Lötpasten-/Flux-Inspektion mit UV-Fluoreszenz AOI — Unsichtbares sichtbar machen

Wie in Advanced Packaging, September 2004, erschienen – von George T. Ayoub

Die Inspektion von Flussmittel stellt für Flip-Chip- und BGA-Assembler seit Langem eine Herausforderung dar, da Inspektionssysteme – einschließlich AOI (Automated Optical Inspection) – nicht in der Lage sind, das Material genau zu erkennen und es daher bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Liniengeschwindigkeit zuverlässig zu inspizieren. Insbesondere bei Flip-Chips ist die Inspektion des Flussmittels ein wichtiger Bestandteil der Prozesskontrolle und kann dazu beitragen, kostspielige Fehler zu vermeiden. Glücklicherweise ist eine maschinelle Bildverarbeitungslösung, die UV- (Ultraviolett-) Beleuchtung verwendet und über viele Jahre Forschung entwickelt wurde, in der Lage, Defekte in Flussmittelablagerungen zu erkennen. Diese Technik, die sich nun seit mehr als drei Jahren in Hochvolumen-Fertigungsumgebungen bewährt hat, ersetzt das sichtbare AOI-Licht durch spezialisiertes UV-Licht, das auf die Eigenschaften des Substrats und des Flussmittels abgestimmt ist, um optimale Inspektionsergebnisse zu erzielen.

♦ Bedeutung der Flussmittelinspektion in der BGA/CSP-Montage

Flussmittel spielt eine entscheidende Rolle in der Prozessdynamik der BGA/CSP-Baugruppenmontage. Eine Vielzahl von Defekten im Endprodukt kann auf eine mangelhafte Flussmittel- oder Pastenablage zurückgeführt werden. Einige der Defekte im Endprodukt entstehen beispielsweise durch eine schlechte Ausrichtung des Flussmittels in Bezug auf die vorgesehenen Pads, unzureichende Dicke/Menge des Flussmittels, übermäßige Menge an Flussmittel oder durch Verschmierungen. Die Erkennung dieser Gut/Schlecht-Fehlerarten (Attributdaten) in einem frühen Prozessstadium reduziert die Montagekosten erheblich. Darüber hinaus würden viele Hersteller zustimmen, dass es wichtig ist, den Prozess der Flussmittelablage anhand relevanter Messgrößen zu kontrollieren, um Trends zu erkennen und Fehler bereits im Vorfeld zu vermeiden. Dies erfordert ein System, das die Schlüsselvariablen des Prozesses messen kann (variable Daten). Durch die Bereitstellung von Echtzeitinformationen zu wichtigen Prozessparametern können Hersteller Korrekturmaßnahmen ergreifen und Ausschuss sowie Produktionsverluste verhindern.

♦ Technologische Herausforderungen: Das Unsichtbare sichtbar machen.

Die Inspektion von Flussmittel war für AOI-Hersteller eine große Herausforderung, da sichtbares Licht nicht in der Lage ist, das Flussmittelmaterial ausreichend abzubilden und somit zu inspizieren. Sowohl hoch- als auch niedrigwinklige Beleuchtungen im sichtbaren Spektrum weisen ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis zwischen Flussmittel und Hintergrund auf. Wird das Flussmittel jedoch mit UV-Licht beleuchtet, fluoresziert es im sichtbaren Bereich, und das Signal kann mittels geeigneter Filter erfasst werden, die jedes Hintergrundlicht eliminieren, das nicht vom fluoreszierenden Flussmittel stammt. Unter diesen Bedingungen wird das Signal-Rausch-Verhältnis zwischen Flussmittel und Hintergrund erheblich verbessert. Der Schlüssel zur Erzielung eines guten Signal-Rausch-Verhältnisses liegt im richtigen Design der Filter und Beleuchtung – die proprietär sind – und sowohl an das Flussmittel selbst als auch an das Hintergrundmaterial (Keramik und möglicherweise FR4) angepasst werden, während gleichzeitig sichtbares Hintergrundlicht eliminiert wird. (Siehe Abbildung „A“ – Bilder unter sichtbarem Licht versus UV-Licht.)

♦ Herausforderung: Geschwindigkeit und Auflösung für ein In-Line-System.

Parameter der Bildaufnahme spielen eine wichtige Rolle für die Leistungsfähigkeit des Systems. Zwei wichtige Parameter sind die Inspektionsgeschwindigkeit und die richtige optische Vergrößerung (Auflösung). Beide stehen miteinander in Beziehung, da die Aufnahmegeschwindigkeit umgekehrt proportional zur Anzahl der aufgenommenen Pixel ist, die wiederum linear mit dem Quadrat der Vergrößerung variiert. Außerdem erfordert die Beleuchtung kleiner Bereiche eine hohe Lichtmenge und eine ausreichende Pixelanzahl auf dem Zielbereich. Die Anforderungen, mit sehr schnellen Taktzeiten Schritt zu halten und gleichzeitig eine hohe Auflösung zu erreichen, wurden durch den Einsatz mehrerer Kameraköpfe, geeigneter Beleuchtung mittels UV-Dioden und spezialisierter Elektronik erfüllt. Mehrere Kameraköpfe (in diesem Fall drei) erweitern das Sichtfeld von quadratisch zu rechteckig, ohne die Auflösung zu beeinträchtigen. Die spezialisierte Elektronik ermöglicht der Kamera eine parallele Aufnahme und passt deren Geschwindigkeit an die Prozessorgeschwindigkeit an. Der Einsatz von UV-Dioden gewährleistet die Langlebigkeit und Stabilität des Systems im Laufe der Zeit, was äußerst wichtig ist, wenn ein Inspektionsprogramm ohne Änderungen auf verschiedenen Systemen oder Fertigungslinien laufen muss.

Das System ist außerdem in der Lage, Pastenparameter unter UV- und/oder normalem sichtbarem Licht zu messen, was es extrem nützlich für die Kontrolle des Pastenauftragsprozesses macht. Die Algorithmen, die Position, Fläche, Pad-Bedeckungsgrad und Helligkeit extrahieren, basieren auf Blob-Analyse und werden nur in den relevanten Bereichen angewandt.

♦ Fehlererkennung, Messgrößen und SPC

Durch die Verwendung der UV-Fluoreszenztechnik geht das System über die reine Erkennung von Gut/Schlecht-Attributen hinaus und unterstützt die Ertragssteigerung durch SPC-Techniken basierend auf gemessenen Variablen. Es misst Position, Fläche, Pad-Bedeckungsgrad und Helligkeit des aufgetragenen Flussmittels. Die Helligkeit wird durch die Berechnung des Median-Grauwerts des Pastenblobs bestimmt. Obwohl es ideal wäre, Höhe und Volumen des Flussmittels zu nutzen, hängen diese Messungen bei der hier verwendeten UV-Technik stark von den Eigenschaften des Flussmittels und des Hintergrundmaterials ab und können daher nicht immer als absolute Messgrößen betrachtet werden. Es gibt gute logische Gründe, die durch Experimente unterstützt werden und bestätigen, dass die Helligkeit mit der Höhe des Flussmittels korreliert. Tatsächlich hängt die Helligkeit von der Menge des fluoreszierenden Materials im Flussmittel ab und sollte daher linear mit dem Volumen variieren. Diese Linearität ist jedoch nicht immer garantiert und hängt von der Umgebung ab. Daher ist Vorsicht bei der Interpretation der gemessenen Helligkeit geboten, da auch andere Materialien fluoreszieren und zum Rauschen beitragen können. Die beschriebene Methode hat sich in der Produktionsumgebung bewährt, wobei Helligkeit, Position, Fläche und Pad-Bedeckungsgrad als Messparameter genutzt werden, um eine logische und geeignete Methode zur Kontrolle der Endqualität des Prozesses mittels SPC bereitzustellen.

In der Produktionsumgebung hat sich eine Echtzeit-Prozesskontrolle als wertvoll erwiesen, da Trends erkannt und Fehler vermieden werden können (siehe Abbildung „B“ – Echtzeitdaten-Diagramme), und ist ein integraler und entscheidender Bestandteil des Systems. Abhängig von der Alarmeinstellung kann das System die Linie stoppen oder eine gelbe oder rote Warnleuchte für den Bediener einschalten.

♦ Fazit

Die beschriebene Technik hat sich über mehr als drei Jahre in der Inline-Inspektion bewährt. Das System ist prozessfähig mit GRR-Werten im Bereich von 2,5 % bis 8. Es kann mit relativ hohen Produktionsgeschwindigkeiten Schritt halten und erreicht gleichzeitig eine Falschalarmrate von 10 bis 20 ppm sowie eine Fehlakzeptanzrate von weniger als wenigen ppm. Durch das frühzeitige Erkennen von Defekten und die Kontrolle von Trends mittels SPC wurden gute Ergebnisse erzielt. Zukünftige Arbeiten zielen darauf ab, das Signal-Rausch-Verhältnis weiter zu verbessern und die Anwendung dieser Technik auf verschiedene Substrate und Flussmitteltypen auszuweiten.

Referenzen

Reliability and Yield in Flip-Chip Packaging, Alan Lewis, Ed Caracappa, Lawrence Kessler, 1998_11_hdi_flip_chip_reliability.pdf