Nieuws
Die-bonder NXP Itec levert ruim miljoen chips per dag
1 juli 2011
De afdeling Itec van NXP ontwikkelt assemblagesystemen voor het moederbedrijf. Onlangs zette het een wereldrecord in die-bonding. In de Hongkongse fab haalde de nieuwste machine een snelheid van 48 duizend componenten per uur bij een nauwkeurigheid van 5 micrometer. Itec nam deze drempel door het hele proces minutieus door te spitten. Elke milliseconde telt.
Itec (Industrial Technology and Engineering Centre) is een vreemde eend in de bijt binnen NXP. Waar de multinational zich vrijwel uitsluitend richt op het ontwerp en de productie van chips, heeft de Nijmeegse afdeling zich toegelegd op machinebouw. Om precies te zijn: Itec ontwikkelt en levert assemblageapparatuur voor het back-end van het halfgeleiderproductieproces: wire-bonders, die-bonders, moldingmachines en testsystemen. ‘We leggen de focus op kosten en hoge volumes’, vertelt Raymond Rosmalen, senior software-engineer en projectleider. ‘De machines die wij ontwikkelen, zijn goed op die twee punten. Snel, veel producten maken tegen lage kosten.’
De meeste Itec-machines werken op discrete halfgeleiders zoals transistoren en diodes. Rosmalen: ‘We ondersteunen ook logic-producten, typisch tot acht aansluitingen. De afmeting van de kristallen zijn in de orde van een tiende tot tien millimeter. Voor IC’s of processoren met honderden verbindingen zijn onze systemen niet geschikt. We focussen op de simpele producten die per stuk vrijwel niets waard zijn. Je moet ze dus in hoge aantallen tegen geringe kosten produceren, wil je er geld mee kunnen verdienen. NXP maakt er miljarden per jaar.’
Met NXP-fabrieken in China, de Filippijnen, Hongkong, Maleisië en Thailand is er voldoende vraag naar de assemblagemachines van Itec. Inmiddels bestaat de afdeling zo’n twintig jaar – inclusief de Philips-tijd. Rosmalen: ‘We hebben een basisplatform voor onze machines waar we veel aandacht aan besteden. Zo is het mogelijk om bestaande systemen snel te updaten en kunnen we tegen lage kosten snel onze machines verbeteren. Eens in de zoveel tijd heb je natuurlijk wel een nieuw platform nodig.’
Acht jaar geleden introduceerde Itec het Adat3-platform, waarbij Adat staat voor automatic die attacher. In het voorgaande platform – de Adat2 – had de machine de beschikking over één arm die de producten van de wafer naar de drager overzette. Met de Adat3 gooide Itec het over een andere boeg. ‘Bij het Adat3-platform maken we gebruik van een roterende motor met vier armen’, aldus Rosmalen. ‘De eerste versie kon 24 duizend componenten per uur verwerken. De meest recente die-bonder op basis van het Adat3-platform die we begin dit jaar hebben opgeleverd, haalt 48 duizend componenten per uur.’
Geen file
Rosmalen laat een dunne metalen drager zien met een patroon van fijne openingen en sleuven erin. ‘Deze strip is de input van onze machine. Hij is opgedeeld in vier mold caps. Na het die- en wire-bonden komen er vier plastic verpakkingen omheen. In zo’n mold cap zitten typisch tweeduizend producten, dus achtduizend op de hele strip.’
De eerste stap in het proces is het aanbrengen van achtduizend lijmdruppeltjes. Dat moet met een nauwkeurigheid van vijf micrometer of beter, waarbij zowel de positie als het volume van de druppel goed moet zijn. Met een visionsysteem zoekt de Itec-die-bonder naar een aantal ijkpunten op de strip. ‘Als we die hebben ingemeten, weten we precies hoe de strip erbij ligt’, aldus Rosmalen. ‘Daarna kunnen we met hoge snelheid de hele strip van lijmdruppels voorzien. Het is dus niet nodig om per product steeds opnieuw uit te lijnen. De globale meting is voldoende om daarna blind alles te deponeren.’
De meest recente die-bonder die NXP Itec begin dit jaar opleverde, produceert per uur 48 duizend discrete componenten zoals transistoren en diodes.
De lijmdruppels hebben een straal van zestig tot tachtig micrometer. ‘We doen aan volumetric dispensing’, zegt groepsleider Boud van Blokland. ‘Dat gaat met een helixschroef. Door een nauwkeurige rotatie van een tiende graad druk je een heel klein beetje lijm door een naald naar buiten. Na positionering van het die-pad beweegt de naald naar beneden om een druppel te dispensen. Op het moment dat de naald weer omhoog gaat, maken we een foto om te kijken of de druppel de juiste vorm heeft, voldoende groot is en op de goede plek ligt. Is dat niet het geval, dan krijgt die positie een merkje en slaat de machine hem over bij het plaatsen van de dies.’
De jongste die-bonder van Itec heeft dus een output van 48 duizend componenten per uur. Dat betekent dat een strip met achtduizend posities in ongeveer tien minuten volledig is voorzien van lijmdruppels. De machine schuift hem dan door naar de die-bondingmodule en haalt een nieuwe lege strip uit het inputreservoir. De snelheid van beide stations is in balans, zodat er geen files ontstaan in de machine. In sommige andere machines werkt NXP met een zogenaamd endless leadframe waarbij de drager op een grote rol zit en continu door het systeem loopt.
Dartbord
In de die-bondmodule geeft de roterende motor het tempo aan. Het systeem is te vergelijken met een molen die steeds een kwartslag draait. De wiek in de onderste positie drukt de die in de lijm. De rechter wiek pikt een volgende die op van de wafer. In de linker positie wordt de achterkant van de die gecontroleerd. Aan de bovenste wiekpositie heeft NXP nog geen vaste functie toebedeeld.
Feitelijk de eerste stap in het bondproces gebeurt bij de rechter wiek. Hier hangt verticaal de wafer naast. De dies in die wafer zijn al gesepareerd maar uitlijning is nog wel nodig. Van ieder product wordt een foto geschoten om de positie te bepalen en de kwaliteit te controleren. Na deze uitlijning drukt een naald de die voorzichtig tegen een collet. Dit zuignapje trekt de die van het waferfolie. Het hele oppikproces moet binnen vijftien tot twintig milliseconde achter de rug zijn.
De molen draait dan twee keer een kwartslag zodat de opgepikte die kan worden gecontroleerd. Een camera checkt of de achterkant van de die niet is beschadigd. Ook kijkt hij of de randen wel mooi uit het zaagproces zijn gekomen. Last but not least meet de camera de exacte positie van de die op de collet. ‘De wafer zit op een paar micrometer nauwkeurig op zijn plek’, legt Van Blokland uit. ‘Als de naald een die omhoog prikt en de zuignap hem los van de folie haalt, kunnen er onnauwkeurigheden ontstaan. De camera checkt daarom hoe de die precies op de zuignap zit. Daar kunnen we dan voor corrigeren.’
Een kwartslag verder, als de die in de onderste wiekpositie is aangekomen, is de strip ondertussen een stukje opzij gegaan om de benodigde correctie door te voeren. Van Blokland: ‘Je kunt het een beetje vergelijken met een dartbord. Iemand gooit een pijltje en een ander positioneert het dartbord zo dat het pijltje doel treft.’ Dat lijkt wat omslachtig, maar deze aanpak zorgt ervoor dat de molen niet te log en ingewikkeld wordt. Dat zou de snelheid immers niet ten goede komen.
In het Adat3-platform dirigeert een molen het die-bondingproces. De wiek in de onderste positie drukt de die in de lijm. De rechter wiek pikt een volgende die op van de wafer. In de linker positie wordt de achterkant van de die gecontroleerd.
Van alle producten die het in de lijm heeft gezet, schiet de Itec-machine een plaatje. ‘Daarop kijken we of het bondproces goed is gegaan’, zegt Rosmalen. ‘Ligt de die mooi recht? Waar is hij precies terechtgekomen? Daar zit namelijk een beetje verloop in. De machine gedraagt zich anders als hij net is opgestart dan wanneer hij al een uur aan de gang is. Thermische effecten zorgen voor kleine positieveranderingen. Als we een precisie van vijf micron willen halen, moeten we continu blijven meten en corrigeren. Ook kijken we naar de rotatie; die kunnen we niet corrigeren maar we kunnen hem wel meten. Als de die te veel is gekanteld, keuren we hem af zal hij verder niet meer in het productieproces worden gebruikt. Gebeurt het te vaak dat we een product moeten afkeuren, dan heeft de machine natuurlijk aandacht nodig. Het systeem is daarom uitgerust met statistical process control om alles in de gaten te houden.’
Als alle achtduizend dies zijn geplaatst, verhuist de strip naar een outputcassette. Daar is ruimte voor twintig strips. Om het geheel wat autonomer te maken, levert NXP Itec ook een automatische cassettewisselaar. ‘Voor zo’n strip met achtduizend producten en een doorlooptijd van twintig minuten kun je wel even vooruit met een cassette voor twintig strips. Als je met grotere dies gaat werken en er dus minder op een strip kunnen, is dat wel een issue’, weet Rosmalen.
Elke milliseconde telt
Het Adat3-platform is een aantal jaren geleden ontwikkeld door Itec. Hoe is de NXP-afdeling er toch in geslaagd de cyclustijd verder te verkorten? Rosmalen: ‘We hebben alle bewegingen in de machine kritisch onder de loep genomen. Kunnen we snelheid winnen zonder dat dat ten koste gaat van het proces en de kwaliteit? Om een voorbeeld te geven: stel je moet snel en nauwkeurig van A naar B. Dan kun je de beweging opdelen in een eerste stuk waar je snel beweegt en een tweede waar je juist nauwkeurig beweegt. Denk bijvoorbeeld aan de naald die de dies van de wafer duwt. Dat moet natuurlijk gecontroleerd en nauwkeurig. Maar als de naald wordt teruggetrokken, moet dat vooral zo snel mogelijk. Verder is ook de overlap tussen bewegingen in de cyclus verder geoptimaliseerd.’
‘48 duizend componenten per uur vertaalt zich in een cyclustijd van 75 ms’, rekent Van Blokland voor. ‘Iedere milliseconde die je kunt winnen, tikt steeds harder aan. Waren we tot voor kort geïnteresseerd in alle processen die meerdere milliseconden in beslag namen. Nu kijken we al kritisch als een proces een halve of een paar tiende milliseconde duurt. Kunnen we daar niet nog wat winnen? De meeste winst hebben we nu behaald met de naaldbeweging en de draaisnelheid van de molen.’
Naast de camera bij de linker wiekpositie zitten er nog twee camera’s in het systeem: eentje bij de wafer en eentje bij de strip. Die kunnen alleen hun werk doen als de molen draait omdat de bondkoppen het camerabeeld anders blokkeren. Dat legt beperkingen op aan de draaisnelheid van de molen. De ingenieurs bij NXP Itec proberen de sluitertijd van de camera te verkorten zodat de rotatie sneller kan. Ze hebben de belichting aangepakt met nieuwe hoogvermogenleds en optiek. ‘De aansturing van de leds gebeurt nu via een eigen ontwikkeling om de stroom door de leds te maximaliseren’, zegt Rosmalen. ‘Het ledje staat nu alleen aan als de sluiter open staat. Daardoor kunnen we er een maximale stroom doorheen jagen zonder de duty cycle te vergroten.’
NXP Itec ontwikkelde zelf een programma waarmee het op ieder moment kan zien wat elk onderdeel aan het doen is. Als een module in de ene toestand is, wat doet dan de andere module? Hoe ligt dat in de tijd en hoe overlapt dat? Rosmalen: ‘Dat geeft ons enorm veel houvast als we het proces willen optimaliseren.’
Windows XP
Opvallend is dat de aansturing van de hele machine gebeurd met één huis-tuin-en-keuken-pc: standaard Asus-moederborden, standaard Intel-processoren en gewoon met Windows XP. ‘Industriële moederborden, daar geloven we niet meer in’, lacht Van Blokland. Rosmalen vult aan: ‘Dat is een belangrijke factor om kostenvoordeel te halen. We hebben voldoende kennis in huis om ervoor te zorgen dat er nergens ongewenste vertragingen optreden. Windows is realtime genoeg om de bewegingen, de camera’s en de I/O aan te sturen. Alle ongewenste delays in de cyclus willen we onder controle krijgen. Dat krijgen we voor elkaar.’
Van alle producten die het in de lijm heeft gezet, schiet de Itec-machine een plaatje om de kwaliteit en de nauwkeurigheid te bewaken.
Voor een deel van de communicatie gebruikt NXP het Firewire-protocol. Het is een standaard bus, via een PCI Express-kaartje aangesloten op de pc om de benodigde bandbreedte te halen. ‘Het zijn allemaal standaard componenten die in grote aantallen op de markt beschikbaar zijn en die we dus vrij goedkoop kunnen inslaan’, verklaart Rosmalen de keuze. ‘Er is wel een nadeel. De producten in de pc-markt hebben een korte levensloop. Onze machines gaan veel langer mee. Onlangs kwam ik bij onze fabriek in China nog een systeem tegen dat dateert uit begin jaren tachtig. We moeten dus wel eens stoeien om voldoende voorraad te hebben.’
‘Het betekent wel dat je alle componenten in het systeem goed moet kennen. Ook de softwaredrivers’, gaat Rosmalen verder. ‘We gebruiken dan ook niet de standaard Firewire-driver. We hebben onze eigen driver omdat er anders te veel delays optreden. Standaard is daar niet goed genoeg. We zijn hier bij NXP Itec goed in staat om alles uit de standaard onderdelen te knijpen.’
Niet kleien
Wat was de grootste uitdaging in deze die-bonder? Van Blokland: ‘Hoe zorg je ervoor dat de hoofdmotor netjes op zijn plek komt? En hoe doe je dat zo snel mogelijk op de momenten dat het ertoe doet? Zo’n motor heeft een bepaalde cogging. Die kun je natuurlijk gewoon laten draaien, maar wij meten en compenseren hiervoor.’
‘We proberen de constructie ook zo simpel mogelijk te houden’, aldus Rosmalen. ‘Geen fancy ontwerpen, maar wel volledige controle. De bewegingen van de bondkop in de z-richting lopen via bladveerconstructies. Dat ziet er supersimpel uit, maar dat onderdeel kennen we exact zodat we met feedforwards op de beweging kunnen anticiperen en de aansturing kunnen optimaliseren.’
‘Bij concurrenten zie ik vaak dat het visiongedeelte een aparte module is met een aparte pc en monitor, omdat het vaak ingekochte onderdelen zijn. Een groot deel van onze kracht is dat wij alles optimaal weten te integreren. Als je veel interfaces in het systeem hebt omdat je alles aan elkaar knoopt, heb je veel meer kans op instabiliteit en delays. Als je onderdelen in de markt koopt, word je gedwongen de ene component aan de andere te kleien. Daar doen wij niet aan. We kijken niet welke componenten in de markt beschikbaar zijn om een bepaalde functionaliteit te leveren. We benaderen het van de andere kant. Wat willen we hebben en hoe gaan we dat aansturen? We willen best standaard onderdelen gebruiken – die zijn immers goedkoop – maar niet als we dan alles aan elkaar moeten kleien. We proberen het aantal lagen altijd zo klein mogelijk te houden en er mogen zeker geen delen tussen zitten die we niet kennen.’
‘Wat dat betreft, hebben we een Philips-verleden; als het not invented here is, hoeven we het niet’, lacht Van Blokland. ‘Dat is wel een gevolg, niet het uitgangspunt. Wil je het maximale uit je systeem halen, dan moet je alle lagen kritisch bekijken.’
Gallische dorpje
NXP Itec levert zijn machines alleen binnen NXP. Is dat niet zonde van de inspanning? Rosmalen: ‘We doen dat omdat we NXP daarmee een voordeelpositie kunnen geven. We focussen heel specifiek op de wensen en problemen die ze bij de assemblagesites van NXP hebben. Daardoor kunnen we een betere oplossing bieden. Tot nu toe lukt het ons steeds om voorop te blijven lopen. We zijn er trots op dat ons dat lukt met een relatief kleine club, al ruim twintig jaar.’
‘Itec levert exclusief binnen NXP, maar we zijn geen exclusieve leverancier. Onze assemblageafdelingen kiezen de machines die zij willen’, gaat Rosmalen verder. ‘Onze machines zijn ook interessant voor de buitenmarkt, bijvoorbeeld voor ST of Infineon. Het is echter een bewuste keuze van NXP om de technologie niet commercieel op de markt te zetten. Het is geen business waar NXP op wil verdienen; we willen verdienen aan de eindproducten.’
‘Juist omdat we in huis ontwikkelen, kunnen we heel dedicated blijven’, vult Van Blokland aan. ‘Het gaat niet om de winst van Itec, het gaat erom dat we de assemblagekosten voor NXP zo laag mogelijk houden. Onze grootste concurrent in die-bonden verslaan we met een factor drie in output, terwijl hun ontwikkelcapaciteit en omzet vele malen groter is. Zie ons als het kleine Gallische dorpje dat het toch steeds wint.’