Neue Prozessoren fordern die SMT-Bestückung heraus

Größe und Komplexität aktueller Hochleistungsprozessoren und KI-Beschleuniger sind in den vergangenen Jahren enorm gestiegen. Getrieben wird diese Entwicklung durch den exponentiell steigenden Bedarf an Rechenleistung in KI-basierten Anwendungen, insbesondere in Hyperscale- und Enterprise-Rechenzentren.

Bei diesen Komponenten handelt es sich um hochintegrierte Multi-Die-Module, die typischerweise als Ball Grid Array (BGA) direkt auf die Leiterplatten der Serverboards bestückt werden. Gehäuseabmessungen von bis zu 150 × 150 mm und Gewichte von über 500 g sind dabei keine Ausnahme mehr. Kugeldurchmesser zwischen 0,5 und 0,6 mm sowie Pitch-Abstände zwischen 0,8 und 1 mm gelten heute bereits als Standard. Eine weitere Herausforderung liegt jedoch in der Anzahl der Anschlüsse. Hohe vierstellige Anschlusszahlen sind bei Prozessor-BGAs längst üblich.

Hochleistungsprozessoren für KI-Server kosten zudem heute nicht selten 10.000 US-Dollar oder mehr pro Stück. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an einen stabilen und durchgängig abgesicherten Null-Fehler-Bestückprozess. Eine zentrale Rolle spielt dabei die lückenlose Qualitätskontrolle über alle Prozessschritte hinweg. Wie sich ein solcher Fertigungsprozess mit Siplace-Bestückautomaten umsetzen lässt, zeigt dieser Beitrag. 

Beherrschung komplexer SMT-Prozesse

Die neueste Generation von Serverboards für KI- und High-Performance-Computing-Anwendungen verändert die Anforderungen an die SMT-Fertigung grundlegend. Die großen, schweren und teilweise sehr dicken Leiterplatten werden mit einer Vielzahl unterschiedlichster Bauelemente bestückt – von ICs und Elektrolytkondensatoren über komplexe Steckverbinder bis hin zu tausenden passiven Bauelementen. Daraus ergibt sich eine enorme Anzahl an Bestückpositionen sowie weit über 20.000 Verbindungen auf einer einzigen Leiterplatte. Hinzu kommt, dass passive Bauelemente nicht nur in sehr hoher Dichte, sondern häufig auch in unterschiedlichen Winkellagen bestückt werden.

Für einen stabilen Prozess bei der beidseitigen Bestückung solcher Serverboards müssen sämtliche Prozessschritte exakt aufeinander abgestimmt sein – von der Bauelementbeschreibung über Leiterplatten-Handling, Zuführung, Bestückung und In-Machine-Inspektion der Standardbauelemente bis hin zur Vorbereitung, Abholung und Bestückung der BGAs sowie deren Koplanaritätsprüfung.

Hochdichte BGA-Strukturen sicher erfassen

Voraussetzung für eine hohe Bestückqualität ist zunächst die exakte Beschreibung des Bauelements. Aktuelle KI-Prozessoren verfügen über tausende vonAnschlüssen. Zukünftige Generationen werden sogar Anschlusszahlen von deutlich über 20.000 erreichen. Die Balls sind häufig unregelmäßig auf der Unterseite des BGAs angeordnet. Hinzu kommen auf der Unterseite noch bestückte passive Bauelemente, sogenannte Landside-Capacitors, zwischen den Balls. Eine manuelle Beschreibung über klassische x/y-Matrizen stößt hier schnell an ihre Grenzen.

Bestückautomaten müssen deshalb in der Lage sein, komplexe BGA-Strukturen automatisiert einzulernen. Wird das Bauelement vom Bestückkopf aufgenommen, erstellt die Kamera Aufnahmen der Unterseite. Anhand der Bilddaten erkennt ein Assistent automatisch die Ballpositionen. Noch effizienter ist der direkte Import von Ball- und Geometriedaten, sofern diese vom Hersteller bereitgestellt werden. Die Übernahme erfolgt direkt auf dem Siplace-Bestückautomaten oder der Siplace Vision Teach Station. Die Works Software Suite von ASMPT unterstützt die Offline-Programmierung komplexer Bestückaufgaben mit ODB++-Import, Simulation und 3D-Visualisierung zur Programmierung der Pin-Unterstützung.

Leiterplatten-Handling für Großformate

Die neuen Serverboards erreichen Dimensionen, die in der SMT-Fertigung bislang kaum eine Rolle gespielt haben. Leiterplatten mit Abmessungen von bis zu 800 × 560 mm, einer Dicke von mehr als 8 mm und einem Gewicht von bis zu 10 kg stellen hohe Anforderungen an Handling und Prozessstabilität. Für Siplace-Bestückautomaten stehen dafür bereits geeignete Heavy-Duty-Conveyor zur Verfügung.

Zuführung und Bestückung der Bauelemente

Bevor die großen BGAs bestückbar sind, müssen zunächst tausende Standardbauelemente auf die Leiterplatte gebracht werden, darunter vor allem eine große Anzahl passiver Kondensatoren im Format 0402 und 0201, die weniger als ein Tausendstel der Größe der BGAs betragen. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Bauelementzuführung und die Bestückleistung. Die Siplace Smart Feeder automatisieren Kalibrierung der Abholposition, Versatzausgleich, Spleißerkennung und Pitch-Erlernung. Für die Zuführung großer und ungewöhnlich geformter Bauelemente (OSCs) stehen Siplace Waffle Pack Changer bereit. Für die schnelle und hochdichte Bestückung von Standardbauelementen kommt der Collect-and-Place-Bestückkopf CP20 zum Einsatz. Mit 20 unabhängigen Segmenten ermöglicht er Versatzkorrekturen und die Bestückung beliebiger Winkellagen innerhalb eines Kopfzyklus. Für verschiedene Bauelementformen und -größen steht der flexible CPP mit den Modi Collect-and-Place, Pick-and-Place und Mixed Mode zur Verfügung.

Kritische Prozessschritte absichern

Bei der Fertigung moderner KI-Serverboards ist eine durchgängige Qualitätskontrolle unverzichtbar. Insbesondere bei hochpreisigen BGAs ergeben sich zusätzliche Herausforderungen. Unter den großformatigen BGAs werden häufig sogenannte Spacer appliziert. Diese stellen während des Reflow-Prozesses definierte Abstände sicher und verhindern Signalkurzschlüsse. Da es sich hierbei um einen kritischen Prozessschritt handelt, müssen sowohl Position als auch Anwesenheit der Spacer innerhalb definierter Toleranzen überprüft werden, bevor das BGA bestückt wird. Die Spacer weisen typischerweise eine Breite von etwa 760 µm auf und variieren zusätzlich in ihrer Höhe. Im Siplace-Bestückautomaten erfolgt die Überprüfung der Spacer unmittelbar vor der BGA-Bestückung. Hierzu wird die vorhandene, hochauflösende Leiterplattenkamera genutzt, um eine 2D-Vermessung der Spacer mittels featurebasierter Algorithmen durchzuführen.

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Petra Gottwald

3D-Inspektion direkt im Bestückautomaten

Zusätzlich ist sicherzustellen, dass sich keine Fremdkörper im späteren Bestückbereich der teuren und großformatigen Komponenten befinden. Siplace-Bestückautomaten nutzen hierfür die Funktion „On-Board PCB Inspection“. Damit ist es möglich, definierte Bereiche der Leiterplatte zu inspizieren, während diese sich noch im Bestückautomaten befindet. Die Inspektion basiert auf einem 3D-Verfahren unter Verwendung von Mehrwinkelbeleuchtung (photometrisches Stereo). Dabei werden Höhenprofile durch den Vergleich mehrerer Aufnahmen mit unterschiedlichen Beleuchtungswinkeln erzeugt. Die Auswertung erfolgt durch den Abgleich mit einem zuvor eingelernten Referenzmuster („Golden Sample“) einer korrekt bestückten Leiterplatte und dem erzeugten Höhenprofil der aktuell zu bestückenden Baugruppe. Dies ermöglicht eine zuverlässige Detektion von Fremdkörpern.

Zusätzliche Hardware ist hierfür nicht erforderlich, da die Funktion über die Softwareoption „On-Board PCB Inspection“ aktiviert wird. Erst wenn alle Prüfungen – sowohl die Überprüfung der Anwesenheit der Spacer als auch die Überprüfung der Abwesenheit von Fremdkörpern – erfolgreich abgeschlossen sind, erfolgt die Bestückung des kritischsten Bauelements.

Große BGAs sicher aufnehmen und bestücken

Das Handling großer und schwerer BGAs stellt hohe mechanische Anforderungen an den Bestückprozess. Größe und Gewicht der CPUs und GPUs verschärfen die Herausforderungen bei der sicheren Abholung. Die speziell ausgelegten Pipetten müssen exakt auf die Oberfläche des Bauelements abgestimmt sein und definierte Sperrzonen berücksichtigen, beispielsweise eine Abholung ausschließlich auf dem Stiffener-Ring.Gleichzeitig muss die Saugleistung ausreichend dimensioniert sein, um das Bauelement sicher abzuholen und anschließend präzise zu vermessen und zu bestücken. Für eine präzise und stabile Prozessführung empfiehlt es sich daher, Position und Winkellage der Pipette am Bestückkopf sowie die Lage des Bauelements im Tray vor der Abholung zu vermessen. Beide Funktionen werden von Siplace-Bestückautomaten unterstützt.

Massenträgheit gezielt beherrschen

Beim Bestücken großer und schwerer Bauelemente spielt das Massenträgheitsmoment insbesondere bei Drehbewegungen eine entscheidende Rolle. Nur wenn diese Kräfte im Prozess berücksichtigt werden, lässt sich eine präzise Bestückung sicherstellen. Moderne Prozessoren bestehen aus unterschiedlichen Materialien und weisen keine homogene Massenverteilung auf. Deshalb muss das jeweilige Massenträgheitsmoment bauelementspezifisch im Bestückprogramm hinterlegt werden können. Siplace-Bestückplattformen bieten die Möglichkeit, das spezifische Massenträgheitsmoment eines Bauelements automatisiert zu bestimmen und daraus die optimalen Achsenbewegungen abzuleiten. Dazu wird das Bauelement abgeholt und innerhalb der Maschine verfahren. Darüber hinaus sollten Beschleunigung und Geschwindigkeit sämtlicher Achsen – x, y, z und Delta – frei programmierbar sein. Nur so lässt sich die Bewegungsdynamik optimal an das jeweilige Bauelement anpassen und eine hohe Bestückleistung bei gleichzeitig stabiler Prozessqualität erreichen. 

Koplanarität als kritischer Qualitätsfaktor

Bei großen Bauelementen mit hoher Anschlussdichte ist die Koplanarität ein entscheidender Qualitätsfaktor. Nur wenn sämtliche BGA-Verbindungen auf derselben Ebene liegen, kann beim SMT-Prozess ein zuverlässiger Kontakt zur Lotpaste entstehen.

Herkömmliche Bauelementkameras erkennen zwar fehlende oder deformierte Balls zuverlässig, ihre Höhenauflösung reicht jedoch für eine präzise Koplanaritätsprüfung nicht aus. Sie sind primär für x/y-Messungen ausgelegt, sodass Höhenauflösungen im Bereich mehrerer hundert Mikrometer in der Regel ausreichend sind. Für die Bewertung der Koplanarität großer BGAs genügt das jedoch nicht, da die typische Lotpastendicke lediglich bei etwa 100 bis 120 µm liegt.

Aus diesem Grund kommen spezielle 3D-Koplanaritätsmesssysteme zum Einsatz, wie sie auch für Siplace-Bestückautomaten verfügbar sind. Sie arbeiten etwa mit Lasertriangulation und erreichen Höhenauflösungen von bis zu 0,5 µm. Dabei projiziert das 3D-Koplanaritätsmodul einen Laserstrahl auf das Bauelement. Aus der Reflexion des Lichts an unterschiedlichen Positionen berechnet das System ein detailliertes Höhenprofil.Ein Algorithmus verarbeitet diese Daten, bestimmt die Sitzebene und prüft dann für alle Balls, ob die Abweichungen ihrer Z-Position innerhalb definierter Toleranzen liegen. Gemäß Jedec-Norm 22-B108A definieren die drei am weitesten hervorstehenden Balls die Sitz-ebene. Der Schwerpunkt des Bauelements muss dabei innerhalb des von diesen drei Balls gebildeten Dreiecks liegen. Die Sitzebene entspricht somit der Ebene, auf der das Bauelement ohne äußere Krafteinwirkung aufliegen würde. Liegen alle Anschlüsse in dieser Ebene, können die Balls Kontakt mit den Lotdepots herstellen.

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Prozesssicherheit und Fertigungsqualität

Die Anforderungen an die SMT-Fertigung von KI-Serverboards steigen derzeit in außergewöhnlicher Geschwindigkeit. Immer größere und schwerere Prozessor-BGAs, extreme Anschlussdichten sowie hochminiaturisierte Standardbauelemente verlangen nach durchgängig abgesicherten Prozessen und neuen Lösungen für Bestückung, Inspektion und Prozesskontrolle.

Entscheidend ist dabei weniger eine einzelne Technologie als vielmehr das präzise Zusammenspiel aller Prozessschritte. Aktuelle Siplace-Bestückautomaten bieten dafür bereits heute die notwendigen Voraussetzungen und ermöglichen eine stabile und prozesssichere Fertigung selbst hochkomplexer KI-Serverboards.

Die Siplace-Plattform ist auf solche Anforderungen ausgelegt und kommt bei anspruchsvollen Bestückprozessen zum Einsatz. So lassen sich auch künftige Generationen von KI- und High-Performance-Computing-Systemen zuverlässig in der SMT-Fertigung herstellen. (prm)

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