Submikron Photonik Platzierung genauer betrachten

Die Bonding, oder Die-Attach, ist ein wesentlicher Teilbereich des Assembly-Prozesses. Dabei werden ungehäuste Komponenten in ihrem Rohzustand (als Halbleiter-Die) im Pick-and-Place-Verfahren auf einem Substrat platziert, wobei sie temporär durch ein halbflüssiges Material (Epoxid oder Lot) an Ort und Stelle gehalten werden. In anderen Worten: Die-Bonding spielt eine bedeutende Rolle im Assembly-Prozess der Ebene 1. Dabei kommt es auf die genaue und wiederholbare Positionierung des Die an, um eine zuverlässige Verbindung mit dem Package/Substrat zu schaffen.

Die Bilder 1a und 1b zeigen diese Werte und ihre Beziehungen als Cpk-Diagramm. Amicra

Die Anforderungen verschieben sich

Die Interconnect-Dimensionen werden ständig kleiner. Das bedingt eine Platzier- und Wiederholgenauigkeit des Die-Bonders mit immer engeren Toleranzen, und es verschiebt die Anforderungen an die Platziergenauigkeit in den Submikron-Bereich hinein. In einigen Fällen muss die Die-Attach-Maschine das Die bonden, während es beim Aufheizprozess in seiner endgültigen Position gehalten wird. Die Funktion der Engine einer photonisch integrierten Schaltung (PIC, photonic integrated circuit) basiert auf dem von einem Laser generierten Licht. In diesem Fall muss die Die-Attach-Maschine den Laser bonden, typisch unter Einsatz eines eutektischen In-situ-AuSn-Bond-Prozesses. Das Ziel ist die genaue Ausrichtung des emittierten Laserlichts auf den Eingang des Wellenleiters des PIC – eine kleine Öffnung, die in den Silizium-Submount oder das Substrat geätzt ist.

Definition und Signifikanz von Cmk und Cpk

Die Zielsetzung dieses Beitrags ist es zu verdeutlichen, wie man die Cmk-Werte bei der Auswahl eines Die-Bonders, der eine Platziergenauigkeit im Submikron-Bereich erfordert, richtig einsetzt und nutzt. Dazu dienen folgende Überlegungen: Wie berechnet man Cpk/Cmk und woraus besteht der Cpk-Wert. Wie wirkt sich der Cpk-Wert auf den First-Pass Yield und PPM aus und wie kann der Photonik-Assembler Cpk auf kritischen Prozessen anwenden. Der Cmk- (Machine Capability) Index, also die Maschinenfähigkeit, ist ein effektives Maß zur Quantifizierung der Platzierfähigkeit eines Die-Bonders. Zum besseren Verständnis der Bedeutung des Cmk-Wertes betrachten wir zunächst den bekannteren Prozessfähigkeits-Index, in Gestalt von Cp und Cpk. Beide sind nützliches Tools, wenn man eine tiefere Einsicht gewinnen will, wie sich der First-Pass Yield der gesamten Montage-Linie verbessern lässt. Cpk (Process Capability), der Prozessfähigkeits-Index, vergleicht die oberen und unteren Grenzwerte (USL, LSL) einer Spezifikation mit den real auftretenden Abweichungen im Ergebnis eines Prozesses. Der Vergleich ist der Quotient aus der geforderten Prozess-Spezifikation oder deren Grenzwerte und den aktuell gemessenen Daten des Prozesses. Dies wird auch als Standardabweichung (Standard Deviation) oder Sigma bezeichnet. Cpk ist somit ein Fähigkeits-Index, der bewertet, wie dicht der gemessene Mittelwert (average) des Prozesses an den Grenzwerten der Spezifikation (USL, LSL) liegt. Wenn der Prozess kontrolliert abläuft und die Verteilung der gemessenen Daten vertretbar innerhalb der Grenzwerte der Spezifikation liegt, sollte die Differenz zwischen USL und dem Mittelwert (oder die Differenz zwischen LSL und dem Mittelwert) >3 Sigma (also 3 Standardabweichungen) betragen. Ist Cpk >1, ist der Mittelwert des Prozessverlaufs hinreichend weit vom Grenzwert der Spezifikation entfernt.

siehe Bild: Formel für die Berechnung von Cp und Cpk

Formel für die Berechnung von Cp und Cpk Amicra

Die theoretisch von einem Die-Bonder erreichbare Wiederholgenauigkeit ist schwierig zu messen oder zu schätzen. Dabei müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, beispielsweise das Subpixel-Grauwert-Vision-System, der Vision-Alignment-Algorithmus, die Quadratur des linearen Encoders, die optische Auflösung und anderes mehr.

Populäres Beispiel für Cpk-Management

Um eine Vorstellung zu entwickeln, wie der Cpk-Wert einen spezifischen Industrie-Prozess wie die Platzierung von Photonik-Komponenten beeinflusst, werfen wir einen kurzen Blick auf eine vertraute tägliche Routine: das Navigieren eines Fahrzeugs durch eine enge Garageneinfahrt. Die Breite der Garageneinfahrt versinnbildlicht oder definiert dabei die Grenzwerte der Spezifikation eines Prozesses. Die Position des eingeparkten Fahrzeugs steht für das Prozess-Ergebnis. Ist die Breite des Fahrzeugs nur wenig geringer als die Breite der Garageneinfahrt, sollte man das Fahrzeug auf jeden Fall genau auf der Mittellinie der Garage parken (was dem Mittelwert einer Prozess-Spezifikation entspricht), wenn man es unbeschädigt in die Garage einfahren will. Ist das Fahrzeug breiter als die Einfahrt, spielt es überhaupt keine Rolle, ob man es genau zentriert einfährt – es passt ohnehin nicht hinein. Ist das Fahrzeug zwei Mal schmaler als die Öffnung (entsprechend dem Six-Sigma Prozess), ist es nicht so wichtig, ob man es genau zentriert einparkt. Es passt in diesem Fall bequem hinein, denn es bleibt auf beiden Seiten viel Platz. Schlussfolgerung: Wenn man einen Prozess betreibt, der unter voller Kontrolle verläuft und nur geringe Variationen zeigt, sollte es einfach sein, die Kunden-Anforderungen zu erfüllen (das Fahrzeug ist leicht in die Garage einzuparken). Der Cpk-Wert bezeichnet das Verhältnis zwischen der Breite des Fahrzeugs und der Breite der Garagenöffnung, und mit welchem Abstand von der Mittellinie das Fahrzeug geparkt wurde.

Ein populäres Beispiel für Cpk-Variationen ist das Dart-Spiel. Amicra

Betrachten wir eine weitere Analogie: das Dart-Spiel mit Wurfpfeilen. Die Ringe des Dart-Boards (der Zielscheibe) definieren, wie weit die auf ihm gelandeten Pfeile vom Zentrum (Bull‘s Eye) entfernt sind. Ein guter Dart-Spieler erzielt konsistent eine eng platzierte Gruppierung der gelandeten Darts. Mit geringer Offset-Korrektur kann sich dieser Spieler also auf das Bull‘s Eye einschießen. Das steht im Gegensatz zu einem ungeübten Spieler. Es ist klar erkennbar, dass der ungeübte Spieler kein distinktives Treffermuster erzielt, und einige seiner Darts sogar außerhalb der Begrenzungen der Zielscheibe landen. Die Schussfolgerung hier: Der ungeübte Spieler muss sich darauf konzentrieren, die Wiederholgenauigkeit oder Standardabweichung (Std) seines Prozesses verbessern. Sobald er eine akzeptable Wiederholgenauigkeit erreicht, kann er versuchen, das eng zentrierte Treffermuster auch auf eine andere Zielscheibe zu übertragen. In anderen Worten: Man muss den gesamten Offset ausgleichen oder die Genauigkeit erhöhen.

Überlegungen für einen Die-Bonder

Grundsätzlich besteht das Ziel eines traditionellen Epoxy Die-Bonders in der Einrichtung eines wiederholgenauen Platzierprozesses, der um die anfangs eingeübte Die-Position herum zentriert ist. Anschließend muss dieser Bond-Prozess optimiert werden, indem man einige Dies auf das Substrat bondet. Als Cpk-Wert ausgedrückt entspricht eine gute Wiederholgenauigkeit des Platzierprozesses einer geringeren Standardabweichung. Es gibt eine Reihe von Parametern, wie Prozessanpassungen und externe Faktoren, die auf das Ergebnis des Platzierprozesses einwirken: Epoxid-Konsistenz, Bondkraft, Parallelität des Bond-Tools mit dem Sockel, Flachheit des Substrats, Qualität des Alignment. Aus diesem Grund ist ein Cpk-Wert >1 erforderlich, wenn ein Prozess über der Zeit nachhaltig stabil bleiben soll. Sobald ein Platzierprozess seine Stabilität erreicht hat, kann der Bediener die generelle Position des Die abgleichen (den Offset der Platzierung), um die beste Position für alle Drahtbond-Pads zu realisieren. Dies geschieht meist durch Zentrierung des Die auf den Bond-Pad des Substrats. Dies bestimmt die Genauigkeit oder Systemauflösung des Die-Bonders und es vergrößert den Cpk-Wert.

Lesen Sie auf der nächsten Seite über eine alternative Cpk-Definition.

Berechnete Cmk-Ergebnisse für den Die Bonder Nano von Amicra. Amicra

Eine andere Cpk-Definition

Eine weitere Definition der Prozessfähigkeit oder des Cpk-Indexes wird aus einem Verfahren (oder Tool) abgeleitet, mit dem man den Vertrauens-Level eines Prozesses ermittelt. Bei den meisten Montage-Prozessen gibt es eine große Anzahl von Variablen, die das Ergebnis beeinflussen können. Um sicher zu gehen, dass die Prozessergebnisse innerhalb der Grenzwerte der Spezifikation bleiben, ist es am besten, eine hinreichende Bandbreite zwischen den Prozessergebnissen und den Grenzwerten der Spezifikation vorzusehen. Man sollte sich also auf jeden Fall einen guten Überblick über alle Schlüssel-Variablen des Prozesses verschaffen, die das Ergebnis beeinflussen können. Im Wesentlichen sind das:

• Material
• Methode/Prozess
• Bediener
• Maschine/Tool
• Management
• Umgebung
• Messung

Um diese Variablen zu beherrschen, ist es hilfreich, einen Cpk-Wert >1 aufrecht zu erhalten.

Was ist Motorola Six Sigma?

Motorola Six Sigma (Cpk = 2) bezeichnet eine tief greifende Management-Strategie, die auf einem kontinuierlichen Verbesserungsprozess basiert. Die detaillierte Behandlung dieses Verbesserungsprozesses geht allerdings über die in diesem Beitrag abgehandelte Thematik hinaus. Vereinfacht ausgedrückt: Motorola Six Sigma ordnet ±1,5 Sigma dem eigentlichen Prozess zu. Eine weitere Spanne von ±1,5 Sigma berücksichtigt die Prozess-Variablen, die zwangsläufig den Prozess beeinflussen und/oder die Standardabweichung vergrößern. Dieser zusätzliche Wert von ±1,5 Sigma sichert einen minimalen PPM-Verlust in einer sich ständig ändernden Produktionsumgebung.

Ein Photonik-Package. Amicra

Wenn die Standardabweichung der Platzierung kleiner wird, ist das gleichbedeutend mit einer geringeren Anzahl von Platziervorgängen, die außerhalb von USL und LSL liegen. Unter der Annahme, dass die Platzierungsdaten um Null herum zentriert sind, vergrößert sich der Cpk-Wert. Das resultiert in einem stabileren Prozess, auch wenn Materialänderungen vorgenommen werden oder wenn eine andere Bedienperson den Prozess übernimmt. Unter der Annahme, dass USL, LSL auf ±0,5 µm gesetzt sind, repräsentiert die Grafik in Bild 1a einen Prozess mit Cpk = 1. Wenn also irgendwelche Prozessveränderungen eintreten, und die Bond-Platzierung streut dabei leicht außerhalb eines der Grenzwerte der Spezifikation – was den Cpk-Wert auf <1 reduziert – bewirkt dies einen Anstieg des PPM-Werts (3 Sigma), wie Tabelle 1 zeigt.

Wenn die Spezifikation einer Die-Bonder Platzierung ±0,5 µm bei 3 Sigma verlangt, und kein Cpk-Wert angegeben ist, deutet das auf Cpk = 1. Der Die-Bonder unterstützt also einen 3-Sigma-Prozess. Wenn allerdings der Die-Bonder ±0,5 µm bei 3 Sigma angibt, ist Cpk = 1,33. Dies entspricht einem 4-Sigma-Prozess, mit 1 Sigma Reserve für unvorhergesehene Einflüsse, bei gleichzeitiger Verringerung des PPM-Werts. Entsprechend gilt im angegebenen Beispiel als Anforderung an die Platzierung ±0,5 µm bei 3 Sigma. Cpk = 2 entspricht einem 6-Sigma-Prozess wie in Bild 1b und in der Tabelle 1 dargestellt, und zwar ohne PPM-Verlust.

Das Arbeiten mit angepassten Cpk-Werten

Was wäre der beste Ratschlag für einen Fab-Manager, der die Installation eines Submikron Die-Bonders beabsichtigt und dessen Wiederholbarkeit bestimmen muss? Und wie sollte er die Wiederholbarkeit, angesichts der zahlreichen Variablen, die die Platziergenauigkeit und die Wiederholbarkeit beeinflussen, mit dem Equipment von Wettbewerbern vergleichen?

Eine geeignete Strategie zur Lösung dieses Problems besteht darin, die vielen Variablen des Bondprozesses, die dessen Ergebnis beeinflussen, von der grundlegenden Fähigkeit des Die-Bonders zu separieren und getrennt zu betrachten. Dazu zählen Variable wie: Bond-Epoxid oder Kleber, Substrat, das zu verarbeitende Die, Bondmaterialien, Temperatur und anderes mehr. Die Eliminierung dieser Prozessvariablen macht die wahre Platzierungsfähigkeit des Die-Bonders sichtbar und erlaubt die quantitative Bestimmung der absoluten Wiederholbarkeit des Bondprozesses dieser Maschine. Daraus ergibt sich die bestmögliche Wiederholbarkeit, die man mit diesem Die-Bonder erreichen kann. Das entspricht folglich der Maschinenfähigkeit oder dem Cmk-Wert.

Zur Berechnung von Cmk

Der Cmk-Wert wird auf dieselbe Weise berechnet wie der Cpk-Wert. Mit den so ermittelten Cmk-Daten kann man dann einen ersten Vergleich mit einem Die-Bonder des Wettbewerbs vornehmen. Das ist besonders wichtig für die Platzierfähigkeit im Submikron-Bereich. Um sicherzustellen, dass der Die-Bonder einen wiederholbaren Prozess absolviert, führen die Hersteller von Die-Attach-Equipment meist einen grundlegenden Glas-Board-Test aus. Der Cmk Glas-Die-Test ist ein recht nützliches Verfahren, mit dem man die Platzierfähigkeit eines Die-Bonders nachweisen kann. Allerdings garantiert dieser Test nicht, ob der aktuell vorliegende Bondprozess ausführbar ist. Doch er bietet einen gewissen Einblick in die gesamte Auflösung des Bonders. Mit der Kenntnis der Platzierfähigkeit einer Maschine lässt sich bestimmen, was ein angemessener Wert für Cpk sein könnte. Der Cmk-Glas-Die-Test ist also eine effektive Methode zur systemischen Trennung des Bondprozesses vom eigentlichen Bonder.

Fakt ist, Cmk ersetzt nicht Cpk. Cmk ist ein Tool zu Messung der grundlegenden Wiederholbarkeit der Platzierung mit diesem Bonder. Dies ist unter ausreichend kontrollierten Bedingungen wichtig für die Bestimmung, ob der Bonder die grundlegende Systemauflösung erreicht, um die geforderten Grenzwerte der Spezifikation für den vorliegenden Bondprozess zu erfüllen.

Wenn die geforderten Grenzwerte der Bond-Spezifkation USL, LSL ±1,0 µm bei 3 Sigma und Cpk >1 sind, dann würde man gern ein Ergebnis für Cmk >1,33 oder sogar 1,67 sehen. Das stellt sicher, dass der Bonder die grundlegende Fähigkeit oder System-Auflösung hat, um die vorliegende Bond-Spezifikation auch in einer Produktionsumgebung zu realisieren. Konservativ denkende Anwender würden sogar noch höhere Cmk-Werte für dieselben Grenzwerte der Spezifikation bevorzugen. Der eutektische AuSn-Bondprozess stellt noch größere Herausforderungen, besonders wenn als Platziergenauigkeit (USL, LSL) ±0,5 µm bei 3 Sigma gilt, und wenn Cpk >1 gefordert ist. Dies ist der Fall beim Bonden einer Laserdiode auf ein Si-Photonics Package (Bild 4). Bei einem derartigen Platziervorgang sollte man Cmk >1,67 ansetzen und einen Test der Maschinenfähigkeit durchführen. Die in der Tabelle 2 und Bild 3 aufgeführten Daten sind ein gutes Beispiel für die mit dem neuesten Die-Bonder von Amicra Nano erhaltenen Cmk-Werte. Dabei ist zu beachten, dass der Cmk-Test den Einfluss des aktuellen Bondprozesses eliminiert, indem er wiederholt ein Glas-Die holt und auf einem per Vakuum fixierten Glas-Substrat platziert und die Ergebnisse der Platzierung misst. Klar erkennbar ist, dass die Cmk-Ergebnisse je nach dem gewählten USL/LSL zunehmen oder abnehmen, wobei USL/LSL vom geforderten Montageprozess abhängig sind.

In der Tabelle ist die Beziehung zwischen Sigma, PPM (Verlust an Ausbeute) und Cpk aufgelistet. PPM / Sigma / Cpk Umwandlungstafel. Amicra

Einflüsse eliminieren, die Ergebnisse verfälschen

Die grundlegende Kenntnis der Cpk-Konzepte und von Motorolas Six-Sigma Perspektive spielt eine Schlüsselrolle bei der Entscheidungsfindung der Auswahl eines Die-Bonders zur Platzierung von Photonik-Komponenten. Für den Die-Attach-Prozess und für die Genauigkeit der Platzierung im Submikron-Bereich muss man die Cmk-Werte kennen. Sie liefern einen guten Ausgangspunkt für die kritische Spezifikation, indem die äußeren Einflüsse ausgeblendet werden. Das vermeidet umständliche Begründungen, wenn der Bonder infolge externer Einflüsse die Spezifikationen der Platzierung nicht erfüllt. Nochmals: Es ist äußerst wichtig, alle Einflüsse zu eliminieren, die die Ergebnisse verfälschen können. Das richtige Verständnis von Cpk und Cmk ist besonders wichtig, wenn man ein automatisches Tool für einen Bondprozess auswählen muss, der eine Platziergenauigkeit im Submikron-Bereich erfordert. Der Glas-Die-Test ist dabei eine nützliche Methode zur Quantifizierung der Platzierfähigkeit des Die-Bonders. Er ermöglicht einen angemessenen Vergleich für ein komplexes Montage-Equipment.meit

Allerdings kann der Cmk Glas-Die-Test nicht garantieren, dass der vorliegende Bondprozess ausführbar ist. Aber er gibt zumindest eine Einsicht in die gesamte Auflösung und Fähigkeit des Bonders. Mit der Kenntnis der Platzierfähigkeit der Maschine (Cmk) kann man bestimmen, welcher Cpk-Wert realistisch betrachtet möglich ist. Vereinfacht ausgedrückt: Die Cmk-Ergebnisse müssen besser sein als der erforderliche Zielwert für Cpk. Somit fungiert der Cmk Glas-Die-Test als effektives Verfahren zur systemischen Trennung des Bondprozesses und anderer externer Einflüsse von den Eigenschaften des Bonders – mit der Intention, dessen wahre Platzierfähigkeit zu ermitteln und zu quantifizieren.

Berechnete Cmk-Ergebnisse für den Die Bonder Nano von Amicra. Amicra

Referenzen:

1. S. Walfish, “Process capability analysis and process analytical technology,”

www.statisticaloutsourcingservices.com

2. D. Montgomer y, Process and Measurement System Capability Analysis, Statistical Quality Control,

7th Edition, Ch. 8, June 2012

(hw)