Inspektion von Post-Wire-Bond Verbindungen: Ein AOI-Ansatz
Wie in Advanced Packaging Magazine, April 2006 erschienen
von Dr. George T. Ayoub, Präsident & CEO, MVP Inc.
Die Wire-Bond-Technologie wird in vielen Sektoren der Elektronik-Packaging-Industrie auch in absehbarer Zukunft weiterhin florieren. Wichtige Trends in dieser Branche waren über die Jahre hinweg ein kontinuierlicher Anstieg der Anzahl von Interverbindungen, die Miniaturisierung von Schaltungen, die zunehmende Betonung der Branche auf Montagegeschwindigkeit sowie die Kostensenkung pro Interverbindung. Drahtbondmaschinen haben mit diesen Trends Schritt gehalten und sind heute hochentwickelt, zuverlässig, schnell und präzise. Dennoch fehlt der Wire-Bond-Inspektion ein Mittel, um die Prüfung zu automatisieren und die Integrität von Wire-Bond-Interverbindungen sicherzustellen, welche die Qualität des Endprodukts unmittelbar beeinflusst. Da die Anzahl der Interverbindungen steigt, vervielfacht sich die Wahrscheinlichkeit, ein defektes Bauteil zu erzeugen. Da das Wire Bonding am Ende des Produktionsprozesses stattfindet, sind die Kosten einer schlechten Interverbindung im Vergleich zu einem Defekt, der früh im Prozess erkannt und korrigiert werden könnte, sehr hoch. Eine schlechte Interverbindung stellt daher ein Risiko dar, das die Kosten und die Qualität des Produkts beeinträchtigt.
Derzeit sind die meisten Inspektionsmethoden für Wire Bond manuell und verwenden eine visuelle Prüfung unter einem Mikroskop, Kontaktinspektion oder halbautomatisierte Inspektion mit Hilfe eines optischen oder Röntgensensors. Diese Inspektionsmethoden sind langsam, arbeitsintensiv und teuer. Aufgrund dieser Einschränkungen werden sie häufig nur zur Stichprobenprüfung eingesetzt. Manuelle Methoden – sowohl visuelle als auch sensorunterstützte – sind alles andere als perfekt und leiden unter der inhärenten Variabilität menschlicher Inspektion. Aufgrund des Fehlens automatisierter Messungen sind sie subjektiv und abhängig vom Bediener. Die Kontaktinspektion prüft die Festigkeit der Drahtverbindung durch physischen Kontakt. Diese Methode ist langsam und birgt die Gefahr physischer Beschädigung durch Kontakt oder potenziell elektrostatische Schäden. All diese Methoden sind zudem auf die Wire-Bond-Inspektion beschränkt, was eine weitere Schwäche darstellt. Die Fähigkeiten eines Inspektionswerkzeugs sollten auch die Messung der Die-Platzierung und die Prüfung der Lötstellenqualität anderer Bauteile in der Nähe der Drahtbondverbindungen umfassen. Es besteht heute ein dringender Bedarf an einer effizienten und zuverlässigen Inspektionsmethode, die effektiv, sicher, zuverlässig, messgetrieben, fähig zur Erkennung aller Wire-Bond-Fehlermodi, vielseitig genug für die Messung und Inspektion anderer elektronischer Komponenten und schnell genug ist, um mit der Produktion mitzuhalten und gleichzeitig 100 % der Produkte zu prüfen.
Parallel zur Entwicklung in der Packaging-Industrie hat sich die regelbasierte automatische optische Inspektion (AOI) als effektive Prüf- und Messmethode für alle Prozessschritte in der Leiterplattenmontage etabliert. AOI hat sich als zuverlässiges Werkzeug für die Prüfung von Lotpaste, Bauteilplatzierung und Lötstelleninspektion erwiesen und wird weit verbreitet eingesetzt, um Qualität zu verbessern und Montagekosten zu senken. Bemerkenswerte Fortschritte in der AOI wurden durch Verbesserungen in der Kameratechnologie und durch die Verfügbarkeit schneller und kostengünstiger Rechenplattformen ermöglicht. Moderne AOI verwendet schnelle, empfindliche Kamerasensoren und eine Vielzahl programmierbarer LED-Beleuchtungen, angetrieben von ausgefeilten Algorithmen zur Inspektion und Messung, und ist in der Lage, Anforderungen für 100%-Inspektion bei Produktionslinienspeed zu erfüllen. Dies hat zu erhöhter Fehlerabdeckung, höherer Inspektionsgeschwindigkeit und weniger Fehlannahmen und Fehlablehnungen geführt. Auch der Programmieraufwand ist über die Jahre einfacher geworden, was zu ihrer breiten Anwendung beiträgt. Die Frage stellt sich daher zwangsläufig: Kann die AOI-Technologie eine Basis bilden, um die hohen Anforderungen der Post-Wire-Bond-Inspektion zu erfüllen?
Die Antwort auf diese Frage lautet „ja“. In der Vergangenheit konnte die AOI-Industrie die Anforderungen der Post-Wire-Bond-Inspektion nicht erfüllen. Bis vor Kurzem gab es kein universelles Gerät, das alle diese Anforderungen erfüllen konnte. Nun wurde ein Werkzeug eingeführt, das eine nützliche Lösung für viele Aspekte der Post-Wire-Bond-Inspektion bietet. Die Fähigkeit, den Draht vom komplexen, variierenden Hintergrund zwischen Die und Pad zu extrahieren, ist ein wichtiger Aspekt der Post-Wire-Bond-Inspektion. Das Erreichen dieser Aufgabe erfordert intelligente Beleuchtungs- und Inspektionsalgorithmen, die zusammenarbeiten und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zwischen Draht und Umgebung erhöhen. Das Inspektionswerkzeug verwendet einen großen Farbkamera-Sensor und kundenspezifische, programmierbare farbige LED-Beleuchtungen in verschiedenen Winkeln relativ zum Wire Bond. Die metallische Oberfläche des Drahtes reflektiert das Licht und kann je nach Höhe des Beleuchtungswinkels schwarz oder weiß erscheinen. Der Schlüssel zur Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses liegt in der Nutzung aller Beleuchtungswinkel, um den Draht besser vom Hintergrund zu extrahieren. Diese Aufgabe wird durch proprietäre, ausgefeilte Algorithmen erfüllt, die eng mit der Beleuchtung zusammenarbeiten. Der Algorithmus prüft, ob der Draht in der richtigen Region auf Die und Pad registriert ist. Anschließend bewertet er die Qualität der Verbindung auf Die und Pad und prüft auf Kratzer in diesen Bereichen. Danach wird der Draht verfolgt und auf Kontinuität, Geradlinigkeit und maximale Abweichung von einer geraden Ausgleichslinie untersucht. Die Schlaufenhöhe wird überprüft, um sicherzustellen, dass sie innerhalb der vorgegebenen Toleranz liegt, basierend auf der Drahtreflexion bei unterschiedlichen Beleuchtungswinkeln. Alle Algorithmen verwenden digitale Filter in einer sequenziellen Weise, um Merkmale zu extrahieren und anhand von Messungen in jedem Schritt Signaturen zu analysieren.
Die Verschiebung und Rotation des Dies im Verhältnis zu seiner idealen Position wird mit Sub-Pixel-Genauigkeit gemessen, wobei viele Fenster um die Kanten herum verwendet werden, um Fehler zu minimieren. Die Registrierung des Dies basiert auf der Genauigkeit der Bühne sowie auf präzisen Fiduzial- und CAD-Informationen. Das Werkzeug kann auch die Position anderer Bauteile im Schaltkreis messen und die Qualität der Lötstellen beurteilen und Defekte kennzeichnen.
Der großformatige Sensor und der proprietäre Frame Grabber ermöglichen die Erfassung von Bildern „on the fly“, während die Kamera sich bewegt, sodass Anforderungen an Auflösung und Geschwindigkeit erfüllt werden. Das Sichtfeld ist klein, um eine ausreichende Anzahl von Pixeln auf dem Ziel sicherzustellen. Zudem ist das System mit einer Beleuchtung ausgestattet, um Bildqualität und Tiefenschärfe zu gewährleisten. Der Beleuchtungs- und Algorithmusansatz ist für dünne und dicke Drähte gleich, jedoch unterscheidet sich die Kamerauflösung, gemessen in μm/Pixel, je nach Fall, um die Inspektionsgeschwindigkeit zu optimieren (Abbildungen 1 und 2).
Das Werkzeug geht über die Erkennung von Gut/Schlecht-Defekten hinaus und unterstützt die Erhöhung der Ausbeute durch statistische Prozesskontrolle (SPC) sowohl für Attribut- als auch für Messvariablen. Das SPC-Paket ist ein integraler Bestandteil des Werkzeugs und verfolgt jede Messung in Echtzeit, sodass der Bediener Korrekturmaßnahmen ergreifen kann, wenn Grenzwerte überschritten werden. Die Vermeidung von Fehlern ist entscheidend, um den Prozess unter Kontrolle zu halten. Abhängig von der Alarmeinstellung kann das System die Linie stoppen und eine gelbe oder rote Anzeige einschalten, um dem Bediener visuelles Feedback zu geben.
Vorläufige Ergebnisse zeigen die Fähigkeit des Werkzeugs, Drähte mit Dicken zwischen 0,5 und 10 mil zuverlässig zu verfolgen, selbst bei komplexen Hintergründen. Die gemeldeten Werte für Messgenauigkeit und Wiederholbarkeit zeigen, dass die Die-Verschiebung mit einer Genauigkeit von <10 μm bei drei Standardabweichungen gemessen werden kann und die Rotation mit <0,05°. Diese Innovation ist ein erster Versuch, die Herausforderung der Post-Wire-Bond-Inspektion zu meistern. Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, das Signal-zu-Rausch-Verhältnis weiter zu verbessern, die Fehlerabdeckung für Post-Wire-Bond auf mehrere Ebenen auszudehnen und die Inspektionsgeschwindigkeit zu erhöhen.
