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.

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

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.

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.

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