Neuland-Eroberung

Universal Instruments, Bad Vilbel

Für die Entwickler hochaktueller Produkte wie Mobiltelefone und Notebooks sind die Platz- und Gewichtseinsparungen bei passiven Bauteilen durch die 0201-Serie äußerst attraktiv (Bild 1). Das bereitet für diese Bauteile den Weg, auch in größerem Umfang für Konsumer-Elektronik und professionelle Produkte kostengünstig eingesetzt zu werden. Die meisten Schwierigkeiten in der Produktion von 0201-Bauteilen mit brauchbaren Toleranzen und zu akzeptablen Stückpreisen haben die Bauteilehersteller bereits gelöst. Jetzt aber muss die Bestückungsbranche noch zeigen, dass sie in der Bestückung und beim Lötprozess serienreife Qualität liefern kann, damit die 0201er den letzten Teil ihres Weges aus den Köpfen der Bauteilentwickler bis in die Hände der Endverbraucher erfolgreich gehen können.

Pick & Place stellt dabei die größte Herausforderung dar, und die meisten Fehler am Ende der Fertigungslinie lassen sich auf diesen Produktionsschritt zurückführen. Die vier typischen Bestückungsfehler sind wie gehabt: fehlendes Bauteil; Bauteil verkanntet; Bauteil steht auf dem Kopf; und Bauteil verfehlt die Lötstelle. Mit zunehmender Miniaturisierung der Bauteile und der Pads sowie der immer dichteren Architektur der Leiterplatten wird der Bestückungsprozess allerdings auch immer anfälliger für die kleinsten Fehler.

Komponentenabstände unter 0,2 mm gelten sowohl hinsichtlich des Fertigungsprozesses als auch der eigentlichen Bestückung als eine Herausforderung.

Für System-in-Package (SiP)-Anwendungen sind Bauteilabstände von 0,15 mm machbar. Der 0201-Formfaktor gestattet allerdings den Entwicklern, noch geringere Abstände von bis zu 0,1 mm anzusteuern (Bild 2); gleichzeitig muss die Bestückungszeit pro Bauteil deutlich verkürzt werden. Um dies möglich zu machen, müssen sowohl Hard- wie Software der heutigen Bestückungsmaschinen verbessert werden.

Bei den 0201-Fertigungsprozessen der ersten Generation traten mit 100 dpm (defects per minute) etwa doppelt so viele Fehler auf wie bei 0402 toleriert werden. Während also bei derart kleinen Bauteilen die Ausschussrate steigt, wird es zugleich immer schwieriger für die gegenwärtigen AOI-Systeme, die Fehler zu erfassen. Maschinenhersteller müssen also versuchen, die Fehlerrate zumindest auf das heute übliche Niveau bei der Bestückung mit 0402-Bauteilen, also etwa 50 dpm, zu drücken. Das Erreichen dieses Fertigungsstandards hängt bis zu einem gewissen Grad vom Design der Leiterplatten und dem jeweiligen Bestückungsprozess ab. Untersuchungen bei Universal Instruments in Binghamton, USA, ergaben allerdings, dass mit HSP- und Plattform-Bestückungsmaschinen der jüngsten Generation, wie AdVantis und GSM Genesis von Universal Instruments, 50 dpm zuverlässig zu erreichen sind. (Bild 3).

Die kleineren Abmessungen und die geringere Masse eines 0201-Bauteils selbst im Vergleich zu dem ihm verwandten 0402 sind der wahrscheinlichste Grund für den Anstieg der Ausschussrate. Da die Pipette fast die gleiche Größe hat wie das Bauteil, besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit, dieses auf dem Blistergurt zu verfehlen. Und wenn die Toleranz zwischen Bauteilgröße und Tasche im Gurt nicht vermindert wird, kann sich das Bauteil im Verhältnis zu seiner Größe zu stark darin bewegen. Auch kann elektrostatische Aufladung bei der Entfernung der Schutzfolie vom Blistergurt dazu führen, dass das Bauteil sich bewegt, bevor es aufgenommen werden kann. Die Übergabe des Bauteils von der Pipette auf die Leiterplatte – das hand-off – erfordert zudem eine höhere Genauigkeit der Bewegungssteuerung in der Z-Achse. Da die geringeren Abmessungen der Komponenten eine dichtere Packung auf der Leiterplatte erlauben, muss im Endeffekt die Genauigkeit der Bestückung für die 0201-Bauteile doppelt so hoch sein wie für die 0402er.

Mögliche Fehlerquellen bei der Bauteilaufnahme liegen schon in der Justierung des Zuführmoduls. Die Verdoppelung der Genauigkeit bei der Feeder-Justierung (im Vergleich zu dem, was für 0402 ausreicht) verursacht allerdings enorme Kosten, sowohl in der Konstruktion wie auch beim Material. Eine geringere Anzahl 0201-spezifischer Feeder-Anschlüsse mag diese Kosten begrenzen, macht aber das System weniger flexibel in der Planung. Wo geeignete Systeme on-board vorhanden sind, können diese genutzt werden, um die ungenaue Ausrichtung der Zuführmodule auszugleichen. Eine im Kopf integrierte und nach unten blickende Kamera kann zum Beispiel die Lage des Bauteils in der Gurttasche bestimmen und so die Anzahl von Fehlgriffen verringern. Als Nächstes muss die Post-Pick-Inspektion rasch und exakt die Ausrichtung und Position des Bauteils registrieren und die Bewegung in der X- und Y-Achse entsprechend steuern. Jeder dieser Schritte muss mit größter Genauigkeit ausgeführt werden, um zu garantieren, dass das Bauteil seinen Platz auf der Leiterplatte mit nicht mehr als ± 75 mm Toleranz bei Cpk 1,33 erreicht. Dies ist das minimale Niveau an Prozessleistung, bei dem 0201-Bestückung realistisch wird. Zu den Neuerungen, mit denen Universal Instruments größtmögliche Genauigkeit und Wiederholbarkeit bei der 0201-Bestückung erzielt, gehören eine „Look-before-pick“-Funktion, welche sicherstellt, dass die Bauteile gleich richtig zentriert aufgenommen werden, sowie ein ausgeklügeltes Kalibrierungsverfahren der Köpfe und Spindeln.

Nachdem das Bauteil aufgenommen, seine Ausrichtung geprüft und es über seinen Platz auf der Leiterplatte bewegt wurde, hängt die erfolgreiche Bestückung von einer sorgfältigen Abstimmung der Geschwindigkeit in der Z-Achse mit der Aufsetzkraft sowie der aufgetragenen Lotpastenmenge ab. Bis jetzt gehen die Meinungen über die richtige Lotpastenmenge für perfekte 0201-Verbindungen noch auseinander; verbindliche Schablonennormen sind noch nicht gefunden. Bis dahin empfehlen manche Experten, die Lotpaste großzügig aufzutragen, um die Wahrscheinlichkeit einer soliden Verbindung zu erhöhen. Ob sich dies am Ende als sinnvoll für die Bestückung von 0201-Komponenten erweist oder nicht, bedeutet es jedenfalls, dass die maximale Auslenkung der Pipetten, die Z-Achsen-Beschleunigung und Andruckkräfte sehr sorgfältig koordiniert werden müssen. Zu kraftvolles Aufsetzen verursacht Lotspritzer und erhöht das Risiko von Brückenbildung, welches durch die geringen Abstände zwischen den Bauteilen ohnehin verschärft ist. Ferner besteht die Neigung zur Bildung von Lotkügelchen. Außerdem können die empfindlichen 0201-Komponenten unter übermäßiger Krafteinwirkung leicht verbiegen oder brechen. Entscheidend für die Minimierung der Ausschussrate sind auch die Stabilität der Leiterplattenunterstützung sowie die Bewegung der Pipette beim Zurück- ziehen.

Die dichtere Packung der 0201-Bauteile macht schließlich auch neue Pipetten erforderlich, die auf die extrem engen Bauteilstandorte zugreifen können und dennoch mindestens so stabil und haltbar sind wie die derzeit etwa für die Montage von 0402– Komponenten verwendeten. Auf der Suche nach dem optimalen Verhältnis von Kosten und Qualität werden derzeit neue Formen, Fertigungstechniken und Materialien dafür untersucht.

So hat Universal Instruments zum Beispiel spezielle Pipetten mit Keramikspitze entwickelt, die die Realisierung des 50-dpm-Standards ermöglichen und eine Lebensdauer von etwa acht Millionen Zyklen haben. Die Investition in hochwertige Pipetten zahlt sich also für den Anwender durch nachhaltig gesteigerte Prozessleistung mit selteneren Unterbrechungen zum Austausch abgenutzter Pipetten aus. Bei einer Genesis GC-60-Maschine mit zwei 30-Spindel-Lightning-Köpfen erreichen Keramikpipetten zum Beispiel eine Lebensdauer von fünf Milliarden Zyklen.

Manche befürchten, dass die Umstellung auf den 0201-Formfaktor die Anschaffung kostspieliger neuer Maschinen erforderlich machen wird. Sicherlich wird es weder technisch möglich sein, geschweige denn ökonomisch, veraltete Maschinen nachzurüsten. Aber es lohnt sich zu überlegen, wie bereits vorhandene Systeme in Maschinen der neuesten Generation dazu genutzt werden können, die Bestückung von 0201-Komponenten zu ermöglichen. Wie gesagt, können Kameras im Bestückkopf dazu eingesetzt werden, die Justierung der Zuführmodule zu verifizieren, um das für 0201-Bauteile zu große Spiel der herkömmlichen Zuführmechanismen auszugleichen. Außerdem können lernfähige Computerprogramme etwaige Fehlstellungen der Feeder oder andere konstante Abweichungen korrigieren.

Software-Upgrades mit Selbstlern-Algorithmen können die Ergebnisse der optischen Inspektion bei der Überprüfung kleiner Bauteile verbessern und z.B. die Häufigkeit von „falschem Alarm“ reduzieren. Obwohl die Hersteller von 0201-Bauteilen bereits viele der bei einer derartig anspruchsvollen Technologie unvermeidlichen Probleme mit Qualitätssicherung und Wiederholgenauigkeit gelöst haben, muss immer noch mit gewissen Schwankungen in Form und Aussehen von Bauteil zu Bauteil gerechnet werden. Abgesehen von regelmäßiger Überprüfung der Zulieferer sowie Kontrolle der eingegangenen Ware, rüsten die Hersteller von Bestückungsmaschinen ihre Maschinen inzwischen mit lernfähigen Inspektionssystemen und Erkennungs-Algorithmen aus, mit denen derartige Schwankungen erkannt und ausgeglichen werden können. Die Auswertung des aufgenommenen Bauteilbildes in der Maschine lässt erkennen, ob es wirklich fehlerhaft ist oder nur unglücklich gegriffen wurde. Das unnötige Aussortieren von Bauteilen, die nur scheinbar fehlerhaft sind, hemmt die Produktion, da die Pipette jedesmal ein neues Bauteil aufnehmen muss; dies kann durch die Lernfähigkeit des Analyseprogramms weitgehend verhindert werden. Andererseits wäre der Einbau von unentdeckten fehlerhaften oder falsch eingepassten Bauteilen noch nachteiliger für die Produktivität.

Einige der existierenden Hardware-Subsysteme wird man allerdings austauschen müssen. Leistungsfähigere Optiken mit stärker vergrößernden Linsen werden für die Inspektion der 0201-Komponenten unverzichtbar sein. Da diese nur etwa halb so groß sind wie die gängigen 0402er, muss für eine ebenso genaue Inspektion der Vergrößerungsfaktor verdoppelt werden. Sowohl die Genesis GI-14 and GC-60, als auch die AdVantis AC-30L sind standardmäßig mit Optiken ausgestattet, die 0201er einwandfrei abbilden können.

Schließlich muss auch das Bewegungssteuerungs-System der Bestückungsmaschinen verbessert werden, um die erwünschte Genauigkeit und Wiederholbarkeit konsistent und schnell zu erreichen. Andere Plattformen, wie Schablonendrucker, arbeiten zum Beispiel bereits mit Linearantrieben und Absolut-Positionsgebern, um Wafer-Level-Genauigkeit von 1,66 Cpk und mehr zu erzielen. Es ist daher ein relativ kleiner Schritt, diese Technologien auch im Pick-&-Place-Bereich einzusetzen. Neue Maschinen für die 0201-Bestückung werden daher immer häufiger mit solchen Systemen ausgerüstet sein.

Den letzten Stand der Technik für die Bewegungssteuerung in High-Speed-Bestückern stellen derzeit Lösungen dar, die mit der von Universal Instruments patentierten VRM (variable Reluctance Motor)-Technologie arbeiten. Derartige Systeme sind bereits in den GSM und Genesis Plattformmaschinen zu finden und sind vor allem zur Steuerung des innovativen Lightning-Bestückungskopfes unentbehrlich. Die umfassende Erfahrung und gründliche Kenntnisse in der komplexen Steuerung der VRM-Technologie ermöglichen es, neue VRM-basierte Lösungen in kurzer Zeit zu entwickeln und so die essenziellen Voraussetzungen für eine kosteneffiziente Mengen-Bestückung von 0201-Komponenten – hohe Beschleunigung, extreme Positioniergenauigkeit und kurze Platzierungszeiten – zu schaffen. Die VRM-Technik ist überdies äußerst zuverlässig, da die Motoren systembedingt aus sehr wenigen Teilen aufgebaut sind (Bild 4).

Die Übergabe des Bauteiles, der Moment in dem die Pipette das Bauteil auf die Leiterplatte aufsetzt und zurückfährt, wird von den Maschinenentwicklern ebenfalls sorgfältig untersucht. Eine Optimierung der Geschwindigkeit der Pipettenbewegungen und der Kraft beim Aufsetzen des Bauteils ist ausschlaggebend, um Lotbrückenbildung, Lotkügelchen, Verkannten des Bauteils und Beschädigungen des Bauteils während der Platzierung zu verhindern. Geschlossene Regelkreise zur Steuerung der Z-Achsen-Bewegung werden bald Standard sein. Bei Universal Instruments ist dies bereits jetzt der Fall.

Bis jetzt ist es kaum möglich, signifikante Daten zur Leistung von Maschinen bei der Bestückung von 0201-Komponenten zu sammeln. Das liegt zunächst daran, dass sich das Bedienungspersonal noch nicht auf die Arbeit mit den neuen Komponenten eingespielt hat. Dadurch wird es schwieriger für die Maschinenhersteller, die Rentabilität von technologischen Weiterentwicklungen für die Plattformen der nächsten Generation abzuschätzen. Und auch für die Applikations- und Prozess-Ingenieure ist es nicht einfach, wirtschaftliche und stabile Prozesse zu entwickeln, mit denen die technologischen Neuerungen in der Produktion umgesetzt und genutzt werden können. Fest steht allerdings, nach den Erfahrungen des Unternehmens, dass die ersten kommerziellen 0201-Fertigungsprozesse von der optimalen Feinabstimmung der Balance zwischen Taktzeit und High-Speed-Durchsatz abhängen werden.

Entscheidungen hinsichtlich der Verbesserungen an Design und Topographie der Leiterplatten sowie bezüglich der günstigsten Eigenschaften und Dosierungen der Lotpaste stehen ebenfalls noch aus. Maschinenhersteller und Benutzer sammeln in diesen Bereichen noch immer Daten. Da die großen Maschinenhersteller bestrebt sind, immer die kostengünstigste Lösung zur effektiven und reproduzierbaren Bestückung von 0201-Komponenten auf den Markt zu bringen, werden Änderung an den oben genannten Parametern auch immer wieder Konstruktion und Eigenschaften künftiger Bestückungsautomaten verändern.

Während das Hauptaugenmerk auf Präzision und Wiederholgenauigkeit der Bestückung liegt, muss diese trotzdem mit einer realistischen Geschwindigkeit geschehen. In dieser Hinsicht stellen die 0201-Bauteile eine viel größere Herausforderung dar als etwa die BGAs oder QFPs, da von diesen normalerweise nur einige wenige pro Leiterplatte aufgebracht werden müssen, während es bei den 0201 einige hundert oder gar tausend sein können. Da der kumulative Effekt einer Verlangsamung der Bestückung des einzelnen Bauteils, also entsprechend größer ist, müssen 0201-Komponenten mit Chip-Shooter-Geschwindigkeit platziert werden. Übrigens muss auch die Prozessorleistung der Elektronik in den Bestückungsmaschinen gesteigert werden, um die komplexeren, lernfähigen Algorithmen ausführen zu können, ohne die Zykluszeit zu verlängern.

Um eine stabile und schnelle Bestückung von 0201-Bauteilen zu gewährleisten, sind neue Bestückungstechnologien und Leistungsmerkmale erforderlich, und es ist nicht sinnvoll oder möglich, in die Jahre gekommene Plattformen dafür aufzurüsten. Während die weitere Entwicklung beträchtliche Veränderungen bei der Bewegungssteuerung, den AOI-Systemen, dem Feeder-Design und bei grundlegenden Aspekten der Konstruktion von Bestückungsmaschinen bringen wird, dürften zwischenzeitliche Maschinengenerationen durchaus heute existierende Systeme nutzen (sofern verfügbar), um das Verifizieren und Ausrichten der Bauteile zu verbessern und damit die Bestückung von 0201-Bauteilen auf Maschinen möglich zu machen, die heute schon in den Katalogen der Anbieter von Bestückungsmaschinen gelistet sind. Die Pipetten müssen an die hohen Packungsdichten angepasst werden, während die Geschwindigkeit der Pipettenbewegungen und die Aufsetzkräfte voraussichtlich reduziert werden müssen.

Neben der Frage, wie man die Bestückungsmaschinen und -prozesse am besten für das 0201-Zeitalter fit macht, dürfen natürlich die Kosten für die Hochleistungs-Pipetten, für neue Softwaretechniken und die erforderliche höhere Prozessorleistung, für die Entwicklung und Fertigung hochpräziser Feeder sowie für modernste Linearantriebe nicht aus den Augen verloren werden, denn sie beeinflussen die Kosten pro Bestückung in erheblichem Maße. Letztlich wird diejenige Lösung die erfolgreichste sein, welche die geforderte Prozessleistung und eine Fehlerquote von 50 dpm bei den geringsten Kosten pro Bestückung bietet.

Bei der Beurteilung der Frage, ob 0201-Bauteile im Vergleich zu 0402-Bauteilen mit der gleichen Geschwindigkeit und Ausbeute sowie vergleichbaren Bestückungskosten pro Bauteil verarbeitet werden können, spielen Qualifikation und Ausbildungsstand des Bedienungspersonals eine wichtige Rolle. Ist diese sichergestellt, sollten sich Bestückungsunternehmen und Maschinenlieferant zusammensetzen, um den kostengünstigsten Weg zur High-Speed-Bestückung von 0201-Bauteilen auf Maschinen der neuesten Generation zu finden und zu beschreiten.

EPP 421