Neue Technologien als Wegbereiter

Richard Heimsch, DEK Printing Machines, Weymouth (UK)

Unter den vielen Fertigungstechniken, die hier gebraucht werden, lag die Herstellung von Verbindungen auf Boardlevel in ihren Rastermaßen immer weit hinter der Entwicklung auf Waferlevel zurück, und sorgte damit für eine Verlangsamung in den Miniaturisierungsbestrebungen. Jedoch konnte man mit Techniken im Advanced Packaging wie WL-CSP (Wafer Level Chip Scale Packaging) und den Flip-Chips diese Lücken erfolgreich schließen, denn damit werden die Ein/Ausgänge dieser Komponenten als sehr eng strukturierte Area-Array-Verbindungen mit den dazu korrespondierenden Pads der Leiterplatte verbunden. Die Bausteine können nun sogar noch mehr I/Os aufweisen, obwohl die maximale Größe beispielsweise eines CSPs nur um 20% über der Größe des nackten Silizium-Dies liegt.

Einige der Anforderungen an den anspruchsvollen Schablonendruck für die SMT-Montage von modernen Chip-Scale-Packages bewegen sich auf eine Überdeckung mit jenen Kriterien zu, die bei der hochgenauen Waferbedruckung im Packaging gültig sind. Natürlich können Hersteller von SMT-Baugruppen künftig erwarten, dass Produkte gefertigt werden, bei denen Auflösung und Wiederholbarkeit vergleichbar sind mit jenen, die heute beim Wafer-Bumping oder Ball-Attachment im Halbleiter-Packaging verlangt werden. Diese Aufweichung der bis dato traditionellen Begrenzungen zwischen Bauteil-Packaging einerseits, und der anspruchsvollen SMT-Baugruppenfertigung andererseits, führt letztlich auch dazu, dass sicher einige Baugruppenhersteller dazu übergehen werden, Die-Attach oder Chip-Scale-Packaging in das Portfolio ihrer Leistung mit aufzunehmen.

Die Hochleistungs-Druckplattformen, die diese Anforderungen erfüllen, vereinen eine ganze Reihe von herausragenden technologischen Lösungen, um deren Maschinenfunktionen noch weiter zu verbessern. Dazu gehören: höhere Genauigkeit und Wiederholbarkeit, kürzere Zykluszeiten, Überwachung und Kontrolle der Prozesse, Erkennung und Korrektur von Fehlern, Nutzung und Verfügbarkeit sowie optimierte vorausblickende Wartungsstrategien. Zudem werden, um die Anwendung bei Packaging-Aufgaben zu optimieren, auch die Handlingsysteme stets weiter entwickelt, um den Durchsatz und die Sicherheit bei der Verarbeitung von Wafern und Substraten, die in üblichen, standardisierten Verpackungsgebinden angeliefert werden, noch weiter zu erhöhen.

Sowohl in der Fertigung anspruchsvoller SMT-Baugruppen als auch im Chip-Scale-Packaging sind die Anforderungen an die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der aufgebrachten Pastenmengen weitgehend ähnlich hoch. Allerdings hat die kürzest erreichbare Zykluszeit oberste Priorität. Der aktuelle Standardwert für Genauigkeit und Wiederholbarkeit beträgt Cpk 2,0 bei ± 12,5 µm. Dies erreicht die für das Halbleiter-Packaging entwickelte Galaxy-Plattform (Bild 1) von DEK komplikationslos, wobei die Zykluszeit nur noch 7 s beträgt. Dieses Zusammenwirken von hoher Prozessfähigkeit und hohen Durchsatzwerten ist der Schlüssel zur Anwendung von modernen Hochleistungs-Drucktechniken in Relation zu den herkömmlichen Lösungen im Waferbumping und für den Lotkugel-Auftrag (Solder Balling).

Für anspruchsvolle, weiterentwickelte SMT-Fertigungsprozesse sind in DEKs Europa-Druckmaschinenplattform (Bild 2) sowohl eine Prozessfähigkeit von Cpk 2,0 bei ± 20 µm als auch eine Zykluszeit von 4 s in Kombination verfügbar. Weil die Hersteller von SMT-Baugruppen im allgemeinen unter einem sehr hohem Druck stehen, die Taktzeiten weiter zu verkürzen, ist es eigentlich eine logische Entwicklung, dass die Europa-Plattform die heute kürzeste Zykluszeit aufweist, und damit den mit der Galaxy vorgezeichneten Pfad zur noch höherer Prozessfähigkeit folgt – bereit zur Linienintegration, sobald die Anforderungen der Anwender dies verlangen sollten.

Es ist sehr wichtig darauf hinzuweisen, dass diese hier genannten Daten für die Arbeitstoleranzen den gesamten Druckprozess betreffen, nicht nur die Registrierung von Leiterplatte und Schablone anhand der Passermarken.

Unter den Techniken, die solche gravierende Verbesserungen der Prozessfähigkeit ohne Durchsatzverluste ermöglichen, sind neue Bewegungssteuerungen für die Registrierung mit den Passermarken sehr wichtig. Sie führen zu einer noch schnelleren und genaueren Justierprozedur, die beginnt, sobald die Leiterplatte in die Druckmaschine gelangt. Sowohl in der Galaxy als auch der Europa findet sich die gleiche neue relativ-inkrementale Linear-Encoder-Technik sowie die bereits bewährten Rotations-Encoder, welche die Kamera-Position bestimmen, indem sie die Drehungen der Motorachse in Winkelgraden messen.

Höhere Genauigkeit wird im Druckprozess gewöhnlich bei geringeren Durchsatzgeschwindigkeiten erreicht. Doch sind solche Kompromisse weder im Packaging noch in der SMT-Linie länger tragbar. Druckmaschinen für diese Anwendungsbereiche wurden unter Anwendung der neuesten Ergebnisse aus der Schall- und Vibrationsforschung entwickelt. Diese Umsetzung führte zu den höchstmöglichen Werten in Beschleunigung und Verzögerung auf den Achsen sowie zu maximalem Durchsatz, ohne den früher üblichen Tribut an höhere Geräuschbelästigungen oder Maschinenvibrationen leisten zu müssen. Diese Effekte führen allerdings zu drastischen Genauigkeitsverlusten in anderen motorisierten Hochleistungs-Fertigungssystemen. Aber hier zahlt sich die Zusammenarbeit des Unternehmens mit den Experten des Instituts für Schall und Vibrationsforschung der Universität Southampton aus, denn damit sind sowohl deutliche Verbesserungen in der Geschwindigkeit als auch Genauigkeit der Präzisionsmechanik erreicht worden.

Zur Maximierung von Durchsatz in Halbleiter-Packaging-Prozessen, beispielsweise um für die elektrische Verbindungen zwischen Board und den einzelnen Substraten die Lotkügelchen für das Advanced-Package aufzubringen, kann das neue Virtual Panel Tooling (VPT) bis zu 60 Substrate unabhängig voneinander gleichzeitig justieren. Das VPT-System besteht im wesentlichen aus einem Präzisions-Nadelmechanismus sowie einem damit korrespondierenden Vakuumturm, die jedes einzelne Substrat in seinem JEDEC-kompatiblen Liefergebinde exakt zentrieren, bevor es in die Druckposition gerbacht wird. VPT ist kompatibel mit dem Standard-Toolingbett in den Druckerplattformen für Halbleiter-Packaging und SMT-Fertigung.

Für die Verkürzung der Zykluszeiten in SMT-Linien kommen nun vielversprechende Techniken auf, die durchaus bewährte Methoden bestens ersetzen können, beispielsweise in der Post-Print-Inspektion. So kann man die traditionell quantitativ auf die Pastenmenge bezogene Post-Print-Inspektion durch eine wesentlich schnellere Verifikationsprozedur ersetzen. Diese liefert ziemlich einfach zu verstehende Gut/Schlecht-Ergebnisse, und erlaubt somit die uneingeschränkte Prüfung aller bedruckten Leiterplatten zu 100% bei hoher Arbeitsgeschwindigkeit und Kosteneffizienz, unabhängig vom merkantilen Wert (Wertschöpfung) oder der Komplexität einer Baugruppe.

Im Hawkeye-System ist dieses neuartige Verfahren nun erstmalig implementiert, das darauf abzielt, dem Bedienpersonal sehr rasch das mitzuteilen, was dieses wirklich wissen muss. Seine Verarbeitungsgeschwindigkeit der einzelnen Bildframes ist um mehr als den Faktor Zehn schneller als bei den sonst üblichen quantitativ orientierten Inspektionssystemen. Die Rechenleistung, die man außerdem hier sonst benötigen würde, um diese Bildverarbeitungsgeschwindigkeit mit den traditionellen Inspektionssystemen zu erreichen, würde die Investitionskosten einer Druckplattform deutlich erhöhen. Die mit unserer schnellen Verifikationsmethode erreichbare Geschwindigkeit ist von wesentlichem Vorteil in Anwendungen in SMT-Linien, und wird sich auch als wertvoll erweisen beim Packaging von Consumer-Halbleitern.

Mittlerweile muss man in SMT- und Halbleiter-Packaging Druckprozessen wesentlich häufiger die Schablonen reinigen. Notwendig wurde dies, weil die Öffnungen und die Abstände dazwischen immer kleiner werden. Insbesondere die enorm steigende Zahl der I/Os von DRAMs und FPGAs in Finepitch-BGA-Gehäusen tragen dazu bei. Erhebliche Reduzierungen der hier nötigen Zykluszeit sind mit neuen Methoden der Schablonenunterseite-Reinigung (USC) möglich. So kann das Vortex-System (Bild 3) trockene, feuchte oder Vakuum-Reinigungsprozeduren in einem Durchgang durchführen, wobei die Reinigungszeit um circa 66% reduziert wird – im Vergleich zum Einsatz von konventionellen Papierrollen. Der Wechsel der wiederverwendbaren und partikelfreien Kassetten für diese Schaumreinigung ist zudem in wesentlich kürzerer Zeit möglich, nicht einmal 60 s sind dazu nötig. Eine erst kürzlich vorgenommene Verbesserung betrifft hier die überarbeiteten Wischvorgänge, um festsitzende Reste aus Schablonenöffnungen noch effizienter zu entfernen. Dies wird um so wichtiger, weil die Designrules für die nächste Schablonengeneration noch deutlich schärfer werden, sowohl für die Anwendungen in der bleifreien SMT-Fertigung als auch in den Halbleiter-Packaging-Applikationen.

Unabhängig davon, ob Halbleiter-Packaging oder SMT-Fertigung, stets sind hoch entwickelte Prozesse nötig, damit die Druckmaschinen mit optimaler Leistung über wesentlich längerer Zeitabschnitte ohne großen Bedarf für Bedienerinteraktionen oder Beseitigung ungeplanter Stillstände ungestört laufen können. Die Maschineneinstellungen sind oft sehr komplex, doch ist andererseits die Zeit für das Mitarbeitertraining natürlich auch beschränkt, beispielsweise um zu klären, wie die neuen Varianten der geschlossenen Druckköpfe optimal eingesetzt und eingestellt werden, oder wie man in neuen und komplexen Fertigungsprozessen Fehler rasch erkennt und beseitigt. Die Methode der Maschinenlieferanten für die Unterstützung ihrer Anwender ändert sich somit zwangsläufig immer wieder, wobei sich die Systeme soweit konfigurieren lassen müssen, dass die meisten dieser Möglichkeiten bei Bedarf umgehend komplikationslos verfügbar sind.

Dazu ein Beispiel: Neue Benutzerschnittstellen wie DEKs Instinctiv liefern sowohl eine Fülle von spezifischen Support-Informationen, als auch relativ einfache Anleitungen für die grundlegende Steuerung einer Maschine (Bild 4). Das Instinctiv-System präsentiert die Information auf eine Weise, die erlaubt, selbst komplexe Daten rasch zu interpretieren und zu verstehen, selbst wenn das Bedienpersonal nur ein eingeschränktes Training durchlaufen hat. Weiterentwickelte Funktionen sind integrierte Hilfen für Erkennung und Beseitigung von Fehlern sowie Anzeigen der noch in der Maschine vorhandenen Verbrauchsmaterialien (Time to go) bis zum nächsten Wechsel oder Nachfüllen.

DEKs Anwenderunterstützung mit dem auf dem Internet beruhenden Interactiv-System, verwendet Breitband-Kommunikationstechniken sowie besondere auf IP-basierende Telekommunikations-Dienstleistungen, um Anwenderunterstützung rasch in ergiebiger und informativer Form zu offerieren. Dazu gehören grafisch orientierte Demonstrationen und Tutorials direkt auf der Maschine in der Fertigung. Außerdem kann ein entferntes Servicezentrum darüber umfangreiche Maschinenoperationen durchführen und beispielsweise Diagnoseroutinen oder sehr komplexe Prozeduren vornehmen.

Die Möglichkeiten der Maschinen werden zudem erweitert durch eine neue Technik, die in den Galaxy- und Europa-Plattformen integriert ist. ISCAN (Intelligent Scalable Control Area Network) ist der Ansatz für eine Entwicklung weg vom traditionellen, unschönen Verkabelungsaufwand zu einer Infrastruktur, in der Maschinen per Feldbus gesteuert werden. Dies stellt eine effiziente Methode dar, um Maschinen-Subsysteme zu überwachen und zu steuern sowie die umfangreichen Statusdaten dieser Module an die Steuerzentrale zurückzumelden. Per CANbus-Protokoll werden alle diese Daten auf den Maschinen gespeichert, sie lassen sich nutzen, um automatische Benachrichtigungen zu veranlassen sowie als Hilfe zur Installation von optimierten Wartungsroutinen. Die Equipmentlieferanten können solche Informationen ebenfalls heranziehen, um aus der Distanz festzustellen, ob ein Anwender eine bestimmte Serviceleistung benötigt, die für seine Arbeit von hohem Wert ist, bzw. hinzufügt und auch die Betriebskosten fürs Equipment reduziert. Die optimierten Wartungsabläufe, die Überwachung der Maschinentrends, vorhersehbare Fehlentwicklungen und die Planung von Korrekturmaßnahmen zum nächsten vorgesehen Servicetermin sind nur einige der Serviceleistungen, die von hohem Wert für Anwender sind. Doch ist dies nur möglich, wenn die durch die Maschinenplattform vorgegebene Infrastruktur in der Lage ist, die nötigen Informationen dem Servicecenter zur Verfügung zu stellen, und dieses dann Zugriff auf den Drucker hat.

In den künftigen bleifreien SMT-Fertigungen und Packaging-Prozessen führt der höhere Zinnanteil der Lotlegierung sowie die Verwendung von Silber und Kupfer zur Notwendigkeit, eine noch ausgefeiltere Materialverwaltung sowie Müll- oder Abfallreduzierung durchzuführen. Auch in Packaging-Prozessen, für die Pasten mit niedrigem Alpha-Wert benötigt werden, muss ebenfalls der Abfallanteil reduziert werden. Die bewährten, geschlossenen Druckkopfsysteme sind bestens geeignet, Pastenabfälle weitestgehend zu minimieren, während mit konventioneller Rakeltechnik hier ein großer Pastenanteil verlustig geht. DEKs geschlossenes Druckkopfsystem ProFlow kann sowohl bei Anwendungen auf Waferlevel als auch Prozessen mit Pasten für niedrigem Alphawert ausgezeichnet punkten, und Fertigungsabfälle daraus noch weiter reduzieren.

Präzise Hochleistungs-Schablonendrucker werden in USA, Europa und Asien seit einiger Zeit auch für Waferbumping und den Auftrag von Lotkugeln (Solder Ball Attach) eingesetzt. Für eine leichte und effiziente Linienintegration müssen die System-Schnittstellen natürlich die in der Halbleiterindustrie akzeptierten JEDEC-Standards einhalten. Dazu gehören jedoch auch solche De-facto-Standards in der Halbleiterfertigung wie die Auer-Boote, die man für den Transport von bereits vereinzelten Substraten/Komponenten zwischen den einzelnen Prozessschritten einsetzt. Dieses Equipment (Bild 5) ist beispielsweise kompatibel mit den FOUP-Behältern (Front Opening Unified Pod), Trägermechanismen und Kassetten für Wafer bis zu einem Durchmesser von 300 mm; es ist damit bewährter, integraler Bestandteil von hochautomatisierten Halbleiter-Fertigungsprozessen.

Zügig fortschreitende technologische Entwicklungen in der Steuerung von hochpräzisen Bewegungsabläufen, bei Handling-Schnittstellen (elektrisch und mechanisch), geschlossenen Druckköpfen, Post-Print-Verifikation sowie Absprung und Reinigung von Schablonen haben äußerst leistungsfähige Schablonendrucksysteme hervorgebracht, die völlig neue Akzente setzen. Hinzu kommt außerdem der radikal neue Ansatz, bei Bedarf die Anwender per Internet direkt in der Fertigung bei ihren Aufgaben zentral von einem Servicepoint aus zu unterstützen. Damit ist es nun möglich, mit modernen Hochleistungs-Drucksystemen eine weite Palette von früher nicht möglichen Aufgaben zu erfüllen, von der Arbeit auf Wafer-Level bis zu äußerst anspruchsvollen Baugruppenfertigungen mit nackten Dies und CSP-Bausteinen. Elektronikhersteller in allen diesen Bereichen werden damit in die vorteilhafte Lage versetzt, höchste Flexibilität, Kosteneffizienz sowie Prozesssicherheit zu erfahren wie sie bereits seit beinahe drei Dekaden in der SMT-Baugruppenfertigung bewährter Standard ist.

EPP 431