In-line Prozesskontrolle durch AOI

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1 In-line Prozesskontrolle durch AOI Einleitung In allen Bereichen der Mikroelektronik, ob KFZ, Telekommunikation, Computer oder Medizintechnik, schreitet die Miniaturisierung voran. Mit zunehmender Miniaturisierung von MLC Schaltkreisen steigt der Zwang zur Automatischen Optischen Inspektion. Bei komplexen MLC Substraten sind mittlerweile Strukturen unter 50µ Breite und Abstand keine Seltenheit mehr. Will man hier die Produktionskosten im Griff behalten und eine hohe Ausbeute erzielen, ist die herkömmliche manuelle Inspektion und der elektrische Funktionstest nicht mehr ausreichend. Vorteile der AOI Ein geschultes Auge bei der traditionellen manuellen Inspektion ist durch eine Maschine nur schwer zu ersetzen. Wenn eine Inspektionsperson einen Fehler erkennt, kann Sie ihn sofort hinsichtlich vieler Kriterien bewerten. Ein Problem ist jedoch das wenn. Denn nicht jeder Fehler wird gesehen, das menschliche Auge ermüdet schnell. Dazu kommt, dass der Zeitaufwand für die manuelle Inspektion bei komplexen Schaltreisen mit 50µ Strukturen so enorm ist, das bei nennenswerten Stückzahlen eine 100% Inspektion unmöglich ist. Die In-line Prozesskontrolle durch AOI hingegen ermöglicht eine 100% Inspektion von 24 Stunden pro Tag nach festgelegten Kriterien. Dadurch wird die Ausbeute gesteigert, eine gleichbleibend hohe Qualität garantiert, der Produktionsausstoß ist vorhersehbar, die Materialkosten werden gesenkt, der Arbeitsaufwand reduziert, die Taktzeiten sind schneller und gleichbleibend. Gleichzeitig erkennt man sofort Prozessprobleme und kann den Produktionsprozess entsprechend verbessern. Ein wesentlicher Vorteil der AOI gegenüber der manuellen Inspektion ist die Identifikation der Fehler, die Erkennung von Trends und die Statistische Prozesskontrolle. Fehlerhafte Schaltkreise können repariert oder aussortiert werden, d.h. Ausschuss wird gleich aussortiert und nicht erst beim Funktionstest, wenn es schon richtig teuer geworden ist. Mit Hilfe der SPC kann der Prozess charakterisiert werden, die Bedienpersonen erhalten wichtige Informationen über die Produktionslinie und eine umfangreiche Datensammlung. Wie arbeitet das Midas Inspektionssystem? Midas setzt die sogenannte Template Matching Technologie ein. Mit einer Line Scan Kamera wird der Schaltkreis abgescannt und ein Template erstellt. Das Inspektionssystem besteht im wesentlichen aus der Bilderkennung mit einer Zeilenabtastkamera und 256 Graustufen, einem speziellen, von Midas entwickelten Image Prozessor, einem X-Y Tisch, der Beleuchtungseinrichtung und diverse Filtereinheiten. Das zu messende Substrat wird auf den X-Y Tisch plaziert und von der Kamera abgetastet. Dabei kann mit Auflicht oder Durchlicht gearbeitet werden und diverse Filter helfen dabei, die Farben zu separieren

2 Das aufgenommene Bild wird digitalisiert und in einzelne Pixel aufgeteilt. Die Pixel, die eine Struktur repräsentieren, sind schwarz, die restlichen Pixel sind weiß. Diese Pixel-Struktur wird mit der Pixel-Struktur einer vorher gespeicherten Goldenen Vorlage von einem perfekten Schaltkreis verglichen und die Abweichungen werden als Fehler angezeigt. Die goldene Vorlage kann durch einen perfekt gedruckten Schaltkreis, Artwork oder Gerberdaten erstellt werden. Bild 1 Da es beim Siebdruckprozess zwangsläufig immer gewisse Abweichungen in der Schaltungsstruktur gibt, müssen die maximal erlaubten Toleranzen vorgegeben werden. Die gespeicherte goldene Struktur des Schaltkreises wird mit einer inneren und einer äußeren Toleranzgrenze versehen. So entstehen zwei Templates, das Template mit der inneren Toleranzgrenze und das Template mit der äußeren Toleranzgrenze. Diese Templates werden theoretisch übereinandergelegt. Wenn die gedruckte Struktur die innere oder äußere Toleranzgrenze überschreitet, wird an dieser Position ein Fehler angezeigt (Bild 1). Innerhalb eines Schaltkreises können Fenster mit niedrigerer oder höherer Toleranz festgelegt oder unwichtige Teile ausgeblendet werden. Jede erkannte Abweichung wird mit Hilfe einer Fehleranalyse nachbearbeitet, wobei eine Abweichung erst dann als Fehler angezeigt wird, wenn der Versatz der Struktur = lokaler Versatz + globaler Versatz die Toleranzgrenze überschreitet. So wird vermieden, daß das Inspektionssystem zu empfindlich ist und es werden Pseudofehler vermieden

3 Bild 2 Voraussetzung für eine funktionierende Fehlererkennung ist die Positionsgenauigkeit des Substrates. Für jeden Schaltkreis werden 3 Regionen festgelegt, die zur Erkennung der Positionsgenauigkeit notwendig sind. Mit Hilfe dieser Regionen wird Druckversatz, Siebverzug, Siebausdehnung und Versatz zwischen einzelnen Lagen festgestellt. Neben der inneren und äußeren Toleranzgrenze, der Inspektionstoleranz, können noch Toleranzen für den lokalen und den globalen Versatz vorgegeben werden (Bild 2). Die Fehlererkennung ist umfangreich; Unterbrechungen, Kurzschlüsse, Einschnürungen, Mäusebisse, Ausbuchtungen, fehlende Vias, Fremdpartikel, Verschmierungen und Ausblutungen werden entdeckt. Auch Druckversatz, Versatz zwischen verschiedenen Lagen, Siebausdehnung und Siebverzug wird als Fehler erkannt und angezeigt

4 Bild 3 Sogenannte Dirty Opens können nur mit Durchlicht gefunden werden (Bild 3). Die Inspektionsgeschwindigkeit hängt von der benötigten Genauigkeit und von der gewählten Auflösung ab. Das neue Modell CC-1010 kann ein Substrat von 6 x 6 in 3 Sekunden inspizieren bei einer Auflösung von 12µ Pixelgröße. Dieses Modell wurde kürzlich auf der IMAPS Ausstellung in Denver vorgeführt. AOI in der LTCC Produktion - 4 -

5 Bild 4 Je feiner die Strukturen werden und je mehr Lagen vorhanden sind, desto höher ist der Ausschuss. Wenn zum Beispiel ein Substrat aus 10 Lagen mit einer durchschnittlichen Fehlerrate von 5% besteht, dann addiert sich die Fehlerrate auf stattliche 40% (Bild 4). Um alle Fehlermöglichkeiten in den Griff zu bekommen, empfiehlt sich eine 100% AOI an 4 Positionen im Produktionsprozess (Bild 5). Die erste Inspektion sollte auf dem blanken Tape nach dem Stanzen durchgeführt werden. Fehlende Vias, verstopfte Vias und versetzte Vias werden erkannt und die fehlerhaften Tapes aussortiert. Die zweite Inspektion erfolgt nach dem Füllen der Vias. Verschmierungen, nicht oder halb gefüllte Löcher werden als Fehler erkannt. Die dritte Inspektion erfolgt nach dem Leiterbahndruck. Hier können alle typischen Siebdruckfehler auftreten: Kurzschlüsse Verschmierungen Ausblutungen Unterbrechungen Einschnürungen Mäusebisse Siebverzug Druckversatz Kontamination Dirty Opens - 5 -

6 Bild 5 Die vierte Prozesskontrolle erfolgt nach dem Einbrennen und vor dem Trimmen. Hier handelt es sich im Prinzip um eine typische Dickschicht-Inspektion. Die Inspektionsparameter müssen jedoch sorgfältig ermittelt und programmiert werden, damit wegen der Schrumpfung des gesinterten Substrates keine Pseudofehler angezeigt werden. Hier zeigt sich insbesondere der Vorteil, den die Local Shift Toleranz bietet. Unsere Erfahrung zeigt, dass durch die automatische optische Inspektion enorme Produktivitätsverbesserungen zu erzielen sind. Mit AOI kann in der LTCC Produktion ein durchschnittlicher Yield von 97% erreicht werden (Bild 6)

7 Bild 6 MIDAS Inspektionssysteme sind erhältlich als: MIDAS Inspektionsanlagen 1. freistehender Halbautomat (nachträglich automatisierbar) 2. als Vollautomat mit Zuführung der Substrate aus Kassetten und Remagazinierung mit automatischer gut/defekt Erkennung in die entsprechenden Kassetten 3. in einer Siebdrucklinie als In-line Modul direkt hinter der Siebdruckmaschine Der effizienteste Einsatz der automatischen 100% Inspektion liegt darin, direkt nach dem Siebdruckprozeß die Schaltkreise zu prüfen und Fehler zu erkennen. So eingesetzt ist das Midas System ein exzellentes Produktionswerkzeug, das Fertigungsfehler sofort zuverlässig erkennt, bevor mehrere defekte Schaltkreise gedruckt wurden. Fehlerhaft bedruckte Substrate werden nicht weiterverarbeitet und später aussortiert, wenn der Schaden weitaus größer geworden ist

8 Die Unterlagen wurden von MIDAS Vision Systems, Inc., Foxboro, MA zur Verfügung gestellt. Ludwig Schuhmann GS Electronic Vertriebs- und Service GmbH Maulkuppenstr. 2a D Fulda Tel: / Fax: / [email protected] - 8 -