Als Elektronikfertigungsdienstleister der besonderen Art hat sich Rohde & Schwarz Messgerätebau in Memmingen etabliert – das HF-Know-how des Mutterunternehmens stellt durchaus ein Alleinstellungsmerkmal dar. In der Mikroelektronikfertigung in Memmingen werden Komponenten für die vektorielle Netzwerkanalyse, Spektrumanalyse und Leistungsmessung bis 110 GHz aufgebaut.

Bild 1: Wedge-Bonden mit Durchmesser 17,5 µm mit dem Dünndrahtbonder BJ820 von Hesse.

Bild 1: Wedge-Bonden mit Durchmesser 17,5 µm mit dem Dünndrahtbonder BJ820 von Hesse.Elprotek

Bei zirka 800 verschiedenen Schaltungen und HF-Modulen auf Basis von verschiedenen Substratmaterialien und einer mittleren Losgröße von zirka 30 Stück liegt die Herausforderung in der Gestaltung und Auslegung der Fertigungskette und der einzelnen Prozesse. Einer der Hauptfertigungsprozesse in der Mikroelektronik bei Rohde & Schwarz ist das Dünndrahtbonden. Standardmäßig kommen Golddrähte mit einem Durchmesser von 17,5 µm zum Einsatz. Aufgrund besserer HF-Eigenschaften wird zu etwa 98 Prozent das Wedge-Bondverfahren (Bild 1) auf den automatischen Drahtbondern eingesetzt.

Testen von Bondverbindungen

Bis vor etwa drei Jahren wurde fast jede Bondverbindung durch einen manuellen Zugtest überprüft. Mit der prozessintegrierten Qualitätskontrolle PiQC, entwickelt bei Hesse Mechatronics gemeinsam mit Elprotek, ist es nun möglich, die Anzahl der notwendigen Zugtests deutlich zu reduzieren, da die Qualität der Bondverbindung bereits während des Bondprozesses über einen Parametervergleich in Echtzeit überprüft wird. Um optimale Prüfbedingungen zu erhalten, muss ein Produkt einen Lernprozess mit einer gewissen Bondanzahl durchlaufen. Danach lassen sich Rückschlüsse über die Einflussfaktoren wie Oberflächengüte, Verschmutzungen, Wedgeverschleiß und Ähnliches ziehen. Je größer die Bondanzahl während der Lernphase ist, umso genauer lässt sich der „ideale“ Bondprozess abbilden und die kritischen Parameter durch eine statistische Prozesskontrolle verfolgen.

Da sich durch das PiQC genau sagen lässt, welche Bondverbindung nicht optimal ist, kann der Aufwand für den manuellen Zugtest reduziert werden. Jedoch ist es nicht möglich, den Zugtest vollständig durch das PiQC zu ersetzen, da manche Drahtverbindungen als HF-Komponenten fungieren, die der Zugtest in die optimale Form bringen muss. Die hohe Produktvielfalt bei verhältnismäßig geringen Losgrößen stellt für das Qualitätssystem eine besondere Herausforderung dar, da die Lernphase für eine stabile Qualitätszahl hier nur kurz ist.

Bild 2: Vergleich der Testverfahren für Bondverbindungen.

Bild 2: Vergleich der Testverfahren für Bondverbindungen.Elprotek

Trotz der verkürzten Lernphase kann das PiQC veränderte Prozesseigenschaften wie etwa eine Oberflächenverschmutzung anzeigen. Auch erkennt das System eine schlechte Ultraschalleinkopplung aufgrund schlechter Substratfixierung. Durch das PiQC-System konnte die Mikroelektronikabteilung bei Rohde & Schwarz Messgerätebau die Anzahl der notwendigen Zugtests um 50 Prozent verringern. Dies bedeutet eine Einsparung im gesamten Bondverfahren (Bonden und Zugtest) von zirka 19 Prozent (Bild 2). Diese Senkung der Fertigungskosten führte dazu, dass sich das System bereits nach elf Monaten amortisierte. Mit Hilfe des PiQC-Systems ließ sich also sowohl ein höherer Qualitätsstandard erzielen als auch die Fertigungskosten des Drahtbondverfahrens weiter minimieren.

Motivation

Bild 3: Sensor für PiQC.

Bild 3: Sensor für PiQC.Elprotek

Angestoßen unter anderem durch die Null-Fehler-Philosophie in der Automobilindustrie und den zuliefernden Unternehmen, beschloss man bei Hesse Mechatronics vor einigen Jahren die Entwicklung eines Verfahrens zur prozessintegrierten Qualitätskontrolle (PiQC). Das Unternehmen entwickelt und produziert Maschinen und Anlagen für das Ultraschall-Schweißen in der Mikroelektronik. Zusätzlich zu den bekannten Größen wie Drahtverformung, Ultraschall-Leistung und Frequenz erfasst das Verfahren mittels eines speziell hierfür entwickelten Sensors (Bild 3) die Bewegung der Toolspitze sowie die Reibung an der Bondstelle. Typischerweise lassen sich die Daten als Kurve über die Bondzeit (Bild 4) darstellen.

Bild 4: Beispiele für Bondkurven.

Bild 4: Beispiele für Bondkurven.Elprotek

Für jeden Parameter werden aus den erfassten Daten entsprechende Qualitätswerte bestimmt (Bild 5) und daraus wiederum ein Gesamtqualitätswert für die Bondstelle errechnet. Alle Messungen und Berechnungen erfolgen für jede einzelne Bondstelle in Realzeit parallel zu dem ablaufenden Bondprozess, also ohne jeden Einfluss auf die Zykluszeit. Die Gewichtung der einzelnen Messwerte sowie die Festlegung der Grenzwerte obliegt dem Anwender und kann somit produkt- und anwendungsspezifisch erfolgen.

Bild 5: Darstellung Qualitätswerte.

Bild 5: Darstellung Qualitätswerte.Elprotek

Stellt das System Abweichungen von den in der Lernphase definierten Werten fest, wird wahlweise der Prozess unterbrochen oder aber die entsprechenden Informationen (zusammen mit den Werten für die als „gut“ gewerteten Bondstellen) in einer Datenbank zur späteren Auswertung gespeichert. Letztendlich ist es so möglich, bei Anbindung an ein Traceability-System die Qualitätsdaten jeder einzelnen Bondverbindung bei eventuellen Feldrückläufern nachzuvollziehen.