arbeitsschritt in der Leiterplattenfertigung. Traditionell wurde beim sogenannten lithographischen Verfahren ein Arbeitsfilm belichtet und entwickelt, um so das Layout übertragen zu können. In den letzten Jahren haben sich jedoch zunehmend Direktbelichtungssysteme etabliert. Als Lichtquellen wurden dabei zunächst Laser genutzt, die jedoch einen sehr hohen Energieverbrauch und eine kurze Lebensdauer haben. Eine neue Entwicklungsstufe machte es dann möglich, LEDs als Lichtquelle einzusetzen. LEDs sind wesentlich energieeffizienter, um ein Vielfaches haltbarer und bieten so ein hohes Potenzial an Kosteneinsparungen. Anders als bei Lasern müssen die LEDs zudem nur eingeschaltet werden, wenn belichtet wird – entsprechend lässt sich der Stromverbrauch erheblich reduzieren.

Komplexe Anforderungen an die Steuerungselektronik

Die MIVA Technologies GmbH hat die fortschrittlichen Direktbelichter mit LED-Lichtquellen im Sortiment. „Auch wir haben vor mehr als fünfundzwanzig Jahren mit klassischen Filmbelichtern angefangen“, so Robin Pagan, Geschäftsführer der MIVA Technologies GmbH. „Wir waren jedoch einer der ersten Hersteller, die sich mit der neuen Methode der Direktbelichtung auseinandergesetzt haben“. Die in Deutschland gefertigten MIVA-Direktbelichter sind auf einer Präzisions-XYZ-Granitplattform aufgebaut, die mit Hochgeschwindigkeits-Linearmotoren im geschlossenen Messregelkreis angesteuert wird. Ein oder mehrere Belichtungsköpfe nutzen eine UV-LED-Quelle mit Dual-Wellenlängen, so dass bei hoher Belichtungsstärke ein niedriger Energieverbrauch gewährleitet ist. Die Belichtungsfläche liegt bei maximal 26 x 30 Zoll und minimal unter 4 x 4 Zoll. Anschaffungs-, Wartungs- und Betriebskosten sind niedrig, die Leistung bezüglich Geschwindigkeit, Auflösung und Media-Flexibilität ist hingegen hoch.                   

Im Zuge von Neuentwicklungen suchte das Unternehmen im Jahr 2009 nach geeigneten Steuerungssystemen – und hatte dabei hohe Anforderungen. „Bei der Direktbelichtung sind große Präzision und hohe Auflösung über teils lange Fahrtstrecken gefragt, entsprechend komplex sind die Steuerungsaufgaben“, erläutert Pagan. Ursprünglich hatte MIVA die Steuerungselektronik selbst entwickelt und gefertigt. Weil sich damit aber kundenindividuelle Wünsche nur schwer erfüllen ließen, suchten die Belichtungs-Experten nach einem flexiblen, hochwertigen Ersatz. Dabei prüfte man zunächst einige Systeme von Wettbewerbern, die die hohen Anforderungen an den Gleichlauf jedoch nicht erfüllen konnten. Schließlich fiel die Entscheidung für den Motion Controller MC2 von SIEB & MEYER, dessen Leistung Geschäftsführer Pagan als „sehr glatt“ bezeichnet – optimal geeignet also für hochpräzise Belichtungsvorgänge.

Gute Grundfunktionen, individuell angepasst

Der Motion Controller MC2 ist das Bindeglied zwischen einer übergeordneten Steuerungsebene (SPS, IPC etc.) und einem oder mehreren SIEB & MEYER-Antrieben. Er empfängt und verarbeitet die Daten und Kommandos von der übergeordneten Steuerung und leitet sie an den Antrieb weiter. Die übergeordnete Steuerung ist über Ethernet mit dem MC2 verbunden; optional lässt sich auch ein Feldbusmodul, z.B. Profinet, EtherCAT oder Profibus, nutzen. Die Kommunikation mit den SIEB & MEYER-Antriebsverstärkern findet immer über SERVOLINK 4 via Lichtwellenleiter von SIEB & MEYER statt. Im MC2 selbst läuft ein Echtzeit-Betriebssystem, welches die Daten zeitsynchron zu den Antriebsverstärkern überträgt. Dadurch ist eine kontrollierte Raumbewegung der Achsen möglich.

„Die Grundfunktion des MC2 ist sehr gut“, lobt Pagan. „Zudem können wir die Lösung unkompliziert über Ethernet ansteuern. Wir behandeln den MC2 als einen unserer Verbundrechner, das hat Vorteile aus Sicht der Programmierung. Von besonderer Relevanz ist für uns aber, das die Steuerungseinheit mehrere Motoren zuverlässig synchron halten kann.“ An den MC2 lassen sich bis zu acht Antriebsverstärker anschließen, in den Direktbelichtern sind jeweils drei SD2S-Systeme von SIEB & MEYER verbaut. Um eine besonders genaue und zuverlässige Synchronisierung der Antriebe zu gewährleisten, passte SIEB & MEYER den MC2 gemäß den Vorgaben von MIVA an. „Wir hatten dafür eine detaillierte Spezifikation von MIVA erhalten, die wir anschließend in enger Abstimmung umgesetzt haben“, so Michael Schulz, Key Account Manager bei SIEB & MEYER. „Diese Sonderlösung war nötig, um die hochpräzise Synchronisierung von mehreren Antrieben während der Belichtungsvorgänge zu ermöglich.“

Denn der Belichtungsvorgang ist komplex: Ein Synchronisationsimpuls löst Lichtblitze der UV-LEDs aus, die über ein DMD-Modul (Digital Micromirror Device) präzise auf die Leiterplatten gelenkt werden und dort Pixel für Pixel das Layout abbilden. Dabei ist es zwingend nötig, dass sich das Layout exakt mit der Bewegung synchronisieren lässt, sodass sich das Bild scharf auf das Material überträgt. Erschwert wird dies zusätzlich durch die langen Fahrtwege: „Der Extremfall ist eine Sondermaschine, die hochpräzise Belichtungen bis zu sechs Metern Länge machen kann, und zwar mit einer Genauigkeit von nur einem Pikometer“, erläutert Pagan. „Zudem müssen die Impulse auf dem Hinweg anders wiedergegeben werden als auf dem Rückweg. Das stellt für die Steuerungselektronik eine echte Herausforderung dar, die SIEB & MEYER jedoch bestens gemeistert hat.“ Zufrieden ist der MIVA-Geschäftsführer auch mit der Flexibilität der Lüneburger Spezialisten, die seinem Unternehmen während der gesamten Entwicklungszeit und darüber hinaus mit Rat und Tat zur Seite standen. Egal, welche Entwicklungsschritte sich in der Belichtungstechnik in den nächsten Jahren noch ergeben werden – MIVA Technologies hat mit SIEB & MEYER den idealen Technologiepartner gefunden.

MC2 in Belchtungsmaschine
Der MC2 ermöglicht präzise Belichtungen auch über lange Fahrtwege, im Fall dieser MIVA Sondermaschine sogar über eine Länge von sechs Metern

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