Inspection du flux par AOI à fluorescence UV — Rendre visible l’invisible

Tel que publié dans Advanced Packaging, septembre 2004 – par George T. Ayoub

L’inspection du flux a été un défi pour les assembleurs Flip Chip et BGA en raison de l’incapacité des systèmes d’inspection — y compris l’AOI (Automated Optical Inspection) — à voir avec précision le matériau et donc à pouvoir l’inspecter tout en maintenant la vitesse de la ligne. Spécifiquement pour les flip chips, l’inspection du flux est une partie importante du contrôle du processus et peut éviter des erreurs coûteuses. Heureusement, une solution de vision machine utilisant l’éclairage UV (ultraviolet), développée au cours de nombreuses années de recherche, est capable de détecter des défauts provenant des dépôts de flux. Cette technique, qui a maintenant été couronnée de succès pendant plus de trois ans sur des lignes de fabrication à haut volume, remplace la lumière visible de l’AOI par une lumière UV spécialisée qui correspond aux propriétés du substrat et du flux, afin d’obtenir des résultats d’inspection optimisés.

♦ Importance de l’inspection du flux dans l’assemblage BGA/CSP

Le flux joue un rôle critique dans la dynamique du processus d’assemblage des boîtiers BGA/CSP. Une vaste gamme de défauts dans l’assemblage final peut être attribuée à une mauvaise déposition du flux ou de la pâte. Par exemple, certains défauts dans l’assemblage final proviennent d’un mauvais alignement du flux par rapport aux pastilles prévues, d’une épaisseur/quantité insuffisante de flux, d’un excès de flux ou de bavures. La détection de ces types de défauts “OK/Non OK” (données attributives) à un stade précoce du processus réduit considérablement le coût d’assemblage. De plus, de nombreux fabricants conviendraient qu’il est important de contrôler le processus de déposition du flux au moyen de variables mesurées pertinentes afin de détecter les tendances et d’empêcher les défauts de se produire. Cela nécessite un système capable de mesurer les variables clés du processus (données variables). En fournissant des informations en temps réel sur les paramètres critiques du processus, les fabricants peuvent prendre des mesures correctives et éviter les rebuts et les pertes de production.

♦ Défis technologiques : Rendre visible l’invisible.

Le processus d’inspection du flux a été un défi pour les fabricants d’AOI en raison de l’incapacité de la lumière visible à bien imager le matériau de flux et donc à pouvoir l’inspecter. Les éclairages à angles élevés comme à faibles angles dans le visible souffrent tous deux d’un faible rapport signal-bruit du flux par rapport à l’arrière-plan. Cependant, lorsque le flux est illuminé par de la lumière UV, il fluoresce dans le visible et le signal peut être capturé au moyen de filtres appropriés conçus pour éliminer toute lumière de fond ne provenant pas du flux fluorescent. Dans ces conditions, le rapport signal-bruit entre le flux et l’arrière-plan est considérablement amélioré. La clé pour obtenir un bon rapport signal-bruit réside dans la conception appropriée des filtres et de l’éclairage — qui sont propriétaires — et qui doivent être adaptés au flux lui-même ainsi qu’au matériau de fond (céramique et éventuellement FR4), tout en éliminant la lumière visible de fond. (Voir Illustration “A” – Images sous lumière visible versus lumière UV.)

♦ Défi : Vitesse et résolution pour un système en ligne.

Les paramètres d’acquisition d’image jouent un rôle important dans la capacité du système. Deux paramètres essentiels sont la vitesse d’inspection et la magnification optique adéquate (résolution). Les deux sont liés car la vitesse d’acquisition est inversement proportionnelle au nombre de pixels acquis, qui varie linéairement avec le carré de la magnification. De plus, l’illumination de petites zones nécessite une quantité importante de lumière et un nombre adéquat de pixels sur la cible. Les exigences de maintenir des temps de cycle très rapides, combinées à une haute résolution, ont été satisfaites au moyen de l’utilisation de multiples têtes de caméra, d’un éclairage UV approprié et d’une électronique spécialisée. Plusieurs têtes de caméra (dans ce cas, trois sont utilisées) étendent le champ de vision d’une forme carrée à une forme rectangulaire, tout en ne sacrifiant pas la résolution. L’électronique spécialisée permet à la caméra d’acquérir en parallèle et ajuste sa vitesse à celle du processeur informatique. L’utilisation de diodes UV assure la longévité et la stabilité du système au fil du temps, ce qui est extrêmement important lorsqu’un programme d’inspection doit fonctionner sans modification sur différents systèmes ou lignes de production.

Le système est également capable de mesurer les paramètres de la pâte sous UV et/ou sous lumière visible régulière, ce qui le rend extrêmement utile pour contrôler le processus de déposition de pâte. Les algorithmes qui extraient la position, la surface, la couverture de la pastille et la luminosité sont basés sur une analyse de “blobs” et ne sont appliqués que dans les zones d’intérêt.

♦ Détection des défauts, variables mesurées et SPC

En utilisant des techniques de fluorescence UV, le système en fonctionnement va au-delà de la détection des défauts de type OK/Non OK et aide à améliorer le rendement au moyen de techniques SPC basées sur des variables mesurées. Il mesure la position, la surface, la couverture de la pastille et la luminosité du flux déposé. La luminosité est mesurée en calculant l’échelle de gris médiane du “blob” de pâte. Bien qu’il soit idéal d’utiliser la hauteur et le volume du flux, ces mesures avec la technique UV utilisée ici dépendent des propriétés du flux et du matériau de fond, et ne peuvent pas être considérées comme des mesures absolues dans tous les cas. Il existe de bonnes raisons logiques, étayées par des expériences, confirmant que la luminosité est corrélée à la hauteur du flux. En effet, la luminosité dépend de la quantité de matériau fluorescent dans le flux et devrait donc varier linéairement avec le volume. Cependant, cette linéarité n’est pas toujours garantie et dépend de l’environnement. Par conséquent, il faut faire preuve de prudence lors de l’interprétation de la luminosité mesurée, puisque d’autres matériaux peuvent également fluorescer et augmenter le bruit. La méthode décrite s’est avérée efficace dans un environnement de production, en utilisant la luminosité avec la position, la surface et la couverture de pastille comme paramètres mesurés, fournissant ainsi un moyen logique et adéquat de contrôler la qualité finale du processus au moyen des méthodes SPC.

Dans l’environnement de production, le contrôle du processus en temps réel s’est avéré ajouter de la valeur au processus en suivant les tendances et en empêchant l’apparition de défauts (voir Illustration “B” – Graphiques de données en temps réel), et a été une partie intégrale et critique du système. Selon les réglages d’alarme, le système est capable d’arrêter la ligne ou d’activer une lumière jaune ou rouge pour un retour visuel à l’opérateur.

♦ Conclusion

La technique décrite a été éprouvée pendant plus de trois ans d’inspection en ligne. Le système est capable du processus avec des valeurs GRR dans la plage de 2,5 % à 8. Il est capable de suivre une vitesse de ligne de production relativement rapide tout en atteignant un taux de faux appels entre 10 et 20 ppm et un taux de faux acceptés inférieur à quelques ppm. En contenant les défauts à ce stade précoce et en contrôlant les tendances via SPC, de bons résultats ont été obtenus. Les travaux futurs prévoient de continuer à améliorer le rapport signal-bruit et d’étendre l’application de cette technique à différents substrats et types de flux.

Références

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