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Fine-Pitch Adapter Die Kontaktierlösung für die Micro-Electronic

Präzise Adapter…

Funktionsweise Im Rasterkopf werden die Federstifte kompakt in einem Ras-ter angeordnet, so dass bis zu 280 Federstifte/cm2 integriert werden können.

Im Starrnadeladapter werden Starrnadeln vom Testpunkt auf die passenden Federstifte ausgelenkt. Durch das Auslenken der Starrnadeln können auf dem Prüfling Kontaktierabstände bis 80µm realisiert werden.

Wird der Rasterkopf auf den Starrnadeladapter gepresst, stehen die Nadeln auf dem Substrat auf und die Nadeln drücken gegen die Federstifte und bauen so die gewünschte Kontaktierkraft auf. Durch den 2mm Federweg wirken je nach Federstift Kontaktierkräfte von 0.4N bis 1.5N pro Starrnadel.

Standzeiten Bei optimalen Bedingungen können mit den Starrnadeln 500’000 und mehr Kontaktierungen erreicht werden. Der Verschleiss der Starrnadel (die Spitze wird abgeflacht) ist vor allem von der eingesetzten Federkraft und dem zu kontaktierenden Material abhängig.

Der spezifisch für diese Anwendung hergestellte Federstift ermöglicht in der Praxis Standzeiten von weit über 1 Mio. Kontaktzyklen.

Der Verschleiss vom Adapterkopf selber ist sehr gering, da sich die Starrnadeln im Adapter kaum bewegen. Zu Servicezwecken kann die vorderste Führungsplatte vom Adapter einfach ausgetauscht werden.

Im Starrnadeladapter werden die Nadeln sehr exakt geführt, so dass diese nur ein minimales Taumelspiel aufweisen. Dies ermöglicht das Kontaktieren auf feinste Strukturen mit kleinsten Test-punktabständen. In diesen Unterlagen wird der Starrnadeladapter genauer erläutert.

Starrnadeladapter

Rasterkopf

Unbestücktes Substrat Bestücktes Substrat

Kontaktierpitch > 80µm

Starrnadel

Kontaktierhub < 2.5mm

Rasterpitch > 0.6mm

Federstift F= 0.4N bis 1.5N

Messleitung

Der Starrnadeladapter:

…treffen auf die Micro-Electronic Der Adapter kann mit verschiedensten Starrnadeln und Federstiften aufgebaut werden. Die Wahl wird anhand vom benötigten Pitch, Strombelastbarkeit und der gewünschten Kontaktierkraft definiert. Dickere Starrnadeln sind in der Wahl wenn möglich vorzuziehen.

Fine-Pitch Adapter

Machbarkeitsmatrix

0.6mm Rasterpitch 0.4N Kontaktierkraft 280 Federstifte/cm2




Ø45µm

Starrnadel

>80µm

Kontaktierpitch

Ø70µm

Starrnadel

>120µm Kontaktierpitch

Ø100µm Starrnadel


Ø130µm Starrnadel


Ø180µm Starrnadel


Ø300µm Starrnadel


ø450µm

Starrnadel


Starrnadel im Starrnadeladapter

Federstift im R

asterkopf A

D

E F

F E

D

C

C

B

A

A

B

D

D

Machbarkeitsmatrix

A: IDauer = 0.2A / IImpuls =0.4A

B: IDauer = 0.3A / IImpuls =0.9A

C: IDauer = 0.6A / IImpuls =1.8A

D: IDauer = 1.0A / IImpuls =3.0A

E: IDauer = 2.0A / IImpuls =6.0A

F: IDauer = 3.0A / IImpuls =9.0A

Spezifikationen Die Starrnadeladapter werden nach Kundenanforderung hergestellt. Aus der Machbarkeitsmatrix ist ersichtlich, welcher Federstift mit welchen Starrnadeln kombiniert werden kann.

Möglicher Dauer- und Impulsstrom/10ms:

Bild rechts: Konvertierung von Testpunkten auf das Rasterfeld. - Die Striche zeigen die ausgelenkten Starrnadeln - Der Quadrat-Mittelpunkt definiert die Federstifte - Die Punkte sind die Testpunkte vom Substrat

Adapter für bestückte Substrate

Einzigartige Möglichkeiten Durch die Reduktion der Testpunkte von ø0.8mm auf ø0.25mm kann die Testfläche um das 10-fache reduziert werden. Testpunkte mit ø0.25mm können durch den Layouter viel einfacher gesetzt werden und es besteht die Möglichkeit, mit weiteren nun abgreif-baren Signalen die Prüftiefe zu erhöhen.

Für bestückte Substrate werden meist längere Starrnadeln verwendet, so dass die Nadeln aus der vordersten Adapterplatte herausragen. Durch die exakte und lange Führung im Adapter wird das Taumelspiel auch bei einem längeren Nadelaustritt so klein wie möglich gehalten.

Bauteilhöhe vs. Starrnadeldurchmesser Die höchsten Bauteile und Bonddrähte definieren die Distanz zwischen dem Adapter und Substrat. Diese Distanz definiert den einzusetzenden Starrnadeldurch-messer und die daraus folgende Definition an die Testpunkte und den Pitch.

Freistellungen im Adapter für einzelne Bauteile ermögli-chen es, den Adapter näher an das Produkt zu posi-tionieren und so feinere Teststrukturen zu kontaktieren.

Die in der nebenstehenden Tabelle angegeben Werte sollen als Richtwerte dienen, mit welchen Starrnadeln auf welchen Strukturen kontaktiert werden kann. Der kleinste mögliche Testpunkt ist natürlich auch von der Positioniergenauigkeit von der Testeinrichtung abhängig.

Distanz zwischen Adapter und Substrat

Ø Starrnadel Testpunkt Pitch

bis 1mm 0.18mm 0.12mm 0.25mm

1mm bis 2mm 0.30mm 0.15mm 0.40mm





Vorteile vom Starrnadeladapter - Kontaktieren von feinsten Testpunkten/Teststrukturen - Kontaktieren von kleinsten Pitchabständen - Lange Standzeiten ohne Serviceeinsätze - Einfacher und schneller Adapterservice - Hohe Kontaktierkraft auch bei feinen Pitchabständen

Ausbaumöglichkeiten Der Starrnadeladapter kann mit verschiedensten Elementen ausgebaut werden, um den gewünschten Test ermöglichen zu können. Auf dieser Seite sind ein paar Möglichkeiten aufgelistet, welche schon realisiert wurden.

Stecker kontaktieren Mit den feinen Starrnadeladapter können die Fine-Pitch Stecker einfach kontaktiert werden, indem der Adapter durch die Innenseiten des Steckers geführt wird und so die Starrnadeln auf die gewünschten Stecker Pins positioniert. Durch diese Führung können die Starrnadeln auch die feinen Pinstrukturen auf dem Steckerboden kontaktieren. Alternativ kann auch auf der Seite vom Stecker abgegriffen werden, wobei dies dann ein Schleif-kontakt ist und dieser an den Starrnadeln einen grösseren Verschleiss verursacht.

Bauteile kontaktieren Mit dem Starrnadeladapter kann mit spitzen Nadeln oder Kronen direkt auf Bauteile kontaktiert werden. Testpunkte sind aber dem Kontaktieren auf Bauteilen vorzuziehen, denn durch die Kontaktierkraft auf das Bauteil kann eine offene Lötstelle tempo-rär geschlossen werden und der Fehler ist somit nicht erkennbar.

Heisstest Wird der Starrnadeladapter für den Heisstest eingesetzt, muss dies in der Herstellung berücksichtigt werden. Da sich der Kunststoff vom Adapter bei höheren Temperaturen ausdehnt, werden die Adapterplatten in der Herstel-lung kleiner gefertigt, sodass diese bei Arbeitstemperatur die richtige Grös-se vorweisen. Das Kühlungssystem im Adapter sorgt für eine geregelte Temperatur für den Adapter und den Rasterkopf, sodass dieselben Stand-zeiten wie bei Raumtemperatur erreicht werden. Wir empfehlen für Heiss-test die Testpunkte 50µm grösser zu definieren, damit gewisse Schwan-kungen vom Adapter kompensiert werden können.

Optische Elemente Im Adapter können Lichtleiter integriert werden mit welchen optische Elemente kontrolliert oder angesprochen werden können. Die Lichtsignale werden im Adapter in elektrische Werte umgewandelt und so der Mess-technik als Signal zur Verfügung gestellt. Die Lichtleiter können senkrecht wie auch waagrecht in der Adapterfront integriert werden. Auch das Kon-taktieren ganz nahe an den Lichtleitern kann mit den Starrnadeln realisiert werden.

Starrnadel-Längen Kleine Höhendifferenzen auf dem Substrat werden durch den Federstift aufgenommen. Liegen zwischen den Kontaktierebenen mehr als 0.5mm, werden verschieden lange Starrnadeln eingesetzt, sodass bei allen Test-punkten eine optimale Kontaktierkraft wirkt. Soll z.B. der GND voreilend das Substrat kontaktieren, kann dazu eine etwas längere Starrnadel eingesetzt werden.

LED

+/-

Kontaktieren neben Bauteilen Werden Starrnadeln nahe bei einem Bauteil gesetzt, müssen vorab alle Toleranzen genau einge-rechnet werden, damit es zwischen dem Substrat und dem Adapter nicht zu einem Crash kommt. Deshalb ist es wichtig, dass bereits in der Designphase diese Berechnungen durchgeführt werden.

Abstand bei freistehenden Starrnadeln 1. 1/2 Starrnadel ø450µm 2. 1/2 Nadelspiel im Führungsloch 3. Min. Abstand von Bauteil zu Nadel 4. Lagetoleranz vom Bauteil zum Fiducial 5. Positioniergenauigkeit der Maschine Total:

225µm 10µm

200µm 300µm 10µm

745µm

Abstand mit Adapterfreistellung 1. 1/2 Starrnadel STN045 ø450µm 2. 1/2 Nadelspiel im Führungsloch 3. Min. Abstand von Bauteil zu Adapter 4. Wandstärke von Adapter 5. Lagetoleranz vom Bauteil zum Fiducial 6. Positioniergenauigkeit der Maschine Total:

225µm 10µm

300µm 100µm 300µm 10µm

945µm

!

Magnet

Achtung Bei den Berechnungen für den Abstand von Testpunkt zu Bauteil müssen alle Toleranzen genau betrachtet werden, ansonsten besteht die Gefahr von einem Crash zwischen Adapter und dem bestückten Substrat. In den Berechnungsbeispielen sind nur die wichtigsten Toleranzen erfasst und mit Richtwerten definiert. Je nachdem mit welcher Positioniergenauig-keit das System arbeitet, muss hier mit viel grösseren Werten gerechnet werden. Zum Testen der Kontaktierposition sollten vorab die Testpunkt-Abdrücke auf einem unbestückten Substrat kontrolliert werden.

Löt-Flussmittel Im Bereich von Bauteilen muss mit Löt-Flussmittel Rückständen gerechnet werden, welche sich bis zu den definierten Testpunkten ausbreiten können. Diese Rückstände sind aber isolierend und verschmutzen den Kopf der Nadel, so dass eine qualitative Kontaktierung nicht mehr sichergestellt werden kann. Auch die nachfolgenden Substrate können durch die Nadel-verschmutzung nicht richtig geprüft werden.

Magnetismus Werden beim Funktionstest Spulen auf dem Substrat angeregt, können diese die nahe gelegenen Starrnadeln magnetisch aufladen. Ragen die Starrnadeln weit aus dem Adapter heraus, können diese durch den Mag-netismus beeinflusst werden, so dass die Nadeln zum Magneten angezo-gen werden oder sich dann zwei Nadeln gegenseitig anziehen. Als weite-res besteht dann auch die Gefahr, dass die Nadeln kleine metallische Partikel anziehen und es so zu einem Kurzschluss zwischen zwei sehr nahen Starrnadeln kommen kann.

Toleranzen von Adaptern Will man 40µm Testpunkte kontaktieren, muss man seine Adapter, die Toleranzen und die nötigen Fertigungsstufen im Griff haben. Die hier aufgelisteten Toleranzen müssen bei jedem Fine-Pitch Adapter beachtet werden, damit die grösstmögliche Genauigkeit erzielt werden kann.

Toleranz der Bohrungen Die Bohrmaschine hat beim Bohren eine Lagetoleranz, welche sich direkt auf die Adaptergenauigkeit auswirkt. Auch die Bohrtechnik muss beachtet werden, damit die Führungslöcher sauber und gerade sind.

Thermische Ausdehnung Der Adapter wird bei 23°C bis 25°C hergestellt und ist somit auch für diese Einsatztemperatur gefertigt. Wird der Adapter in einem wärmeren Arbeitsumfeld eingesetzt, dehnt sich der Adapter mit der entsprechenden Materialkonstante aus. Diese Temperaturdifferenz kann in der Herstellung berücksichtigt werden, indem der Adapter entsprechend skaliert wird.

Taumelspiel Das Nadelloch im Adapter wird so gross gefertigt, dass die Starrnadeln nur ein minimales Taumelspiel aufweisen. Umso weiter die Starrnadeln ungeführt aus dem Adapter heraus ragen desto grösser wird das Taumel-spiel. Dies ist der Grund, weshalb bei bestückten Substraten grössere Testpunkte benötigt werden.

Spitzenzentrum Die Spitze der Starrnadel kann etwas exzentrisch aus der Mitte liegen und dadurch eine minimale Toleranz mit sich bringen. Diese Toleranz wird durch die ausgelenkte Starrnadeln noch vergrössert, da sich die Nadel-spitze maximal aus der Mitte des Bohrloches positionieren wird.

Abstand zum Substrat Beim Starrnadeladapter ist es wichtig, dass die Distanz zwischen dem Adapter und dem Substrat genau eingehalten wird, da sonst die stark ausgelenkten Starrnadeln einen seitlichen Versatz auf dem Substrat aufweisen.

+/-+/-

+/-

Toleranzen vom Substrat Die Substrate haben mehrere Toleranzen, welche beim Kontaktieren berücksichtigt werden müssen. Wird das Substrat mit einem Kamerasystem erfasst und dann mit dem MicroTester kontaktiert, entfallen gewisse Toleranzen und es können kleinere Testpunkte kontaktiert werden.

Versatz der Aussenlagen Vor allem bei mehrlagigen Substraten kann zwischen den Aussenlagen ein Lageversatz auftreten. Wird das Substrat von beiden Seiten kontaktiert, funktioniert dies bei kleinen Prüfstrukturen nur mit einem optischen Erfas-sen beider Prüfseiten und der entsprechenden beidseitigen Korrektur der Kontaktierpositionen.

Toleranz vom Layout Das Layout der Testpunkte weist eine Toleranz auf, die in X– und Y– Richtung verzogen, gedreht oder geschrumpft sein kann. Wird das Substrat optisch erfasst, ist es von Vorteil, wenn die Kamera-Punkte und das Layout der Testpunkte im selben Prozess gefertigt werden.

Grösse vom Aufnahmeloch Das Aufnahmeloch muss so gestaltet werden, dass das Substrat gut über den Aufnahmestift gelegt werden kann. Die Differenz zwischen Aufnahme-stift und Aufnahmeloch wirkt sich auf die Lagetoleranz des Prüflings aus. Werden gefederte Aufnahmestifte verwendet, kann dieses Spiel ein wenig minimiert werden.

Position vom Aufnahmeloch Die Löcher im Substrat werden in einem anderen Prozess als das Layout gefertigt. Diese Toleranz zwischen Printlayout und Bohrlayout wirkt sich direkt auf die Positioniergenauigkeit des Substrates aus. Diese Toleranz kann nur durch das optische Erfassen und Ausrichten von Produkt oder Adapter eliminiert werden.

Schrumpfung und Dehnung Durch die Fertigung kann die Grösse vom Produkt variieren, wodurch sich die Teststrukturen entsprechend verschieben. Wird das Substrat in mehre-ren Schritten durchgesteppt, wird diese Toleranz entsprechend verringert. Wird eine ganze Serie mit einer Abweichung hergestellt, kann auch der Adapter in der Herstellung dementsprechend skaliert werden.

+/-

+/-

+/-

+/-

Toleranzen vom Kontaktiersystem Das Kontaktieren von kleinen Teststrukturen benötigt nebst dem Fine-Pitch Adapter ein genaue Kontaktierung, welche die Offsetwerte vom Kamerasystem verarbeiten kann. Hier sind ein paar Faktoren aufgelistet, welche bei der Toleranzrechnung miteinbezogen werden müssen.

X/Y +/-

PRS

Software

+/-

Substrat Positionierung Wird das Substrat mit Achsen unter der Kamera und der Kontaktierung positioniert, haben folgende Faktoren einen Einfluss auf die Toleranz: - Positioniergenauigkeit vom Glasmassstab oder Antrieb - Rechtwinkligkeit der Führungsschienen - Vorspannung und Laufruhe der Führungsschiene - Vibrationen im System

Genauigkeit der Kameraerfassung Wird die Lage vom Substrat über ein Kamerasystem erfasst, müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden: - Auflösung vom Kamerasystem - Grösse des Kamerafeldes - Beleuchtung vom Substrat - Farbe, Form und Grösse der Kamerapunkte

Positionsberechnung Die Software ermittelt anhand der Kamerapunkte die Kontaktierposition. Mehr Kamerapunkte ermöglichen eine genauere Berechnung. Mit einem Kamerapunkt kann die Lage in X– und Y-Richtung definiert werden. Mit zwei Kamerapunkten kann zusätzlich die Verdrehung und Schrumpfung/Dehnung ermittelt werden. Idealerweise werden vier Kamerapunkte ermittelt, wodurch die Genauigkeit erhöht und auch ein Trapezverzug über den Nutzen definiert werden kann.

Wärmeausdehnung Wird die Maschine im Betrieb nur leicht erhitzt, so dehnen sich alle Komponenten mit ihrem Ausdehnungskoeffizienten aus. Auch der Glass-massstab ist davon betroffen und kann so die Position zwischen der Kamera und der Kontaktierung beeinflussen. Durch den Einsatz von Temperatursensoren kann diese Ausdehnung durch die Maschinensoftware kompensiert werden kann.

Lagetoleranz vom Adapter Der Adapter wird über Führungsstifte in die entsprechende Position in der Kontaktierung positioniert. Die Führungsstifte und der Adapter weisen zum Aufnahmesystem einen Offset auf, welche durch das Abdruckfahren und der Eingabe eines Adapter Offsets eliminiert werden kann.

Starrnadeladapter Service Der Service am Starrnadeladapter kann von geschultem Personal selbstständig durchgeführt werden. Die Starrnadeln werden einfach mit einer Pinzette herausgezogen und ersetzt. Die Federstifte im Raster können problemlos mit einer Zange und dem Bestückungswerkzeug ausgetauscht werden.

1. Adapter auf eine ebene Unterlage mit Rückseite nach oben stellen 2. Defekte Starrnadel mit der Pinzette in Pfeilrichtung herausziehen 3. Die neue Starrnadel bestücken. Die Quetschung darf nicht nach unten zeigen 4. Starrnadel bis zur Quetschung mit wenig Kraft hineindrücken

1. Raster auf eine ebene Unterlage stellen 2. Schrauben lösen 3. ZW51 Platte vorsichtig mit Abzug ab der Verstiftung lösen 4. Federstift mit der Zange am Kopf greifen und gerade herausziehen 5. Der neue Federstift kraftlos so weit wie möglich hineindrücken 6. Der Federstift mit dem Bestückungswerkzeug und etwas Kraft bis zum Anschlag einpressen 7. Die ZW51 Platte auf die Federstifte zentrieren und kraftlos aufsetzen 8. Das Raster fertig verschrauben und mit Zentrierwerkzeug kontrollieren Achtung: Nach dem Zusammenbau müssen alle Federstifte kontrolliert werden, ob diese durch die Bohrungen geführt sind und federn. Sollte dies nicht der Fall sein, müssen die Schritte 1, 2, 3, 7 und 8 wiederholt werden.

Fine-Pitch Adapter im Einsatz Der wirkliche Nutzen von den Fine-Pitch Adaptern kommt erst zum Tragen, wenn mit einem Kontaktiersystem mit integriertem Kamerasystem gearbeitet wird, mit welchem grössere Offsets der Leiterplatten eliminiert werden können. Als Beispiel hier zwei Lösungen von MicroContact.

MCit Das Handprüfgerät MCit erlaubt das einseitige Kontaktieren von 200µm Strukturen auf einer Fläche von 4“x4“ oder 8“x8“. Das Substrat wird zum Testen von Hand eingelegt und anhand der Monitore über Einstellschrauben in X, Y und Rotation korrigiert. Nach der Lage-korrektur wird das Substrat in die Kontaktiereinheit geschoben und über eine Pneumatikeinheit kontak-tiert. Über einen Einsatz können auch die Adapter der MCom Maschinen eingesetzt werden, sodass die Entwicklungsabteilung schon im Voraus das Prüf-programm optimieren und testen kann.

MCom Der Vollautomat MCom ermöglicht das doppelseiti-ge Kontaktieren auf 40µm Strukturen. Das Hand-ling wird kundenspezifisch aufgebaut und kann von dünsten Folien bis hin zu Dickschicht Produkten alles prüfen.

Um diese Kontaktiergenauigkeit zu erreichen, wer-den die Substrate optisch vermessen und dann in der Kontaktiereinheit mit dem Fine-Pitch Adapter kontaktiert.

In der Abbildung ist eine Inlineanlage mit zwei Kontaktiereinheiten und zwei Messtechniken ersicht-lich, mit welchen der doppelte Durchsatz erreicht werden kann. Der MCom ist aber auch als Stand-Alone Tester oder als kleine Roboterzelle erhält-lich.

Alle MicroTester von MicroContact werden kundenspezifisch aufgebaut und für die entsprechenden Produkte optimiert. Das Liefersorti-ment umfasst kleine Handtestgeräte, Halbautomaten bis hin zu grossen Vollautomaten. Für das Teilehandling werden 4-Arm und 6-Arm Roboter eingesetzt, mit welchen in Kombination mit Kamerasystemen ein sehr genaues Positionieren realisiert werden kann.

Weitere Informationen zu den MicroTester erhalten Sie auf unser Homepage unter: www.microcontact.ch

MicroContact AG Güterstrasse 7 4654 Lostorf Schweiz

Phone +41 62 285 80 10 Fax +41 62 285 80 23 [email protected] www.microcontact.ch 09

.2013

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Kontakte Verkaufsleiter Maschinen & Automation Adrian Bangerter +41 62 285 80 13 [email protected] Verkauf Maschinen & Automation Pascal Grimm +41 62 285 80 19 [email protected] Verkauf Innendienst Maja Stapfer +41 62 285 80 12 [email protected]

Der Hauptsitz von MicroContact liegt in Lostorf inmitten dem Städtedreieck Basel-Zürich-Bern. Die Konstruktion und die Maschinenfertigung werden im Werk Grenchen realisiert. Beide Standorte sind mit den öffentlichen Verkehrsmitteln problemlos erreichbar.

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