Flexibel, flexibler, am flexibelsten Manfred Glantschnig, Datacon Technology, Radfeld (Österreich)

Auf dem Markt für Die-Attach-Systeme für Hybride ist ein Zusammenwachsen der neuesten SMT- und IC Die-Attach-Techniken zu beobachten (Bild 1). Systeme für diesen Markt müssen extrem flexibel sein, und die besten technischen Merkmale und Funktionen beider Bereiche in sich vereinen.

Ein flexibles Die-Attach-System sollte folgende Fähigkeiten bieten:

Die-Attach-Maschinen bestehen aus fünf Subsystemen (Bild 2): Pick&Place, Bauteil-Zuführung, Substrat-Zuführung, Bildverarbeitungssystem sowie Kleberharz-Dosierung. Welche Features und Spezifikationen sollte ein Maschinen-Einkäufer bei diesen Komponenten fordern?

Bei der Evaluierung von Die-Attach-Maschinen sollte man sich eine Reihe prinzipieller Fragen stellen: Welche Funktionen benötige ich? Welche Probleme gibt es bei meinen bestehenden Anlagen? Gibt es irgendwelche Anwendungen, die ich nicht abdecken kann? Welche Funktionen würden meine Arbeit vereinfachen? Nach der Beantwortung dieser Fragen sollte man sich auf die prinzipiellen „Bausteine“ konzentrieren – die Funktionsblöcke innerhalb der Maschinen, die man evaluiert, ihre technischen Merkmale, Spezifikationen sowie ihre mechanische Stabilität.

Pick&Place-Systeme mit linearen Servos und Positions-Feedback bieten im Vergleich zu Motorspindel-Systemen mit Kugellagerblock oder riemengetriebenen Systemen wesentlich bessere Genauigkeit. Als Faustregel sollte die Encoder-Auflösung ungefähr zehn Mal so hoch wie die erforderliche Platziergenauigkeit sein. Wenn man zu dem eine Die-Platzier-Genauigkeit von besser als ±10 µm @3 Sigma benötigt, dann sollte man auch nachfragen, ob das System eine Kompensation für Temperaturschwankungen besitzt. Als Mindestanforderung sollte man einen Glasplatinen-Test fordern, um die Bestückgenauigkeit unter kontrollierten Bedingungen nachzuweisen.

Das System muss eine mechanisch stabile Konstruktion besitzen. Das Tool, das bei Hybrid-Anwendungen häufig gewechselt werden muss, sollte über eine selbst-zentrierende Verbindung am Bond-Kopf befestigt sein. In den Kalibrations-Prozessen für die Planarität und der Verifikation der Platzierungsgenauigkeit lassen sich weitere Indikatoren für mechanische Stabilität finden. Ein Kalibrationslauf darf nur möglichst selten erforderlich sein; außerdem sollte die Systemsoftware den An-wender mit einfachen Schritt-für-Schritt-Anleitungen durch diesen Prozess führen. Die Verifikation der Genauigkeit muss über einen Glasplatinen-Test erfolgen. Dieser Test sollte gut dokumentiert sein mit detaillierten Erläuterungen für sämtliche Berechnungen.

Das Pick&Place-System muss eine Methode zur Kalibrierung der Bond-Kraft anbieten, um die Bondlinien-Dicke gleichmäßig zu halten, und Schäden am Die auf Grund übergroßer Kraft zu vermeiden. Eine automatische Kalibrierung der Bonding-Kraft über eine Kraft-Messzelle ermöglicht einen konsistenten Bonding-Prozess. Eine solche Kraft-Messzelle übernimmt auch die automatische Kalibration der Kanüle für das Auftragen des Klebstoffes. Diese Messzelle spielt eine wichtige Rolle zur Wahrung des nötigen Abstandes zwischen der Kanülenspitze und dem Substrat. Der Arbeitsbereich für die Bond-Kraft sollte zwischen 0 und 1000 g liegen. Niedrige Bond-Kräfte sind wichtig beim Bonden an sehr dünnen Dies oder an Dies mit empfindlichen Strukturen wie zum Beispiel Air-Bridges und Vias, wie man sie auf Gallium-Arsenid (GaAs)-Dies findet. Eine hohe Bond-Kraft im Bereich von 1000 g oder größer ist wichtig für sehr große Dies oder Anwendungen, die einen Klebstoff mit hoher Viskosität erfordern.

Eine Die-Attach-Maschine sollte alle normalen Formen der Bauteil-Zuführung auf einer Maschine in einem einzigen Durchlauf unterstützen, so zum Beispiel alle Wafer-Größen, Waffle-Packs, Gel-Paks und Grip-Ringe. Ebenfalls wichtig sind Bildsuchsysteme, mit denen man nach einem Die in großen Waffle-Pack Vertiefungen suchen kann. Außerdem ist, abhängig von der gewünschten Anwendung, auch die gesamte Bauteil-Kapazität und/oder die Gesamtanzahl unterschiedlicher, mit dem System verarbeitbarer Komponenten wichtig.

Ein automatisches Wafer-Zuführsystem (Bild 3) ermöglicht eine wirtschaftliche Bereitstellung von großen Mengen an Bausteinen in unterschiedlichen Typen für das Pick&Place-System. Ein solches System sollte bis zu 200 Waffle- oder Gel-Packs im 2“-Format, bis zu 25 verschiedene Wafer oder Grip-Ringe, oder eine Kombination aus allen in einem einzigen Durchlauf bereitstellen können. Einfaches Be- und Entladen ist für ein solches System eine selbstverständliche Forderung. Das Wafer-Zuführsystem muss Ink-Marken, fehlende Ecken und Partial-Die-Rejects erkennen können, um ein Höchstmaß an Ausbeute zu gewährleisten. Darüber hinaus sollte das System Wafermapping beherrschen, so dass sich das Pick&Place-System zur genauen Lokalisierung guter Dies auf Wafern ohne Ink-Markierung steuern lässt. Für höchste Ausbeute und geringste Kosten sollte man prinzipiell – insbesondere bei Anwendungen mit größeren Stückzahlen – die Dies direkt vom Wafer aufnehmen. Neben mehreren Die-Zuführsystemen muss ein Die-Attach-System für Hybrid-Anwendungen zur Bereitstellung von SMD-Komponenten auch mit Tape&Reel-Feedern zusammenarbeiten. Verlangen Sie ein System, das sich für Tape-Zuführsysteme mit Breiten zwischen 8 und 44 mm, und eine Kapazität für 10 bis 20 Band-Zuführungen von 8 mm Breite eignet, und das eine hoch genaue Bauteil-Zentrierung bietet, besonders wenn Sie 0201-Fähigkeit benötigen.

Auch hier geht es um Flexibilität. Die beste Lösung für Hybrid-Anwendungen ist immer das System, das die größte Anzahl von Komponenten und Bauteiltypen verarbeiten kann. Neben den erwähnten Die- und SMD-Bauteil-Zuführsystemen muss die Die-Attach-Plattform flexibel genug sein, um auch mit kundenspezifischen Zuführsystemen arbeiten zu können. So erhält der Anwender ein „eingebautes Sicherheitsnetz“, und ist jederzeit auf neue Anforderungen und Marktveränderungen vorbereitet.

Bei Substrat-Zuführsystemen gibt es eine Reihe von Grundtypen: Riemen-, Zangen- und Achsen-Systeme sowie manuelle Haltevorrichtungen. Riemen-Transportsysteme (Bild 4) und manuelle Haltevorrichtungen konnten sich auf Grund ihrer Flexibilität bei Hybrid-Anwendungen am besten durchsetzen. Dabei ist das Design der Greifelemente sehr wichtig. Hier sollte man Wert auf flexible, bedienerfreundliche und schnell austauschbare mechanische Elemente legen. Zusätzlich wäre ein Werkzeug wie z. B. ein Berührungssensor sinnvoll, der Messungen ausführen und quantitative Rückmeldungen für die optimale Justage der Planarität liefert. Dieser Sensor sollte eine Wiederholgenauigkeit von 1 µm bieten. Zangen- und Achsen-Systeme mit Schrittsteuerung sind stärker spezialisiert und nicht so flexibel. Diese Systeme werden häufig in spezifischen Die-Attach-Systemen für ICs eingesetzt. Neben den flexiblen Greifelementen sollte ein Substrat-Zuführsystem auch eine breite Palette von Substratformaten von 2“ bis 8“ auf einem standardisierten „Edge Belt“, auf „Auer-Booten“ oder auf kundenspezifischen Trägern unterstützen. Für die Zuführung verschiedener Größen und Substrat-Typen gibt es einige Faustregeln (Tabelle).

Vergewissern Sie sich, dass das Substrat-Zuführsystem SMEMA-kompatibel ist, so dass es sich mit anderen Systemen, wie zum Beispiel Curing-Öfen und Förderbändern verketten lässt. Die Möglichkeiten sollten auch Förderband-Puffersysteme für manuelles Be/Entladen, Ein/Ausgabestationen für einfache/mehrfache Magazine, und eine Entladestation für Leadframes sowie unbestückte Boards umfassen. Kurz gesagt, fordern Sie Flexibilität und umfassende Wahlmöglichkeiten bei Ein/Ausgabesystemen für die Substratzuführung.

Bei der Bildverarbeitung sollte man nicht nur auf das System allein, sondern auch auf ein engagiertes und erfahrenes Entwicklungsteam achten, das kontinuierlich an der Verbesserung der Hard- und Software, der Beleuchtung und der Optik arbeitet. Ein Bildverarbeitungssystem besteht aus vier Hauptelementen – der Vision-Engine, der Wafer/Bauteil-Kamera, der Substrat-Kamera und der Rückseitenkamera.

Ein System könnte beispielsweise aus einer Minimal-Hardware mit einer modernen Vision-Engine und 256 Graustufen auf der Basis einer kommerziell erhältlichen Grafik-Karte bestehen. Eine Bauteil-Kamera ist erforderlich für die Inspektionsfunktion und für die korrekte Ausrichtung des Dies vor dem Aufnehmen. Die Kamera ist auf dem Bond-Kopf oder in einer speziellen, festen Position montiert. Für maximale Flexibilität bieten manche Die-Attach-Systeme beide Möglichkeiten.

Eine Substratkamera ist erforderlich zur Ausrichtung auf die Orientierungsmarken des Substrats, und zur Suche nach Reject-Marken. Für einen größeren Funktionsumfang sollte man eine Substratkamera verlangen, mit der sich die Bauteile vor dem Aufnehmen ausrichten lassen, und die eine Inspektion vor und nach dem Bonding mit automatischer Offset-Einstellung ausführen, und 2D-Code auf dem Substrat lesen kann. Hinzu kommt eine fix montierte Rückseitenkamera, um das Die nach dem Aufnehmen auszurichten. Dabei ist zu berücksichtigen, dass ein ungenaues Dicing die Platzierungsgenauigkeit bei einer Ausrichtung der unteren Die-Kante mit der nach oben gerichteten Kamera beeinträchtigen kann. Als Lösung für dieses Problem enthalten manche Systeme ein Intermediate Placement Tool (IPT). Das IPT nutzt die Substratkamera und eine temporäre Platzier-Station, um die Komponenten genau in Bezug auf die Strukturen auf der Oberseite des Dies auszurichten und zu platzieren, anstatt sich auf die untere Kante des Dies zu verlassen, bei der irreguläre Konturen oft einen Winkelfehler in der Ausrichtung verursachen können (Bild 5). Alle diese Kameras sollten mit motorisierter Fokussierung und Autofokus-Funktion ausgestattet sein, und sämtliche verfügbaren Algorithmen unterstützen können. Vor allem müssen Sie über eine programmierbare Lichtpegel-Steuerung für senkrecht und schief einfallendes Licht verfügen. Um für einen wirtschaftlichen Maschinenbetrieb individuelle Optik- und Beleuchtungs-Einstellungen zu ermöglichen, müssen die drei Kameras unabhängig voneinander arbeiten. Vergewissern Sie sich auch, dass man programmierbare Lichtpegel für jedes Programm speichern, und dass der Lichtpegel für jeden verwendeten Algorithmus unterschiedlich sein kann.

Ein Die-Attach-System muss mit einer umfassenden Bibliothek von Algorithmen geliefert werden, und hinter dem System sollte eine Gruppe von Entwicklern stehen, die bereit sind, neue Algorithmen für neue und einmalige Anforderungen zu entwickeln. Das Bildverarbeitungssystem sollte alle verfügbaren Algorithmen unterstützen, so zum Beispiel Pattern/Template-Matching, Circle-Matching, Kantensuche, Mittelpunktsuche (Blob-Analyse) sowie symmetrische und Mehrfach-Suche.

Pattern- oder Template-Matching (Bild 6) ermöglicht die Programmierung unverwechselbarer Strukturen oder spezieller Orientierungsmarken, und benötigt keine Templates mit einer bestimmten Form oder Konstruktion. Je nach Kameravergrößerung und benutztem Algorithmus lassen sich mit dieser Methode Strukturen bis hin- ab zu Abmessungen von 150 µm erkennen. Circle-Matching (Bild 7) dient zum Auffinden des Mittelpunkts von kreisförmigen Strukturen und kann z.B. den Mittelpunkt eines TO-Umrisses erkennen.

Der Algorithmus für die Kantensuche ermöglicht die Programmierung von Bauteil-Kanten. Man setzt ihn dort ein, wo man kein unverwechselbareres Muster finden kann, oder wenn die Bauteile-Platzierung von der Lage einer Kante abhängt. Die Mittelpunktsuche oder Blob-Analyse ist ein binärer Algorithmus, mit dem man eine Struktur einer bestimmten Größe als Relation von dunklen zu hellen Pixeln erlernen kann. Mit einer entsprechenden Programmierung dieses Algorithmus kann man den Mittelpunkt einer dunklen oder hellen Pixelgruppe finden. Software-Filter lassen sich so einstellen, dass das Visionssystem zu große oder zu kleine Strukturen zurückweisen kann. Diese ist äußerst hilfreich beim Einsatz mit Hybriden, bei denen Dickfilm-Keramiksubstrate nicht immer klare und einheitliche Orientierungspunkte bieten.

Mehrfach-Suchfunktionen ermöglichen eine Verknüpfung mehrerer Algorithmen für das gleiche Kamera-Sichtfeld. So könnte man zum Beispiel in einem ersten Suchlauf mit einer „groben“ Suchfunktion eine bestimmte Struktur suchen. Nachfolgende Suchläufe könnten Pixel-Vektoren aus dem ersten Suchlauf nutzen, um spezielle Strukturen anzusteuern, die nicht ganz so unverwechselbar sind. Die Mehrfach-Suchfunktion kann den gleichen Bildverarbeitungsalgorithmus für eine Gruppe von Suchläufen nutzen, oder man kann sie so programmieren, dass verschiedene Algorithmen verwendet werden.

Das ideale System sollte nach Möglichkeit viele verschiedene Dosierungstechniken wie „Epoxy Writing“ sowie „Cross-Needle“ Dosierung beherrschen, und außerdem in einem einzigen Durchlauf zwei oder mehr unterschiedliche Klebstoffe aus unterschiedlichen Dosierern abgeben können. Das System sollte folgende Dosierungstechniken beherrschen: volumetrische Dosierung (Auger-Schraube), Zeit/Druck-Dosierung mit einem Mehrkanülen-Abgabekopf, Ein- und Mehrfachstemplen sowie Epoxy Writing mit programmierbarem Schreibmuster. Das System sollte zudem Steuerfunktionen und eine automatische Programmierung bieten, um ein gleichmäßiges Klebstoff-Muster und -Volumen, sowie eine gleichmäßige X-/Y- und Auger-Geschwindigkeit zu gewährleisten. Für einen Dauerbetrieb ist auch ein Warnsensor für niedrigen Klebstoff-Füllstand wichtig.

Verlangen Sie einen leistungsfähigen volumetrischen Schraubenpumpen-Dosierer, der eine äußerst wiederholbare Klebstoff-Dosierung von großen Mustern bis zu extrem kleinen Punkten für 8 mil Dies mit der gleichen Kanüle ermöglicht. So entfällt die Notwendigkeit für mehrere kundenspezifische Stempel-Werkzeuge, die kostspielig und schwer zu warten sein können. Weitere wünschenswerte Fähigkeiten könnten die Kompatibilität mit Lotpasten, die einfache Entnahme und Reinigung der Kanüle sowie eine Technik zur automatischen Kanülen-Kalibrierung sein.

Weil sich manche Klebstoffe nicht dosieren lassen, ist auch ein Klebstoff-Druck erforderlich. Hier sollte man nach Geräten mit einer Dreh-Rakel und einem Stempelwerkzeug suchen, bei dem sich die Menge des Klebstoffes per Feinjustage über ein Mikrometer einstellen lässt. Stempeln ist ein hervorragender Weg für den Druck von kleinen Punkten oder Mustern mit normalen Druckwerkzeugen, kundenspezifischen Designs oder Mehrfach-Druckwerkzeugen. Bei dieser Technik verwendet man einen rotierenden Behälter, bei dem die Filmdicke über einen per Mikrometer eingestellten Rakel geregelt wird. Stempeln ermöglicht wiederholbare Ergebnisse auf gewölbten Substraten und Substraten mit variierender Dicke. Für eine einfache Reinigung sollten sich Behälter und Rakel leicht entnehmen lassen.

Im schnelllebigen Hybrid-Markt kann schon der nächste Auftrag kundenspezifisch sein. Wer darauf vorbereitet sein will, braucht einen Gerätelieferanten, der speziell zur Ausführung von kundenspezifischen Projekten eingerichtet und positioniert ist. Heute benötigen Sie möglicherweise eine Kleinserien Produktion mit großer Vielfalt, für die ein einfaches Die-Attach-System mit manueller Beschickung ausreichend ist. Vielleicht benötigen Sie in der Zukunft eine Großserien-Produktion oder eine mit großer Produkt-Vielfalt. Um darauf vorbereitet zu sein, sollten Sie sicherstellen, dass sich ihr Die-Attach-System zusammen mit Öfen, Wire-Bondern, Siebdruckern, Laser-Markierungssystemen, Plasma-Reinigungssystemen usw. in eine Fertigungsstraße integrieren lässt.

Möglicherweise haben Sie heute nur das Budget für eine einfache Die-Attach-Maschine – dann stellen Sie sicher, dass sich alle möglicherweise in Zukunft benötigten technischen Merkmale einfach nachrüsten lassen, wenn sich ihre Anforderungen verändern und ihr Geschäft wächst.

Unter dem Strich geht es um Flexibilität und nochmals Flexibilität – nur mit dem flexibelsten Lieferanten und seinen flexiblen Hybrid-Fertigungslösungen werden sie ihre Ziele in der Hybrid-Fertigung heute und in Zukunft erreichen können.

SMT, Stand 7-324

EPP 492