Hybride Highspeed-Bestückplattform für die SiP-Fertigung

Smarte Devices, 5G-Kommunikation, autonomes Fahren: All diese Technologien stellen ganz besondere Anforderungen an die Fertigung. Dabei geht es nicht nur um konsequente Miniaturisierung, sondern auch um stetig wachsende Komplexität. System in Package (SiP) ist hier die Schlüsseltechnologie: ICs und SMT-Komponenten werden zu einem integrierten System vereint.

In der Folge wachsen zwei bisher getrennte Fertigungsverfahren mehr und mehr zusammen. Moderne SiP-Bestückautomaten müssen neben klassischen SMT-Bauelementen auch die besonders empfindlichen Dies verarbeiten können. Diese erfordern ausgesprochen fein dosierbare Bestückkräfte und hochauflösende optische Qualitätssicherungssysteme, die auch feinste Risse und Absplitterungen erkennen.

Kostenvorteil und Performance Gap

Die direkte Die-Verarbeitung hat viele Vorteile. Indem die Bestückung direkt vom Wafer erfolgen kann, lässt sich ein kompletter Arbeitsgang, das Die-Taping, einsparen. Das bedeutet: geringere Kosten und weniger Abfall. Ein Problem dabei war bisher jedoch die Verarbeitungsgeschwindigkeit, da etablierte Die Bonder nicht die enorme Bestückungsgeschwindigkeit von SMT-Maschinen erreichen. Der Geschwindigkeitsnachteil müsste also in einer hybriden Fertigungslinie durch viele hintereinander geschaltete Einheiten ausgeglichen werden, was den Kostenvorteil schnell ins Gegenteil verkehren würde.

Das entscheidende Hindernis für die Bestückung direkt vom Wafer war bisher die Aufnahme der Dies: Die Wafer werden vorsepariert angeliefert, wobei die Dies gesägt auf einer Haftfolie sitzen, von der sie erst in einem aufwändigen Prozess gelöst werden müssen. Dabei heben Ausstechnadeln, die durch die Folie gestochen werden, die Dies an, während gleichzeitig die Haftfolie durch Unterdruck in die andere Richtung bewegt wird. Dieses so genannte „Ausstechen“ lässt sich kaum beschleunigen.

Die Lösung: Parallelisierung

Dieses Geschwindigkeitsproblem hat ASMPT mit seiner hybriden Bestückungsplattform Siplace CA2 gelöst. Bei dieser Maschine wird der Ablöseprozess durch Pufferspeicher zum Bestückprozess parallelisiert. Dies funktioniert sowohl bei der Die-Attach- als auch bei der Flip-Chip-Bestückung. Damit erzielt die Siplace CA2 eine Performance, die auch modernen SMT-Highspeed-Fertigungslinien gerecht wird:

• SMT: bis zu 76.000 BE/h
• Flip Chip vom Wafer: bis zu 40.000 BE/h
• Die Attach vom Wafer: bis zu 50.000 BE/h

Auch in puncto Präzision erfüllt der Bestücker die hohen Anforderungen der Hybridbestückung: Er lässt sich, individuell pro Bauelement, zwischen 20 μm, 15 μm und 10 μm einstellen, jeweils bei einer Prozessstabilität von 3 σ. Somit ist eine nahtlose Integration in die SMT-Fertigungslinie möglich.

Die Siplace CA2 kann als hybrides System aus SMT-Bestückautomat und Die Bonder sowohl über Wechseltische/Förderer zugeführte SMDs als auch Dies direkt vom gesägten Wafer in einem Arbeitsgang verarbeiten. Damit integriert sie den aufwändigen Die-Bonding-Prozess in die SMT-Linie und spart den Einsatz dedizierter Spezialmaschinen in der Fertigung.

Preisgünstiger, nachhaltiger flexibler

Die direkte Bestückung vom Wafer ohne Geschwindigkeitsverlust erweist sich in mehrfacher Hinsicht als wirtschaftlich vorteilhaft. Ein realitätsnahes Beispiel zeigt, dass sich mit ihr etwa 2 Millionen Euro an Taping-Kosten pro Jahr einsparen lassen. Die Einsparung von 800 km Tape pro Jahr bei einer 24/7-SiP-Produktion bedeutet nicht zuletzt auch einen wichtigen Schritt in Richtung nachhaltiger Fertigung. Hinzu kommt, dass die Packungsdichte der Dies auf einem Wafer viel höher ist als bei der gegurteten Variante. Der Bestücker erspart somit auch etliche Nachfüll- und Spleißvorgänge und entlastet die Mitarbeitenden. „Weniger Materialtourismus und Abfall, mehr Effizienz auf dem Shopfloor: Die Technik der Siplace CA2 ersetzt gleich mehrere Die Bonder und macht einen kompletten Prozessschritt, das Die Taping, überflüssig. Das spart erheblich Kosten und revolutioniert den gesamten Advanced-Packaging-Sektor“, freut sich Sylvester Demmel, Senior Product Manager bei ASMPT SMT Solutions.

Die Bestückung direkt vom Waver geht dabei keineswegs zu Lasten der Bauelement-Flexibilität: Die Siplace CA2 bietet optional ein Wafersystem für bis zu 50 verschiedene Wafer, mit einer Wafer-Swap-Dauer von weniger als 10 Sekunden („Full multi-die capability“). Ein Wafer Chuck, eine Flux (Linear) Dipping Unit (LDU) und zehn 8-mm-Tape-and-Reel-Feeder-Tracks lassen sich parallel verwenden.

Tracing und Qualitätssicherung

Wichtig für die Qualitätssicherung und reibungslose Fertigung: Trotz der Multi-Die-Fähigkeit und der Verwendung mehrerer diverser Wafer gleichzeitig kann die Siplace CA2 jedes einzelne verarbeitete Die eindeutig einer konkreten Position auf einem bestimmten Wafer zuordnen. Ebenso genau lässt sich nachverfolgen, wo das betreffende Die platziert und weiterverarbeitet wurde (Single Die Level Traceability). Informationen über defekte Substrate kann die Maschine elektronisch über- nehmen, zum Beispiel vom Server des Herstellers. Für die Zuordnung ist nur eine Individualcodierung auf der Leiterplatte erforderlich. Damit entfällt das bisher oft noch übliche, zeitintensive optische Scannen nach Markierungspunkten. Dennoch wird das Bestücken nicht funktionsfähiger Substrate zuverlässig vermieden.

Lückenlose und höchst präzise Bauelementkontrolle mit Einzelbilderfassung ist bei Siplace Maschinen von ASMPT längst Standard und kann mit der Siplace CA2 auch bei der Die-Verarbeitung genutzt werden. Bei der PCB-Kamera wurde die Auflösung noch einmal verdoppelt. Eine neue High-Speed-Observation-Kamera erfasst bis zu 200 Frames pro Sekunde. Sie beobachtet den Ablösevorgang der Dies und adaptiert dabei die Frame-Rate automatisch auf die relevanten Prozessschritte. Somit ist eine nachträgliche Analyse des Ablöseprozesses möglich.

.

Platzsparend und gut kombinierbar

Hervorzuheben ist auch der kompakte Aufbau der Version Siplace CA2. Die nach dem CE- und dem US-Standard S2 / S8 für Sicherheit und Ergonomie zertifizierte Maschine misst nur 2,56 Meter × 2,50 Meter (L × B). Dies ist wichtig, da Stellflächen in der Fertigung, insbesondere unter Reinraumbedingungen, knapp und teuer sind.

Gerade in der SiP-Fertigung ist die Kombination der hybriden Siplace CA2 mit dem Highspeed-Bestückautomat Siplace TX micron von ASMPT interessant. Die Siplace TX micron eignet sich bei Advanced Packaging und High-Density-Anwendungen mit bis zu 93.000 BE/h und hoher Präzision. Mit modernster SMT-Technologie bietet sie drei Präzisionsklassen: 20, 15 und 10 μm @ 3 σ bei Bestückabständen von nur bis zu 50 μm. Beide Maschinen können in einer Fertigungslinie stehen und sich ergänzen – für maximale Flexibilität und Ertrag.

Universelle Schnittstellen

Wie alle Siplace-Maschinen ist auch die Siplace CA2 dank standardisierter Schnittstellen wie SECS/GEM oder IPC-CFX und smarter Software ein Kommunikationstalent für den nahtlosen und herstellerübergreifenden Datenaustausch – Vorzüge, die in der Semiconductor-Welt in diesem Umfang keineswegs selbstverständlich sind. Wafermaps werden natürlich auch unterstützt. Viele Funktionen der Applikationen aus der Works Software Suite von ASMPT in Bereichen wie Traceability, Setup Verification, Optimization und Logistics sind auch für die Siplace CA2 verfügbar. Für den Die-vom-Wafer-Prozess erschließt sich damit ein völlig neuer, umfassender Software-Pool mit einheitlicher Benutzeroberfläche, der zum Beispiel auch für die Materialflussplanung und den effektiven Einsatz der Mitarbeitenden in einem Experten-Pool einsetzbar ist. Das macht die Siplace CA2 voll integrierbar in das zukunftsweisende Konzept der intelligenten Fertigung von ASMPT.

Mit der Siplace CA2 liefert das Unternehmen die Maschine, die in der SiP-Fertigung noch gefehlt hat. Mit ihrer Kombination aus Schnelligkeit, Präzision und Flexibilität fügt sich die hybride Bestückplattform in die moderne Highspeed-Fertigung ein und eliminiert mit dem Die-Taping einen kompletten Arbeitsschritt.

„Die Siplace CA2 bringt zusammen, was im SiP-Zeitalter zusammengehört, und erschließt neue Dimensionen im Advanced Packaging. Die hochflexible Konfiguration und die schlanken Prozesse heben Umsatzpotenziale, erschließen neue Märkte sowie Kundenkreise und bringen klare Wettbewerbsvorteile. Die sehr kurze Amortisationszeit macht die Investitionsentscheidung fast unumgänglich“, resümiert Demmel.

PCIM 2024: Halle 6, Stand 450