Bonder für Dünn- und Dickdraht Dr. Farhad Farassat, F & K Delvotec, Ottobrunn

Der neue Dünndrahtbondkopf der 64/66000 G5 Maschinen verarbeitet Drahtdurchmesser von 17 bis 100 µm, der neue Dickdrahtbondkopf Drahtdurchmesser von 100 bis 600 µm. Das integrierte digitale Ultraschallsystem ist für Drähte von 17 bis 600 µm programmierbar, so dass kein Wechsel nötig ist. Die besonderen Vorteile im Vergleich zu den Modellen der Vorgängerserien 6400 und 6600 sind noch größere Flexibilität, überragende Bondqualität und hohe Servicefreundlichkeit.

Für die neuen 64/66000 G5 Maschinen wurde ein optimiertes Bondprozesskontrollsystem mit erweitertem Funktionsumfang entwickelt. Der verbesserte Sensor misst die Drahtdeformation auf 0,1 µm genau. Das analoge Sensorsignal wird dabei nahe am Sensor digitalisiert und zum Microcontroller gesendet. Der kurze Übertragungsweg und hohe Abtastfrequenzen vermindern mögliche Signalstörungen und erhöhen die Bondqualität. Ein leistungsstarker Microcontroller analysiert die erhaltenen Deformations- und Impedanzwerte, und regelt gleichzeitig Ultraschall-Leistung und Bondkraft für bestmögliche Bondqualität. Die große Speicherkapazität des neuen Microcontrollers ermöglicht dabei das Verarbeiten großer Datenmengen in Echtzeit.

Darüber hinaus bietet das System während des Bondens direkten Zugriff auf die Bondkraft, so dass alle drei für die Bondqualität entscheidenden Parameter, Ultraschall-Zeit, -Leistung und Bondkraft, jederzeit kontrollierbar und regelbar sind.

Bereits vor 15 Jahren stellte F & K Delvotec eine Bondprozesskontrolle zur Verbesserung der Bondqualität vor und installierte in allen Maschinen das sog. „closed loop“ System. Das patentierte System misst kontinuierlich die Deformation des zu bondenden Drahtes. Es regelt Ultraschall und Bondkraft während des Bondprozesses nach vorgeschriebenen Bahnformen, oder nach einer Bahnkurve, die fortlaufend nach Qualitätskriterien errechnet wird. Seit einigen Jahren ist auch die Transducer-Impedanz zur Qualitätsbeurteilung in dieses System integriert.

Für präzise Bewegungen ist ein Piezoantriebssystem unschlagbar. Kleine Distanzen, wie zum Beispiel das Öffnen und die Bewegung der Drahtklammer, Touchdown und andere Minimalbewegungen während des Bondens, beherrscht ein Piezoantrieb wesentlich besser als Motoren und Magnete, die langsamer und ungenauer arbeiten. Die fünfte Drahtbondergeneration setzt auf neue Piezoantriebsysteme, die besser und schneller zu betreiben sind. Die neuentwickelte Piezoantriebssteuerung der G5 Maschinen kann jede beliebige Kurvensteuerung mit Piezoantrieben darstellen. Die Drahtklammer kann sehr schnell geöffnet, und je nach Drahtdicke und Drahthärte mit verschiedenen Geschwindigkeiten und Steuerkurven wieder geschlossen werden. Dies stellt die geringstmögliche Verformung des Drahtes in der Klammer sicher, und trägt zu besserer Bondqualität bei. Das gleiche gilt für das Abreißen und den Vorschub des Drahtes: Je dünner der Draht ist, desto wichtiger wird die Präzision der Piezoantriebssteuerung. Mit diesem System können problemlos 17 µm Drähte gebondet werden, die nach dem Bonden eine Verformung von lediglich 25 bis 30 µm aufweisen. Doch damit nicht genug: Der gleiche Bondkopf verarbeitet auch 100 µm Draht, ohne Änderungen vornehmen zu müssen.

Das Unternehmen benützt bereits seit 12 Jahren mit großem Erfolg Piezoantriebe für die Klammer- und Touchdown-Bewegung, und setzte damit als erster Drahtbonderhersteller Qualitätsmaßstäbe.

Transducer und Ultraschallgenerator beeinflussen ganz entscheidend die erzielte Bondqualität. Um auch höchsten Ansprüchen gerecht zu werden, wurde ein eigenes Ultraschallsystem entwickelt, das heute für verschiedene Materialien und Kunden von 40 bis 240 kHz im Einsatz ist. Material und Piezos der Transducer sind nach ausgiebigen Testreihen für höchste Bondqualität optimiert.

Der neue digitale Generator bietet vielfältigste Möglichkeiten für das Bonden auf verschiedenen Materialien mit verschiedenen Frequenzen und Leistungen. Dieser Generator kann mit konstanter Spannungs-, Strom- oder Leistungsregulierung arbeiten, oder auch mit einer Mischung verschiedener Parameter. Darüber hinaus können die erste und zweite Bondstelle mit verschiedenen Frequenzen gebondet werden. Dieses flexible System ist unübertroffen, wenn z.B. von einer Steckerleiste in Richtung eines Chips gebondet wird. Die nachgiebige Steckerleite muss mit niedrigerer Frequenz gebondet werden, als der starre Chip, wofür das System prozesssichere Bondqualität bietet.

Die Flexibilität des Ultraschallgenerators setzt sich auch bei den Transducern fort: Transducer für 17 bis 600 µm Draht können eingesetzt werden, ohne am Generator Hardwareänderungen vornehmen zu müssen. Für Spannung, Strom oder Leistung sind beliebige Ramps programmierbar, was sich beim Bonden auf verschiedenen Oberflächen als großer Vorteil erweist.

Der digitale Generator erleichtert die Bondprozesskontrolle und liefert hervorragende Bondqualität. Um eine optimale Übertragung der Ultraschall-Leistung an der Bondstelle sicherzustellen, wurden vor über 10 Jahren alle Lager der Dickdrahtbonder durch Parallelfedern ersetzt, was nun auch für die Dünndrahtbonder realisiert wurde. Das von F & K Delvotec patentierte System erhöht die Bondqualität, da im Transducerlager keine Ultraschall-Leistung mehr vernichtet wird.

Gemeinsam mit den Antriebslieferanten konnte ein sehr dynamisches und schnelles System mit einer Genauigkeit von wenigen µm entwickelt werden. Diese neuesten Linearmotoren verfügen über die mehrfache Kraft und Dynamik der Vorgängermodelle, und erreichen in Verbindung mit intelligenter Motorsteuerung und integrierter Fehlererkennung noch höhere Bondgeschwindigkeiten. Der Geschwindigkeitsanstieg und die größere Systemsteifigkeit sichern die hohe Bondqualität. Bereits seit zehn Jahren verwendet das Unternehmen in allen ihren Drahtbondern Linearmotoren für die X- und Y-Bewegung.

Die Maschinen der fünften Generation verwenden die neueste Entwicklung von Cognex, 8000 Pat Max. Dieses System ist in der Lage, Oberflächen mit geringem Kontrast und von schlechter Qualität zu erkennen.

Die optimale Funktionalität des Bilderkennungssystems verlangt, dass Optik und Lichtsystem aneinander angepasst sind. Dafür wurden Optiken und Beleuchtungssysteme entwickelt, welche die verschiedenen Oberflächen problemlos erkennen können.

Heutige Produktionsmaschinen stellen nur noch selten Insellösungen dar, sondern müssen in der Lage sein, mit einer Vielzahl anderer Systeme zu kommunizieren. Anforderungen wie Linienintegration, Erfassung von Qualitätsdaten oder Online-Zugriff für die Service-Abteilung des Herstellers sollen vom Steuerungssystem der Maschine neben der eigentlichen Ablaufsteuerung erfüllt werden. Während der Produktion muss die Maschine große Datenmengen verarbeiten und gegebenenfalls nach außen bereitstellen, wobei unterschiedlichste Schnittstellen und Konzepte zum Einsatz kommen können. Für diese Aufgabe hat das Unternehmen ein Unix-kompatibles Echtzeit-Betriebssystem gewählt, welches zusammen mit einer flexiblen, offenen Softwarearchitektur die Plattform bildet, um heutige und zukünftige Anforderungen erfüllen zu können.

Diese Plattformstruktur mit leistungsfähigen und erprobten Schnittstellen nimmt den Kunden die Sorge, sich künftig mit ständig wechselnden Programmen auseinander setzen zu müssen, wie es in der PC-Welt häufig der Fall ist.

Die klar strukturierte Bedienoberfläche der Maschine ist vom Bediener leicht zu handhaben und die Struktur des Bondprogramms erlaubt die Programmierung von einfachen Transistoren bis hin zu komplexen Hybridbauteilen ohne großes Vorwissen.

Die heute verwendete Hardware muss nicht nur dem derzeitigen Stand der Technik entsprechen, sondern sich auch veränderten Gegebenheiten der Zukunft anpassen können. Ein CPCI-System stellt sicher, dass jederzeit durch einfaches Austauschen eines Boards die neueste Prozessorgeneration in den Maschinen zum Einsatz kommen kann. Die Architektur ermöglicht eine einfache, zeitsparende und kostengünstige Aufrüstung des Systems. Einzelne Komponenten kommunizieren durch ein CAN-Feldbussystem miteinander, wodurch der Verdrahtungsaufwand minimiert, und Wartung und Service vereinfacht werden. Die Hardware der neuen Maschinengeneration entspricht somit jederzeit dem aktuellen Stand der Technik, und das System ist durch Updates preisgünstig aktualisierbar.

Der Maschinenrahmen ist anhand von detaillierten Berechnungen aller auftretenden Schwingungen und Computersimulationen konstruiert worden. Das Ergebnis ist ein starres und gleichzeitig gedämpftes System, das selbst bei hohen Geschwindigkeiten unanfällig gegen Schwingungen ist. Diese Schwingungsverminderung führt zu höchster Bondqualität. Das Maschinendesign wurde in Zusammenarbeit mit einer renommierten Münchner Designfirma realisiert, so dass Funktion und Form in harmonischem Einklang stehen.

Die Maschinen der fünften Generation sind sowohl für Automationslinien, als auch für Stand-alone-Anwendungen bestens geeignet. Zur Integration in automatische Produktionslinien kann der Bondkopf, je nach Bedarf, am vorderen Teil oder auf dem hinteren Teil der Bonder-Grundplatte montiert werden, was flexible Einbaumöglichkeiten in eine Vielzahl von Liniensystemen erlaubt. Ebenso kann die Bedienkonsole des Bonders problemlos vom Bonder getrennt, und an anderer Stelle in der Linie installiert werden. Für Stand-alone-Lösungen wird der Bondkopf hinten montiert, so dass der vordere Teil des Bondergehäuses das Bauteilhandling für Leadframes und andere Bauteile aufnehmen kann. Dies erlaubt eine sehr kompakte Bauweise des gesamten Bonders.

In der Leistungselektronik wird fast ausschließlich mit Aluminiumdraht gebondet, da Gold für große Drahtdurchmesser zu teuer wäre. Für Smart-Power und Leistungsbauteile der neueren Generationen werden mit Dünndraht gebondete Steuerungschips im Package eingesetzt.

Für diese Anwendungen können mehrere Maschinen der fünften Generation miteinander verkettet werden. Diese Maschinenreihen bestehen in der Regel aus Dünn- und Dickdrahtbondern, die in einem Durchgang Drähte von 17 bis 600 µm bonden. Durch die Verkettung der Maschinen können die Bauteile in einem einzigen Durchlauf gebondet werden. Das verhindert zum Einen, dass die Bauteile durch wiederholtes Ein- und Ausladen in Einzelmaschinen beschädigt werden, und spart zum Anderen viel Zeit im Produktionsdurchlauf ein. Wenn die erste Maschine einen Fehler im Package entdeckt, wird diese Information an alle nachgeschalteten Maschinen weitergeleitet. Dieses Bauteil wird daraufhin ausgelassen und nicht gebondet. Am Indexer jeder Maschine sind zwei nicht zerstörende Pulltester zum Pulltest angebracht. Darüber hinaus ist im Bondkopf ein Pulltester integriert, der jeden Draht mit den vorgeschriebenen Maximalwerten des nicht zerstörenden Pulltest testen kann.

Die Maschinen der fünften Generation sind mit zahlreichen Test- und Prüffunktionen ausgestattet, um die Arbeit der Bediener zu erleichtern. Die Maschinenkomponenten senden ununterbrochen Betriebsdaten an das Controlprogramm. Der Einsatz intelligenter Komponenten erleichtert die Fehlersuche und hilft dabei, wertvolle Produktionszeit zu sichern. Fehleranalysen können rasch und sicher durchgeführt werden, um die Maschinenverfügbarkeit zu erhöhen.

Die linearen Antriebssysteme sind als offenes System konzipiert, und erlauben die Kommunikation via Netzwerk. Der Zugriff von außen wird erleichtert und korrektive Maßnahmen können schneller und einfacher eingeleitet werden.

Auch an die erleichterte Zugänglichkeit wurde gedacht: Alle Hardwarekomponenten sind von vorne zu erreichen, wodurch der Austausch einfach und zeitsparend erledigt werden kann.

EPP 443