Оборудование для производства прототипов электронных модулей в университете Оствестфален-Липпе

Благодаря финансовой поддержке в университете Оствестфален-Липпе (Лемго, Германия) была оборудована лаборатория силовой электроники и электроприводов. С этого момента научные сотрудники из 5-го отдела (FB5) получили возможность в кратчайшие сроки самостоятельно изготавливать прототипы электронных модулей.

Для сегодняшней электроники и электротехники характерно очень быстрое развитие. С одной стороны, электронные компоненты постоянно уменьшаются в размерах, с другой — увеличивается их мощность. Университеты, которые играют ведущую роль в области научных разработок, должны обладать современным оборудованием, чтобы соответствовать своему назначению. Сотрудники 5-го отдела университета Оствестфален-Липпе занимаются в том числе силовой электроникой для энергопреобразования и электроприводами. В связи с этим университет был включен в программу FHInvest и получил финансирование в размере 850 000 евро для переоборудования лабораторий. Причем 80% средств поступает из бюджета Федерального министерства образования и культуры, а остальные 20% — из бюджета федеральной земли Северный Рейн — Вестфалия.

Полная производственная линия сокращает время изготовления

«При разработке электроники изготовление прототипов является важным этапом», — объясняет научный сотрудник 5-го отдела Урс Обернолте. Только прототип может показать, насколько хорошо функционирует то, что было задумано на бумаге. В университете и раньше проводилось изготовление прототипов, но оно касалось лишь простых макетов, и весь процесс выполнялся вручную. Сложные электронные модули делали за пределами вуза. Исходя из этой ситуации, было логично оснастить университетскую лабораторию полной производственной линией, предназначенной для создания прототипов многослойных печатных плат и электронных модулей. Таким образом, появилась возможность выполнять каждую операцию самостоятельно и значительно сократить срок изготовления.

«Раньше производственный цикл исчислялся днями и неделями, теперь мы изготавливаем печатную плату за 3–4 ч, а электронный модуль — за один рабочий день», — сообщает Урс Обернолте. Благодаря инвестициям удалось значительно уменьшить и размеры прототипов, которые выглядят почти как будущие серийные продукты. В рамках программы финансирования было закуплено 13 различных установок. Основу новой производственной линии составляют решения немецкой компании Walter Lemmen GmbH. Уже более 40 лет компания создает на своем заводе в Кройцвертхайме и предлагает на рынке разнообразное оборудование для выпуска печатных плат и гальванических процессов в промышленности, исследовательских лабораторий и образовательных учреждений.

Выпускаются установки и оборудование для изготовления одно- и двухсторонних печатных плат с металлизацией отверстий и многослойных печатных плат для прототипов и мелкосерийного производства. Дополняют каталог продукции компании малогабаритные гальванические установки барабанного или вертикального типа по индивидуальным заказам клиентов для нанесения декоративных или функциональных покрытий на различные материалы поверхности.

Это оборудование почти полностью покрывает потребности лаборатории в Лемго для организации линии производства двухсторонних и многослойных печатных плат: прямое экспонирование, травление печатных плат, металлизация сквозных отверстий с финишным покрытием никель/золото, ламинирование, сверление и фрезеровка, щеточная очистка, прессование и сушка, а также подготовка воды для промывки. После разработки топологии печатной платы в соответствующей CAD-программе и преобразования и экспорта CAМ-файлов происходит сверление отверстий в плате.

В данном случае используется CNC-станок компании Walter Lemmen GmbH, предназначенный для сверления и фрезеровки с автоматической сменой сверл и шумовой защитой обрабатывающий следующие форматы файлов: Excellon, Sieb & Mayer (сверление), а также HP/GL (фрезеровка). Механической обработке могут подвергаться не только полимерные материалы, но и алюминий и прочие металлы.

Компактные технологические установки, обеспечивающие высокую точность

После сверления печатной платы перед экспонированием проводится ее очистка от заусенцев. Механическая обработка реализуется в установке щеточной очистки с регулируемой частотой осцилляции, скоростью конвейера и выводом показаний на дисплей в виде цифровой информации, что позволяет задать толщину, интенсивность обработки и износ щеток. Установка подсоединена к рециркуляционной системе фильтрации с запасным баком, которая обеспечивает циркуляцию промывной воды через фильтр тонкой очистки.

После очистки промывная вода снова используется в обработке щетками. Тем самым расход воды и количество сточных вод сводится к минимуму. Последующая металлизация сквозных отверстий требует высокой точности установок для осаждения меди, финишных паяемых покрытий и влагозащитных покрытий. На основе открытой конкурсной процедуры университет Оствестфален-Липпе закупил установку для металлизации сквозных отверстий Compacta компании Walter Lemmen GmbH. Модульная конструкция установки этого типа способна осуществлять различные процессы или их комбинацию.

В частности, очистку отверстий от наволакивания смолы при сверлении, оксидирование, травление по металлорезисту (олову), удаление резиста, химическое осаждение металлорезиста (олова), нанесение органического пассивирующего паяемого покрытия (OSP), нанесение следующих финишных паяемых покрытий — химический никель/золото (ENIG), химическое серебро, гальванический никель/золото. Для университета установка для металлизации сквозных отверстий Compacta MD40 (рис. 1, площадь обрабатываемой печатной платы 300-400 мм) дополнена ваннами для финишного покрытия химическим никелем/золотом (ENIG) и удаления сухого пленочного фоторезиста (СПФ).

Дополнительные детали ванн, такие как плоские нагревательные элементы с регулировкой температуры и защитой от перегрева при отсутствии жидкости, фильтры, вибрационные элементы, анодная рамка и специальные держатели, относятся к стандартному оснащению установки и гарантируют университету Оствестфален-Липпе и в будущем идеальный результат при изготовлении печатных плат. Кроме того, было учтено пожелание университета дооснастить установки дополнительными модулями.

Для нанесения стандартного СПФ, а также паяльной маски университетом Оствестфален-Липпе выбрал два ламинатора с рабочей шириной 400 и 500 мм. Тем самым была исключена трудоемкая операция смены ламинатов. При выборе также была учтена экономичная эксплуатация оборудования и модульная конструкция с многочисленными стандартными функциями с возможностью быстрой переналадки исходя из потребностей клиента. Этим условиям практически идеально соответствует ламинатор с рабочей шириной 500 мм и сенсорным экраном компании Walter Lemmen GmbH.

Он обладает устойчивой конструкцией с устройствами безопасности для обучения студентов, системой местного отсоса, 5,7-дюймовым сенсорным экраном, выводит цифровую информацию на дисплей, хранит в памяти рабочие параметры, а также имеет возможность самостоятельно определять значения допусков на технологические режимы, переносить параметры процессов на внешний носитель информации и выполнять многие другие функции.

Университет также приобрел установку прямого лазерного экспонирования UV-P100 от мюнхенской компании Limata GmbH, дистрибьютером которой выступает Walter Lemmen GmbH. Выбор университета неслучаен: срок службы лазерного диода установки достигает 25 000 ч (среднее время безотказной работы) и, как следствие, эксплуатация становится малозатратной. Кроме того, установка потребляет мало энергии (меньше 1 кВт), что ведет к дополнительной экономии.

По словам производителя, невысокое потребление энергии значительно способствует быстрой амортизации установки. Технология прямого экспонирования позволяет сократить трудоемкость при формировании рисунка на 75% по сравнению с экспонированием через фотошаблон. Это ведет к дополнительной экономии средств. Основным узлом каждой установки прямого экспонирования компании Limata является модуль направления и фокусировки луча, который максимально оснащен четырьмя лазерами. Установка в университете имеет один лазер. Лазерный луч направляется через оптику на двумерную систему сканера и проецируется на печатную плату с помощью внешней телецентрической оптической системы.

Этот телецентрический объектив в состоянии компенсировать допуски по толщине печатной платы до ±300 мкм, что гарантирует отличный результат зкспонирования. Еще один важный момент — совмещение заготовок. Перед процессом прямого экспонирования, чтобы достичь минимальных допусков и гарантировать совмещение высокого качества, каждая топология проходит оптимизацию или сканирование.

При дальнейших изменениях технических требований по производительности или универсальности применения в техпроцессе, гибкость установки прямого экспонирования позволяет быстро, несложно и недорого провести необходимое переоснащение, и сделать это на месте без демонтажа оборудования из производственной линии. После экспонирования печатной платы проводятся операции проявления и травления.

Для этих процессов университет приобрел многофункциональную систему Etching Center S30s (рис. 2) от компании Walter Lemmen GmbH. Система состоит из модулей проявления и травления с форсунками для изготовления ультратонких проводников одно- или двухсторонних печатных плат или слоев. В данной малогабаритной системе объединены следующие процессы: проявление, травление, промывка (опционально удаление резиста). Все это позволяет выполнить рисунок проводящих слоев на печатных платах с линиями шириной 50–100 мкм высокого качества

Система предназначена для прототипного или мелкосерийного производства печатных плат с максимальным размером 300-400 мм, что соответствует требованиям университета Оствестфален-Липпе. Система поставляется как с ручным управлением, так и в виде вертикального конвейера с модулем промывки. Современная система распыления с вращением обеспечивает равномерную и интенсивную обработку поверхности. Установка оснащена каскадной системой промывки и отличается компактнымигабаритами и чистотой рабочих операций.

Многослойные печатные платы, используемые для изготовления сложных электронных модулей

Следующая операция — нанесение паяльной маски с помощью ламинатора так же, как и фоторезист. После повторного экспонирования, проявления и термообработки печатной платы в конвекционной печи (эта операция проводится в уже имеющейся в лаборатории печи компании SMT) процесс изготовления прототипа практически завершен.

В качестве финишного покрытия используется никель/золото, которое наносится с помощью описанной выше установки Compacta с дополнительными модулями химического никеля/золота. Для изготовления прототипов сложных электронных модулей компания Walter Lemmen GmbH установила в кампусе университета Оствестфален-Липпе гидравлический пресс (рис. 3), предназначенный для прессования отдельных слоев с клеящими прокладками в многослойную печатную плату. По своей функциональности система соответствует современным промышленным прессам. Операция выполняется как в вакууме, так и в нормальной атмосфере. Максимальная площадь печатной платы для прессования составляет 300-400 мм.

Пресс имеет один этаж. Максимально допустимая температура нагревательных плит достигает +300 °C. Все параметры (различные уровни давления, температура и время в фазах нагрева, давления и охлаждения) вводятся через клавиатуру компьютера. Давление в прессе создается гидравлически. Нагревательные элементы подогреваются электрически и охлаждаются водой. Время охлаждения может быть задано индивидуально через клавиатуру компьютера. Во второй фазе до достижения комнатной температуры происходит постоянная циркуляция воды для охлаждения.

В тендерной процедуре университета Оствестфален-Липпе был сделан большой акцент на экономичность и экологичность производственных процессов, что подразумевает высокую эффективность и снижение затрат. Важным вопросом также являлся отвод сточных вод после многочисленных технологических операций. Компания Walter Lemmen GmbH выступает в роли поставщика производственных линий, включающих подготовку промывных вод.

Наибольшей эффективности в подготовке воды для промывки можно достичь при использовании ионнообменной системы с замкнутым циклом оборота воды. Преимущества такой системы очевидны. Повторное использование вместо сброса значительно сокращает стоимость процесса за счет отсутствия затрат на утилизацию. Таким образом очистка в производстве прототипов в университете Оствестфален-Липпе происходит без сброса сточных вод. Экономятся комунальные отчисления за утилизацию воды через канализацию, а также ценные водные ресурсы воды, тем самым повышается экологичность производства.

Проектирование, изготовление и регенерацию патронов и ввод в эксплуатацию ионнообменной системы серии IONEX компания Walter Lemmen GmbH проводит согласно требованиям клиента. После ввода в эксплуатацию линии по производству многослойных печатных плат университет способен в кратчайшие сроки провести операции нанесения, экспонирования и формирования рисунка фоторезиста и паяльной маски, изготовить металлизированные сквозные отверстия, осуществить операции проявления и травления, а также подготовить и очистить промывные воды (рис. 4). Таким образом многослойные печатные платы могут быть изготовлены в кратчайшие сроки. Университет Оствестфален-Липпе в лице научных сотрудников лаборатории силовой электроники и электроприводов теперь обладает компетенцией в области производства печатных плат, в том числе многослойных.