Fähigkeitsuntersuchungen beim Lotpastendruck

Dr.-Ing. H. Wohlrabe

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik

Ottobrunn, 12. Februar 2009

Qualitätsmerkmale beim Lotpastendruck

Volumen der gedruckten Depots Schichtdicke der Depots Homogenität der Depots Genauigkeit der Position der gedruckten Depots Form der Depots Erreichbarer minimaler Pitch Auslaufen u.ä. der Depots nach dem Druck

Beeinflusst von: Paste, Drucker, Schablone, Umgebung, Reinigung, Substratoberfläche,….

Einflüsse auf die Genauigkeit der gedruckten Depots

Für ein Depot:

Genauigkeit des konkreten Pads auf dem Substrat

Genauigkeit der Schablone für das konkrete Depot

Genauigkeit der Positionierung der Schablone zum Substrat

Eigenschaften der Lotpaste Rakeleinflüsse (Richtung, Druck, Typ, ...) Umgebungsbedingungen (besonders die

Temperatur)

Der ganze Drucker: Summe aller Depots

(über die gesamte bedruckte Fläche)

Mögliche Auswirkung - Grabsteineffekt

Gelb - „potentieller“ Grabstein Rot – Grabstein aufgetreten !

Bestück- und Druckversätze sind potentielle Verursacher von Grabsteinen!

Weitere Quellen:TemperaturprofilKonstruktion (thermische Senken)Lotpasten, Oberflächen, … ??weitere zahlreiche Wechselwirkungen ??

Mögliche Spezifikationen fürLotpastendrucker

Genauigkeit des Drucks Genauigkeit der gedruckten Depots (in x- and y-Richtung ) über die volle Fläche des Substrates ⇒ Information über die Prozessfähigkeit typisch : 25..50 µm/3 sigma d.h. Cpk>1.0

mit Tu=-25..-50 µm und To=25..50 µm

Das ist die Größe, die den Kunden interessiert !!!

Genauigkeit des Drucks

Was hat der Druckerhersteller zu verantworten ??

• Positionierung der Maske zum Substrat • Umgebungsbedingungen (Temperatur) • Einflüsse der Rakelrichtung und weitere Einstellungen (z.B.

Rakeldruck) Was hat der Druckerhersteller nicht zu verantworten ?? • Ungenauigkeiten der Schablone (kritisch ist insbesondere die

Lage der Fiducials) • Ungenauigkeiten und Veränderungen der Substrate (Fiducials

und Schrumpfungen nach dem ersten Lötprozess)

Für eine objektive Beurteilung des Druckers sollten diese Einflüsse eliminiert werden !!

Mögliche Spezifikationen für Lotpastendrucker

Die Wiederholgenauigkeit

Die Genauigkeit der Positionierung der Maske zum Substrat (in x-, y- and Θ-Richtung)

⇒ Information über die Maschinenfähigkeit des Druckers typisch : 25 µm/6 sigma (x- and y-Richtung) 0,008°/6 sigma (rotation) d.h. Cmk>2.0

Die Rotation muss spezifiziert werden, sie ist sehr

bedeutend !!

Die Wiederholgenauigkeit ist eine notwendige, aber nicht hinreichende Eigenschaft des Druckers

Messung der Wiederholgenauigkeit von Druckern

Grundprinzip: Positionierung einer speziellen Maske (aus Stahl oder besser Glas) über ein hochgenaues Glassubstrat und Messung der Lagedifferenzen

Marke auf der Maske Messmarke auf dem Glassubstrat

Δx

ΔyBildausschnitt

Messung mit Hilfe der Bildverarbeitung Minimale Anzahl der Messmarken: ≈4 .. 8 Messzeit pro Marke: ≈1 s Messgenauigkeit: <1 µm

Anzahl der Positionierungen: Minimal 50

Messung der Genauigkeit der gedruckten Depots

Grundprinzip: Drucken von normalen Depots auf eine hochgenaue Glasplatte und deren Vermessung

Gedrucktes Depot Messmarkenauf dem Glasssubstrat

Δx

ΔyBildausschnitt

Empfohlene Form der Depots: Kreise Vermessung mit Hilfe der Bildverarbeitung Anzahl der Depots: ≈50 Messzeit: ≈1 s Messgenauigkeit: <5 µm

Berechnung der Versätze

∑∑==

Δ=ΔΔ=Δn

iiD

n

iiD y

nyx

nx

11

1 1

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅−+

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅Δ−⋅Δ⋅−⋅Δ−⋅Δ

=ΔΘ

∑∑∑∑

∑∑∑∑∑∑

====

======2

1

2

11

2

1

2

111111

1

1

n

ii

n

ii

n

ii

n

ii

n

ii

n

ii

n

ii

n

iii

n

iii

n

ii

D

yxn

yx

xyyxn

xyyx

Gegeben: n Anzahl der vermessenen DepotsΔxi Δyi gemessene Depotversätzexi yi Koordinaten der Depots

Gesucht: Versätze Substrat-SchabloneΔxD ΔyD ΔΘD

Das Drehpunktproblem

Solllage

Drehpunkt 1 Drehpunkt 2

Istlage

Wenn systematische Versätze beim Drucken festgestellt werden, dann muss der Drucker korrigiert werden ! Insbesondere die Verdrehung (Substrat/Schablone) kann Probleme bereiten !!

Lage des Drehpunktes - Maske-Substrat

1. Die Lage des Drehpunktes hat auf das Streuungsverhalten der Maschine keinen Einfluss !

2. Es wird empfohlen, diesen Drehpunkt in die Substratmitte zu legen

Folgender Hauptvorteil: die Einstellparameter (x, y, Θ) sind voneinander unabhängig !!

Alle anderen Drehpunktlagen ziehen Abhängigkeiten nach sich !! z.B. : Lage des Drehpunktes im „Substratursprung“ (meistens das erste Fiducial) Eine Änderung der Verdrehung ändert auch die Mittelwerte in x- und y--Richtung

Forderung an die Maschinenhersteller, diesen Drehpunkt einstellbar gestalten !!

oder Bei Eingabe von Korrekturen ist dies geeignet umzurechnen!

Messbeispiel

0 100 200 300 400 500 600 700lfd. Num.

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

Dev

iatio

n

All printsx-deviation

All printsy-deviation

Berechnete Fähigkeiten; Spezifikation

25 µm/3 sigma)

Cp Cpk x 0,80 0,78 y 0,46 0,00

Einflüsse der Genauigkeit der Schablone

0 20 40 60 80 100lfd. Num.

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30x-

Dev

iatio

n [µ

m]

measurement 1x-Deviation

measurement 1y-Deviation

Das Drucken mit einer solchen Schablone und einem idealen Drucker ist ein unfähiger Druckprozess !!

Analyse der Ungenauigkeiten der Maske

0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0x-Koordinate [mm]

-35.0

-32.5

-30.0

-27.5

-25.0

-22.5

-20.0

-17.5

-15.0

-12.5

-10.0

-7.5

-5.0

Ver

sätz

e [µ

m]

measurement 1x-Deviation

measurement 1y-Deviation

Systematiken erkennbar !! Mögliche Ursache: Vorspannung der Schablone

Analyse der Einflüsse

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0lfd. Num.

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

x-V

ersa

tz [

µm]

Gemessene WerteNach Eliminierung der Schablonen-und Temperatureinflüsse

Typisches Beispiel – Anfangszustand

Auswertung der ersten 8 Drucke

1 2 3 4 5 6 7 8cont. number of measurement

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60x-

offs

et [

µm]

Mean/Standard deviation

x-offset

y-offset

Endzustand 20 Drucke

Einfluss des Lotpastentyps

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0lfd. Nummer Messung

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

y-Ve

rsat

z [µ

m]

Lotpaste 10.0 5.0 10.0 15.0 20.0

lfd. Nummer Messung

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

y-Ve

rsat

z [µ

m]

Lotpaste 1 Lotpaste 2

0 5 10 15 20lfd. Nummer Messung

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

y-V

ersa

tz [

µm]

Lotpaste 2

0 5 10 15 20lfd. Nummer Messung

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

y-V

ersa

tz [

µm]

Rolle der Verdrehung - Überlagerung der Einflüsse

Genauigkeit beim Lotpastendruck Statistische Beschreibung des Einflusses des Verdrehwinkels

zwischen Leiterplatte und Schablone

Gesucht: Verteilungsdichten der x/y-Versätze !

Genauigkeit beim Lotpastendruck

Berechnung der Versätze (für kleine Winkel)

ΔxDep , ΔyDep individuelle Versätze des DepotsxCo , yCo Koordinate der StrukturxRot, yRot Rotationspunkt Schablone -SubstratΔxP, ΔyP ΔΘP Versätze Schablone - Leiterplatte

Annahmen:ΔxP, ΔxP, ΔΘP normalverteilt xCo, yCo gleichverteilt

=Verteilung der Komponenten auf der Leiterplatte

Gesucht:Verteilung von ΔxDep und ΔyDep ?

( )( ) protcoPDep

protcoPDep

xxyyyyxx

θ

θ

Δ−+Δ≈Δ

Δ−−Δ≈Δ

protpcoPDep yyxx θθ Δ+Δ−Δ≈Δ

Verteilung der Versätze

normalverteilt

gleichverteilt Konstante

FaltungMultiplikation von

Zufallsgrößen=ΔXD1

Genauigkeit beim Lotpastendruck

ProtPcoPDep yYXX ΔΘ+ΔΘ−Δ=ΔAls Zufallsgröße:

Ermittlung der Verteilungsdichte des Lotpastendrucks

∫∞

∞−

−=+= dxxzfxfzfYXZ YXZ )()()(Faltung (Addition bzw. Subtraktion)

∫∞

∞−

=⋅= dxxzfxf

xzfYXZ YXZ )()(1)(Multiplikation

( )

( ) P

x

y

PSizepDX

pP

sizesizecoYCo

dey

xf

efyyyyf

p

pP

D

Size

D

p

pP

P

ΔΘΔΘ

=Δ

=ΔΘ⎪⎩

⎪⎨⎧ ≤≤

=

Θ

Θ

Θ

Θ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

ΔΘΔ

−

ΘΔ

−ΔΘ−

ΘΔΘ

∫2

21

1

2

2

2

01

2

112

1

21)(

sonst0

01)(

σ

μ

σ

μ

σπ

σπ

nur numerisch oder mit Monte-Carlo-Simulation lösbar

Multiplikative Verknüpfung der Zufallsgrößen y-Koordinate YCo(gleichverteilt) und des Verdrehwinkels ΔΘp (normalverteilt)

Analyse der Simulationsergebnisse

Die Cauchy-Verteilung ist am besten angepasst, liefert aber keine technische Erklärung !

Es ergeben sich symmetrische, spitzgipflige und breit auslaufendeVerteilungen ! Maßstab dafür ist besonders der Excess (Wölbung) >0 !

-24 -14 -4 6 16 26 360

30

60

90

120

150

180 VerteilungCauchyNormal

Konsequenzen - Berechnung der Fähigkeitsindices

Tu

po

To

pu

Nichtnormalverteiltes Merkmal ⇒ Prozessmodell A2 DIN 55319Nutzung der Methoden M2 und M4 für die Prozessfähigkeit

),max(131

ou pppk uC −=

Methode M2 - Überschreitungsanteilmethode

Die Prozessfähigkeit wird durch eine Qualitätsfähigkeitskennzahl beschrieben, mit der die Fähigkeit eines Prozesses zum Ausdruck gebracht wird, ein bestimmtes Merkmalin gleichbleibender Weise innerhalb der vorgegebenen Toleranzgrenzen zu erzeugen.

⇒ Unser Ziel: geringste Fehlerquoten (z.B. 3,4 DPM) !

Auswirkungen auf Fähigkeitskoeffizienten

µ 3su 3so

99,865 % Punkt

0,135 % Punkt

Prozentanteilmethode M4

ou

uop ss

TTC33 +

−=

Berechnung der Ersatzstreuungen su, so

über die Quantile !⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−

=o

o

u

u

sxT

sTx

Minpk

C3

;3

Vergleich der Methoden M2 und M4

3-sigma t-Verteilung

3-sigma Normalverteilung

4-sigma Normalverteilung

4-sigma t-Verteilung

Die Überschreitungsanteilmethode M2 berücksichtigt das starkeAuslaufen der Verteilung und damit die auftretenden Fehler am Rand !

Die Prozentanteilmethode M4 berücksichtigt vor allem die Form derVerteilung im 3-sigma Bereich !

Vorzug für die Überschreitungsanteilmethode M2 !

Vergleich Normalverteilung - t-Verteilung (f=1)

Auswirkungen auf Fähigkeitskoeffizienten

Nutzung der Überschreitungsanteilmethode M2 im Vergleich zur „klassischen“ Methode M1 bei gegebener Normalverteilung

Cpk Methode

M1

Sprechweise Fehlerquote p Nutzung der

Normalverteilung

Fehlerquote p (simulierte

Lotpastendepots)

Cpk (Methode M2 für die

Lotpastendepots) 1,0 3-sigma 1350 3700 0,89

1,33 4-sigma 32 216 1,17 1,5 6-sigma

(Motorola) 3,4 55 1,29

1,67 5 sigma 0,28 21 1,37

31 p

pk

uC −=

Die klassische Berechnung der Fähigkeitskoeffizienten (M1) funktioniert bei der Gesamtbeschreibung der geometrischen

Montagequalität nur teilweise und liefert insbesondere für das Ziel, kleinste Fehlerquoten zu erreichen, stark fehlerhafte Ergebnisse !

Schlussfolgerungen

Die Betrachtung des Druckprozesses ist nur ein kleiner Baustein in der gesamten Prozesses !

Ein Teil der Zufallsgrößen des gesamten betrachteten Prozesses überlagert sich nicht durch eine unabhängige Addition !⇒ Addition der Streuungen unzulässig !

Effekte aus Verdrehungen sind auch im Bestückprozess vorhanden ⇒„breit auslaufende“ Verteilungen auch hier !

Eine effektive Gesamtüberlagerung aller bzw. partiell ausgewählter Teile des Prozesses ist nur über eine Monte-Carlo-Simulation möglich !

Bestimmung der Gesamtfähigkeit durch Simulation

Wesentliche Einflüsse auf die geometrische MontagequalitätLeiterplatte

Schablonen

Komponenten

Lotpastendrucker

Bestücker

Alle Einflüsse müssen mit Daten gefüllt werden !

Zwei Gruppen

Geometriedaten: Bauelementegrößen, Padbreiten,

Strukturgrößen,

Prozessdaten: Bestückgenauigkeiten, Druckgenauigkeiten,

Genauigkeiten der Leiterplatte …

Einige Simulationsergebnisse

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10sΘ in 1/1000°

sx, s

y sxsy

Abhängigkeit der Genauigkeit von gedruckten Depots von der Genauig-keit (Standardabweichung) des Verdrehwinkels Substrat-Maske)

Leiterplattengröße 400*300 mm2

Einige Simulationsergebnisse

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 5 10sΘ in 1/1000°

Cpk

SO=75SO=40

Prozessfähigkeit beim Drucken (0201)

Schlussfolgerung:

Max. Standard-abweichung der

Verdrehung

= 0,003 °

Einige Simulationsergebnisse

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

5 7 9 11 13 15Standardabweichung LP/Maske

Cpk

Pin-PadDepot-PadPin-Depot

Ermittlung der Endqualität in Abhängigkeit der Leiterplatten- und Schablonenqualität (Genauigkeit der Strukturlagen)

Analysen gedrucktes Volumen/Schichtdicke

Randbedingungen der Tests:

• Konstruktion eines Testboards mit >10000 Strukturenverschiedenster Art (Chips, TO, QFP, BGA,…)

• Druck des Testboards unter definierten Bedingungen(unmittelbar hintereinander, mit Reinigungen, mitverschiedenen Wartezeiten)

• Vermessung (AOI) der gedruckten Boards; Ermittlung von relativen Volumen, bedruckter Fläche und Höhe derStrukturen

• Statistische Auswertung mit einer Varianzanalyse

Beispielabhängigkeiten- Paste 1

Abhängigkeit Volumen - Chip-Typ bei Paste 1

0402 0603 0805 1210

Chip-Typ

Vol

umen

%

Abhängigkeit gedrucktes Volumen Orientierung Paste 1

H V

Orientierung

Volu

men

%

Abhängigkeit Volumen - Drucksystem Paste 1

System 1 System 2 System 3 System 4

Drucksystem

Vol

umen

%

Abhängigkeit Volumen fortlaufende Drucknummer

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Drucknummer

Vol

umen

%

Wechselwirkungen Pasten

Wechselwirkungen Drucksystem- Paste

Drucksystem

Vol

umen

%

System 1 System 2 System 3 System 4

PastePaste 1Paste 2

Wechselwirkungen Paste - fortlaufende Drucknummer

Drucknummer

Vol

umen

%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

PastePaste 1Paste 2

Vergleich Volumen/Fläche/Schichtdicke

Abhängigkeit Volumen - Chip-Typ bei Paste 1

0402 0603 0805 1210

Chip-Typ

Vol

umen

%

0402 0603 0805 1210

Chip-Typ

Are

a%

Abhängigkeiten Chip-Typ-gedruckte Fläche Paste 1

0402 0603 0805 1210

Abhängigkeiten Chip-Typ - Schichtdicke Paste 1

Chip-Typ

Hei

ght

Auswirkung von Reinigungen

Analyse Volumen und Wirkung der Reinigung

Druck nach Reinigung

Vol

umen

%

1 2

DrucksystemSystem 1System 2System 3System 4

Auswirkungen von Wartezeiten und Reinigungen

Analyse von Reinigung und Wartezeiten Paste 1

Druckzyklus

Vol

umen

%

Inidrucke 0 min 10 min 20 min 40 min 60 min

Druck nach Reinigung123

Verwertung:• Gezielte Änderung der Öffnungen der Schablonen• Optimierung des Druckregimes (Reinigung; Reaktion

auf Stillstandszeiten)

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !