LDI ist in der Leiterplattenindustrie »en vogue« und sorgt für eine gewisse Reputation des Leiterplattenherstellers in punkto Innovationsführerschaft. Eine Maschine mit Lasertechnik ist allerdings ungefähr doppelt so teuer wie herkömmliche UV-Brenner. Wann also rentiert sich die Investition in LDI?
Dieser Frage ging das Technologieteam des Krefelder Leiterplattenherstellers MicroCirtec auf den Grund und mahnt die Leiterplattenbranche zur Vorsicht: »Bevor man in diese teure Technologie investiert, bedarf es der genauen Überprüfung, ob die eigene Fertigung und die eigenen Absatzmärkte kompatibel sind mit dieser unbestritten revolutionären Technologie«, erklärt Andreas Brüggen, Geschäftsführer des Unternehmens.
Möchte der Platinenhersteller seinen Kunden von seiner Technologieführerschaft und Topqualität überzeugen, so genügt der Hinweis, dass man die Leiterbilder nun mit »LDI« belichtet. Die Argumente hierfür sind auf den ersten Blick verführerisch: Der Umweg über die Filmvorlage mit all ihren Versatz- und Beschädigungsrisiken entfällt, und die kolportierte extrem hohe Auflösungsgenauigkeit von bis zu 20 µm Leiterbahnbreite und die Skalierbarkeit des Layouts auf den bereits vorhandenen Versatz auf das gebohrte Basismaterial sind unbestreitbare Fortschritte. Der Markt für diese jetzt als ausgereift beschriebene Technologie boomt – allein dieses Jahr sollen bis zu 200 Anlagen laut Hersteller mit dieser Technologie weltweit verkauft werden, und es werden wohl noch mehr werden, weil das Verfahren künftig auch in der Lötstopplackbelichtung eingesetzt werden soll.
Zunächst ist laut Brüggen genau zu definieren, was per Definition »LDI« überhaupt sein soll und was man unter »Laser Direct Imaging« versteht. Konkret handelt sich um eine Technologie der Leiterbildbelichtung, bei der man das Layout der Leiterplatte nicht mehr als Abbild einer Filmvorlage auf einen lichtsensiblen Film auf die Leiterplatte fotografiert, sondern die Strukturen mit einem digital gesteuerten Laser (oder mehreren Lasern) sequentiell in den Film einbrennt. Die Quelle dafür sind Laserdioden, deren gebündeltes Licht von digital gesteuerten Linsen oder speziellen Optiksystemen ausgelenkt wird. Die Kapazität solcher Maschinen ist abhängig von der Anzahl der LEDs und vom eingesetzten Spiegelsystem. Charakteristisch für das Laserlicht ist ein festgelegter, abgegrenzter Wellenlängenbereich des Lichtes – meist sind das 410 nm.
Doppelt so teuer wie herkömmliche Belichter
Plant ein Leiterplattenhersteller die Investition in LDI, so sollten betriebswirtschaftliche Überlegungen am Anfang stehen, rät Brüggen und verweist auf die hohen Anschaffungskosten: »Neueste Systeme in Vollautomatik mit Großseriendurchsatz von ca. 1500 bis 3000 Nutzen mit > 20-Zoll-Format überschreiten locker die Millionengrenze, wobei die Vollautomation nicht unbedingt im Preis inbegriffen ist.« Kleinere Systeme gibt es schon ab 150.000 Euro, die bieten aber nur eine Kapazität von weniger als 100 Nutzen pro Tag. Konventionelle Filmbelichter mit Punktlichtquelle sind schon ab 80.000 Euro zu haben, und Vollautomaten mit kollimiertem Licht inklusive Automation ab 50.000 Euro. Als Faustregel gilt: Eine Maschine mit Lasertechnik ist (noch) mindestens doppelt so teuer wie herkömmliche Technologien mit einer je nach Reinraumqualität industriell reproduzierbareren Auflösungsqualität von 50 bis 75 µm bei kollimierter Variante. Für die Investitionsüberlegung stellt sich sofort die Frage, ob das eigene Fertigungsportfolio quantitativ so weit in diesen High-End Bereich reinragt, dass es wirtschaftlich vertretbar ist, die »Mainstream-Platinen« ab 120 µm aufwärts ab sofort mit doppeltem Maschinenstundensatz zu verrechnen.
Aber, so Brüggen, mit den hohen Investitionskosten ist es noch nicht getan, auch bei den laufenden Kosten schneidet die Lasertechnologie eher schlecht ab: Verglichen mit konventionellen UV-Brennern ist die Lebensdauer eines Lasersystems mit einer oder mehreren Laserdioden zwar viel länger. Das gleiche gilt auch für die Spiegelsysteme. Je nach Auslastung rechnet man mit jährlichen Zyklen für den Austausch. Dafür ist der Austausch, wenn er denn anfällt, weitaus teurer, wie Brüggen bekräftigt. »Und zwar so teuer, dass die Hersteller meistens freiwillig – und teilweise mit dem Kauf verpflichtend – Wartungsverträge anbieten, die im hohen zweistelligen 1000-Euro-Bereich liegen«. Bei großen Anlagen und bestimmten Hersteller sind diese Verträge aber nicht unter 80.000 Euro pro Jahr zu bekommen.« Dem gegenüber sind die Kosten für die eingesparten Silberfilme zu stellen. Schließlich ist dies das vorgebliche Killerargument auf Kostenebene für den LDI-Belichter: keine Filme, keine Entwicklungschemie und keine Laserplotter«, so Brüggen.
Diese Rechnung geht jedoch nur dann auf, wenn man die Lötstoppmaske ebenfalls mit LDI belichtet, weil auch hierfür Silberfilme belichtet und geplottet werden. Weil aber die LDI-Technologie bei der Belichtung von flüssigen Lötstoppresisten zumindest für vergleichbare Kapazitäten beim Leiterbild noch in den Kinderschuhen steckt, benötigt der Leiterplattenhersteller auch weiterhin einen Filmplotter, so dass man grob den fixen Wartungskosten die variablen Filmkosten – das sind ca. 7 – 10 Euro/qm Film - gegenüberstellen muss. Dieser Break-Even liegt im Großvolumenbereich bei ca. 600 – 800 qm Filmfläche pro Monat bei größeren LDI-Belichtern.
Auch bei High-Mix/Low-Volume-Leiterplattenherstellern amortisiert sich die Filmersparnis durch die hohen Wartungskosten nur schwer.
LDI - ein Versprechen für die Zukunft?
Betriebswirtschaftlich lassen sich auf den ersten Blick laut Brüggen also nur mühsam Argumente für die LDI-Technologie finden, zudem es sich in erster Linie um Fixkosten handelt, die das grundsätzliche Kostenproblem einer maschinenintensiven Fertigung in der LP-Branche verschärft. Was ist aber mit dem Zugewinn hinsichtlich Qualität und Technikfortschritt? Unbestritten ist die hohe Auflösung bei der Leiterbildstrukturierung und auch die vollkommen neuen Möglichkeiten einer Versatzkorrektur Bohrbild zu Leiterbild durch die Möglichkeit, das Layout auf jeden Nutzen in allen Richtungen digital zu dehnen und zu schrumpfen. Doch welche Prozesse gibt es eigentlich zwischen Bohren und Leiterbildbelichtung, die durch Temperatur oder Hitze das Leiterplattenmaterial dehnen und schrumpfen? Die Antwort von Brüggen fällt nüchtern aus: »Keine! Lediglich beim Lötstoppbelichten können Galvanik- und diverse Trockenprozesse das Material so weit stressen, dass es zu Dimensionsverzügen kommen kann.«
Aber leider ist die LDI-Technologie bei der Lötstoppmaskenbelichtung, wie schon erwähnt, noch nicht serienreif oder besser: reif für die Serie! Ansonsten sollte eine algorithmische Lagenmittenkorrektur wie bei herkömmlichen kameragestützten Belichtern nach dem Bohren vollkommen genügen.
»Bezüglich der unbestritten hohen Darstellungsschärfe von Fine-Line Strukturen sollte sich der Leiterplattenhersteller im Klaren sein, dass auch alle nachfolgenden Ätz/Stripp- und Galvanisierprozesse das Genauigkeitspotential ebenfalls entfalten können. Nur unter der Voraussetzung eines hervorragenden Equipments lassen sich solche Strukturen auch einwandfrei galvanisieren, ätzen und strippen«, gibt Brüggen zu bedenken. Um die ganze Bandbreite dieser Technologie in ihrer Auflösungsschärfe und ihrer Produktivität abzurufen, benötigt man zudem sehr sensible, auf den Laserwellenbereich abgestimmte Fotofilme, die bislang 10 bis 30% teurer angeboten werden und einen hohen Qualifizierungaufwand hinsichtlich der Folgen für die im Hause eingesetzten nachfolgenden Chemieprozesse mit sich bringen.
Folgende Fragen sind hier prozesstechnisch zu beantworten: Welche Tentingfähigkeit – das heißt nicht durchkontaktierte Bohrungen gezielt zu verschließen – besitzt der Film? Wie übersteht der Film alkalischen Ätzangriff? Wie reagieren die galvanischen Prozessbäder auf das Einschleppen der neuen Filmorganik? »Aus eigenen Versuchen wissen wir in unserem Hause, dass von Seiten der Maschinen- und Filmhersteller hier noch viele Fragen noch nicht zufriedenstellend beantwortet wurden. Und sollten diese Fragen nicht ausreichend geklärt werden, könnten sich hier für Kosten und Qualität Abgründe auftun«, mahnt Brüggen. Dem endgültigen Durchbruch der LDI- bzw. auch anderer DI-Technologien stehen nach Ansicht des MicroCirtec-Teams ganz klar sowohl der hohe Preis als auch die hohen Unterhaltungskosten im Wege. Diese Kosten würden sich aber sofort relativieren, wenn die Lötstoppmaskenbelichtung ebenfalls zufriedenstellend beherrscht würde. Doch solange die LDI-Lasertechnologie nur mit einem eng gefassten Wellenlängenbereich funktioniert und die marktgängigen und praxistauglichen Lötstoppresiste auf breite Spektralbereiche von Lichtwellenlängen ausgelegt sind, wird hier noch viel Forschungsarbeit notwendig sein. »Ansonsten bleibt LDI nur ein Versprechen auf die Zukunft«, resümiert Brüggen.