Bereit sein ist alles

Jack van Mook, Assembléon, Eindhoven

Die Anwendungsbereiche für diesen kleinen Empfänger auf einem Chip sind nahezu unbegrenzt. Er kann zum Beispiel in drahtlosen Hörmuscheln, Tastaturen, Mäusen, Scannern und Druckern eingesetzt werden. Darüber hinaus ist er geeignet für PCMCIA- und PCI-Karten, mit denen „ältere“ Laptops und Desktops an drahtlose Bluetooth-Geräte angeschlossen werden. Er ermöglicht eine drahtlose Verbindung zwischen einem PC und einem Mobiltelefon oder eine drahtlose Sprechverbindung zu einem Fernseher, einem Radiogerät oder Rechner. Das bedeutet, dass Bluetooth-Module überall dort eingesetzt werden können, in denen bis heute die Sprach- oder Datenübermittlung per Kabel erfolgte.

Die Unterhaltungselektronik wird Bluetooth aus verschiedenen Gründen ebenfalls den Vorrang geben. Der Basispreis für diese Module liegt wahrscheinlich über dem herkömmlicher Anschlüsse, reduziert sich aber mit der Zeit auf mehr als 5 Dollar unter dem zahlreicher konventioneller Schnittstellen mit Kabeln und Steckern. Dies liegt unter anderem an der vereinfachten Produktausführung und einer demzufolge schnelleren Entwicklungszeit der Anwendungen bis zur Marktreife. Der Verbraucher bevorzugt eindeutig einfache, jederzeit verfügbare, automatische, kabelfreie Verbindungen zwischen den Geräten und stellt damit weitere Anforderungen an den Markt.

Die Freigabe der Bluetooth-Standardversion V1.1 erfolgte im April 2001. Jetzt können die Unternehmen ihre Bluetooth-Module zertifizieren und den Kunden – entweder dem Hersteller oder dem Verbraucher – die Gewähr geben, dass die Spezifikationen erfüllt werden. Derzeit wird der größte Teil der Geräte in den asiatisch-pazifischen Ländern hergestellt, mit Markteinführung der Produkte ist jedoch ein steigendes Interesse in Europa so gut wie sicher. Die Hersteller im asiatisch-pazifischen Raum prognostizieren kurzfristig eine hohe Produktionssteigerung, wie zum Beispiel Philips Semiconductor, Apls, CTS, Taiyo Yuden, Mitsumi Electric, Murata und Matsushita-Kotobuki. IBM, Texas Instruments, Ericsson, Fujitsu sowie andere namhafte Unternehmen kommen ebenfalls auf den Markt.

Man geht davon aus, dass Bluetooth bis zum Ende des Jahres 2002 in über 100 Millionen Mobiltelefonen und einigen Millionen Kommunikationsgeräten, von Headsets bis hin zu tragbaren PCs und Digitalkameras, integriert sein wird. Obwohl man diese Zahl unter Umständen angesichts der Konjunkturschwäche, der Kompatibilität der Geräte, der Softwareentwicklungen sowie der Akzeptanz nochmals überdenken muss, ist anzunehmen, dass dieses ursprüngliche Ziel nach Produkteinführung wahrscheinlich schnell erreicht wird. In Taiwan, zum Beispiel, rechnet man bis zum Jahr 2005 mit einem Umsatz an Bluetooth-Geräten und kompatiblen Sets in Höhe von 20 Milliarden NT-Dollar. So viel zum Bluetooth-Konzept und seinem Marktpotential. Welches sind jedoch die Konsequenzen für die Hersteller?

Die Bluetooth-Module haben zur Zeit eine Größe von 8,0 bis 32,0 mm (Länge) x 6,0 bis 20,0 mm (Breite) x 2,0 bis 3,5 mm (Höhe). Diese Maße sind abhängig von den integrierten Funktionen – dem RF-Modul, dem RF-Modul mit Basisband-Kontroller oder dem RF-Modul mit Basisband-Kontroller und Host-Schnittstelle. Letzteres hat wohl die günstigsten Zukunftsaussichten, da die Appli-kationsentwicklung keine eigenen Bluetooth-Funktionen entwickeln und herstellen muss.

Die Herstellung ist, unabhängig von der Verteilung der Funktionen innerhalb eines Produktes, gekennzeichnet durch kleine Module, die normalerweise in Mehrfachnutzen verarbeitet werden. Es gibt Nutzen, deren Größe von einer einzigen winzigen Schaltung mit 15 x 15 mm², bis zu Mehrfachnutzen mit 200 Schaltungen variieren kann.

Die Kombination zwischen Bauteildichte, Bauteilzahl und Zahl der Schaltungen führt zu längeren Prozesszeiten. Andererseits ist die Lebensdauer der Lotpaste begrenzt, so dass die Zeit zwischen dem Schablonendruck und dem Reflow-Lötprozess innerhalb der spezifizierten Grenzen liegen muss, was wiederum einen hohen Durchsatz erfor-derlich macht. Werden die vorhandenen Maschinen eingesetzt, hat dies oft sehr lange Fertigungslinien und eine geringere Effizienz zur Folge. Aus diesem Grunde wollen zahlreiche Hersteller für die Verarbeitung der Bluetooth-Module aufrüsten. In jedem Fall sind die Anforderungen an die Genauigkeit der Bestücksysteme um ein Vielfaches höher als bei den meisten herkömmlichen Anwendungen. Immer kleinere Komponenten und die hohe Schaltungsdichte bedeuten, dass die meisten Bestücksysteme die in diesem Markt definierte Präzision nicht erfüllen.

Die geforderte Genauigkeit ist selbstverständlich abhängig von den speziellen Entwicklungs- und Produktionsverfahren des Herstellers. Bis jetzt wird für Flip-Chips mit einem Pitch von 200 bis 204 µm Flussmittel eingesetzt, für Flip-Chips mit einem Pitch von bis zu 300 mm aber auch der übliche Reflow-Prozess. Alternativ können nackte Dies auf Keramik-Leiterplatten mit anderen Komponenten (hauptsächlich passiven Bauteilen) drahtgebondet werden. Bei Bluetooth-Modulen sind normalerweise die kleinsten Komponenten 0402-Chips mit einem minimalen Abstand zwischen den Bauteilen von 0,3 bis 0,6 mm.

Die Tendenz geht jedoch zweifellos zu kleineren Modulen bei steigender Bauteildichte, da die Gesamtzahl der passiven und aktiven Bauelemente nach Expertenmeinung relativ stabil bleibt. Komponenten, wie zum Beispiel das 0201, werden wahrscheinlich kurzfristig mit einem Pitch zwischen 0,15 und 0,25 mm eingeführt. In Japan streben die Unternehmen eine Reduktion des Abstands bis auf 120 µm an, womit sie führend in der fortlaufenden Miniaturisierung wären.

Für die Bluetooth-Produktion, wie auch für die Modulherstellung allgemein, sind Präzision, Geschwindigkeit und Qualität die drei ausschlaggebenden Faktoren. Aspekte, die sich hierauf negativ auswirken, sollten möglichst beseitigt werden. Beschleunigung und Vibrationen der Platinen können zum Beispiel die Genauigkeit beeinflussen und letztendlich zu Qualitätsproblemen führen. Gute Leistung und eine hohe Qualität werden durch eine hohe Stabilität der Leiterplatten und der Feeder während des gesamten Prozesses erreicht.

Materialien wie zum Beispiel LTCC tendieren trotz eines guten elektrischen Verhaltens zu großen Toleranzen zwischen den Leiterplatten oder sogar Schaltungen. Für diese Materialien ist die Erkennung lokaler Referenzmarkierungen wesentlich für die Gewährleistung der Präzision. Andererseits sind die meisten Standard-Erkennungssysteme aufgrund des Kontrasts und der geringen Größe dieser Markierungen nicht geeignet. Um dieses Problem bei dem Fast-Component-Mounter (FCM) zu lösen, entwickelte Assembléon eine spezielle „Bluetooth“-Kamera für diesen Anwendungsbereich. Diese Kamera basiert auf der Standard-Kamera des Advanced-Component-Mounter (ACM) mit einer hohen Auflösung und einer fortschrittlichen Software, die den erhöhten Ansprüchen gerecht wird.

Für die Bluetooth-Produktion bietet die parallele Bestückung des FCM zahlrei-che Vorteile. Hierzu zählt zum Beispiel eine erhebliche Reduktion des Bestückzyklus durch eine Erkennung der Referenzmarkierungen während der Platzierung der Komponenten. Der Zeitverzug bei Maschinen, die die Referenzmarkierungen nach der Bauteilbestückung erkennen, erhöht sich mit steigender Zahl der Module pro Leiterplatte und kann zu Produktionseinbußen von bis zu 50% führen.

Ähnliches gilt für das Scannen von Bad-Marks, für das bis zu 30 s pro Zyklenzeit anzurechnen sind. Dieser Nachteil überwiegt leicht die günstigeren Kosten größerer Platinen, so dass ein Scannen bei gleichzeitiger Bauteilbestückung erhebliche Kostenvorteile mit sich bringt. Darüber hinaus führt die parallele Platzierung mit der langsamen, vibrationsfreien Bewegung der mechanischen Tei-le bei der Bluetooth-Herstellung zu ei-ner ausgezeichneten Wiederholgenauigkeit.

Ziel jeder Firma ist eine Nullfehler-Produktion, im Modulmarkt ist jedoch „Null ppm“ ausschlaggebend, da Reparaturen des Endproduktes schwierig sind. Außerdem muss der Verkaufspreis und demzufolge der Selbstkostenpreis die Erwartungen des Kunden und die Wettbewerbsbedingungen erfüllen. Ein hoher Ertrag trägt dazu bei, dass die Selbstkosten gering gehalten werden können. Aus diesem Grunde ist die Bestückpräzision bei Chips 75 µm bei 3 Sigma, bei Flat-Chips sogar bei 12 µm bei 3 Sigma.

Bis jetzt wurden die meisten Komponenten über einen Standardfeeder zugeführt; mit steigendem Volumen ist jedoch für Dies eine andere Zuführung, wie zum Beispiel ein Wafer- oder Schüttgut-Feeder angebracht, der leichter und effizienter zu handhaben ist. Deshalb müssen die Bestücksysteme für kompatible Feeder ausgelegt sein.

Die Keramiksubstrate, die für Bluetooth-Module eingesetzt werden, sind sehr zerbrechlich, insbesondere wenn Platinen in Mehrfachnutzen aufgeteilt sind. Aus diesem Grund ist die Unterstützung des kompletten Substrates erforderlich. Für den FCM, zum Beispiel, stehen Optionen für dünne Laminate und Keramiksubstrate mit einer Stärke von nur 0,2 mm zur Verfügung. Diese Charakteristika ermöglichen, zusammen mit der Bluetooth-Kamera für die Erkennung der Referenzmarken und Bad-Marks, eine Bearbeitung dünner Mehrfachnutzen mit über 250 Schaltungen.

Assembléon (ehemals Philips EMT) stand immer in engem Kontakt zu der Philips-Halbleiterfertigung, sodass Bestücksysteme entwickelt werden konnten, die den neuesten Bauteiltypen und den daraus resultierenden Herausforderungen an die Elektronikverarbeitende Industrie gerecht werden. Philips konnte bereits die Übertragung von Audiosignalen in CD-Qualität durch eine drahtlose Bluetooth-Verbindung unter Beweis stellen und fasst weitere Möglichkeiten, wie zum Beispiel drahtlose MP3-Player, Surround-Lautsprecher und Kopfhörer in Betracht.

Es ist also keine Überraschung, dass die Pick-und-Place-Systeme von Assembléon genau dann verfügbar sind, wenn mit dem Bluetooth-Boom zu rechnen ist. FCMs werden schon seit mehr als ei-nem Jahr für die Serienproduktion von Bluetooth eingesetzt. Einer der Anwender ist Orient Semiconductor Electronics (OSE), eine Firma, die weltweit zu den besten fünf im IC-Packing und der IC-Prüfung zählt sowie zu den ersten 30 der Elektronik-verarbeitenden Industrie. Der EMS/CEM-Geschäftszweig von OSE, die Finished Products Group, hat Produktionsstätten in Taiwan, den USA und auf den Philippinen. Die Produktli-nie wurde von der Information und Kommunikation auf Informationsanwendungen erweitert. Insbesondere werden 3D-integrierte Produkte in verschiedene Elektronikgeräte und Konsumgüter, wie zum Beispiel Kraftfahrzeuge, Videospiele und die neue Generation der Mobiltelefone eingebaut. OSE ist ebenfalls aktiv an der Produktion von Bluetooh-Anwendungen beteiligt. Das Ziel von OSE ist die Lieferung hervorragender Fertigungsqualität und eines erstklassigen Service für die globale Telekommunikations-, Computer- und Elektronikindustrie.

Da Bluetooth neue Maßstäbe im Marktsegment der Connectivität setzt, wendet sich OSE mit seiner Technik und dem Service an die Kommunikationsfirmen weltweit, um den Forderungen der Bluetooth-Produktion gerecht zu werden. OSE hat mittlerweile international einen ausgezeichneten Ruf. Im Jahr 2000 wurde dem Unternehmen für EMS der Service-Excellence-Award für die Fertigungsqualität und 1998 für Zuverlässigkeit und Termintreue verliehen.

Die FCM vereinigt höchste Präzision von 75 µm bei 3 Sigma, inklusive Drehung, und Hochgeschwindigkeits-Bestückung von normalerweise 65.000 bis 75.000 Komponenten pro Stunde. Für die verschiedenen Substrate die für Bluetooth eingesetzt werden, wie zum Beispiel Keramik, LTCC, FR4 und FR5 stehen unterschiedliche Transportsysteme zur Verfügung, die eine hohe Stabilität der Platinen gewährleisten. Die Feeder, wie zum Beispiel die Schüttgutzuführungen, sind sogar für Bauteiltypen, wie 0201, geeignet und ermöglichen eine weitere Kostenreduktion bei steigendem Volumen. Wesentlich für die Produktion von Bluetooth-Modulen zu einem attraktiven Preis sind geringste Kosten pro Bestückung, die unter 50 % der Fertigungskosten anderer Pick-und-Place Systeme liegen.