Mess- und Inspektionsanwendungen in der Packaging-Fertigung
von Dr. George T. Ayoub, President & CEO, MVP Inc.
Hochgeschwindigkeits-AOI-Inspektionslösungen werden seit über zwei Jahrzehnten in mehreren Industriesektoren wie der traditionellen SMT-Fertigung, der Automobilindustrie und der Leiterplattenherstellung sehr gut angenommen. Die innovativen Lösungen, die eingebaute Qualität, die Zuverlässigkeit, der geringe Wartungsaufwand und die modernsten Hochgeschwindigkeits-Inspektionsfunktionen haben zahlreiche Branchenführer und Hochvolumen-Fertigungsunternehmen auf der ganzen Welt angezogen.
Im vergangenen Jahr führte MVP eine weitere innovative Produktlinie ein, die die AOI-Technologie in mehreren Elektronikindustriezweigen revolutioniert hat. Diese auf Verpackungsanwendungen ausgerichtete neue Plattform wurde entwickelt, um die komplexen Anforderungen der heutigen Hochvolumen-Fertigungsprozesse zu erfüllen und zu übertreffen. Die konfigurierbare Natur der Plattform macht sie zu einer idealen Hochgeschwindigkeits-AOI-Lösung für viele Anwendungen in komplexen und hybriden C4- und SMT-Fertigungslinien.
♦ Eine neue Inspektionsplattform für Verpackungsanwendungen
Die Marktnachfrage nach neuen Elektronikprodukten hat stark zugenommen, begleitet von dem Wunsch nach eleganten Funktionen, Mobilität und steigender integrierter Funktionalität. Aggressive Designanforderungen erfordern kleinere Formfaktoren, was eine Schrumpfung in allen drei Dimensionen erzwingt. Integrierte Funktionalität wiederum führt zu einer höheren Mischung aus SMT-Bauteilen mit kleineren Merkmalen und niedrigeren Profilen. Dieser Trend stellt eine erhebliche Herausforderung für die Produktintegration dar, insbesondere im Bereich der Packaging-Montage.
Echtzeit-Inspektion mit den richtigen „Hooks“, also Mechanismen zur Bereitstellung sinnvoller Rückmeldungen und leicht verständlicher Ausgabedaten, kann es komplexen Fertigungslinien nun ermöglichen, die Steuerung von Prozessen flussauf- und flussabwärts effizienter zu gestalten – hinsichtlich Linienausbeute, Auslastung, Gesamtproduktivität und Rentabilität. Die Plattform wurde unter Berücksichtigung all dieser Aspekte entwickelt, um die AOI-Anforderungen von heute und morgen zu erfüllen.
Eine konfigurierbare Plattform, abhängig von der Anwendung, verwendet verschiedene elektrooptische und/oder Material-Handhabungssysteme, die kombiniert werden können, um unterschiedliche Verarbeitungsanforderungen zu erfüllen. Die Basisplattform ist jedoch für alle Anwendungen identisch. Diese Gemeinsamkeit zwischen verschiedenen Konfigurationen verbessert die Gesamtnutzung komplexer Fertigungslinien. Sobald die grundlegende Schulung abgeschlossen ist, können Bediener mit minimalem zusätzlichen Training zwischen Prozessen wechseln, da das gleiche Betriebssystem und die gleiche Benutzeroberfläche über alle Konfigurationen hinweg genutzt werden. Weitere Vorteile ergeben sich beim Ersatzteilmanagement und der Gerätewartung. Ein sehr großer Anteil der Komponenten ist in allen Konfigurationen identisch, was letztlich das Ersatzteilmanagement erleichtert, die Fehlersuche verbessert und die regelmäßige Wartung vereinfacht.
Alle Konfigurationen sind mit einer massiven Granitplattform ausgestattet, um die Inspektionspräzision zu steigern. Ein hochpräziser Rahmen zur Ergänzung der Granitplattform, eine einzelne 4-Megapixel-Farbkamera und programmierbare LED-Beleuchtung ermöglichen wiederholbare Hochgeschwindigkeits-Bildaufnahme im Durchflugverfahren mit einer Auflösung von 3–25 µm pro Pixel. Eine telezentrische Linse ist optional verfügbar, um die Inspektionsgenauigkeit weiter zu erhöhen, wenn bestimmte Anwendungen dies erfordern.
Besondere Aufmerksamkeit wurde dem Material-Handhabungssystem gewidmet, um maximale Flexibilität sicherzustellen und die JEDEC-Tray-Standards, Metallträger, nackte Leiterplatten sowie dünne Streifen zu unterstützen. Alle Plattformen können als Einzel- oder Doppelliniensysteme konfiguriert werden. Stützpfeiler und automatische Leiterplattenklemmung sind optional erhältlich, um eine präzisere Registrierung und Handhabung der Leiterplatten zu ermöglichen. Kommunikation flussauf- und flussabwärts wurde durch flexible SPS-Steuerung, SMEMA-Schnittstelle und vollständige Automatisierungsfähigkeit berücksichtigt, einschließlich der Übertragung von Leistungsdaten und rezeptbezogenen Informationen an Linienmanagement-Server.
Die Plattform verfügt über ein leistungsstarkes integriertes SPC-Paket. Ein großer Strom wertvoller Inspektionsergebnisse wird kontinuierlich gesammelt und kann in Echtzeit in verschiedenen Formaten dargestellt werden, um die Fehlersuche zu unterstützen und eine Hochvolumen-Fertigungslinie mit hoher Ausbeute aufrechtzuerhalten. Offline-Programmierung und Debugging sind verfügbar, um Produktionsunterbrechungen zu minimieren. Eine CAD-basierte, bibliotheksgestützte Programmierungssoftware verkürzt die Zeit für die Erstellung und das Testen neuer Rezepte erheblich.
Mit der ständig zunehmenden Entwicklung der Packaging-Technologie, insbesondere im Bereich organischer Verpackungen und dünner Package-Prozesse, steigt der Bedarf an AOI weiter an. Die MVP-Plattform 850G wurde speziell entwickelt, um alle neuen und zukünftigen Anforderungen der Packaging-Montage zu erfüllen. Das System kann konfiguriert werden für 3D-Pasteninspektion, 2D-Flussmittelinspektion (ohne fluoreszierende Zusätze), C4-Die- und SMT-Bauteilinspektion (gleichzeitig vor und nach dem Reflow), C4-Epoxy-Underfill (Verteilung, Qualität, Fillet usw.), Oberflächenfinish (Kratzer, Schäden usw.), Drahtbonding, Klebstoffe und Dichtmittel, traditionelle SMT-Inspektion (vor und nach dem Reflow) und viele weitere Anwendungen. Je nach Layout und Prozessanforderungen kann das System inline oder offline platziert werden.
♦ System zur Metrologie der Die-Platzierung
MVP wurde von einem seiner Hauptkunden vor die Herausforderung gestellt, eine Lösung für die präzise Messung und Inspektion von Dies auf einem Substrat zu entwickeln. Da die Platzierung dieser Dies für die Zuverlässigkeit der Produkte entscheidend ist, begann das MVP-Engineering- und Management-Team mit der Entwicklung eines geeigneten Mess- und Inspektionswerkzeugs.
Das Werkzeug musste ein robustes, metrologiebasiertes System sein, das eine Wiederholgenauigkeit für Translationen in X und Y von 1,3 Mikrometern, eine Reproduzierbarkeit in X und Y von weniger als 2 Mikrometern, eine Wiederhol- und Reproduzierbarkeitsgenauigkeit der Die-Rotation von maximal 0,007 Grad und eine Gesamtgenauigkeit zwischen verschiedenen Werkzeugen von nicht mehr als 10 Mikrometern erreicht.
Mit jahrelanger Erfahrung in unterschiedlichen Inspektionsmethoden über viele Industriebranchen hinweg machte sich ein Expertenteam daran, ein neues Inspektionswerkzeug zu spezifizieren, das diese Anforderungen erfüllt. Das Werkzeug musste nicht nur die Die-Platzierung auf dem Substrat sowohl vor als auch nach dem Reflow inspizieren, sondern auch die Oberflächenbeschaffenheit einschließlich Kratzern und Unregelmäßigkeiten auf der Die-Oberfläche überprüfen können.
Weitere Anforderungen umfassten die Inspektion von SMT-Bauteilen wie 0204, 0201, 0603 IDC, 0402, Widerstandsnetzwerken und sogar QFPs mit 12-mil-Pitch.
Um den vielfältigen Inspektionsanforderungen gerecht zu werden, wurde ein proprietäres elektrooptisches Modul entwickelt. Studien zur Auflösung zeigten, dass eine Pixelgröße von 16 µm ausreichend ist, um die Anforderungen an Geschwindigkeit und Genauigkeit zu erfüllen. Das elektrooptische Modul nutzt eine telezentrische Linse und eine tri-farbige Lichtquelle, ergänzt durch eine Weißlichtquelle. Dies gewährleistet eine gute Sichtbarkeit von Oberflächenfehlern sowie ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis an den Kanten.
Die Plattformsoftware umfasst eine Vielzahl vorhandener Inspektionsalgorithmen, darunter Sub-Pixel-Kantenerkennung, Oberflächendefekterkennung, SMT-Inspektion vor und nach dem Reflow sowie metrologische Algorithmen.
Eine weitere große Herausforderung bestand darin, die geforderte Anzahl von Einheiten pro Stunde (UPH) zu erreichen. Der Bereich von 3000–4000 UPH erforderte die Nutzung gleichzeitiger Fiduzialregistrierung und Inspektion, was erhebliche Zeiteinsparungen während des Inspektionszyklus ermöglichte.
Das System musste mit einer Doppellinienfähigkeit ausgestattet werden, sodass es effektiv mit bestehender Produktionstechnik zusammenarbeiten konnte, um die UPH-Leistung der Linie aufrechtzuerhalten. Weitere Herausforderungen waren die Integration von SECS/GEM und Loscode-Rückverfolgbarkeit in das Inspektionswerkzeug.
Ein weiterer kritischer Parameter war die Betriebsverfügbarkeit des Systems, mit einer geforderten Mindestverfügbarkeit von über 98,5 %. Auch hier übertraf die Plattform die Anforderungen deutlich und erreichte eine Verfügbarkeit von über 99 %.
In den folgenden Diagrammen ist zu erkennen, dass die Plattform nicht nur die Kundenspezifikationen erfüllte, sondern diese deutlich übertraf.
♦ Wiederholbarkeits- und Reproduzierbarkeits-Sigmas
♦ Matching-Test mit Benchmark-System
Das folgende Diagramm zeigt Ergebnisse eines der metrologiebasierten Systeme. Sechzehn Dies mit verschiedenen Offsets (DX) wurden sowohl von einem Benchmark-System als auch vom Die-Placement-Metrology-System gemessen. Die Steigung der linearen Regression beträgt 1,032 und das R-Quadrat 0,99. Die systematische Abweichung (Bias) beträgt 1,4147 Mikrometer.
Nicht nur war MVP erfolgreich bei der Implementierung des ersten Werkzeugs für den Kunden, sondern sie haben seitdem über 50 ähnliche Systeme an denselben Kunden geliefert, die alle strenge Testverfahren vor der Abnahme bestanden haben.
Mit dem Übergang von traditioneller SMT-Inspektion zur Mikroelektronik-Inspektion hat MVP bewiesen, dass ihre Stärke in leistungsstarken, flexiblen und innovativen Inspektionslösungen liegt.
