Inspección de flux con AOI de fluorescencia UV — Haciendo visible lo invisible
Como aparece en Advanced Packaging, septiembre de 2004 – por George T. Ayoub
La inspección de flux ha sido un desafío para los ensambladores de Flip Chip y BGA debido a la incapacidad de los sistemas de inspección —incluyendo AOI (Automated Optical Inspection)— para ver con precisión el material y, por lo tanto, poder inspeccionarlo manteniendo la velocidad de la línea. Específicamente con respecto a los flip chips, la inspección del flux es una parte importante para controlar el proceso y puede evitar errores costosos. Afortunadamente, una solución de visión artificial que utiliza iluminación UV (ultravioleta), desarrollada durante muchos años de investigación, es capaz de detectar defectos en los depósitos de flux. Esta técnica, que ha demostrado ser exitosa durante más de tres años en líneas de fabricación de alto volumen, reemplaza la luz visible de AOI por luz UV especializada que coincide con las propiedades del sustrato y del flux, con el fin de lograr resultados de inspección optimizados.
♦ Importancia de inspeccionar el flux en el ensamblaje BGA/CSP
El flux desempeña un papel crítico en la dinámica del proceso de ensamblaje de paquetes BGA/CSP. Una amplia variedad de defectos en el ensamblaje final puede rastrearse hasta una mala deposición de flux o pasta. Por ejemplo, algunos defectos en el ensamblaje final provienen de una mala alineación del flux con respecto a las almohadillas previstas, de un espesor/cantidad insuficiente de flux, de un exceso de flux o de manchas. La detección de estos defectos de tipo “aprobado/rechazado” (datos atributivos) en una etapa temprana del proceso reduce significativamente el costo del ensamblaje. Además, muchos fabricantes coinciden en que es importante controlar el proceso de deposición del flux mediante variables medidas relevantes para detectar tendencias y prevenir defectos antes de que ocurran. Esto requiere un sistema que sea capaz de medir las variables clave del proceso (datos variables). Al proporcionar información en tiempo real sobre los parámetros críticos del proceso, los fabricantes pueden tomar medidas correctivas y evitar desperdicio y pérdida de producción.
♦ Desafíos tecnológicos: Hacer visible lo invisible.
El proceso de inspección del flux ha sido un desafío para los fabricantes de AOI debido a la incapacidad de la luz visible para generar imágenes adecuadas del material de flux y, por lo tanto, inspeccionarlo. Tanto las iluminaciones de alto como de bajo ángulo en el espectro visible sufren un pobre cociente señal-ruido del flux respecto al fondo. Sin embargo, cuando el flux se ilumina con luz UV, fluoresce dentro del espectro visible y la señal puede capturarse mediante filtros adecuados diseñados para eliminar cualquier luz de fondo que no provenga del flux fluorescente. Bajo estas condiciones, el cociente señal-ruido entre el flux y el fondo se mejora significativamente. La clave para obtener un buen cociente señal-ruido es el diseño adecuado de los filtros y de la iluminación —que son propietarios— y que deben adaptarse tanto al flux mismo como al material de fondo (cerámica y posiblemente FR4), eliminando al mismo tiempo la luz visible de fondo. (Véase la Ilustración “A” – Imágenes bajo luz visible versus luz UV.)
♦ Desafío: Velocidad y resolución para un sistema en línea.
Los parámetros de adquisición de imágenes desempeñan un papel importante en la capacidad del sistema. Dos parámetros clave son la velocidad de inspección y la magnificación óptica adecuada (resolución). Ambos están relacionados porque la velocidad de adquisición es inversamente proporcional al número de píxeles adquiridos, que a su vez varía linealmente con el cuadrado de la magnificación. Además, iluminar áreas pequeñas requiere una gran cantidad de luz y un número adecuado de píxeles sobre el objetivo. Los requisitos de mantener tiempos de ciclo muy rápidos junto con una resolución alta se lograron mediante el uso de múltiples cabezales de cámara, iluminación UV adecuada y electrónica especializada. Múltiples cabezales de cámara (en este caso, se utilizan tres) amplían el campo de visión de forma cuadrada a rectangular, sin sacrificar la resolución. La electrónica especializada permite que la cámara adquiera imágenes en paralelo y ajusta su velocidad a la velocidad de cómputo del procesador. El uso de diodos UV garantiza la longevidad y la estabilidad del sistema en el tiempo, lo cual es extremadamente importante cuando un programa de inspección debe ejecutarse sin modificaciones en diferentes sistemas o líneas de producción.
El sistema también es capaz de medir parámetros de la pasta bajo luz UV y/o luz visible regular, lo que resulta extremadamente útil para controlar el proceso de deposición de pasta. Los algoritmos que extraen posición, área, cobertura de área de la almohadilla y brillo se basan en análisis de “blobs” y solo se aplican en las áreas de interés.
♦ Detección de defectos, variables de medición y SPC
Al utilizar técnicas de fluorescencia UV, el sistema en operación va más allá de la simple detección de defectos de tipo aprob/rechazo y ayuda a mejorar el rendimiento mediante técnicas de SPC basadas en variables medidas. Mide la posición, el área, la cobertura de área en la almohadilla y el brillo del flux depositado. El brillo se mide calculando la escala de grises media del “blob” de pasta. Aunque idealmente sería mejor utilizar la altura y el volumen del flux, estas mediciones con la técnica UV utilizada aquí dependen de las propiedades del flux y del material de fondo, y no pueden considerarse siempre como mediciones absolutas. Hay razones lógicas respaldadas por experimentos que confirman que el brillo se correlaciona con la altura del flux. De hecho, el brillo depende de la cantidad de material fluorescente en el flux y por lo tanto debe variar linealmente con el volumen. Sin embargo, esta linealidad no siempre es segura, y depende del entorno. Por lo tanto, debe tenerse cuidado al interpretar el brillo medido, ya que otros materiales pueden fluorescer y aumentar el ruido. El método descrito ha demostrado ser eficaz en el entorno de producción, utilizando el brillo junto con la posición, área y cobertura de área como parámetros medidos, proporcionando así un medio lógico y adecuado para controlar la calidad final del proceso mediante métodos de SPC.
En el entorno de producción, el control del proceso en tiempo real ha demostrado añadir valor al proceso mediante el seguimiento de tendencias y la prevención de defectos (véase la Ilustración “B” – Gráficos de datos en tiempo real), y ha sido una parte integral y crítica del sistema. Dependiendo de la configuración de alarma, el sistema puede detener la línea o activar una luz amarilla o roja para proporcionar retroalimentación visual al operador.
♦ Conclusión
La técnica descrita ha demostrado ser eficaz durante más de tres años de inspección en línea. El sistema es capaz del proceso con valores GRR en el rango de 2,5 % a 8. Puede mantenerse al ritmo de una línea de producción relativamente rápida mientras logra una tasa de falsas alarmas entre 10 y 20 ppm y una tasa de falsas aceptaciones inferior a unos pocos ppm. Al contener los defectos en esta etapa temprana y controlar las tendencias mediante SPC, se han logrado buenos resultados. El trabajo futuro previsto consiste en seguir mejorando el cociente señal-ruido y extender la aplicación de esta técnica a diferentes sustratos y tipos de flux.
Referencias
Reliability and Yield in Flip-Chip Packaging, Alan Lewis, Ed Caracappa, Lawrence Kessler, 1998_11_hdi_flip_chip_reliability.pdf
