Technologischer Sprung bei SPI-Systemen

Der Schablonendruck gilt als der fehleranfälligste Prozessschritt in der SMT-Fertigungslinie. Um die Bestückung von fehlerhaft bedruckten Leiterplatten zu vermeiden, werden Lotdepots heute mit Inline-SPI-Systemen optisch geprüft. Werden zuvor definierte Schwellwerte bei Position, Fläche, Höhe und Volumen der Depots unter- oder überschritten, stoppen SPI-Systeme die Linie und fordern eine Kontrolle durch den Bediener.

Das Expertensystem Process Expert optimiert den laufenden Druckprozess, beschleunigt NPIs und prüft Schablonendesigns schon auf Basis von Gerber-Daten. ASM

Klingt einfach. Ist es in der Praxis aber nicht. Mess-ungenauigkeiten und zu eng definierte Schwellwerte führen zu einer Vielzahl von eigentlich unnötigen Linienstopps. Deren Freigabe kostet einen erfahrenen Bediener zwar nur wenige Sekunden, aber die Vielzahl kurzer Stopps summiert sich zu spürbaren Einschnitten in der Linienproduktivität. Und noch schlimmer: Die vielen Fehlalarme ermüden Anwender. Das führt dazu, dass gelegentlich auch bei tatsächlichen Fehlern ein Override des SPI-Systems erfolgt. Tombstones, unzureichend stabile Verbindungen und andere Fehlerbilder nach dem Reflow-Lötprozess sind die Folge.

ASM Process Lens nutzt 8 Mio. Mikrospiegel

Mit seinem innovativen SPI-System Process Lens reduziert ASM Assembly Systems diese Effekte. Die technologische Basis dafür: ein genaueres und flexibleres Messsystem als bei herkömmlichen SPI-Systemen. Wie viele moderne SPI-Systeme nutzt Process Lens zur Messung das Streifenprojektionsverfahren von Moiré. Herkömmliche SPI-Systeme arbeiten hierfür mit starren Gittern, die mit Piezotechnologien vor einer Lichtquelle bewegt werden und so die für die Messung erforderlichen Streifenmuster auf die Leiterplatte werfen. Die über eine Kamera erfassten Verformungen der Streifen erlauben die dreidimensionale Erfassung der Strukturen. Der Nachteil dieser Technik: Die Gitter sind starr, Auflösung und Messbereich sind festgelegt.

Process Lens setzt eine völlig neue, digitale Technik dagegen. Das SPI operiert über einen DLP-Chip (Digital Light Projector) mit 8 Mio. Mikrospiegeln, um die Streifen digital und flexibel gesteuert zu erzeugen – mit gravierenden Vorteilen in der Praxis. So ist es beispielsweise möglich, eine Aufnahme mit der maximalen Auflösung von 0,37 µm und kleinem Messbereich bis etwa 500 µm zu fahren – ein Bereich, den auch die herkömmlichen SPI-Systeme abdecken. Eine zusätzliche Aufnahme mit geänderter Ansteuerung der Mikrospiegel kann dann aber mit größerem Messbereich gefahren werden. Dadurch deckt Process Lens Messbereiche bis über 1000 µm ab, ohne die Höhenauflösung zu beeinträchtigen.

Wo andere Systeme bei großen Lotdepots in der Mitte statt eines Berges einen Krater visualisieren (weil die Messung ihren Messbereich überschreitet und den Wert auf null setzt), zeigt Process Lens die korrekten Höhen an, berechnet das komplette Depotvolumen und erlaubt so einen nicht gewünschten großen „Überdruck“ zuverlässig anzuzeigen.

Software Process Engine: Echtzeitanalyse von Prozessdaten und autonome Steuerung/Optimierung von Druckprozessparametern. ASM

2D- und 3D-Messung intelligent kombiniert

Klar: Die Positionierung der Kamera entscheidet über die Schärfe des Bildes und damit über die Qualität der optischen Messung. In Process Lens verbaut der Technologieführer Antriebstechnologien aus seinen Lösungen für die Halbleiterfertigung. Das Ergebnis: eine X/Y-Positionierungsgenauigkeit von 12,5 µm und damit der Spitzenwert bei SPI-Systemen. Vor der Positionierung der Kamera wird für jedes Bild (Field of View) die Leiterplattenwölbung in 3D gemessen und als Korrekturgröße für die Kameraposition genutzt. Auch wird zuvor ein Bare Board Teaching durchgeführt. Höhenunterschiede zwischen Bare Pad und Lotstopplack werden hier erfasst und so in die spätere Berechnung der Depotgrößen eingearbeitet. In der Kombination werden so Bildschärfe und Messgenauigkeit erheblich gesteigert.

Mehrere Lichtquellen erlauben Process Lens schattenfreie Messungen. Andere technische Neuerungen neben der Messgenauigkeit auch die Visualisierung. So erzeugt Process Lens zunächst 2D-Bilder der Leiterplatte, um die Position der Lotdepots zu erfassen. Nur als Depot erkannte Strukturen werden dann dreidimensional vermessen.

Der Vorteil: eine zielorientiertere, klarere Visualisierung, die das Auge der Operator besser auf die wichtigen Punkte (Points of Interest) lenkt. Höhen- und Positionsunterschiede anderer Elemente (Stopp-Lack-Schwellen, Schriften, Leiterbahnen, etc.) werden nicht gemessen oder 3D-visualisiert. Das minimiert die Zahl der Fehlalarme weiter – etwa, weil Leiterbahnen nicht als Lotpastenbrücken (Bridge) fehlinterpretiert, andererseits aber auch niedrigste Brücken zuverlässig erkannt werden.

Feldtests im direkten Vergleich mit herkömmlichen SPI weisen die höhere Präzision und komfortablere Visualisierung von Process Lens nach. Druckfehler werden zuverlässiger erkannt, gleichzeitig sinkt die Zahl der Fehlalarme. Es gibt weniger Linienstopps und die Produktivität der Linien steigt. Zusätzlich misst Process Lens extrem schnell. Beleg dafür: das Inline-SPI lässt sich im Doppeltransport betreiben.

Proaktive Druckprozessoptimierung

In eine völlig neue Kategorie verwandelt sich das SPI-System dann mit Aufspielen der optionalen, nachrüstbaren Software Process Engine. Diese Software speichert alle SPI-Messungen, lernt selbständig aus jedem Druckprozess und vergisst kein einziges Detail. Das Ergebnis ist Process Expert – das weltweit erste selbstlernende Expertensystem, das die reaktive Prozesskontrolle durch eine autonome Druckprozess-optimierung ersetzt.

Moiré-Streifenprojektion: Mit innovativem DLP-Chip und Mikrospiegeln misst ASM Process Lens präziser, schneller und flexibler als herkömmliche SPI-Systeme. ASM

Process Expert reagiert nicht erst auf Fehler, sondern erkennt bereits Trends, die den Schablonendruck bei künftigen Drucken aus dem Prozessfenster laufen lassen. Aus der Echtzeitanalyse leitet Process Expert Korrekturmaßnahmen ab und startet diese, noch bevor der Prozess instabil wird und ein Fehler im Druck auftritt. Die Gegenmaßnahmen können je nach Vorliebe des Elektronikfertigers als Vorschlag an den Bediener ausgegeben werden – oder Process Expert wird die Kontrolle des Druckers übertragen und das System optimiert die Prozessparameter autonom. In der Praxis zeigen sich die meisten Anwender schnell von Arbeitsweise und Vorschlägen überzeugt und wechseln recht zügig zum zweiten Betriebsmodus.

Das vielleicht augenfälligste Beispiel für diese Arbeitsweise: Drucker arbeiten bisher mit eingestellten, starren Reinigungszyklen. Anders bei Process Expert: Das System erfasst vor jedem Druck, ob die Druckqualität ausreichend sein wird und passt die Reinigung dem tatsächlichen Bedarf an. In der Praxis lassen sich so Reinigungszyklen verlängern und der Liniendurchsatz erhöhen – ohne die Druckqualität zu gefährden.

Virtuelle Drucke prüfen DfM

Welche Möglichkeiten diese Technologien eröffnet, zeigt das Beispiel DFM Health Check. Mit dieser Funktion lassen sich die Gerberdaten einer Schablone laden und prüfen – vor deren Produktion. Process Expert ermittelt über Drucksimulation und virtuelle Drucke, ob sich mit diesem Design stabile Druckprozesse erreichen lassen und zeigt an, welche Bereiche kritisch sind. Eine Softwarefunktion, die ASM als bedeutender Schablonenhersteller selbst bei der Fertigung von Präzisionsschablonen nutzt und die für entwickelnde Unternehmen einen sinnvollen Design-Check darstellt.

Steigende Linienproduktivität: Aus der Echtzeitanalyse leitet Process Expert Korrekturmaßnahmen ab und startet diese, noch bevor der Prozess instabil wird und ein Fehler im Druck auftritt. ASM

Ähnlich groß ist die Hilfe bei Produktneueinführungen (NPI) in der SMT-Fertigung. Hier muss kein Spezialist über eine große Zahl von Testdrucken die Druckprozessparameter justieren. Stattdessen ermittelt Process Expert mit wenigen, autonom gesteuerten Tests geeignete Prozessparameter. Der Hintergrund: Selbst der erfahrenste Druckexperte übersieht Details und Abhängigkeiten. Zudem können computerbasierte Systeme in Sekundenschnelle Abhängigkeiten über multivariate Analysen erkennen – für erfolgreiche NPIs auch in Nacht- und Wochenendschichten.

(mrc)