Glasfasern gelten als die Leitungen der Zukunft. Doch für die Leiterbahnen der Computerchips ist ihre Platzierung bisher noch zu ungenau und teuer. Jetzt haben deutsche Materialforscher ein automatisiertes Verfahren entwickelt, mit dem Leiterplatten mit Glasfasern günstig und einfach produziert werden können. Der Trick: UV-Licht fixiert die Leitungen vor dem Löten.
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Immer leistungsfähiger werden die Chips, die heutzutage das Herzstück von Computern, aber auch von Autos oder Industriemaschinen sind. Doch was nützt ein blitzschnell arbeitender Prozessor oder Speicher, wenn die Daten von dort aus nur relativ langsam zum nächsten Bauteil auf der Leiterplatte übertragen werden?
Schnelle Glasfaserverbindungen gelten als das Transportmedium der Zukunft und haben in vielen Bereichen schon die herkömmlichen Kupferleitungen abgelöst. Doch Leiterplatten mit solchen optischen Fasern ließen sich bisher nicht wirtschaftlich verarbeiten.
Das ist nun Vergangenheit: Wissenschaftler der Universität Erlangen-Nürnberg um Professor Klaus Feldmann haben in einem größeren Verbundprojekt ein automatisiertes Verfahren entwickelt, in dem solche Baugruppen in großen Stückzahlen zu günstigen Kosten gefertigt werden können. Das ist für die Industrie höchst interessant.
Präzision entscheidend für Fertigung
Optische Fasern aus Glas, aber immer häufiger aus Kunststoffen (so genannten Polymeren) haben gegenüber Kupferleitungen viele Vorteile: In ihnen lassen sich deutlich größere Datenmengen in viel kürzerer Zeit übertragen, und sie reagieren auf äußere Einflüsse weniger störanfällig. In der Telekommunikation haben Glasfaserkabel die Kupferleitungen deshalb schon fast völlig verdrängt. Auf Leiterplatten bisher noch nicht, denn es fehlte an einem Produktionsverfahren, mit dem einzelne Bauteile mit der nötigen Präzision positioniert werden können. Dabei kommt es auf Mikrometer – also Tausendstel Millimeter – an.
Will man Daten in solchen optischen Fasern übertragen, müssen die Informationen, die als elektronische Signale vorliegen, zunächst in kurze Lichtpulse übersetzt werden. Das geschieht in einer Sendeeinheit auf der Leiterplatte. Die schickt die Lichtpulse in die Polymerfaser, wo die Daten bis zur Empfängereinheit übertragen und in elektrische Signale zurückübersetzt werden.
"Die kritischen Punkte bei der Übertragung sind die Schnittstellen zwischen Sender und Faser bzw. Faser und Empfänger", erklärt Michael Rösch vom Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik. Diese Module stehen in keinem direkten Kontakt zur Polymerfaser, die in die Leiterplatte eingebettet ist. Sender und Empfänger sind in einigem Abstand darüber montiert. Der Sender schickt einen gebündelten Lichtstrahl in die darunter liegende Faser. Die Stelle, die er dabei treffen muss ist winzig klein, nur etwa 70 mal 70 Mikrometer. Ungefähr genau so groß ist der Punkt, den der Lichtstrahl auf seinem Weg von der Faser zur Empfangseinheit finden muss. Die nötigen Bauteile müssen also überaus genau ausgerichtet werden.
Bei der Verarbeitung von Leiterplatten, auf denen die Daten über Kupferbahnen übertragen werden, ist diese hohe Genauigkeit nicht nötig. Hier werden Sender und Empfänger aufgelötet. Doch bis das flüssige Metall erstarrt, können sich die Module um wenige Mikrometer verschieben. Das darf bei der Herstellung von Leiterplatten mit Polymerfasern nicht passieren.
Licht als Härter
Deshalb haben die Ingenieure der Universität Erlangen-Nürnberg im Projektverbund mit mehreren Industriepartnern ein ausgefeiltes Produktionsverfahren entwickelt:
Sie kleben die Bauelemente zunächst mit einem Spezialkleber auf und härten die Verbindung mit UV-Licht. Dann kann gelötet werden. Das Löten fixiert nicht nur die Bauteile, sondern sichert auch deren elektronischen Kontakt zur Leiterplatte. Schon vor dem Kleben wurde ein wenig Lotpaste – winzig kleine Metallkügelchen – unter den Bauelementen aufgetragen. Die wird nun in einem Lötofen geschmolzen, ohne dass sich die Module auf dem flüssigen Metall verschieben können.
Die gesamte Prozesskette zur Montage läuft vollautomatisch in einer Fertigungsanlage. Dazu haben die Forscher im Rahmen ihres Projektes AMOB (Automatisierte Montage optischer Bauelemente auf Substrate mit integrierten Lichtwellenleitern) bereits bestehende Hochleistungssysteme verändert und zusätzliche Teilprozesse integriert.
(Universität Erlangen-Nürnberg, 25.10.2006 – NPO)
