Wafer zuverlässig handeln

Michael Klausnitzer, Sick, Waldkirch

Wafer beziehungsweise Substrate sind die Träger einer großen Anzahl elektronischer und integrierter Schaltkreise – den ICs, die später für die Herstellung unterschiedlichster elektronischer Geräte verwendet werden. Die Fertigung der Wafer erfolgt in zahlreichen Stufen, wobei sie nach jedem Bearbeitungsprozess geprüft werden müssen. Dies geschieht in der Regel durch Automaten mit integrierten Handlings- und Prüfsystemen.

Der Wafer-Loader von Ingenia ist einer Mikroskop-Prüfeinheit vorgeschaltet. Das Entnehmen und Wiedereinsetzen der Wafer erfolgt in Doppelspielen. Die Greifeinheit entnimmt eine Substratscheibe und transportiert diese durch eine 180°-Drehung zum Kameraprüftisch. Gleichzeitig nimmt ein gegenüberliegender Greifer den geprüften Wafer und setzt diesen millimetergenau wieder in die Kassette ein. Durch diese Doppelspiele wird eine hohe Taktzahl erreicht, bis zu 120 Wafer können pro Stunde der Prüfeinheit zugeführt werden.

Die Besonderheit der Anlage liegt im Greifer-Konzept. Die Wafer werden nur an ihrer Kante gegriffen und nicht wie sonst häufig unterfahren. Dadurch ist das Risiko von Beschädigungen reduziert. Zudem ist es möglich, die Wafer individuell aus der Transportkassette zu entnehmen beziehungsweise dort wieder einzusetzen. Eine separate Arbeitskassette mit größeren Lageabständen der Wafer zueinander ist nicht mehr erforderlich, wodurch der Loader kompakter aufgebaut ist.

Bis zu 25 Wafer sind in einer Kassette gestapelt. Die rund polierte, teilweise nicht kontinuierliche Kantenstruktur der Wafer oder das Vorhandensein von abgeschrägten Kanten (Flats) oder Aussparungen (Notches), erfordert ein sicheres Erkennen, da die Remissionsrichtung eines Lichtpunkts wegen dieser undefinierten Kantenstruktur eine große Streuung aufweist und sich ein Erkennen der Wafer somit schwierig gestaltet. Gelöst wurde die Aufgabenstellung mit einem Lichttaster der Laserbaureihe W12-2. Die Optik des Sensors wurde für die Applikation so modifiziert, dass sie eine etwa 5 mm lange, aber nur 1 mm dicke Lichtlinie erzeugt. Da die Kante nun eine Lichtlinie, also eine Vielzahl von Lichtpunkten remittiert, ist statt einem eher zufälligen ein zuverlässiges Erkennen der Wafer und damit ein sicheres Schaltverhalten des Lasertasters gewährleistet. Die Anwesenheit und die Lage jedes Wafers in der Kassette wird somit präzise detektiert und der Prüfeinrichtung übermittelt – die Anlage kann somit keinen Prüfling übersehen. Wahlweise kann das Erkennen von Einzel- oder Doppelkanten eingestellt werden.

Mit der Baureihe W12 L-2 steht eine komplette Lichtschrankenfamilie mit Lasertechnik und unterschiedlichen Reich- beziehungsweise Tastweiten für vielfältige Anwendungen zur Verfügung. So lassen sich in der Elektronikfertigung Be- und Entladesysteme, Transport-Wende- und Dreheinrichtungen sowie Puffer- und Portalsystem für die Elektronikfertigung durch die Schaltsignale der Laser-Lichtschranken und -taster steuern. Hinzu kommen umfangreiche Prüfmöglichkeiten wie zum Beispiel die exakte Erkennung kleinster elektronischer Bauteile auch bei hohem Maschinendurchsatz. Möglich ist dies durch den extrem kleinen Lichtfleckdurchmesser, der im Fokus 0,1 mm Durchmesser aufweist. Dadurch wird das Erkennen auch kleinster Gegenstände bei maximalen Schaltfrequenzen von 2,5 kHz möglich. Zudem sorgen drehbare Steckanschlüsse für eine flexible Wahl des Montageorts und der Kabelverlegung. Anzumerken ist, dass es sich beim Lichtsender um einen Laser der Schutzklasse 2 handelt. Das bedeutet, dass für den Einsatz der Sensoren keine weiteren Schutz- und Vorsichtsmaßnahmen seitens der Maschinenbetreiber erforderlich sind.

Kommen neben der reinen Detektion auch noch mikrometergenaue Messaufgaben hinzu, können die Diplacement-Sensoren der OD-Baureihe von Sick zum Einsatz kommen. Diese werden in der Elektronikindustrie zum genauen Tasten und Messen in der Produktion, der Prüfung und dem Handling elektronischer Bauteile und Komponenten eingesetzt. Bei den Geräten befinden sich Optik und Auswertung in einem einzigen Gehäuse. Sie sind so im „Einzeleinsatz“ ohne ein zusätzliches Steuergerät in der Lage, kleinste Objekte zu erfassen und ihre Höhe beziehungsweise Entfernung präzise zu erfassen. Dafür stehen ein Schalt- und ein Analogausgang zur Verfügung. In Verbindung mit der Auswerteeinheit ODC, an der bis zu zwei dieser Sensoren angeschlossen werden können, bieten sich vielerlei Möglichkeiten ei-ne Messwertvorverarbeitung, wie beispielsweise eine Dickenmessung oder Spitzenwerterfassung, durchzuführen. Die Messwerte können von dort über eine RS-232-Schnittstelle oder die integrierte Schnittstelle Profibus-DP an die überlagerte Steuerung ausgegeben werden.

Expertenschätzungen und Marktuntersuchungen zufolge wird etwa jeder dritte Displacement-Sensor in der Elektronik- und Halbleiterindustrie eingesetzt. Entsprechend zahlreich sind die Einsatzbeispiele:

• Messung der Dicke von Wafern, Keramik- und Siliziumsubstraten,

• Höhenregelung der Lötwellen in Reflow-Lötautomaten,

• Überprüfung von IC-Kontakten,

• Anwesenheitskontrolle von elektronischen Bauteilen wie Widerständen, Kondensatoren u. a.,

• Erkennung von Kunstharzbeschichtungen,

• Bestimmung der Verwerfung von Leiterplatten,

• Prüfung von Relaiskontakten und Batteriepolen sowie

• Erkennung fehlender ICs.

Je nach Aufgabenstellung sind unterschiedliche Merkmale der OD-Sensoren von entscheidendem Vorteil. Die hohe Fremdlichtsicherheit sorgt dafür, dass das Streulicht glänzender Oberflächen von Wafern oder Lötbädern die Präzision der Messung nicht beeinträchtigt. Müssen IC-Kontakte auf Anwesenheit aller „Beinchen“ oder Leiterplatten auf Vorhandensein von Bauteilen überprüft werden, kommt es auf die Detektierbarkeit mehrfarbiger Oberflächen an. Diese ist zuverlässig gegeben, wenn der Remissionswahlschalter der Sensoren auf Automatikbetrieb eingestellt ist. Da die OD-Sensoren auch auf schwarz spezifiziert sind, können auch reflexionsarme Oberflächen, wie beispielsweise Kunstharz-Vergussmassen zum Schutz von ICs nach dem Bonden, erfasst werden. Besitzt die zu detektierende Oberfläche Konturen, wie etwa beim Fehlen eines ICs auf einem Blistergurt oder beim Prüfen von Relaiskontakten, sorgt der Halteeingang der OD-Sensoren dafür, dass Messfehler an Kanten und Übergängen vermieden werden. Dabei können bereits Höhenunterschiede von 100 µm bei einer Ansprechzeit von 1 ms erfasst werden. Für raue Oberflächen, zum Beispiel bei der Messung der Dicke von Epoxidharz-Platten oder dem Erkennen der Durchbiegung von Leiterplatten während der Bestückung, steht mit dem OD 25 ein Displacement-Sensor mit LED-Lichtquelle zur Verfügung. Diese erzeugt einen Lichtfleck auf dem Tastgut, der trotz Unebenheit oder Rauheit eine zuverlässige Messung sicherstellt.