Die für Bonddrähte typischen Reflexionen

Die für Bonddrähte typischen Reflexionen stellen die Qualitätskontrolle vor ganz besondere Herausforderungen (Bild: Viscom)

Auf einmal ist sie da, die Reklamation einer komplexen elektronischen Baugruppe aufgrund fehlerhafter Drahtbonds. Womöglich wurden viele weitere Produkte trotz desselben unentdeckten Makels weiterverarbeitet und ausgeliefert. Der Feldrückläufer ist den Verantwortlichen beim fertigenden Unternehmen jedenfalls Beweis genug, dass an einer hundertprozentigen automatischen Inspektion der Bondqualität kein Weg mehr vorbeiführt. Wie viel will man aber in die neuen Systeme investieren und welche Technologie ist tatsächlich geeignet? Risiken von Schrottveredelung bis hin zum beträchtlichen Imageschaden werden analysiert und den Anschaffungskosten gegenübergestellt.

Verbogene Drähte, die sich berühren, führen zu Kurzschlüssen
Verbogene Drähte, die sich berühren, führen zu Kurzschlüssen (Bild: Viscom)

Volle Kontrolle über komplexe Fertigungsprozesse

Die vollautomatische Drahtbondinspektion setzt beim Hersteller der Inspektionssysteme einiges an Erfahrung voraus. „Das betrifft am Ende nicht nur die Übersetzung der Prüfkriterien in ein sicher nutzbares Prüfprogramm. Auch Hardwareaspekte wie die richtige Beleuchtungstechnik und der Prozess der Bildaufnahme haben einen großen Einfluss auf die Prüfgenauigkeit“, erläutert Wolf Rüdiger Pennuttis, der als Category Sales Manager einer der Hauptansprechpartner für Kunden von Viscom ist, wenn es um Fragen zur Drahtbondinspektion geht. Sein erstes System speziell für Bonddrähte hat Viscom bereits vor über 20 Jahren entwickelt.

Informationen über Drahtbondinspektion
Viscom informiert bei verschiedenen Anlässen über neueste Entwicklungen im Bereich der Drahtbondinspektion, vorne links im Bild: Vice President Rolf Demitz; hinten rechts am System: Senior-Applikationsspezialistin Melanie Wons (Bild: Viscom)

Die speziellen Kameramodule zeichneten sich von vornherein dadurch aus, dass sie eine besonders gute Objekterkennbarkeit ermöglichten. Seitdem hat sich die Technologie kontinuierlich weiterentwickelt und reiht sich erfolgreich ins große Produktportfolio des Unternehmens ein. „Typische Fehler sind Abheber, fehlerhafte Wedges sowie fehlende, falsch positionierte oder verbogene Drähte“, sagt Pennuttis. Die integrierte Verifikation von Viscom auf Basis exakt klassifizierter Bilddaten schützt zusätzlich vor vermeidbarem Schlupf oder Pseudofehlern. Gleichzeitig machen statistische Auswertungen ein frühzeitiges Eingreifen möglich. „Das Drahtbond-Inspektionssystem deckt daher nicht nur zuverlässig das Prüftor ab, es dient zusätzlich als Indikator für Prozessschwankungen“, so Pennuttis weiter. Die dokumentierten Daten vermitteln auch den Auftraggebern Sicherheit darüber, dass ihre Produkte mit hoher Qualität gefertigt werden. Schließlich sollen sie gemäß ihrer Bestimmung über viele Jahre einwandfrei funktionieren.

Exaktes Messen mit Hilfe der Höheninformationen

Sollte es dennoch zu einer Reklamation kommen, kann das viele Gründe haben – etwa wenn die Bonddrähte trotz Flüssigverkapselung (Glob-Top-Verfahren) aus dem Schutzmaterial herausragen und im Endprodukt harschen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind. Der umgekehrte Sachverhalt liegt vor, wenn der Draht so flach verläuft, dass er andere Bauteile berührt. In beiden Fällen bringt eine zuverlässige 3D-Inspektion erhebliche Vorteile.

Diode in 3D-Ansicht
Diode in 3D-Ansicht mit Höhenprofil eines der Dickdrähte und Übersichtsbild mit danebenliegendem IGBT (Bild: Viscom)

„Das für optische Inspektionssysteme typische Streifenprojektionsverfahren stößt bei Bonddrähten allerdings schnell an physikalische Grenzen“, so Melanie Wons, Senior-Applikationsspezialistin bei Viscom. Grund sind vor allem die sehr starken Reflexionen auf den Drähten. Hier gilt es also, auf das richtige Pferd zu setzen und die richtige Technologie zu wählen. Viscom nutzt für sein 3D-Verfahren in der Drahtbondinspektion feinste Variationsmöglichkeiten bei Fokusebenen und Tiefenschärfen. Der höchste Punkt der Drähte kann zuverlässig gemessen werden, genauso wie alle anderen Höhen des Drahtverlaufs. Das gilt ebenfalls für die Start- und Endpunkte der Drähte, um z. B. Abheber zu erkennen.

Besonderer Fokus auf die Drahtlängen

Die 3D-Analyse ermöglicht es zudem, die tatsächliche Länge eines Drahtes zu ermitteln. „Ohne die dritte Dimension kann man sich lediglich die Entfernung zwischen Ball und Wedge und die laterale Länge des Drahtes anzeigen lassen, also die Kurvenverläufe ausschließlich von oben betrachtet – vergleichbar etwa mit einem auf dem Tisch liegenden Faden, den man auf einem Blatt Papier nachzeichnet“, erläutert Melanie Wons. Wenn es also um die wirkliche Länge der Drähte geht, ist die z-Information unverzichtbar. In der Praxis spielt eine darauf ausgerichtete automatische Inspektion aus unterschiedlichen Gründen eine wichtige Rolle. „Die tatsächlichen Längen sind bei Dünndrähten relevant, wenn es um Hochfrequenzanwendungen geht, weil da jeder Draht wie eine Antenne wirkt“, erklärt Rolf Demitz, als Vice President bei Viscom verantwortlich für den Bereich Drahtbondinspektion. „Bei den Leistungsanwendungen wiederum sind die Drahtlängen entscheidend, weil jeder Draht auch einen Widerstand darstellt“, so Demitz weiter. Fließt sehr viel Strom über den Draht, kann er bei Überlastung extrem heiß werden und schlimmstenfalls schmelzen. Erfüllt er zugleich eine Sicherungsfunktion, kann das jedoch sogar gewollt sein, um die Elektronik vor zu viel Leistung zu schützen.

Kanal für Bonddrähte
Ein angelegter Kanal (blaue Linien) gibt vor, wo der Draht sich befinden muss, um festgelegte Qualitätsanforderungen zu erfüllen – links ordnungsgemäß, rechts abweichend (Bild: Viscom)

Muss bei der Fertigung auf ganz bestimmte Loopformen geachtet werden, lässt sich in der Inspektionssoftware ein vordefinierter Kanal aufziehen, der exakt vorgibt, wie der Draht designkonform zu verlaufen hat. Die Qualitätskontrolle liefert daraufhin messgenaue Informationen darüber, wo dieser zulässige Bereich eingehalten wird und wo nicht. Das Verfahren ist sowohl für Dickdrähte, also oberhalb von 100 µm, als auch Bändchen und Dünndrähte bis 20 µm Drahtdurchmesser geeignet. Viscom bietet die 3D-Funktionalität mit seinen Systemen S6053BO-V und S6056BO an sowie ebenfalls für die X7056-II BO, welche Drahtbondinspektion mit Röntgeninspektion kombiniert. 2D-Maschinen im Feld können bei entsprechender Eignung ein 3D-Upgrade bekommen.

Kleinste Durchmesser und Kontaminationen

Vor dem Hintergrund der voranschreitenden Miniaturisierung darf bei der Entscheidung für ein Drahtbond-Inspektionssystem selbstverständlich das Thema Auflösung nicht außer Acht gelassen werden. Für Dickdrähte reichen in manchen Fällen schon 8 µm pro Pixel. Will man auf einem Produkt allerdings Bereiche der Signalverarbeitung genauestens prüfen, sind schnell höhere Pixelauflösungen erforderlich. „Dünndrähte setzen um die 5 µm voraus. Für besonders kleine Durchmesser bietet Viscom ein Sensormodul mit einer Auflösung von rund 2,3 µm pro Pixel an“, sagt Wolf Rüdiger Pennuttis. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen Bildschärfe und der besonderen Beleuchtungsoptionen eignen sich Drahtbond-Inspektionssysteme von Viscom überdies bestens für Oberflächenprüfungen. Deshalb setzt man sie zusätzlich als „Post-Placement-AOI“ ein und damit bereits vor dem Bonden. Auf diesem Abschnitt der Fertigungslinie werden die noch nicht mit Drähten versehenen Komponenten geprüft. Treten Kontaminationen auf, kann die zusätzliche Kontrolle erheblich dazu beitragen, weitere Fehlerkosten zu vermeiden.

Testmuster mit Dünndrähten
Testmuster mit Dünndrähten, 32 µm Durchmesser, unter denen ein fehlerhafter Draht verläuft; als 3D-Ansicht und als Draufsicht mit zwei verschiedenen Beleuchtungen (Bild: Viscom)

Objekte erkennen mit spezifisch trainierter KI

Drahtbond-Inspektionssysteme schützen damit auf unterschiedliche Weise davor, dass unentdeckte Mängel zum Kunden durchschlagen und zu unnötigen Reklamationen führen. Die Technologien dahinter entwickeln sich ständig weiter. Einen noch besseren Umgang mit Störstrukturen versprechen z. B. Verfahren der künstlichen Intelligenz. Hier spielt die Objekterkennung eine besondere Rolle. Viscom bietet für die Segmentierung von Drahtbonds ein umfassendes KI-Konzept auf der Grundlage von Trainingsdaten an. Der Informationsgehalt der Bilder wird dadurch noch besser zugänglich gemacht. Dies erlaubt wiederum, die Schwerpunkte in der Qualitätskontrolle besonders zielgenau zu setzen und bekannte Risiken auf wichtigen Prozessabschnitten noch effektiver in Schach zu halten.

Inspektionsschritt an der S6053BO-V
Wolf Rüdiger Pennuttis, Category Sales Manager bei Viscom, bespricht mit seiner Kollegin, Senior-Applikationsspezialistin Melanie Wons einen Inspektionsschritt an der S6053BO-V (Bild: Viscom)

Produktionsbedingungen bestimmen die Prüfstrategie

Die konkreten Prüfstrategien für den Einsatz der Drahtbondinspektion werden abhängig von den prozessualen Gegebenheiten festgelegt. Erfassung, algorithmische Auswertung und Speicherung des Bildmaterials gilt es anforderungsgemäß zu bestimmen. Klares Ziel von Viscom ist, dass die Drahtbond-Inspektionssysteme trotz der speziellen Hardware durch entsprechende Softwarefunktionen für den Anwender einfach bedienbar bleiben. Die optimale Anzahl der mit den Systemen abzudeckenden Prüftore ist ein weiterer wichtiger Aspekt. Melanie Wons: „Bei Bedarf lassen sich die vollautomatisierten Prüfungen von Drahtbonds so zusammenfassen, dass mehrere Produktionsschritte in einem einzigen AOI-Durchlauf bewertet werden.“ Im Inselbetrieb kann man zudem ein einzelnes Drahtbond-Inspektionssystem besonders flexibel für die Qualitätskontrolle unterschiedlicher Fertigungsstufen nutzen. Auf diese Weise können sowohl Oberflächen als auch Dick- und Dünndrähte in ein und demselben System kontrolliert werden.

Drahtbond-Inspektionssystem S6056BO
Insbesondere für größere Prüflinge oder Doppelspurbetrieb hat Viscom das Drahtbond-Inspektionssystem S6056BO im Portfolio. (Bild: Viscom)
Olaf Szarlan

Olaf Szarlan

Marketing, Redaktion bei Viscom, Hannover

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