Fonontech komt met explosieve techniek voor de backend
Start-up Fonontech verwacht zijn impulsprinttechniek zowel in de fabricage van platte schermen als backend-semicon te kunnen afzetten. ‘Printkoppen en de impulsplaten met de patronen zijn terugkomende omzet voor ons.’
Afgelopen voorjaar kreeg Fonontech de investering om zich voor te bereiden op de marktintroductie van zijn printtechnologie voor geavanceerde chipverpakkingen en platte displays. De start-up liet intussen zien dat zijn impulsprinttechnologie werkt met een demo-machine op het Holst Centre op de High Tech Campus in Eindhoven.
Oprichters Fabien Bruning en Rob Hendriks richten zich in eerste instantie op het verkopen van de printkoppen en mallen. Daaromheen kunnen equipmentfabrikanten vervolgens systemen bouwen of bestaande systemen uitbreiden. De toekomst moet nog uitwijzen of Fonontech ook een eigen commerciële standalone machine gaat bouwen. In principe is dat een optie, maar het verkopen en vermarkten van consumables biedt op dit moment de grootste kans op kasstroom, dus is dat de prioriteit.
Fonontech heeft een systeem gebouwd om aan te tonen dat hun technologie werkt en om klanten te laten experimenteren. Het systeem op de High Tech Campus is in staat om een patroon met sporen van enkele tientallen tot vijf micrometer breed te printen.
Het uitgangspunt is een mal met microscopische sporen die is vervaardigd uit een silicium wafer. ‘In die wafer maken we met lithografie heel nauwkeurig een groevenstructuur’, legt systeemarchitect Fabien Bruning uit. ‘We halen op dit moment enkele tientallen micrometers breed. Dat is veel kleiner dan de meeste printtechnieken. Die mal smeren we vol, zodat de geleidende inkt alleen in de groeven zit.’
In de wafer is ook een verwarmingsstructuur aangebracht, om voor verdamping te zorgen op de interfacelaag van wafer en geleidende inkt. Bruning: ‘Met een hele hoge heat flux verdamp je een heel klein beetje van het oplosmiddel en tegelijkertijd vliegt alle inkt weg. Het lukt zelfs vrij goed vanaf een hoogte van ruim zestig centimeter, maar dan is de nauwkeurigheid natuurlijk lager. Belangrijk is dat we contactloos en snel kunnen printen. In één shot zetten we duizenden lijnen op een product.’ Hendriks: ‘Het is echt explosief. De stroompuls is zeer kort, maar één printkop heeft genoeg schakelkracht om half Eindhoven aan en uit te zetten. Dat is het vermogen waaraan je moet denken.’
De printkoppen van Fonontech bedekken een vrij groot oppervlak in één keer. Ze leggen het patroon bovendien met hoge precisie neer. Momenteel werkt Bruning met zijn team om de depositie te verfijnen naar vijf micrometer brede lijnen met een overlayfout in het submicrongebied.
Strategische partner
Niet de verkoop van machines staat op dit moment centraal in het businessmodel van Fonontech. Hendriks zegt dat het bedrijf zich wil richten op de levering van consumables, de platen met de micropatronen. Het Eindhovense systeem werkt met de gangbare geleidende inkten, vandaar dat leveranciers van die materialen de Eindhovense start-up volop ondersteunen.
Hendriks: ‘De printkoppen en de impulsplaten met de patronen zijn terugkomende omzet voor ons. Door de silicium-mallen gaat zo’n hoog vermogen dat ze ongeveer duizend tot tienduizend keer meegaan. De materiaalfabrikanten zoals de leveranciers van de inkt zijn onze strategische partners. Met onze technologie kunnen zij meer inkt verkopen en wij concurreren niet met ze. De eindklanten willen de bewezen en goed gekarakteriseerde inkten gebruiken die ze al jaren gebruiken. Dus het enige wat wij doen is ons richten op inkt verplaatsen. We moeten dus zorgen dat onze machine alle inkten aankan.’
Zowel chips als beeldschermen
De grote kansen liggen volgens Bruning en Hendriks in de backend semicon en de fabricage van platte schermen. Voor de semiconmarkt maakt Fonontech momenteel een industriële r&d-machine waarmee dit soort klanten kunnen gaan experimenteren. Vooral voor equipmentbouwers voor de flat panel display (fpd) industrie zijn Fonontechs printkoppen een interessante toevoeging aan hun machines. Zij kunnen de printkop en het vulmechanisme in een eigen systeem bouwen en aan bestaande klanten slijten.
Of Fonontech uiteindelijk zelf ook machines gaat maken maakt voor het centrale businessmodel verder niet uit, zegt Hendriks. Als hun printtechnologie is omarmd, dan hebben klanten behoefte aan micromallen. Afhankelijk van de applicatie schat Hendriks dat elke mal duizend tot tienduizend keer meegaat. De start-up heeft een eigen fabricageruimte van 360 vierkante meter in Waalre en denkt zowel de fabricage van printkoppen als de productie van mallen in eigen huis te kunnen doen.
Pixelpitch
Voor het printen van sporenpatronen op grote oppervlakken zijn er verschillende systeem-opties. Bruning: ‘Je moet denken aan systemen waarbij meerdere printkoppen over het substraat heen vliegen en hun patronen neerleggen.’ Maar wellicht kiest de displayindustrie uiteindelijk voor een productiemethode waarbij grote beeldschermen worden opgebouwd uit kleinere tegels. De ruimte voor het aan elkaar lassen van de displaydelen moet daarbij kleiner zijn dan de pixelpitch, zegt Bruning, zodat de overgangen niet opvallen bij het gebruik. ‘Dat betekent dat je een grote tv samenstelt uit negen of twaalf kleinere panelen. Het grote voordeel is dat je het scherm kunt samenstellen uit kleine goedgekeurde tegels, zonder afwijkingen, waardoor je opbrengst omhooggaat.’
Met deze trend gaan semicon en displayproductie steeds meer op elkaar lijken. De productie van microled-schermen – waarbij lichtgevende diodes stuk voor stuk worden geplaatst op printplaten die later weer worden geassembleerd tot grote schermen – is daarbij een voor de hand liggend voorbeeld. Bruning: ‘Het lijkt op printplaten bestukken met elektronica. Je ziet de markten voor semicon en beeldschermen naar elkaar toe bewegen.’
Het grote voordeel van printen vanuit mallen met micro-groeven is dat je hele hoge viscositeiten kunt printen. Daarmee is het systeem betrouwbaarder dan laagviskeuze inkten waarvan dunnere lijnen eerder breken of door de oppervlaktespanning druppels gaan vormen. ‘Wij kunnen een veel hogere viscositeit aan dan bijvoorbeeld dispensersystemen met holle naalden’, legt Hendriks uit. ‘Dat betekent dat de functionele pasta die wij gebruiken een veel betere zilver- of kopervulling kan hebben. Omdat onze inkten stroperiger zijn, kan die zich ook echt over het substraat vouwen. Het systeem kan dus over reliëf printen of zelfs om randen klappen. Dat betekent bijvoorbeeld dat je geleidende contacten kunt maken tussen printplaten. In een aantal gevallen kun je zonder through glass of through silicon vias. In tegenstelling tot dispensersystemen met naalden kunnen we echt miljoenen lijnen per uur printen. Dat zijn snelheden die je nodig hebt in de elektronica-massaproductie.’
Duurzame assemblage
Doel is een kernsysteem te maken met een printkop van 128 bij 128 millimeter. Daarmee zijn in korte tijd oppervlaktes van 600 bij 600 mm te bedrukken. Dit formaat maakt momenteel zijn opgang in de backend-semiconassemblage. Daarnaast zijn er in enkele stappen ook hele 300 mm wafers mee te bedrukken.
Hetzelfde formaat is ook in te zetten bij de fabricage van platte schermen. Hendriks en Bruning denken dan vooral aan displays met microleds die fabrikanten samenstellen uit een groot aantal afzonderlijke tegels. Deze industrie kan een technologie die contactlijnen over randen kan aanbrengen goed gebruiken. Bruning zegt dat traditionele productietechnieken hier tegen hun grenzen aanlopen.
Fonontech claimt dat zijn technologie ook helpt om de ecologische impact van micro-elektronicaproductie te verminderen met een factor duizend. De huidige lithografieprocessen bestaan uit veel complexe stappen met hoge koolstofuitstoot die moeilijk te reduceren is. ‘Met impuls-printen zijn de lithografische patronen duizenden keren met zeer hoge snelheid te kopiëren. Daarnaast deponeren we alleen materiaal waar het nodig is’, aldus Fonontech. Hendriks: ‘Onze ambitie is om wereldwijd marktleider te worden in de duurzame assemblage en productie van micro-elektronica. Het is daarom cruciaal dat we zo snel mogelijk opschalen.’
Standaardisatieslag
Bij de bouw van het prototype impulsprinter maakte Bruning zoveel mogelijk gebruik van standaard onderdelen. Daarvoor liftte hij mee op een standaardisatieslag die hij zelf rond 2015 bij TNO hielp invoeren. In het verleden ontwikkelden vele afdelingen bij de r&d-organisatie verschillende instrumenten en machines. ‘Op een gegeven moment constateerden we dat het steeds moeilijker werd om het overzicht te houden’, zegt Bruning, die destijds bij TNO betrokken was bij het selectieproces van de basisplatformen. ‘Als je een heleboel systemen bouwt, is het ook veel handiger om een kleine voorraad onderdelen te hebben die uitwisselbaar zijn tussen de verschillende machines. Daarmee heb je ook het voordeel dat je een veel kleinere groep mensen nodig hebt om te troubleshooten. Dan kom je al snel tot de conclusie dat je met één supplier in zee moet.’
De keuze viel op Beckhoff vanwege de vele derde partijen die componenten aanboden met een open Ethercat-interface. Daarnaast is de Twincat-besturingssoftware van het bedrijf erg flexibel. ‘Je kunt geavanceerdere functies integreren. We hebben wel eens algoritmes gemaakt in Simulink, die we vervolgens realtime in Twincat draaiden. Zo kun je een geavanceerde besturing voor een transportsysteem gewoon in Simulink maken en het in Beckhoff uitvoeren.’
Ook de timing van verschillende IO’s is bij Beckhoff goed geregeld met een gedistribueerde klok, zegt Bruning. Wij willen bijvoorbeeld een wafertafel bewegen en tegelijkertijd aan de daarop bevestigde printkop de opdracht kunnen geven om op specifieke plekken te printen. De pixels moeten exact op het juiste moment worden afgevuurd, zodat de patronen op de juiste plek komen. Beckhoff is een van de weinige die deze synchronisatie via een gedistribueerd kloksysteem doet.’
Softwareontwikkeling
Standaardisatie heeft verder voordelen voor de softwareontwikkeling. ‘Met de keuze voor Beckhoff konden we de ontwikkeling van onze control- en plc-software bij TNO makkelijker binnen de afdelingen doen. Die manier van ontwikkelen hebben we meegenomen naar het Holst Centre (een samenwerking van TNO en Imec, red.) waar we daarna verschillende machines hebben gebouwd op basis van Beckhoff-besturingen en netwerken.’
Door de ver doorgevoerde standaardisatie is Fonontechs alphatool nu doordrenkt met onderdelen van de Duitse fabrikant. De machine bevat onder meer lineaire motoren van Technotion met Beckhoff-drivers. De Yaskawa-robotarm wordt via Ethercat aangestuurd. Alles draait op Twincat, het realtime besturingssysteem met plc- en numerieke besturingsfunctionaliteit. Ook past de start-up een Beckhoff-touchscreen toe om alles te kunnen instellen en bedienen. Bruning: ‘Via Ethercat kun je makkelijk allerlei onderdelen van derde partijen aansturen, zoals een robotarm.
Voor Fonontechs kerntechnologie was geen standaard interface beschikbaar. De in eigen huis ontwikkelde hoogvermogenelektronica voor de aansturing van de plaat voerde het team uit met een Ethercat-interface. ‘Op die manier kun je realtime mooi timen tussen de verschillende modules’, zegt Bruning, ‘waarbij je al je wensen via je touchscreen kunt instellen. Zo werkt alles mooi samen.’
Tiende iteratie
Werken met betrouwbare onderdelen is handig als je continu aan het wijzigen en verbeteren bent. Bruning: ‘We hebben een filosofie van continu ontwerpen. Onze bètatool zit inmiddels wel aan de tiende iteratie.’ Fonontech kan met zijn huidige motionconcept printen met een nauwkeurigheid van een paar micrometer. ‘Momenteel brengen we die nauwkeurigheid met dezelfde architectuur naar een sub-micrometer platform met luchtlagers. Omdat het allemaal modulair werkt kan het eigenlijk gewoon met dezelfde elektronica en aansturingsfilosofie.’
Wie de grenzen opzoekt, loopt op een gegeven moment tegen beperkingen aan. Zo is de timing die nodig is voor het printen met submicronprecisie niet meer met standaard Ethercat-slaves te halen. Daarnaast vraagt het printproces ook hoge vermogens. Om dat toch mogelijk te maken besloten de technici van Fonontech om zelf een printmodule met geïntegreerde Ethercat-slave te ontwikkelen die met de gedistribueerde klok was te synchroniseren. ‘Op die manier kunnen we printkoppen maken die zijn opgebouwd uit meerdere printmodules met elk een Ethercat-slave. Je zult dan printkoppen zien die bijvoorbeeld uit meerdere modules bestaan. Die zijn dan via standaard Ethercat en onze eigen powerverbinding aan te sturen.’
Bruning ziet het inbouwen van gedistribueerde controllers en Ethercat-functionaliteit als interessante optie voor andere modules die Fonontech aanbiedt aan systeemintegratoren. ‘In feite heb je niet zoveel alternatieven om eigen slave-controllers te ontwikkelen en geïntegreerde motion aan te bieden op je eigen modules. In onze eigen bètatool zie je naast een groot airbearing-systeem allerlei motoren en een handling stage. Het wordt heel compact als we dat met IO-modules van Beckhoff gaan opbouwen. Er zijn maar weinig plc-leveranciers die zo’n uitgebreid IO-motionassortiment hebben.’
Als je zelf bouwblokken aanbiedt aan grote machinebouwers, dan heeft meeliften op een veelgebruikte standaard grote voordelen. Bruning komt in de semicon-equipmentbouw steeds vaker Ethercat tegen. ‘We overwegen om de printkopmodule als Ethercat-slave aan te bieden. Daarmee zal het voor een aantal klanten heel eenvoudig zijn om onze technologie in hun machine op te nemen. We zien semicon-equipmentbouwers grote aantallen machines neerzetten. Standaardisatie op Beckhoff helpt dan om te schalen.’
