Thema des Monats September 2009


Bild 1: Mit einer Antihaftbeschichtung auf Basis der chemischen Nanotechnologie verbessern Siemens-Forscher die Produktion von Leiterplatten. Das Bild vorne zeigt, wie sich der Lotus-Effekt auf eine Oberfläche auswirkt. Quelle: Siemens AG

Leiterplatten sind das zentrale Herzstück für die unterschiedlichsten Geräte und Systeme aus dem Hochtechnologiebereich. Ihre einwandfreie und langfristige Funktion ist unabdingbare Vorraussetzung dafür, dass die jeweiligen Endgeräte ihre Arbeit zuverlässig erfüllen können. Dies trifft insbesondere für das weite Branchen- und Produktspektrum der Messen wire und Tube mit ihren nahezu endlosen elektrischen und elektronischen Applikationen zu. Aktuelle Ergebnisse zeigen, das Leiterplatten und Platinen technisch noch immer nicht ausgereizt sind. Gerade im Fertigungsbereich überzeugen Ingenieure mit zukunftsträchtigen Innovationen, die dazu beitragen, dass die bereits angesprochenen Anforderungsprofile effizienter und nachhaltiger erfüllt werden können.

Lotus-Effekt: Löten mit Nanotechnologie

Forscher des Unternehmens Siemens haben eine neuartige Antihaftbeschichtung auf Basis der chemischen Nanotechnologie entwickelt, mit der die Produktion von Leiterplatten deutlich verbessert werden kann. Die Wissenschaftler nutzen dazu den so genannten Lotus-Effekt aus, um die Schablonen zu optimieren, mit denen die vergleichsweise zähe Lotpaste auf Platinen gedruckt wird. Die Technologie ist bereits in einigen Elektronikfertigungen im Einsatz und überzeugt durch die zuverlässige Herstellung feinster Lötstrukturen in Größenordnungen von einigen 100 Mikrometern.

Antihaftbeschichtungen – die dieses Eigenschaftsprofil möglich machen - sind für zahlreiche Anwendungen schon seit langer Zeit bekannt. Sie unterbinden die Benetzung der Oberfläche von Werkstoffen durch Flüssigkeiten oder zähe Stoffe durch ausgewählte Oberflächenstrukturierungen oder durch spezielle Beschichtungen, wie etwa PTFE. Für sehr zähe Materialien - wie etwa Lotpasten - gab es aber bisher noch keine zuverlässig funktionierende Lösung.

Die Forscher von Siemens Corporate Technology in Erlangen nutzen zur Beschichtung der Lötschablonen den so genannten Sol-Gel-Prozess. Ausgehend von einer Lösung aus verschiedenen Molekülen, dem Sol, entsteht in mehreren chemischen Reaktionsstufen ein stabiles Gel, das auf der Schablone zu einer festen, haftenden und kratzfesten Schicht ausgehärtet werden kann. Diese hält den hohen auftretenden mechanischen Belastungen während der Leiterplattenproduktion stand.

Wird die Lotpaste durch Schablonen gepresst, deren Innenseiten diese Beschichtung tragen, so lässt sich beobachten, dass keine Reste an den Schablonen haften bleiben, wenn die Platine entfernt wird. Gerade bei der Fertigung sehr kleinen Strukturen, die nur eine Kantenlänge von einigen 100 Mikrometern besitzen, ist dies ein signifikanter Vorteil, weil sonst häufig zu wenig Lotpaste auf die Platine übertragen wird. Auf diese Weise können sehr hoch aufgelöste Strukturen präzise, geometrisch definiert und fehlerfrei bedruckt werden. Die Schablone selbst bleibt lange – für etwa 50 Lötzyklen – sauber und trägt dadurch zusätzlich zur Zeitersparnis während des gesamten Produktionsablaufs bei.

Schnelle Kontrolle: Fehler auf großen Flächen


Bild 2: Eine extrem schnelle parallele Bildverarbeitung von Fraunhofer IPM erlaubt die Aufnahme und Auswertung sehr großer Bilddatenmengen in sehr kurzer Zeit, dies lässt sich zur schnellen Analyse kleiner Defekte wie z. B. fehlender Lötkontakte nutzen. © R. Krause/PIXELIO

Mit Hilfe einer extrem schnellen parallelen Bildverarbeitung können Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik, IPM in Freiburg große Bilddatenmengen in sehr kurzer Zeit aufnehmen und auswerten. Diese Methode bietet die Möglichkeit kleine Material- und Systemdefekte selbst auf großen Flächen schnellstmöglich zu detektieren und zu bestimmen.

In der Produktion von Gütern haben kleine und von daher häufig sehr schwer zu erkennende Fehler oft eine große Auswirkung auf die Produktqualität und -funktion. Eine einzige fehlende Lötstelle, ein winziger Lackfehler, eine minimale geometrische Abweichung vom Sollwert oder eine ungenaue Positionierung bestimmen in der Regel zwischen den Kriterien "Teil in Ordnung" oder "Ausschuss". In Produktions- und Fertigungsabläufen ist daher oft genaues Hinsehen gefragt, um eine visuelle Kontrolle zu realisieren. Aber was kann ein Hersteller machen, wenn in seiner Produktionslinie nur wenig Zeit für die Inline-Kontrolle zur Verfügung steht? Wenn der mögliche Fehler schon durch ein kurze Prüfung entdeckt werden muss?

Zur Lösung dieser zentralen Fragestellungen haben die Wissenschaftler kürzlich ein kamerabasiertes Inspektionssystem mit einer extrem schnellen parallelen Bildverarbeitung vorgestellt. Das Inline-fähige Inspektionssystem kann pro Sekunde bis zu sechs Bilder aufnehmen und gleichzeitig auswerten. Dazu wird in nur rund 160 Millisekunden ein Bild mit 16 Megapixeln Auflösung eingelesen, verarbeitet und zur Regelung herangezogen. Mit dieser hohen Bildauflösung wird die Lokalisierung von Defekten, Objekten oder Abweichungen vom Sollwert sogar im Sub-Pixel-Bereich zuverlässig und mit hoher Genauigkeit möglich. Das neu entwickelte Inline-Messsystem ist skalierbar vom Sub-Mikrometer- bis in den Meter-Bereich und lässt so eine maßgeschneiderte Kontrolle von den verschiedensten Bauteilen zu - Oberflächen von Photovoltaik-Komponenten, integrierte Schaltkreise oder auch Glasoberflächen sind hierfür nur einige Beispiele. Prinzipiell eignet sich das System überall dort, wo kleine Objekte, kleine Defekte oder kleine Abweichungen von Sollwerten in großen Datenmengen aufzuspüren sind. In der jeweiligen Produktionslinie lassen sich so vorgegebene Objekte oder Defekte auffinden, auswählen, markieren oder auch zählen - ohne die Produktionszeit zu verlängern.

Dr.-Ing. Christoph Konetschny
Material- und Nanoexperte
www.materialsgate.de


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