Heißer Draht Ein
Heißer Draht Ein Bonddraht ist ein nur wenige Mikrometer dünner Metalldraht, der für Verbindungen in der Mikroelektronik eingesetzt wird. Die Drähte werden maschinell über das sogenannte „Ball-Wedge-Bond“- bzw. „Wedge-Wedge-Bond“-Verfahren mit Ultraschall verschweißt. Die Qualität des Bonds sowie die Ausprägung des Bondfußes ist entscheidend für die Funktion des gesamten elektronischen Bauteils. Fehlt eine Bondverbindung bzw. ist sie fehlerhaft, funktioniert das gesamte Produkt nicht. Ein solches Risiko ist zum Beispiel für Hersteller von Sensoren für die Automobilindustrie, welche oftmals eine Sicherheitsfunktion erfüllen, inakzeptabel. So gab ein führender Anbieter von Sensortechnik den Firmen SMD Production-Technology (SMD- PT) und WENO den Auftrag, eine Prüfanlage zu entwickeln, die in der Lage ist, jeden einzelnen Bonddraht auf jedem Sensor zu kontrollieren. Im Zusammenhang mit der Bildaufnahme sowie der Entwicklung von Sonderbeleuchtungen hat die SMD- PT desweiteren die Auswertung mit der AlfaVis Software weiterentwickelt. Technische Herausforderung: Präzision im Mikrometerbereich Bei den zu prüfenden Sensoren werden 30 µm Aluminiumdrähte (das menschliche Haar hat einen Durchmesser Qualitätssicherung Innovatives Bildverarbeitungssystem mit AVT Digitalkameras misst mikroskopische Bonddrahtverbindungen mit unübertroffener Präzision. Bild 1: µ-Precision System Bild 2: Zwei AVT Guppy Kameras prüfen parallel von 60 - 80 µm) sowohl auf dem Chip als auch auf dem Goldpad gebondet/verschweißt. Nach dem Schweißen hat der Draht nur noch ca. 10 - 15 µm Höhe; die Breite, sprich die Deformierung, beträgt 35 µm bis 60 µm, je nach Spezifikation. Die Toleranz liegt im Regelfall bei ±2 - 4 µm. Anhand dieser Eckdaten wird die technische Herausforderung deutlich: Bisher gab es keine Bildverarbeitungssysteme auf dem Markt, welche in der Lage waren, eine Präzision unter 100 µm zu gewährleisten. Ein diesen Anforderungen entsprechendes System entwickelten die Firmen WENO und SMD-PT: Das µ-Precision- Inspektionssystem, eine einzigartige Prüfanlage, die die bisher höchste Präzision am Markt bietet. Für die Messung werden die Sensoren auf einer Trägerplatine in eine 8 x 10 Matrix gesetzt, sodass bei einem Prüfvorgang 80 Sensoren kontrolliert werden. Je nach Ausführung sind die einzelnen Sensoren mit 18 bis 26 Bonddrähten bestückt, die jeweils beide Bondpositionen „Source“ und „Destination“ aufweisen. Parallele Prüfvorgänge mit zwei Kameras Die Platine wird horizontal in die Prüfzelle eingeführt. Diese besteht aus zwei Achsen, auf denen sich Digitalkameras 10 4/2013
Qualitätssicherung Bild 3: Bonddrahtverbindung weil sie sich über einen langen Zeitraum durch ihre Qualität und Zuverlässigkeit bewährt haben. Doch der eigentliche Schlüssel zum Erfolg war im Fall µ-Precision nicht nur die Kamera selbst, sondern auch die Softwareanbindung und die technische Unterstützung des AVT Applikation Engineering Teams. Die größte technische Herausforderung stellte die geforderte sehr hohe Präzision dar. Mit Unterstützung von AVT wurde ein Bildverarbeitungssystem entwickelt, dass die Bonddrahtverbindungen mit nie dagewesener Präzision vermessen kann. Ein samt Beleuchtung über die Platine bewegen. Insgesamt ist das System mit drei Kameras ausgestattet. Mit der ersten Kamera erfolgt die Lagekorrektur über Fiducialmarken, um die Position der Platine in der Prüfzelle, die von einem Messvorgang zum anderen leicht abweichen kann, auszurichten. Aus den ermittelten Informationen wird die Positionierungsmechanik der beiden weiteren Kameras kalibriert. Diese erfassen parallel Bilder von zwei unterschiedlichen Sensoren in mehr als 2.000 Prüfpositionen, die mit höchster Präzision mechanisch angefahren werden. Bei den Kameras handelt es sich um Guppy F-146B Monochromkameras von Allied Vision Technologies. Die Guppy F-146 ist eine besonders kleine Fire- Wire-Kamera für industrielle Inspektionsanwendungen. Sie ist mit einem 1,4 Megapixel CCD- Sensor ausgestattet und liefert 17,7 fps bei voller Auflösung. Beide Prüfkameras sind mit telezentrischen Messobjektiven ausgestattet. Mit Hilfe einer speziell für diesen Zweck entwickelten LED-Beleuchtung wird der Kontrast zwischen Bond/Schweißpunkt und Untergrund erhöht. Mikroskopische Prüfung ohne Mikroskop Die erfassten Bilder beschränken sich auf ein AOI (Area of Interest) von 500 x 700 Pixel Bild 4: Anhand der Lichtreflexion lassen sich die Drähte zählen und die Höhe der Bögen messen und bieten eine Auflösung von ca. 0,8 µm pro Pixel. Sie werden von einer ebenfalls speziell für diese Applikation programmierten Software ausgewertet. Diese basiert auf der Matrox Imaging Bibliothek. Jeder Draht bildet einen Bogen zwischen zwei Verbindungspunkten. Auf dem Rücken dieses Bogens wird eine Lichtreflexion erzeugt, die von der Software erkannt wird. Anhand dieser Informationen werden die Drähte gezählt und auf ihre Vollständigkeit geprüft. Form und Position der Reflexion geben außerdem Informationen über die Höhe des Bogens. Schließlich analysiert die Software die Bilder der Bond-Schweißpunkte und errechnet ihre Maße mit höchster Präzision aus deren Geometrie. Auch der Abstand zwischen Schweiß- und Abreißpunkt (Tail) wird gemessen. Dank der Kombination aus ausgeklügeltem Belichtungskonzept und patentierter Software erreicht µ-Precision als einziges konventionelles Bildverarbeitungssystem eine solche Genauigkeit. Alle Daten werden protokolliert und jedem einzelnen Bauteil zwecks Rückverfolgbarkeit zugeordnet. Am Ende eines Prüfvorgangs zeigt die Maschine die Matrix der Messplatine auf einem druckempfindlichen Bildschirm an: In einem 8x10er Raster werden die fehlerfreien Bauteile als grüne, die fehlerhaften als rote Fläche dargestellt. Drückt der Maschinenführer auf eine rote Fläche, erhält er Einblick in die Bildersammlung des fehlerhaften Bauteils, um die Ursache für den Fehler/ die Störung zu suchen. Ein fehlerhafter Kontakt reicht aus, um das gesamte Bauteil zu verwerfen. AVT-Support senkt Taktzeit um 25% Jürgen Kemenas, SMD-PT Geschäftsinhaber sowie WENO Marketing- und Sales Manager, entwickelte das µ-Precision- System in Partnerschaft mit WENO. Dass er sich für Digitalkameras von Allied Vision Technologies entschied, hat sich für ihn ausgezahlt. Er verwendet schon seit Jahren Guppy bzw. Guppy PRO Kameras von AVT, weiteres Problem, das es zu lösen galt, war der geforderte schnelle Messzyklus. Er dauerte acht Minuten, während das Lastenheft des Kunden maximal sechs Minuten vorsah. Auch hier lieferte das AVT-Support-Team die Lösung in Form eines anderen SDKs. Die AVT-Ingenieure empfahlen den brandneuen VIMBA Treiber und unterstützten bei der Integration in der Applikation. Durch den neuen Treiber konnte eine Taktzeit unterhalb der 6-Minuten-Grenze erreicht und die Kundenanforderungen erfüllt werden. Inzwischen wird das System erfolgreich zur Qualitätssicherung von Sensoren für namhafte deutsche Automobilhersteller eingesetzt. Allied Vision Technologies GmbH www.alliedvisiontec.com 4/2013 11
