Camerawerk TNO verhoogt precisie pak-en-plaatsmachine

28 februari 2011

TNO heeft een positiemeetsysteem ontwikkeld dat die-bonders sneller en preciezer maakt waardoor ze geschikt zijn voor 3D-integratie en ultra-fine-pitch-chips. Het systeem meet de positie van de component en het substraat met één camerasysteem dat is gekoppeld aan een gantry en dus met de bondkop meebeweegt tijdens de plaatscyclus. TNO integreerde en kwalificeerde een prototype succesvol in een bestaande componentplaatsmachine. Het bleek mogelijk een 3σ-positiefout te reduceren van tien tot ongeveer drie micrometer, terwijl de plaatsing theoretisch gesproken twintig procent sneller verloopt.

Commercieel verkrijgbare componentplaatsmachines zijn grofweg onder te verdelen in drie categorieën. Aan de ene kant zijn er systemen die zich richten op hoge doorvoer van meer dan tienduizend componenten per uur per bondkop en een beperkte nauwkeurigheid halen, in de orde van 40 µm (3σ) of meer. Aan de andere kant van het spectrum staan de machines die zich uitsluitend richten op het halen van extreem hoge nauwkeurigheden, typisch tussen de 0,5 en 1,0 µm. Deze systemen halen een snelheid van minder dan duizend componenten per uur. In het middensegment van de markt vinden we voornamelijk (flipchip-)die-bondingmachines met een nauwkeurigheid van ongeveer tien micrometer bij een productievolume van ongeveer drieduizend units per uur (per bondkop).

De genoemde die-bonders zijn meestal gebaseerd op een beproefd concept voor componentplaatsing dat twee camera’s gebruikt voor positiebepaling. De eerste camera, die opwaarts kijkt, meet de positie van de chip op de bondkop. Deze camera bevindt zich op een vaste positie in de machine. Een tweede camera, de substraatcamera, bepaalt de positie van het substraat. Deze is bevestigd aan de gantry en beweegt mee met de bondkop.

De plaatscyclus (na het oppikken van een die) is dan als volgt. Eerst beweegt de bondkop naar de opwaartskijkende camera, waar hij tot stilstand komt. Daar wordt de positie van de die op de bondkop gemeten. Dan beweegt de gantry totdat de substraatcamera stilstaat boven de plaatspositie op het substraat. Daar wordt de positie van het substraat gemeten. Vervolgens brengt de gantry de bondkop boven de bondpositie. Ten slotte wordt de component geplaatst via een verticale beweging van de bondkop.

Dit conventionele plaatsproces kan nauwkeuriger en sneller. En dat moet ook, wil 3D-integratie en het werken met ultra-fine-pitch-chips economisch rendabel zijn. De plaatsnauwkeurigheid is beperkt door de nauwkeurigheid waarmee we de relatieve positie van de twee camera’s tijdens kalibratie kunnen bepalen en door de veranderlijkheid van deze relatieve positie. Onderlinge (thermische) drift van de cameraposities manifesteert zich een-op-een in de uiteindelijke plaatsingsfout. Verder duurt de cyclus onnodig lang omdat de bondkop een omweg moet maken langs de opkijkende camera en daar volledig tot stilstand moet komen.

Figuur 1: Schematische weergave van het basisprincipe van het meetsysteem. De camera kijkt onder een hoek naar zowel het substraat als de die, via een bundelscheider. De camera is bevestigd aan de gantry en beweegt tijdens xy-verplaatsingen van de gantry mee met de bondkop.

Om bovenstaande tekortkomingen weg te nemen, heeft TNO een meetconcept ontwikkeld met twee belangrijke verbeteringen. Ten eerste gebruiken we een en hetzelfde camerasysteem om de positie van de die en het substraat te meten. Hierdoor is een relatieve drift tussen de coördinaatsystemen van de camerabeelden verleden tijd. Dit basisprincipe is ook terug te vinden in de nauwkeurigste componentplaatsmachines, waarbij voor de positiemeting een bidirectionele microscoop tussen die en substraat is geschoven. Ten tweede is ons camerasysteem verbonden aan de gantry zodat deze meebeweegt met de bondkop tijdens verplaatsingen in xy-richting. Hierdoor kan de diepositie on the fly worden bepaald tijdens de beweging van de bevoorradings- naar de bondpositie.

Beide eigenschappen hebben we gerealiseerd met een camerameetsysteem dat vast verbonden is met de gantry en dat van een positie aan de zijkant van de bondkop onder een hoek naar het te meten object kijkt. We hebben gebruikgemaakt van een bundelscheider (beam splitter) om tegelijkertijd naar de die en het substraat te kunnen kijken. Het basisprincipe is schematisch weergegeven in Figuur 1.

Een voordeel van de ontwikkelde oplossing is dat we de positie van het substraat kunnen meten terwijl de bondkop zich nagenoeg boven de doelpositie bevindt. Daardoor is de extra xy-verplaatsing (stap 3 in het conventionele proces) niet nodig. Een nadeel is de relatief grote verticale plaatsingsafstand van die naar substraat. Die is het gevolg van de zijdelingse plaatsing van het camerasysteem waarbij er rekening wordt gehouden met het feit dat ook grotere chips (tot 25 bij 25 mm) langs het camerasysteem moeten kunnen bewegen. De resulterende grotere z-slag beperkt de winst in nauwkeurigheid en vooral cyclustijd.

Figuur 2: Het nieuwe meetsysteem ingebouwd in een bestaande componentplaatsmachine. Te zien zijn twee tegenover elkaar geplaatste basisunits.

Plaatsingseffect

Sommige pak-en-plaatstoepassingen brengen het substraat eerst in kaart door de posities van globale markeringen te meten (bijvoorbeeld in de hoekpunten van het substraat). Individuele plaatsingen gaan vervolgens ‘blind’, dus zonder lokale meting van de bondpositie. In het geval van ultra-fine-pitch-chips geldt over het algemeen dat de exacte ligging van de bondposities in relatie tot globale substraatmarkeringen niet precies genoeg bekend is. Dit maakt een lokale positiebepaling van de bondpositie voor elke afzonderlijke plaatsing noodzakelijk.

Een voordeel van het nieuwe meetconcept is dat we de positie van de die op de bondkop kunnen meten tijdens de beweging naar de bondpositie. De tijdwinst die dit oplevert, is gekwantificeerd met een Gantt-chartanalyse van een complete pak-en-plaatscyclus (Figuur 2). De plaatscyclus is op te delen in de gantrybeweging, de bondheadbeweging, vision (markerdetectie) en het proces (oppakken en plaatsen). Te zien is dat met het nieuwe meetconcept een potentiële tijdwinst te behalen valt van twintig procent.

De plaatsnauwkeurigheid is beter bij het nieuwe concept doordat de – vooral thermische – drift tussen de twee coördinaatsystemen van de die- en de substraatmeting is geëlimineerd. In een vergelijkende analyse van de meetsystemen is het daarom van belang om ook rekening te houden met effecten op langere termijn zoals opwarming. We hebben foutanalyses gemaakt van beide systemen voor verschillende regimes waarbij het onderscheid tussen de regimes gelegen is in twee parameters: tijdsduur van de productie (tussen machinekalibraties) en afmeting van het substraat (werkgebied) waarop moet worden geplaatst.

Als de tijdsduur van de productie beperkt is, zal er geen of weinig winst van het nieuwe concept te verwachten zijn omdat thermische effecten geen rol spelen. De tabel in Figuur 3 geeft een conceptuele foutanalyse van het nieuwe systeem weer voor het meest veeleisende regime: lange productieduur, groot werkgebied. De genoemde getallen zijn 3σ-spreidingswaardes die gebaseerd zijn op realistische afschattingen en experimentele ervaring.

De plaatsnauwkeurigheid blijkt afhankelijk van het zogenoemde plaatsingseffect: dit is de verzamelnaam voor de fout die optreedt door de contactdynamica tijdens het landen van de die. Het is bekend, uit kwalificatiemetingen van een conventioneel systeem, dat 2 µm een realistische waarde is voor dit effect. Dat in de praktijk slechts een 3σ-waarde van 10 µm kan worden gegarandeerd, is waarschijnlijk grotendeels toe te schrijven aan het effect van opwarming en onderlinge cameradrift. Het is daarom onze verwachting dat met het nieuwe concept de 2-µm-grens dichter kan worden benaderd voor langere productietijden.

Figuur 4: Samenstelling van een basisunit van het meetsysteem met daarin het lichtpad van het substraat en de die naar afbeelding op de camera (groen). Verder is ook de shutter zichtbaar, aangedreven door de ronde roterende solenoïde (linksonder). De bundelscheider bevindt zich achter de solenoïde.

Transparant substraat

Kenmerkend aan het meetsysteem is dat de optische as onder een hoek is geplaatst ten opzichte van de verticale as. Het lichtpad is zo ontworpen dat het horizontale vlak waarin de die (of het substraat) zich bevindt, wordt afgebeeld op het vlak van de camerasensor, ondanks deze scheefstelling. Het hele beeldveld bevindt zich hierdoor in focus, waardoor het mogelijk is om de xy-positie van een markering in de afbeelding direct te relateren aan de xy-positie van de markering in het objectvlak. Verder wordt een halfdoorlatende spiegel gebruikt als bundelscheider. Die maakt het mogelijk om met dezelfde camera naar de die en het substraat te kijken. De beelden van beide objecten scheiden we met een schakelbare shutter (zie Figuur 4).

Om de afbeelding van het substraat scherp te kunnen stellen, hebben we een extra verticaal translerende bewegingsas aan het systeem toegevoegd. Scherp stellen op de die gebeurt door de al aanwezige z-as van de bondkop te bewegen. Omdat de camera onder een hoek kijkt, geeft een verticale beweging van de optische unit ten opzichte van het object ook een verschuiving in laterale richting. Deze fout hebben we geëlimineerd door een tweede optische unit tegenover de eerste te plaatsen. Op deze manier kunnen we door middel van triangulatie de laterale positie van het object in het focusvlak eenduidig bepalen.

Om een die op de gewenste positie te kunnen plaatsen, is het noodzakelijk te weten waar die na de verticale plaatsbeweging terechtkomt op het substraat. Hiervoor hebben we een kalibratie voorzien. Onze kalibratie-unit bestaat uit een transparant substraat met daaronder een camera die van onderen kijkt naar een geplaatste die. Het substraat is voorzien van markeringspunten, vergelijkbaar met die van een regulier substraat. Hiermee kunnen we, met een bekende startpositie van de die, berekenen waar hij zal landen in het coördinaatsysteem van het camerabeeld van het substraat. Omgekeerd zijn gantry en bondkop zodanig te bewegen of te roteren dat de die op de gewenste plaats op het substraat terecht zal komen.

Van het ontwerp hebben we een werkend prototype gerealiseerd en geïntegreerd in een conventionele flipchip-die-bondingmachine (zie Figuur 5). De aansturing van de bewegingsassen en de berekening van de positiecorrectie hebben we geïmplementeerd via een machine-eigen scripttaal voor ontwikkel- en testdoeleinden. Dit beperkt de snelheid van het prototype. We hebben onze aandacht dan ook in eerste instantie gericht op het aantonen van plaatsnauwkeurigheid.

Figuur 2: Resultaat van een vergelijkende analyse van cyclustijden van een conventionele pak-en-plaatsmachine en een systeem waarin het TNO-meetconcept is geïntegreerd.

Glazen chips

Naast de kwaliteit van het meetsysteem hebben omgevingsfactoren en mechanische beperkingen van de complete machine grote invloed op de uiteindelijk bereikbare nauwkeurigheid. Omdat de gehaalde positiefout (na plaatsing) het meest gangbare criterium is om een pak-en-plaatsmachine op te beoordelen, hebben we er ook voor gekozen die als norm te gebruiken voor de kwalificatie van het meetsysteem.

We hebben op twee manieren getest. Bij de eerste methode hebben we de machine 25 verschillende chips laten plaatsen op de kalibratie-unit. Hierbij wordt de plaatsfout (x, y) gemeten in de coördinaten van de kalibratiecamera. Bij de tweede methode zijn 49 chips geplaatst in een patroon van zeven bij zeven op een substraat van 10 bij 10 cm. Het substraat is een glasplaat voorzien van markeringspunten. Hierop is een dunne laag vet aangebracht als hechtmiddel. Het vet op de juiste manier aanbrengen is een kwestie van ervaring. Te weinig geeft onvoldoende hechting, zodat de plaatsing mislukt. Te veel heeft een negatieve invloed op de beeldherkenning van de lokale substraatmarkers. Nadat alle chips zijn geplaatst, hebben we het resultaat gemeten met een aparte microscoop waarvan de precisie een ordegrootte hoger is.

Figuur 5: Resultaat van een foutanalyse van een pak-en-plaatssysteem dat is uitgerust met het meetconcept voor het regime van groot werkgebied bij lange productieduur. De fouttotalen zijn kwadratisch opgeteld. Eindresultaat is een totale fout van 2,65.

Bij beide testmethodes hebben we glazen chips gebruikt met een afmeting van 4 bij 4 mm en een dikte van 0,7 mm (zogeheten Nonius-testcomponenten, geleverd door Fraunhofer Isit). De markeringen op de die en het substraat zijn aangebracht in chroom (80 nm dikte) en hebben een diameter van 200 µm.

Uit de eerste testmethode volgde een 3σ-spreiding van 3,5 µm in x-richting en van 3,2 µm in y-richting. De tweede methode leverde een 3σ-spreiding van 4,7 µm in x-richting en van 2,8 µm in y-richting. Bij deze metingen slaagden veertig van de 49 plaatsingen. In negen gevallen bleef de die niet zitten. In de meetserie is geen trend zichtbaar die duidt op een toenemende fout door bijvoorbeeld thermische drift. Het totale experiment duurde ongeveer een kwartier. Ook een meetserie over een periode van vijf uur gaf geen drift te zien.

Het is opvallend dat bij de tweede testmethode de plaatsfout in y-richting duidelijk kleiner is dan die in x-richting. De oriëntatie van het meetsysteem is zodanig dat er een koppeling bestaat tussen de y- en de z-beweging. Zoals eerder beschreven, corrigeert de triangulatiemethode voor deze koppeling. Eventuele problemen met deze methode zouden zich dus manifesteren in de plaatsingsfout in y-richting. Dit is niet het geval. Omdat bij eerste testmethode de resultaten voor x en y wel ongeveer gelijk zijn, vermoeden we dat de grotere plaatsfout voor de x-richting tijdens tweede methode vooral het gevolg is van de contactdynamica van de plaatsing op het met vet ingesmeerde substraat.

Factor drie beter

In dit artikel hebben we een nieuw geïntegreerd meetsysteem beschreven voor componentplaatsmachines. In tegenstelling tot bestaande meetsystemen in state-of-the-art flipchip-die-bondingmachines gebruikt de TNO-oplossing een enkel camerasysteem voor de positiebepaling van zowel de component als het substraat. Hierdoor is het systeem, in het geval van relatieve metingen, ongevoelig voor onderlinge drift tussen camera’s en gaat de plaatsnauwkeurigheid omhoog.

Bovendien is het camerameetsysteem verbonden met de gantry, zodat de positie van de component on the fly kan worden gemeten. Dit kan een tijdsbesparing opleveren van ongeveer twintig procent per cyclus, omdat er geen omweg via een stilstaande opkijkende camera nodig is en de meting gelijktijdig met de beweging naar de bondpositie kan worden uitgevoerd. Dit konden we nog niet experimenteel aantonen door beperkingen van de toegepaste scripttaal en zullen we in de toekomst toetsen met betere software.

Een werkend prototype hebben we geïntegreerd in een conventionele die-bondingmachine. Dit laat zien dat de positiefout na plaatsing ongeveer drie micrometer is. Dat is een factor drie beter dan de huidige machinespecificatie van 10 µm.

Thomas de Hoog, André Hoogstrate en Ben van der Zon zijn onderzoekers bij TNO  en houden zich bezig met de ontwikkeling van halfgeleiderproductietechnologie.

Thomas de Hoog, André Hoogstrate en Ben van der Zon

Terug naar overzicht