Je winkelwagen is momenteel leeg!
Achtergrond
Extreme Fast Control (XFC) en Ethercat in de halfgeleiderproductie
Leestijd: 4 minuten
Elektronische componenten en hun structuren worden steeds kleiner, waardoor het des te moeilijker wordt om ze te hechten. Conventionele processen hebben al lang de grenzen bereikt van wat ze op dit gebied kunnen doen, maar het Impulse Printing-proces, ontwikkeld door de Nederlandse start-up Fonontech, brengt iets nieuws. Het maakt geavanceerde verpakking van halfgeleiders in 3D-structuren in het micrometerbereik mogelijk. XFC-technologiecomponenten van Beckhoff en Ethercat spelen een sleutelrol in dit proces.
De miniaturisatie van elektronische componenten maakt het steeds moeilijker voor conventionele op lithografie gebaseerde processen om de verbindingsstructuren tussen componenten economisch en betrouwbaar te produceren. ‘Conventionele productietechnieken bereiken de grenzen van wat ze kunnen. Met onze Impulse Printing-technologie tillen we het naar een hoger niveau’, zegt Fabien Bruning, cto van de Nederlandse start-up Fonontech, gevestigd in Eindhoven.
De belangrijkste onderdelen in het proces zijn silicium printplaten met structuren ter grootte van een micron erin geëtst. Deze structuren absorberen de inkt, die tijdens de volgende stap op de substraten (printplaten) wordt aangebracht. Naast de geëtste geleiderbanen is er een verwarmingsstructuur in de drukplaten opgenomen. Fabien Bruning legt uit: ‘Een zeer hoge, korte stroompuls zorgt ervoor dat een kleine hoeveelheid inktoplosmiddel plotseling verdampt op het grensvlak met de wafer. Dit blaast de inkt van de wafer op de printplaat.’ Rob Hendriks, ceo van Fonontech, voegt hieraan toe: ‘Dit proces werkt echt goed, zelfs op een afstand van meer dan 60 cm, zij het met minder nauwkeurigheid op dat punt.’
Het is belangrijk dat het printproces contactloos en snel verloopt. Met een enkele stroompuls kunnen duizenden lijnen in minder dan 1 ms op een printplaat of ander substraat worden geprint. Bovendien maakt selectieve verwarming van de verwarmingsstructuren lokale uitlijning mogelijk tussen de structuur die geprint wordt en het substraat. De door Fonontech ontwikkelde printkop heeft een oppervlak van 128 x 128 mm en kan alle gangbare inkten verwerken. ‘Hierdoor kunnen wafers van 300 mm of gebieden van 600 x 600 mm in korte tijd worden geprint, een formaat dat momenteel zijn weg vindt naar backend halfgeleiderassemblage’, zegt Fabien Bruning. Met een vlakke verwarmingsplaat en een stencilprintproces kunnen zelfs grotere structuren in dezelfde machine worden geproduceerd, bijvoorbeeld voor vlakke beeldschermen. Hiervoor kunnen gemakkelijk meerdere printkoppen naast elkaar worden gemonteerd.
Snel en nauwkeurig met pc-based control
Het proces is geautomatiseerd met pc-based control van Beckhoff. ‘Door te werken met Ethercat- en XFC-technologie kan Fonontech de verschillende modules van de machine in real time en met de nodige precisie synchroniseren en positioneren’, legt Stijn de Bruin, vestigingsmanager bij Beckhoff Nederland, uit. Bij de bouw van het prototype besloot Fabien Bruning vanaf het begin om zoveel mogelijk standaardonderdelen te gebruiken. Zoals hij uitlegt, werd Beckhoff deels gekozen vanwege de flexibiliteit die de Twincat 3 besturingssoftware biedt: ‘We hebben bijvoorbeeld algoritmes gemaakt in Simulink die we in real time uitvoeren in Twincat.’ Hij voegt er ook aan toe dat er veel externe leveranciers zijn die componenten met een Ethercat-interface aanbieden. Ethercat wordt ook geaccepteerd door SEMI (Semiconductor Equipment and Materials International) als communicatiestandaard (E54.20). Daarom werkt Fabien Bruning ook aan het aanbieden van de printkop als een aparte module met een Ethercat-interface: ‘Dit zou het voor andere bedrijven in de halfgeleiderindustrie veel gemakkelijker maken om onze technologie in hun machines te integreren.’ Bovendien kunnen verschillende printmodules dan worden gecombineerd tot een grote printkop die de distributed clocks van Ethercat en XFC gebruikt om grotere structuren met een hogere precisie te printen.
Fonontech gebruikt momenteel een C6017 ultracompacte industriële pc waarop Twincat 3 PLC/NC PTP, Twincat 3 Target voor Simulink en Twincat 3 HMI worden uitgevoerd. De beeldverwerkingsapplicatie draait momenteel op een 19-inch C5240 slide-in industriële pc. Fabien Bruning legt uit: ‘We zouden het algoritme waarschijnlijk ook op de C6017 kunnen draaien, maar het is handiger om het tijdens de ontwikkeling op een aparte industriële pc te installeren.’
Het doel: 5 µm resolutie
Het prototype print momenteel meerdere patronen van 10 µm breed op de substraten. ‘Structuren die zo fijn zijn als deze gaan de mogelijkheden van de meeste printtechnieken te boven,’ legt Rob Hendriks uit. Fonontech wil echter verder gaan dan dit, met als doel lijnen te produceren van 5 µm breed met een submicrometer overlayfoutenbereik. De exacte timing van de processen die nodig zijn voor het printen met dit hoge precisieniveau is gebaseerd op Extreme Fast Control Technology van Beckhoff. Het is ook nodig om het huidige bewegingsconcept te migreren naar een luchtgelagerd sub-micrometerplatform. ‘Dankzij de openheid en flexibiliteit van pc-based control werkt dit met dezelfde hardware en besturingsfilosofie’, zegt Stijn de Bruin.
In de bètaversie van het systeem zijn, naast het luchtlagersysteem, verschillende motorvarianten en een bedieningsplatform geïntegreerd. De compacte aandrijftechniek voor het laagspanningsbereik tot 48 V – de EL72xx Ethercat Servomotor Terminals en AM8100 Servomotoren – kan in dit geval extra ruimte en kosten besparen tijdens installatie en inbedrijfstelling. Fabien Bruning ziet de integratie van distributed controllers en Ethercat-functionaliteit als een andere interessante optie: ‘Er zijn eigenlijk niet veel alternatieven voor pc-based control op de markt als je functionele units met hun eigen krachtige slavecontroller en geïntegreerde motion wilt ontwikkelen en op de markt brengen.’
