Montagetechnik

Von Groß zu Klein

Roboter unterstützt Substratzerlegung
Bei der Herstellung von ­Keramikhybriden kommen verschiedene Technologien zum Einsatz. Um die teuren Teile am Ende des Herstellungsprozesses beim Brechen nicht zu beschädigen, hat sich ein Hersteller eine besondere Technik einfallen lassen.

Keramiksubstrate werden in so genannten Großnutzen produziert, das heißt sie liegen nach der Herstellung in großen Tafeln vor und werden dann, fertig bestückt, in Einzelsubstrate geteilt. Die Firma Baumann, Amberg, hat zum Brechen der Tafeln ein neues Verfahren entwickelt. Eine Trennkinematik ermöglicht dabei, zusammen mit einem Scara-Roboter, eine flexible und schonende Behandlung der Substrate mit hoher Prozesssicherheit. Im Vergleich zu herkömmlichen Leiterplatten bieten Hybridschaltungen auf Basis von Keramiksubstraten Vorteile in Anwendungsbereichen die hohe Anforderungen durch Einsatztemperatur, Klimabedingungen, Bauvolumen, Lebensdauer und Zuverlässigkeit stellen. Ihre Leistungsfähigkeit ist im Wesentlichen darauf zurückzuführen, dass thermische Probleme in einer Hybridschaltung auf Grund der sehr guten Wärmeverteilung des Keramiksubstrats weit gehend eliminiert werden können. Allerdings erfordert die Herstellung solcher Hybridschaltungen ein besonderes Know-how. Allein die Materialeigenschaften der spröden und bruchempfindlichen Keramiksubstrate stellen hohe Ansprüche an Prozess- und Handhabungseinheiten.

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Keramik richtig brechen

Eine schwierige Aufgabe ist die Vereinzelung der Schaltungen aus dem Großnutzen durch Brechen der Substrate. Dazu werden die Platten an den Sollbruchstellen mittels Laser oder Diamant angeritzt und anschließend gebrochen. Für den Vorgang gibt es am Markt unterschied­liche Systeme, bei denen die Brüchen oft außerhalb der vorgegebenen Ritzung erfolgten oder es gab Abplatzungen an Ecken und Bruchkanten. Die System bedingten hohen Bruchkräfte belasten die Keramik zusätzlich, wodurch sich ein hoher Ausschussanteil ergab. Die Vereinzelung der Keramiksubstrate findet jeweils am Ende des Herstellprozesses statt. Hier kann der Wert eines fertig bestückten Mehrfachnutzens durchaus mehrere tausend Euro betragen. Das war ein wesentlicher Grund für die Spezialisten aus Amberg, das Nutzenbrechen im Rahmen des Forschungsprojekts Powerline zu untersuchen und ein optimiertes prozesssicheres Verfahren zu entwickeln. In dem Verbundprojekt Powerline haben sich verschiedene marktführende Hersteller von Substratkeramiken mit dem Ziel der Automatisierung und Identifizierung von Keramik basierten Multichipmodulen der Leistungselektronik zusammengeschlossen.

Das Herz der neuen Applikationszelle, Breakbox genannt, ist die Trennkinematik zum Brechen der Keramiksubstrate die zusätzlich einen integrierten Scara-Roboter hat. Die Gründe dafür fasst Josef Konrad, Technischer Leiter bei den Trennspezialisten, zusammen: „Wir nutzen hier die Beweglichkeit und Wiederholgenauigkeit der Scara-Roboter, wobei die Technologie für unser neues Verfahren zum Brechen der Keramiksubstrate gut geeignet ist. Die Robotersteuerung bietet die Möglichkeit, mit zusätzlichen Achsen synchrone Bewegungen zu realisieren und eigene Programme zur flexiblen Werkstückprogrammierung und Visualisierung zu integrieren.“

Synchrone Bewegung

Die „durchbrechende“ Innovation des patentierten Verfahrens liegt in der impuls- und weggesteuerten Trenn­kinematik. Der Scara-Roboter drückt von oben auf die vor geritzte Sollbruchstelle. Die zweigeteilte Nutzenauflage klappt synchron zum Roboter falltürartig nach unten weg. Die Keramikteile werden ohne zusätzliche Anschläge oder Einspannungen auf der Trennkinematik positioniert und geteilt. So erfolgt ein schonendes Brechen mit geringem Kraftaufwand. Spannungen in den bestückten Bauteilen werden minimiert, das sorgt für eine gute ProzesssScherheit. Die servomotorisch angetriebenen Falltüren werden als zusätzliche Achsen von der Robotersteuerung geregelt. Ein weiterer Faktor ist die Beweglichkeit der Roboter bei der Positionierung der Großnutzen, Einzelsubstrate und der Randstreifen. Die werden, mit der zum Brechen genutzten Klinge, vom Roboter in die jeweilige Position geschoben und im Anschluss daran weiter bewegt. Damit der Roboter die zu positionierenden Substrate auch mit hoher Geschwindigkeit frei über die Trennkinematik schieben kann, sorgen so genannte Bremsbohrungen in den Falltürflächen für die notwendige Haftung. Durch sie werden entstehende Luftpolster zwischen Substrat und Falltürfläche abgesaugt.

Roboter als Gegenhalter

Neben der Standardanwendung kann die Maschine auch Hybridschaltungen mit überlaufenden Leiterbahnen trennen. Beim Brechen der Substrate nach unten bleiben die Bahnen zunächst erhalten. Die Einzeleile sind noch wie ein Scharnier miteinander verbunden. Durch entgegen gesetztes Klappen der Falltüren nach oben werden die überlaufenden Leiterbahnen getrennt. Hier unterstützt der Roboter den Vorgang als Gegenhalter und so lassen sich auch oberseitig geritzte Hybridschaltungen trennen.

In Verbindung mit der Beweglichkeit der Scara-Roboter lassen sich mit dem Verfahren alle denkbaren Teilungen (Spalten, Reihen) und Dicken von Großnutzen ohne weitere Anschläge oder Spannvorrichtungen bearbeiten. Der mechanische Aufwand für das Einrichten oder Wechseln von Anschlägen und Greifern entfällt, und mit der integrierten Konfigurationssoftware kann der Arbeiter neue Substrattypen durch Eingabe der Randparameter in den Produktionsablauf aufnehmen. Die Benutzeroberfläche visualisiert die gesamte Zelle und eine gibt eine detaillierte Simulation des kompletten Trennvorgangs wieder. Die Breakbox zum Trennen von Keramiksubstraten ist ein Schritt in die richtige Richtung. Die freie Positionierung der Nutzen und die Synchronisierung der Trennkinematik zusammen mit dem Scara-Roboter ermöglichen ein Material schonendes Brechen mit niedrigem Kraftaufwand.Norman Roith (ma)

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