Heißer Draht

Innovatives Bildverarbeitungssystem mit AVT Digitalkameras misst mikroskopische Bonddrahtverbindungen mit unübertroffener Präzision.

<h5>µ-Precision System</h5>

Zwei AVT Guppy Kameras prüfen parallel

Bonddrahtverbindung

Anhand der Lichtreflexion lassen sich die Drähte zählen und die Höhe der Bögen messen

Ein Bonddraht ist ein nur wenige Mikrometer dünner Metalldraht, der für Verbindungen in der Mikroelektronik eingesetzt wird. Die Drähte werden maschinell über das sogenannte „Ball-Wedge-Bond“- bzw. „Wedge-Wedge-Bond“-Verfahren mit Ultraschall verschweißt. Die Qualität des Bonds sowie die Ausprägung des Bondfußes ist entscheidend für die Funktion des gesamten elektronischen Bauteils. Fehlt eine Bondverbindung bzw. ist sie fehlerhaft, funktioniert das gesamte Produkt nicht.

Ein solches Risiko ist zum Beispiel für Hersteller von Sensoren für die Automobilindustrie, welche oftmals eine Sicherheitsfunktion erfüllen, inakzeptabel. So gab ein führender Anbieter von Sensortechnik den Firmen SMD Production-Technology (SMD-PT) und WENO den Auftrag, eine Prüfanlage zu entwickeln, die in der Lage ist, jeden einzelnen Bonddraht auf jedem Sensor zu kontrollieren. WENO entwickelt seit 1982 industrielle Automationssysteme und bietet seinen Kunden außerdem Dienste für die Auftragsfertigung von Präzisionsteilen an. Im Zusammenhang mit der Bildaufnahme sowie der Entwicklung von Sonderbeleuchtungen hat die SMD-PT desweiteren die Auswertung mit der AlfaVis Software weiterentwickelt.

Technische Herausforderung: Präzision im Mikrometerbereich
Bei den zu prüfenden Sensoren werden 30 µm Aluminiumdrähte (das menschliche Haar hat einen Durchmesser von 60-80 µm) sowohl auf dem Chip als auch auf dem Goldpad gebondet/verschweißt. Nach dem Schweißen hat der Draht nur noch ca. 10-15 µm Höhe; die Breite, sprich die Deformierung, beträgt 35 µm bis 60 µm, je nach Spezifikation. Die Toleranz liegt im Regelfall bei +/- 2-4 µm. Anhand dieser Eckdaten wird die technische Herausforderung deutlich: Bisher gab es keine Bildverarbeitungssysteme auf dem Markt, welche in der Lage waren, eine Präzision unter 100 µm zu gewährleisten.

Ein diesen Anforderungen entsprechendes System entwickelten die Firmen WENO und SMD-PT: Das µ-Precision-Inspektionssystem, eine einzigartige Prüfanlage, die die bisher höchste Präzision am Markt bietet.
Für die Messung werden die Sensoren auf einer Trägerplatine in eine 8x10 Matrix gesetzt, sodass bei einem Prüfvorgang 80 Sensoren kontrolliert werden. Je nach Ausführung sind die einzelnen Sensoren mit 18 bis 26 Bonddrähten bestückt, die jeweils beide Bondpositionen „Source“ und Destination“ aufweisen.

Parallele Prüfvorgänge mit zwei Kameras
Die Platine wird horizontal in die Prüfzelle eingeführt. Diese besteht aus zwei Achsen, auf denen sich Digitalkameras samt Beleuchtung über die Platine bewegen. Insgesamt ist das System mit drei Kameras ausgestattet. Mit der ersten Kamera erfolgt die Lagekorrektur über Fiducialmarken, um die Position der Platine in der Prüfzelle, die von einem Messvorgang zum anderen leicht abweichen kann, auszurichten. Aus den ermittelten Informationen wird die Positionierungsmechanik der beiden weiteren Kameras kalibriert. Diese erfassen parallel Bilder von zwei unterschiedlichen Sensoren in mehr als 2.000 Prüfpositionen, die mit höchster Präzision mechanisch angefahren werden.

Bei den Kameras handelt es sich um Guppy F-146B Monochromkameras von Allied Vision Technologies. Die Guppy F-146 ist eine besonders kleine FireWire Kamera für industrielle Inspektionsanwendungen. Sie ist mit einem 1,4 Megapixel CCD-Sensor ausgestattet und liefert 17,7 fps bei voller Auflösung. Beide Prüfkameras sind mit telezentrischen Messobjektiven ausgestattet. Mit Hilfe einer speziell für diesen Zweck entwickelten LED-Beleuchtung wird der Kontrast zwischen Bond/Schweißpunkt und Untergrund erhöht.

Mikroskopische Prüfung ohne Mikroskop
Die erfassten Bilder beschränken sich auf ein AOI (Area of Interest) von 500x700 Pixeln und bieten eine Auflösung von ca. 0,8 µm pro Pixel. Sie werden von einer ebenfalls speziell für diese Applikation programmierten Software ausgewertet. Diese basiert auf der Matrox Imaging Bibliothek.

Jeder Draht bildet einen Bogen zwischen zwei Verbindungspunkten. Auf dem Rücken dieses Bogens wird eine Lichtreflexion erzeugt, die von der Software erkannt wird. Anhand dieser Informationen werden die Drähte gezählt und auf ihre Vollständigkeit geprüft. Form und Position der Reflexion geben außerdem Informationen über die Höhe des Bogens. Schließlich analysiert die Software die Bilder der Bond-Schweißpunkte und errechnet ihre Maße mit höchster Präzision aus deren Geometrie. Auch der Abstand zwischen Schweiß- und Abreißpunkt (Tail) wird gemessen.

Dank der Kombination aus ausgeklügeltem Belichtungskonzept und patentierter Software erreicht µ-Precision als einziges konventionelles Bildverarbeitungssystem eine solche Genauigkeit.

Alle Daten werden protokolliert und jedem einzelnen Bauteil zwecks Rückverfolgbarkeit zugeordnet. Am Ende eines Prüfvorgangs zeigt die Maschine die Matrix der Messplatine auf einem druckempfindlichen Bildschirm an: In einem 8x10er Raster werden die fehlerfreien Bauteile als grüne, die fehlerhaften als rote Fläche dargestellt. Drückt der Maschinenführer auf eine rote Fläche, erhält er Einblick in die Bildersammlung des fehlerhaften Bauteils, um die Ursache für den Fehler/die Störung zu suchen. Ein fehlerhafter Kontakt reicht aus, um das gesamte Bauteil zu verwerfen.

AVT-Support senkt Taktzeit um 25%
Jürgen Kemenas, SMD-PT Geschäftsinhaber sowie WENO Marketing-und Sales Manager, entwickelte das µ-Precision-System in Partnerschaft mit WENO. Dass er sich für Digitalkameras von Allied Vision Technologies entschied, hat sich für ihn ausgezahlt. „Ich arbeite schon seit Jahren mit Guppy bzw. Guppy PRO Kameras von AVT“, sagt er. „Ich kenne sie gut und sie haben sich über einen langen Zeitraum durch ihre Qualität und Zuverlässigkeit bewährt“.

Doch der eigentliche Schlüssel zum Erfolg war im Fall µ-Precision weniger die Kamera selbst als vielmehr die Softwareanbindung und die technische Unterstützung des AVT Applikation Engineering Teams: „Wir hatten die größte technische Herausforderung gemeistert, nämlich mit unserem Bildverarbeitungssystem die Bonddrahtverbindungen mit nie dagewesener Präzision zu vermessen“, erinnert sich Kemenas. „Das Problem war aber, dass dies noch nicht schnell genug erfolgte“. Ein Messzyklus dauerte 8 Minuten, während das Lastenheft des Kunden maximal 6 Minuten vorsah. „In unseren Bemühungen, die Prozesse zu beschleunigen, haben wir uns an den AVT-Support gewandt. Von ihm kam auch die Lösung in Form eines anderen SDKs. Die AVT-Ingenieure empfahlen uns den brandneuen VIMBA Treiber und unterstützten uns bei der Integration in unsere Applikation“.

Durch den neuen Treiber konnte eine Taktzeit unterhalb der 6-Minuten-Grenze erreicht und die Kundenanforderungen erfüllt werden. Inzwischen wird das System erfolgreich zur Qualitätssicherung von Sensoren für namhafte deutsche Automobilhersteller eingesetzt. „Eine funktionierende Digitalkamera mögen Viele anbieten können; einen kompetenteren und hilfsbereiteren technischen Support als den von AVT kann man aber lange suchen“, freut sich Jürgen Kemenas. „Diese erstklassige Servicequalität ist für mich der ausschlaggebende Grund, warum ich AVT-Kameras treu bleibe und sie auch jedem weiterempfehlen würde“.