Beckhoff New Automation Technology
- Envasado avanzado para estructuras 3D de precisión micrométrica
Los componentes electrónicos y sus estructuras continúan reduciéndose en tamaño, lo que hace aún más desafiante su unión. Los procesos convencionales han alcanzado hace tiempo los límites de lo posible en este campo; sin embargo, el proceso Impulse Printing™, desarrollado por la empresa emergente holandesa Fonontech, está introduciendo una innovación significativa. Permite el envasado avanzado de semiconductores en estructuras 3D en el rango micrométrico. Los componentes de tecnología XFC de Beckhoff y EtherCAT desempeñan un papel fundamental en este proceso.
La miniaturización de los componentes electrónicos hace que la producción económica y fiable de estructuras de unión entre ellos, mediante procesos convencionales basados en litografía, sea cada vez más compleja. «Las técnicas de fabricación convencionales están llegando al límite de sus posibilidades. «Con nuestra tecnología Impulse Printing™, damos un salto al siguiente nivel», afirma Fabien Bruning, director técnico de la empresa emergente holandesa Fonontech B.V., con sede en Eindhoven.
Los componentes más importantes del proceso son las planchas de impresión de silicio que llevan grabadas estructuras de tamaño micrométrico. Estas estructuras absorben la tinta, que se aplica a los sustratos (placas de circuitos impresos) en el siguiente paso. Además de las pistas conductoras grabadas, las planchas de impresión incorporan una estructura calefactora. Así lo explica Fabien Bruning: «Un pulso de corriente muy alto y corto hace que una pequeña cantidad del disolvente de la tinta se evapore repentinamente en la interfaz con la oblea. De este modo, la tinta sale disparada de la oblea y llega a la placa de circuito». Rob Hendriks, director general de Fonontech, apostilla: «Este proceso funciona realmente bien incluso a más de 60 cm de distancia, aunque, a partir de ese punto, se pierde precisión.
Es importante que el proceso de impresión sea rápido y sin contacto. Con un solo pulso de corriente, se pueden imprimir miles de líneas en una placa de circuito u otro sustrato en menos de 1 ms. Además, el calentamiento selectivo de las estructuras calefactoras permite la alineación local entre la estructura que se imprime y el sustrato. El cabezal de impresión desarrollado por Fonontech cubre un área de 128 × 128 mm y es capaz de procesar todas las tintas habituales. «Permite imprimir obleas de 300 mm o áreas de 600 × 600 mm en un breve espacio de tiempo, un formato que actualmente se está abriendo camino en el montaje de semiconductores back-end», afirma Fabien Bruning. Con una placa calefactora plana y un proceso de impresión por estarcido, se pueden producir en la misma máquina estructuras aún mayores, por ejemplo, para pantallas planas. Para ello, se pueden montar fácilmente varios cabezales de impresión uno al lado de otro.
Rapidez y precisión con tecnología de control basada en PC
El proceso se automatiza con un control basado en PC de Beckhoff. «Gracias a la tecnología EtherCAT y XFC, Fonontech puede sincronizar y posicionar los distintos módulos de la máquina en tiempo real y con la precisión necesaria», explica Stijn de Bruin, ingeniero de ventas de Beckhoff en los Países Bajos. Al construir el prototipo, Fabien Bruning decidió, desde el principio, utilizar la mayor cantidad posible de componentes estándar. Como nos explica, se eligió Beckhoff en gran medida por la flexibilidad que ofrece el software de control TwinCAT 3. «Por ejemplo, creamos algoritmos en Simulink® que ejecutamos en tiempo real en TwinCAT». También añade que hay multitud de proveedores externos que ofrecen componentes con interfaz EtherCAT. Además, SEMI™ (Semiconductor Equipment and Materials International) acepta EtherCAT como estándar de comunicación (E54.20). Por ese motivo, Fabien Bruning también está trabajando para ofrecer el cabezal de impresión como un módulo independiente con una interfaz EtherCAT: «Así facilitaríamos a otras empresas de la industria de semiconductores la integración de nuestra tecnología en sus máquinas». Además, existe la posibilidad de combinar múltiples módulos de impresión para formar un gran cabezal de impresión que utilice los relojes distribuidos de EtherCAT y XFC para imprimir estructuras más grandes con mayor precisión.
En la actualidad, Fonontech utiliza un PC industrial ultracompacto C6017 que ejecuta TwinCAT3 PLC/NC PTP, TwinCAT 3 Target for Simulink® y TwinCAT 3 HMI. La aplicación de procesamiento de imágenes se ejecuta actualmente en un PC industrial C5240 deslizable de 19 pulgadas. Fabien Bruning comenta: «Probablemente también podríamos ejecutar el algoritmo en el C6017, pero es más cómodo que se instale en un PC industrial independiente durante el desarrollo».
El objetivo: una resolución de 5 µm
Actualmente, el prototipo imprime múltiples patrones de 10 µm de ancho en los sustratos. «Estructuras tan finas superan las capacidades de la mayoría de las técnicas de impresión», explica Rob Hendriks. Sin embargo, Fonontech quiere ir más allá: se propone producir líneas de 5 µm de ancho con un margen de error de superposición submicrométrico. La sincronización exacta de los procesos necesarios para imprimir con este elevado nivel de precisión se basa en la tecnología eXtreme Fast Control de Beckhoff. Además, es preciso trasladar el concepto de movimiento actual a una plataforma submicrométrica con soporte de aire. «Gracias a la apertura y flexibilidad del control basado en PC, este funciona con el mismo hardware y la misma filosofía de control», afirma Stijn de Bruin.
En la versión beta del sistema, se integran diversas variantes de motor y una plataforma de manipulación junto al sistema de cojinete neumático. En este caso, la tecnología de accionamiento compacta para el rango de baja tensión de hasta 48 V (los terminales de servomotor EtherCAT EL72xx y los servomotores AM8100) permite ahorrar espacio y gastos adicionales durante la instalación y la puesta en marcha. Fabien Bruning considera que la integración de controladores distribuidos y la funcionalidad EtherCAT es una opción interesante: «De hecho, no existen muchas alternativas al control basado en PC en el mercado si se desean desarrollar y comercializar unidades funcionales con su propio controlador esclavo de alto rendimiento y movimiento integrado».
