Benchmark bewertet Bestückqualität Harald Fischer, Alcatel SEL; Heinz Wohlrabe, TU-Dresden

Die hierbei einzusetzende Auswertung von Frontlight-Bildern erfordert eine hohe Intelligenz bezüglich der Vision-Algorithmen und der Steuerung von Beleuchtungssystemen, um bauelementebedingte Toleranzen hinsichtlich Geometrie und Oberflächeneigenschaften prozesstechnisch sicher handhaben zu können. Grundsätzlich steigen die Anforderungen an einen sicheren Bestückprozess durch den reduzierten rein visuellen Zugriff, die Kostenintensität alternativer Sichtprüfsysteme als Folgeprozess, den hohen Aufwand bei Reparaturverfahren, die hohen Bauelementekosten und das Ausschussrisiko, bedingt durch steigende Bestückleistung und die damit verbundene Effizienzreduzierung von rein organisatorischen Qualitäts-Feedback-Verfahren. Die Benchmark für Bilderkennungssysteme von SMD-Bestückautomaten soll wesentliche Bestandteile für eine ausreichende Prozessfähigkeit und -sicherheit der Systeme der beteiligten Bestückautomatenlieferanten erproben und bewerten, und soll diesen ein Feedback geben bzgl. zukünftiger Prozessanforderungen und Bauelementeaufbauten.

Das Benchmarking sollte mit möglichst großer Beteiligung von Maschinenlieferanten zum Zweck der Ermittlung eines Überblicks über die prozesstechnisch sichere Machbarkeit der optischen Strukturerkennung und Lagekorrektur für arrayförmige SMT-Bauelemente durchgeführt werden. Zielsetzung: Bauelementezentrierung und Full-Ball-/Lead-Erkennung bei definierter, bewusst fehlerhafter Veränderung von Abholpositionsparametern und Bauelementehöhe sowie Fehlererkennung bei manipulierten Strukturfehlern. Die Überprüfung der Zielsetzung soll anhand der vom Visionsystem errechneten Korrekturwerte analytisch erfolgen, um mögliche Einflüsse des Positioniersystems, des Transportsystems und grundsätzlich des Handlings weitgehend zu minimieren. Als Gut-/Schlecht-Grenze soll der 50%-ige flächenmäßige Überdeckungsgrad von Pad zu Ball/Lead dienen.

Die Benchmarking-Inhalte und Festlegung der Parameter wurden mit allen Teilnehmern abgestimmt. Um ein seriöses und neutrales Vorgehen zu gewährleisten, wurden die getesteten Lieferanten nicht namentlich, sondern nur in codierter Form in den Ergebnistabellen dargestellt. Daraus kann dann ein resultierender Handlungsbedarf für jeden Teilnehmer abgeleitet werden.

Testbauteile: CCGA1247 – kritisches Absorptionsverhalten (Bild 1), TBGA600 – kritisches Reflektionsverhalten (Bild 2), CSP46 – kritische Leiterstrukturen (Bild 3), Stecker > 50 mm – kritische Kontraststrukturen (Bild 4). Als Referenzbauelement wird ein Glasbauelement, das sogenannte Golden-Component (Bild 5) benutzt.

Untersuchungsschwerpunkte: Überprüfung der sicheren und reproduzierbaren Zentrierung anhand einer Tray-in-Tray-Bestückung mit Überprüfung der Full-Ball-/Lead-Erkennung. Bestimmung und Bewertung eines sicheren Prozessfensters bezüglich:

Das HDI-Projektteam setzte sich zusammen aus den Firmen: Alcatel SEL (Stuttgart), Conti Temic microelectronic (Nürnberg), EADS Deutschland (Ulm), Siemens (München), TU-Dresden (Dresden), DaimlerChrysler (Frankfurt).

Von allen eingeladenen namhaften Lieferanten von SMD-Bestückmaschinen haben folgende Firmen an diesem Benchmark teilgenommen: Fuji Machine mit der QP 341E-MM, Juki Automation Systems mit der KE 2020 und Universal Instruments mit der GSM-1. An diesen Maschinen wurden folgende Tests durchgeführt:

Jedem Maschinenlieferanten wurden je zwei Testbauteile (CCGA1247, TBGA600, CSP46 und Stecker) mit gesamter Dokumentation (Bauteilbeschreibung, Vorgehensweise, Testablauf, Tray-Abholkoordinaten) zu Vorbereitungs- und Testzwecken übergeben.

Alle Testbauteile wurden mit einer Feinmessmaschine vermessen, um die exakten Istwerte der Ball-/Column-/Lead-Zentren (Strukturschwerpunkte) zu den zwei vom A1-Pin ausgehenden Außenkanten (X/Y) des Gehäuses (Bild 6) zu ermitteln. Ferner wurde ein spezielles Abholtray mit BE-Taschen in verschiedenen Drehwinkeln von 0 °,

2 °, 4 ° und 6 ° angefertigt (Bild 7) und ebenfalls mit einer Feinmessmaschine vermessen.

Bei der Ausarbeitung der Tests wurden folgende Betrachtungen zu Grunde gelegt. Für das Benchmarking der Visionsysteme werden für jede „Bestückung” die vom Visionsystem berechneten Korrekturdaten zur Klassifizierung des daraus zu erwartenden Bestückresultates benutzt. Es wurden folgende Daten erfasst: Bei der Ausarbeitung der Tests wurden folgende Betrachtungen zu Grunde gelegt. Für das Benchmarking der Visionsysteme werden für jede „Bestückung” die vom Visionsystem berechneten Korrekturdaten zur Klassifizierung des daraus zu erwartenden Bestückresultates benutzt. Es wurden folgende Daten erfasst: Xvis, Xvis, Yvis, Yvis, Yvis, vis = berechnete Korrektur der Bestückkoordinaten in X-, Y- und Verdreh-Richtung. Aus diesen Größen kann für das jeweilige Bauelement unter Berücksichtigung der Geometrien der Pins (Balls/Columns/Leads) und der Pads ein Überdeckungsgrad berechnet werden, der mit dem Minimalwert (50%) verglichen wird. Daraus kann abgeleitet werden, ob die Bestückung aus Sicht der Genauigkeit als gut oder schlecht erwartet werden kann. Problematisch ist die Grenze zwischen beiden Kriterien. Für dieses Testverfahren gibt es eine Reihe von Einflussgrößen, die eine scharfe Trennung beider Ereignisse nicht zulassen, d.h. es entsteht ein Unschärfebereich, der durch folgende Tatsachen hervorgerufen wird:

1. Hauptaufgabe des Golden-Component ist, den systematischen Fehler der Tray-Position in X, Y und Theta zu ermitteln. Dabei wirken folgende Einflüsse:

2. Wiederholgenauigkeit des Positioniersystems beim eigentlichen Testen: 2. Wiederholgenauigkeit des Positioniersystems beim eigentlichen Testen: Pos (geschätzt 2 µm).

Nicht berücksichtigt werden systematische Fehler des Positioniersystems. Ist dieser Fehler konstant über die gesamte Fläche, so wird dieser Fehler mit Hilfe des Golden-Component beherrscht. Nicht beherrschbar sind aber positionsabhängige Ungenauigkeiten, d.h. es empfiehlt sich deshalb, vor dem Test den Bestückautomaten zu kalibrieren.

Beim Test überlagern sich alle Einflussgrößen relativ unabhängig voneinander. Unabhängigkeit bedeutet hier, dass eine Änderung einer Einflussgröße keinen Einfluss auf eine andere Einflussgröße hat. Für den Fall der Unabhängigkeit kann die Gesamtstreuung Beim Test überlagern sich alle Einflussgrößen relativ unabhängig voneinander. Unabhängigkeit bedeutet hier, dass eine Änderung einer Einflussgröße keinen Einfluss auf eine andere Einflussgröße hat. Für den Fall der Unabhängigkeit kann die Gesamtstreuung ²Ges durch die Summe der Einzelstreuungen ermittelt werden. Diese Summation bedarf nicht einer Normalverteilung der berücksichtigten Einflussgrößen.

Für den vorliegenden Fall bedeutet dies:

Die Zahl n ist die Anzahl der Versuche mit dem Golden-Component. Diese wurde mit n = 10 festgelegt. Für die vorliegenden Daten ergibt sich Die Zahl n ist die Anzahl der Versuche mit dem Golden-Component. Diese wurde mit n = 10 festgelegt. Für die vorliegenden Daten ergibt sich Ges = 5,9 µm. Dies bedeutet, dass unter den gegebenen Bedingungen das Messergebnis :allein durch die Messunsicherheit mit einer Standardabweichung von 5,9 µm streut. Diese Unsicherheit wird nicht durch das Visionsystem verursacht. Der resultierende Unsicherheitsbereich lässt sich folgendermaßen abschätzen. Ermittelt wird z.B. durch das Visionsystem ein Korrekturwert von Ges = 5,9 µm. Dies bedeutet, dass unter den gegebenen Bedingungen das Messergebnis :allein durch die Messunsicherheit mit einer Standardabweichung von 5,9 µm streut. Diese Unsicherheit wird nicht durch das Visionsystem verursacht. Der resultierende Unsicherheitsbereich lässt sich folgendermaßen abschätzen. Ermittelt wird z.B. durch das Visionsystem ein Korrekturwert von X. Der Unsicherheitsbereich lässt sich dann folgendermaßen berechnen:

u1- u1- /2 = Quantil der Normalverteilung. Die Unsicherheit 1. Art wird zwischen 0,27 …10% gewählt. Die folgende Tabelle zeigt die obere Grenze für /2 = Quantil der Normalverteilung. Die Unsicherheit 1. Art wird zwischen 0,27 …10% gewählt. Die folgende Tabelle zeigt die obere Grenze für Xo (wenn für Xo (wenn für X = 0 ermittelt wurde).

Für die Auswertung in Y- und Theta-Richtung ist eine analoge Betrachtung möglich jedoch haben bei der Verdrehung die Komponentengrößen noch einen zusätzlichen Einfluss. Die Konsequenz daraus ist: Liegt bei einer konkreten Messung der Messwert innerhalb dieses Unsicherheitsbereichs, so wird als Auswertungsergebnis „keine definierte Aussage möglich” (o.ä.) ausgegeben, da eine konkrete Aussage stark (statistisch) fehlerbehaftet sein kann. Dies sollte vermieden werden. Als Unsicherheit 1. Art wird Für die Auswertung in Y- und Theta-Richtung ist eine analoge Betrachtung möglich jedoch haben bei der Verdrehung die Komponentengrößen noch einen zusätzlichen Einfluss. Die Konsequenz daraus ist: Liegt bei einer konkreten Messung der Messwert innerhalb dieses Unsicherheitsbereichs, so wird als Auswertungsergebnis „keine definierte Aussage möglich” (o.ä.) ausgegeben, da eine konkrete Aussage stark (statistisch) fehlerbehaftet sein kann. Dies sollte vermieden werden. Als Unsicherheit 1. Art wird = 5% benutzt, d.h. es wird in 5 von 100 Fällen eine Fehlaussage gemacht. Dies ist akzeptabel.

Beispielbetrachtung eines CSP46: Vorgaben: Pitch = 0,75 mm, Balldurchmesser = 0,3 mm, Pad-Durchmesser = 0,3 mm, minimaler Überdeckungsgrad (Ü) = 50%. Dieser minimale Überdeckungsgrad ergibt sich, wenn die Mittelpunkte (Beispielbetrachtung eines CSP46: Vorgaben: Pitch = 0,75 mm, Balldurchmesser = 0,3 mm, Pad-Durchmesser = 0,3 mm, minimaler Überdeckungsgrad (Ü) = 50%. Dieser minimale Überdeckungsgrad ergibt sich, wenn die Mittelpunkte (m) der beiden Kreise folgenden Abstand haben: siehe Formel Seite 23 unten.

Für den vorliegenden Fall (Ü = 50%) ergibt sich dieser maximale Abstand Für den vorliegenden Fall (Ü = 50%) ergibt sich dieser maximale Abstand m für: m für: x = 121 µm oder x = 121 µm oder y = 121 µm oder y = 121 µm oder y = 121 µm oder = 2,15 °. Setzt man diese Grenzen als Toleranzgrenzen an, ergeben sich im Grenzfall die Bestückbilder nach den Bildern 8 bis 10. Bei allen Bildern wurden nur die äußeren Ballreihen berücksichtigt, da dort die Extremwerte der Versätze auftreten.

Die Bilder zeigen, dass bei einer isolierten Betrachtung von X-, Y-Versatz und Rotation, Bestückungen, die eindeutig als schlecht zu bewerten sind, noch als gut betrachtet werden. Das Gleiche gilt für die Addition von Aufnahmetoleranzen. Auch wenn mit großer Wahrscheinlichkeit ein solcher Grenzwert nicht konkret auftreten wird, auszuschließen ist es nicht. Berechnungen zu den anderen Komponenten führen zu ähnlichen Ergebnissen. Eine Bewertung der Korrekturwerte des Visionsystems ist damit nur durch eine Überlagerung aller drei Teilkomponenten möglich. Folgende Bemerkungen werden zum Problem der Neupositionierung oder Mehrfachaufnahme aufgestellt: Bei n-maligen Messen ohne Neupositionierung werden folgende Einflüsse erfasst: Rauschen der Kamera, Erwärmung des Kamerasensors, Schwankungen der Beleuchtung, mechanische Schwingungen (mit abklingendem Charakter), mechanische Einflüsse aus der Umgebung (ebenfalls Schwingungen). Bei n-maligem Messen mit Neupositionierung kommen folgende Einflüsse hinzu: Unterschiedliche Positionierung der Komponente an der Nozzle, mechanische Schwingungen (ohne Abklingen). Durch die unterschiedliche Positionierung kommen folgende Effekte hinzu: Digitalisierungseffekte durch die Bildrasterung, Veränderung des Reflektionsverhaltens. Dadurch kann es zu unterschiedlichen Ergebnissen bei beiden Verfahrensweisen kommen. Dies darf bei einem Benchmarking (zumindest offensichtlich) nicht vorkommen.

Die Basisdaten zur Berechnung des Überdeckungsgrades waren: CCGA1247 Column-Ø = 0,5 mm; Pad-Ø = 0,7 mm. TBGA600 Ball-Ø = 0,76 mm; Pad-Ø = 0,6 mm. CSP46 Ball-Ø = 0,3 mm; Pad-Ø = 0,3 mm. Stecker-Lead = 1,0 x 0,24 mm, Pad = 2,0 x 0,5 mm.

Ergebnisse, Erläuterungen sowie Fazit folgen dann in der nächsten Ausgabe.

EPP 416