Вступление
На начальном этапе, процесс механического тестирования прочности соединений представлял собой отрыв проволочного проводника с последующим сдвигом кристалла или шарика. Данный процесс эволюционировал для удовлетворения потребности в тестировании постоянно растущего разнообразия полупроводниковых и электронных устройств. Эта потребность продолжала расти и требовать все более передовых методов тестирования, которые бы соответствовали развитию современных технологий. Создание новых методов тестирования стало первоочередной задачей для разработчиков оборудования для тестирования прочности соединений. Если бы в процессе тестирования прочности соединений требовалось проверять все имеющиеся соединения, полностью автоматическое оборудование было бы спроектировано с самого начала. Но так как тестированию подвергалось относительно небольшое количество соединений (выборочный контроль), направление развития и капитальные затраты на установки тестирования соединений и технологическое производственное оборудование различались. Попытки добавить автоматизацию к установкам тестирования прочности соединений предпринимались, но в большинстве случаев для удовлетворения ожиданий отрасли не хватало ресурсов и вложений, как со стороны поставщиков оборудования, так и со стороны конечных пользователей. Несколько очень опытных разработчиков установок тестирования прочности соединений, которые занимались этим оборудованием и всегда стремились к полной автоматизации тестирования, начали понимать, как можно достигнуть автоматизации, основываясь на опыте, а не на вливании капиталов.
Рис. 1 Современная установка тестирования соединений
Преимущества автоматизации всегда были очевидны. Автоматическое оборудование сокращает производственные издержки, работает быстрее, и самое главное, оно позволяет выполнить процесс тестирования более последовательно и точно. Единственным требованием к процессу тестирования прочности соединений является измерение качества ваших соединений и как результат поддержание и увеличение производительности и надежности продукции. Это единственная причина существования установок тестирования прочности соединений, которая должна сделать точность наивысшим приоритетом для всех разработчиков данного оборудования.
Что требуется для автоматизации?
В случае, если необходимо протестировать только один тип соединения, и для тестирования достаточно одного типа датчика и инструмента, для автоматизации может быть использована система с одной измерительной головкой. Если тестированию подлежит более одного типа соединений, потребуется система с несколькими головками. Применение системы с несколькими измерительными головками может быть полезно также при тестировании только одного типа соединений, поскольку можно установить дополнительные датчики и инструменты, что обеспечивает немедленное восстановление работоспособности оборудования в случае износа или повреждения инструмента.
Главным требованием к автоматизации тестирования прочности соединений является повторяемость, точное выравнивание и совмещение инструмента с соединением. Для точного совмещения инструмент должен быть расположен по трем осям и с необходимой точностью вращаться относительно соединений, имеющихся на образце. Точность позиционирования также зависит и от образца, однако установка тестирования соединений должна справляться с самыми сложными из них.
Рис. 2. Позиции проволочных соединений, которые необходимо протестировать на отрыв могут отличаться, как показано на данном изображении Метод тестирования соединений посредством оборудования на самом деле является частичной автоматизацией. Установка тестирования прочности соединений в установленном порядке автоматически применяет нагрузку к образцу с помощью выбранного датчика и инструмента. Подробное описание и разработка методов тестирования описываются в справочных пособиях XYZTEC «Наука о тестировании соединений ©». Под автоматизацией обычно понимается автоматическое выравнивание инструмента по отношению к образцу перед применением метода тестирования. На первый взгляд, кажется, что это очень просто, однако выравнивание (позиционирование) является одним из 4-х основных параметров, необходимых для точного и оптимального тестирования соединения (этот вопрос также рассматривается в справочных пособиях по тестированию соединений).
Следовательно, выравнивание и совмещение инструмента по отношению к соединению должно производиться с требуемой точностью. Например, при тестировании образцов, на которых выводы расположены с малым шагом требуется высокая точность. В любом методе тестирования проволочных соединений следует учитывать позиционные ошибки установок разварки. В качестве примеров таких ошибок можно назвать изменение положения проволочного соединения при тестировании на отрыв (рис. 2) и вращение кристалла при тестировании на сдвиг; для установки разварки важно определить только изменение положения площадки, а установка тестирования соединений, в свою очередь, должна учитывать изменения в площадке и соединении, выполненном на этой площадке (рис. 3). Кроме того, другие конструктивные особенности, которые могут использоваться установкой разварки в качестве идеального эталона (реперные метки) могут быть скрыты после того как соединения будут выполнены и соответственно становятся недоступны для установки тестирования соединений. Оператор может легко выполнить настройку на основании сложного изображения сварных соединений, в то время как машинное зрение не может справиться с этой задачей.
Рис. 3. Различные варианты соединений на площадках. Контактные площадки четко видны при разварке, но могут быть скрыты при тестировании соединений
При тестировании шариковых выводов на сдвиг следует учитывать, что позиции соединений на площадках могут меняться, кроме того, усложнить анализ изображения могут проволочные выводы, расположенные под разными углами (Рис. 3).
Распространено мнение, что установки тестирования соединений измеряют прочность соединения как силу. Хотя в большинстве случаев это мнение, верно, это лишь малая часть тех функций, которые должна выполнять установка такого плана. К тому же данное утверждение не относится к неразрушающему тестированию (NDT), о котором мы поговорим позже. «Сила» соединения, как правило, представляет собой отмеченную пиковую или максимальную силу, в свою очередь фактические значения силы, полученные с помощью установки тестирования соединений, представляют собой график «Сила в сравнении со смещением», на котором отмечается как пиковая сила так и другие важные данные, включая энергию и жесткость соединения.
Следует понимать, что самым важным преимуществом тестирования прочности соединений является даже не определение силы, а определение вида повреждений.
В первом из пособий «Наука о тестировании соединений» перечислены «золотые» правила тестирования прочности соединений, согласно «золотому» правилу №1 мы должны «выбрать тип тестирования и настройки, при которых проявляется наибольшее количество, интересующих видов повреждений». Далее следует: «Если при тестировании соединения будет получен тот же вид повреждений, который соединение получает в действительности (истинная нагрузка), результаты, полученные при тестировании, будут очень значимыми. Если же вид повреждений будет отличаться, результаты тестирования будут иметь меньшее значение или, возможно, в тестировании не будет никакого смысла».
Основная идея состоит в том, что все начинается с определения искомого вида повреждений, тестирование неверного вида повреждений имеет меньшую ценность или не имеет никакой ценности. Если мы собираемся применить автоматизацию, мы должны четко представлять искомый вид повреждений, так как это самый важный параметр измерения. Если процесс тестирования соединений настроен надлежащим образом, обычно количество определенных видов повреждений бывает относительно небольшим. На основании полученных результатов тестирования создается выборка, данный процесс также известен как «Оценка». Установки тестирования прочности соединений лучшим образом показывают себя в измерении силы в сравнении со смещением, в то время как в оценке вида повреждений они, как правило, мене эффективны. Опять же, по традиции мы доверяем оператору принять более точное решение.
Так как точное совмещение инструмента с соединением и оценка вида повреждений обычно выполняется оператором, они также могут загружать и выгружать образцы. Так, например, при тестировании пластин, ручная загрузка и выгрузка образца может создать недопустимый риск. В процессе перемещения пластина может быть загрязнена или повреждена. Загрузка/выгрузка часто автоматизирована, но этот шаг не всегда выполняется с целью полной автоматизации.
Поскольку в процессе большинства тестов прочности соединений образуется некоторое количество обломков/частичек соединений, это также необходимо учитывать.
Следовательно, чтобы сделать обычную установку тестирования прочности соединений полностью автоматической необходимо учесть следующие дополнительные требования:
· Несколько рабочих головок
· Точное позиционирование инструмента
· Автоматическая загрузка и выгрузка
· Измерение позиции образца (настройка камеры по реперным меткам)
· Точное автоматическое совмещение для различных вариантов соединений на площадках
· Автоматический анализ вида повреждений
· Устранение обломков/частичек соединений
Какие из функций автоматизации доступны для современных установок тестирования прочности соединений
Последовательно рассмотрим каждое из ранее упомянутых требований для полной автоматизации по очереди,
Несколько рабочих головок
Рис. 4 Данная система может быть оснащена любой комбинацией датчиков и инструментов для тестирования на отрыв, сдвиг и т.д. с усилием до 200 кгс
Установка тестирования прочности соединений с 6-ти позиционной револьверной тестовой головкой с автоматически выбираемыми тестовыми датчиками может выполнить большинство распространенных тестов (рис. 4). Если этого недостаточно, решением может быть несколько быстросменных револьверных измерительных головок (рис. 5).
Рис. 5 В случаях, если 6 установленных датчиков недостаточно для проводимого тестирования, измерительную головку можно заменить в считанные секунды
Точное позиционирование инструмента Точности позиционирования ± 10 мкм, как правило, достаточно для большинства применений при тестировании соединений. Такой уровень точности может быть достигнут на установках тестирования соединений, оснащенных прецизионными осями с линейными приводами и оптическими энкодерами. Лучшая точность, в районе ± 5 мкм может быть достигнута при помощи локального совмещения по реперным меткам. Системы с поворотными энкодерами (установленными на приводах) могут обеспечить точность не более ± 50 мкм, которой очень часто бывает недостаточно. Точность вращения инструмента должна составлять не менее ± 1 °.
Надпись на рисунке: Винты для настройки концентричности крючка
Рис. 6 Ручная настройка концентричности крючка – приемлемое значение 10 мкм При проведении тестирования проволочных выводов на отрыв, чтобы убедиться, что тестируется только один (правильный) вывод, необходимо использовать крючок с хорошей концентричностью. Концентричности крючка на уровне 10 мкм достаточно для большинства применений. Концентричность крючка обеспечивает очень полезную с точки зрения автоматизации функцию - автоматическую установку (выставление) крючка, когда крючок автоматически поворачивается на 90° во время тестирования. Можно отметить, что концентричность 10 мкм приводит к максимальной погрешности позиционирования на уровне 5 мкм в результате поворота на 90 °. Эта степень концентричности может быть достигнута только путем регулировки крючка, когда он установлен на валу датчика.
Как правило крючки очень чувствительны, и даже малейшее столкновение повлияет на хорошую концентричность крючка или нарушит ее. Если концентричность крюка легко регулируется, в большинстве случаев их можно перенастроить. Современные установки тестирования прочности соединений предусматривают такую механическую настройку (рис. 6), а также программную коррекцию (рис. 7). С помощью этих двух особенностей может быть достигнута комбинированная концентричность крючка в районе 5 мкм. Системы, которые требуют замены инструмента и предварительной установки концентричности, могут достигнуть концентричности не более 25 мкм, крючки на таких системах не могут быть повторно отрегулированы в случае столкновения.
Автоматическая загрузка и выгрузка образцов
Рис. 8 Система магазинной загрузки/выгрузки выводных рамок в установку тестирования соединений
Проблема автоматической загрузки и выгрузки изделий уже решена для широкого спектра оборудования, устанавливаемого в производственную линию, в том числе для установок тестирования прочности соединений как показано на рисунках 8 и 9.
Рис. 9. Установка тестирования соединений с платформой стыковочного модуля EFEM для загрузки/выгрузки пластин диаметром 300 мм
Машинное зрение Последние три функции, необходимые для полной автоматизации
-Измерение позиции образца (настройка камеры по реперным меткам)
-Точное автоматическое совмещение для различных вариантов соединений на площадках
-Автоматический анализ вида повреждений
Рис 10. Глубокий доступ. Части образца ограничивают доступ инструмента и камеры для распознавания
решаются при помощи машинного зрения. Для обеспечения всех этих функций требуется изображение образца в высоком разрешении и гибкая подсветка для надежного анализа изображения. Прежде чем мы подробно обсудим каждую из функций, не лишним будет определить, на что способно современное машинное зрение.
Важной проблемой, которая касается всех требований к машинному зрению при тестировании соединений, является так называемый «глубокий доступ». Во многих случаях над тестируемым соединением расположены части образца, которые затрудняют доступ к соединению как инструменту, так оптике и подсветке камеры (Рис. 10).
Во многих случаях тестируемые соединения и относящиеся к ним конструктивные элементы имеют очень малую геометрию. Для тестирования этих мелких конструктивных элементов требуются методы захвата изображения с микроскопа с разрешением порядка 1 мкм. Проблема глубокого доступа требует, чтобы системы формирования или обработки изображений находились на значительном расстоянии над образцом. Расстояние между оптикой системы формирования изображения и целью называется рабочим расстоянием. Согласно некоторым требованиям к глубокому доступу это расстояние может достигать 45 мм. Достичь разрешения в 1 мкм с рабочим расстоянием 45 мм возможно, но из-за законов физики качество изображения никогда не сможет сравниться с качеством изображения, полученного с микроскопа.
В дополнение к оптике камеры, чрезвычайно важную роль в анализе изображений играет подсветка. Фактически, оптика камеры, как правило, устанавливает поле обзора изображения и разрешение, которые определяют полезное увеличение. Подсветка влияет на контраст, который является очень важным фактором для анализа изображений. Для тестирования соединений применяются две основные формы освещения: рассеянное и коаксиальное, известные в мире микроскопических систем как светлые поля и темные поля соответственно (рис. 11). Цель рассеянного освещения состоит в том, чтобы освещать образец равномерно со всех сторон, коаксиальное освещение освещает образец только вдоль оси камеры. При глубоком доступе более низкие углы рассеянного освещения перекрываются, однако это никак не влияет на коаксиальное освещение.
Рис. 11a Пример образца с глубоким доступом Интенсивность рассеянного освещения радиально уменьшается во всех направлениях и поэтому зависит как от вертикального, так и от горизонтального положения относительно источника.
Рис. 11б Пример образца без глубокого доступа
На рис. 11 показаны пределы возможностей источника рассеянного света для равномерного освещения образца со всех сторон. Интенсивность света уменьшается от центра источника, а глубокий доступ ограничивает освещение нижних углов. В идеале источник освещения должен быть очень большим (шире по горизонтальной оси чем на иллюстрации, но должен соответствовать нормам реального трехмерного мира) и должен находиться очень близко к образцу. На практике размер источника освещения ограничен другими требованиями, важными для конструкции установки тестирования прочности соединений, а высота ограничена тестируемым образцом. Для того, чтобы свет попадал на самые нижние возможные углы, источник рассеянного света должен быть регулируемым, в зависимости от требования глубокого доступа (рис. 11b) конструкция источника света должна позволять его установку на максимально близкое к образцу расстояние. Нижние углы рассеянного освещения необходимы для достижения оптимальной контрастности закругленных элементов.
Преимущества этих двух видов освещения очевидны на примере одного и того же образца, одно из изображений которого получено при рассеянном освещении (рис. 12), другое при коаксиальном (рис. 13).
Рис 12. Рассеянное освещение, сфокусированное на высоте, на которой могут быть протестированы соединения
Рис. 13. Коаксиальное освещение, сфокусированное на реперных метках и площадках. Изображение того же образца, что и на рисунке 12.
Рассеянное освещение, идущее с нескольких сторон, использует прямое отражение и лучше всего подсвечивает круглые объекты, такие как проволочные выводы, как показано на рис. 12. Коаксиальное освещение, проходит по оси, также использует прямое отражение от поверхности, но подсвечивает объекты, перпендикулярные оси системы камеры. В обоих случаях отражающие поверхности образца гарантируют лучшую подсветку. Необходимо сочетать оба типа освещения с возможностью независимо изменять интенсивность. Это даст возможность выбирать и комбинировать различные функции освещения, чтобы облегчить анализ изображения, увеличив контраст между интересующим элементом и другими областями образца.
Измерение позиции образца (настройка камеры по реперным меткам) Также как и проблема загрузки/выгрузки изделий, проблема использования реперных меток для определения положения образца была решена для оборудования, используемого в составе производственной линии, но как было упомянуто ранее некоторые реперные метки, используемые производственным оборудованием, могут быть не доступны для установок тестирования соединений, были созданы соединения, перекрывающие эти метки. Достижения, описанные в предыдущем разделе, посвященном освещению, вместе с функциями доступными для отрасли в данный момент позволяют определить позицию образца практически в каждом случае. Точное автоматическое совмещение для различных вариантов соединений на площадках Современные камеры, обладающие усовершенствованными функциями освещения и анализа изображения, могут автоматически скорректировать большую часть изменений в позициях соединений. Конструкция инструмента, используемого для тестирования соединений, также напрямую связана с совмещением. Совмещение является отправной точкой, посредством которой метод тестирования приводит инструмент в контакт с соединением. Оптимального совмещения нельзя достичь, не принимая во внимание используемый инструмент и геометрию образца. Как правило, геометрия образца фиксирована, поэтому необходимо правильно спроектировать форму инструмента. В качестве примеров того, как конструкция инструмента может помочь совмещению можно привести длину основания крючка для тестирования на отрыв (Рис. 14) и самоустанавливающиеся инструменты для тестирования на сдвиг (рис. 15).
Надписи на рисунке (сверху вниз): Правильная длина, слишком длинное основание, слишком короткое основание
Рис. 14. Правильная длина основания крючка позволит работать с максимально возможным объем изменений положения, как показано двумя объектами, нарисованными красными пунктирными линиями
Надписи на рисунке (сверху вниз): Подложка, кристалл Рис 15. Этот самоустанавливающийся инструмент для тестирования на сдвиг корректирует малейшую разницу смещения по углу между инструментом и образцом
В некоторых случаях соединение невозможно проверить без некоторой подготовки образца, и в этом случае следует рассмотреть конструкцию готового образца. Опять же, в некоторых случаях выполнить подготовку образца можно на установке тестирования прочности соединений как часть автоматизации, например, сдвинуть выводы, которые скрывают реперную метку соединения, которое необходимо протестировать.
Рис. 16а. Коаксиальное освещение для анализа реперных меток
Рис. 16 б. Рассеянное освещение для анализа позиций соединения
Способность выделять стандартные и плоские поверхности в большинстве случаев делает коаксиальное освещение идеальным для распознавания реперных меток (рис. 16). В то время как рассеянное освещение может быть полезно для анализа особенностей проволочных соединений и шариковых выводов (рис. 17).
Рис. 17. Измерение позиции проволочного соединения для последующей коррекции позиции инструмента
Автоматический анализ вида повреждений Благодаря различным возможностям оба типа освещения одинаково полезны как для ручного, так и для автоматического анализа вида повреждений. Примеры изображений одного образца, созданных с двумя различными типами освещения, показаны на рис. 18 и рис. 19.
Надписи на рисунке (сверху вниз/ слева направо): Коаксиальное освещение: пластичный сдвиг шарикового соединения, хрупкий разлом ИМС, пластичный сдвиг шарикового соединения Рассеянное освещение: Подъем площадки Рис 18. Шарики припоя диаметром 250 мкм
Надписи на рисунке (сверху вниз): Коаксиальное освещение, рассеянное освещение Рис. 19. Шариковые выводы из золота, выполненные с шагом 50 мкм.
Например, при тестировании шариков припоя диаметром 250 мкм. коаксиальное освещение было использовано совместно с системой распознавания образов установки тестирования соединений, позволяющей автоматически оценивать процентное соотношение пластичных и хрупких разрушений (рис. 20).
Рис. 20. Автоматический анализ вида повреждений при тестировании на сдвиг шариков припоя диаметром 250 мкм
Функция автоматического анализа имеет ограничения, однако их количество с каждым годом сокращается благодаря постоянному развитию технологий. В тех случаях, когда текущие технологии не позволяют выполнить процесс автоматически, необходимо применять вмешательство оператора, но таким образом, чтобы это меньше всего сказывалось на том, что в противном случае было бы полностью автоматической системой. В примере автоматического анализа шариков припоя диаметром 250 мкм (рис. 20) показано диалоговое окно с 6 видами повреждений. На практике виды повреждений, определенные при тестировании могут быть сформированы в программируемую матрицу (рис. 21).
Рис. 21a. Матрица с видами повреждений
Рис 21b. Увеличенное изображение фрагмента рисунка 21а, на котором красными или зелеными квадратами показан оценочный анализ и автоматическое решение об оценке вида повреждений
По окончании полностью автоматического процесса установка тестирования прочности соединений может открыть один или несколько экранов с видами повреждений, чтобы оператор мог быстро выполнить их оценку. Во многих случаях существует значительное сходство между разными видами повреждений, поэтому в дополнение к автоматическому анализу оператор может быстро принять или отредактировать автоматическое решение системы по виду повреждений. Эта ручная оценка может проводиться в режиме реального времени напрямую на системе или удаленно и в любое время. Таким образом, один оператор может управлять сразу несколькими системами.
Устранение обломков/частичек соединений Во время тестирования может образоваться мусор в виде отслоившегося материала кристалла или осколков кремния после тестирования кристалла на сдвиг и шариков припоя после тестирования шариков на сдвиг. Обломки/частички соединений могут образовываться со значительной скоростью за счет энергии, выделяющейся при разрыве соединения, кроме того они может налипать на инструмент или тестируемый образец. В некоторых случаях это не будет проблемой, однако в других случаях устранение образовавшихся обломков/частичек соединений может быть желательно или обязательно. Данное правило действует как для ручного, так и для автоматического тестирования, но имеет большее значение при применении автоматизации, когда вероятно образование большего количества мусора и, если его не устранить существует вероятность загрязнения образца, что в свою очередь повлияет на соединения, которые еще предстоит протестировать.
В большинстве случаев для удаления мусора используется комбинация подачи сфокусированной струи газа (обычно воздуха) высокого давления на образец через сопло и перемещения образовавшихся частиц в направлении вакуумного контейнера для сбора мусора. (Рис 22). Для удаления частичек соединений, прилипших к образцу или инструменту, обычно применяется сопло для подачи воздуха под давлением.
Рис. 22. Система сбора обломков/частичек соединений с соплом для подачи воздуха и контейнером для сбора мусора В некоторых случаях обломки/частички соединений могут так сильно прилипнуть к поверхности образца, что их не возможно сместить струей воздуха под давлением. Налипание подобного мусора на поверхность образца, как правило, не будет проблемой, поскольку, даже если образовавшиеся частицы невозможно будет удалить при помощи струи воздуха, они не помешают дальнейшему тестированию, а поскольку осколки возникают только при тестировании с разрушением опытного образца, образец в конечном итоге будет утилизирован. Если обломки/частички соединений прилипают к инструменту, его обязательно нужно очистить. Часто, для очистки инструмента можно запрограммировать процедуру, при которой устройство для механической очистки перемещается к инструменту и удаляет с него частицы загрязнений, в дополнение к этому процессу также могут использоваться струя воздуха и вакуумный контейнер для сбора мусора. В зависимости от вида загрязнений и инструмента для механической очистки могут использоваться такие устройства как жесткий нож, мягкий нож или щетка в зависимости от применения и инструмента.
Отдельно следует выделить образование загрязнений при тестировании шариковых выводов на отрыв (Cold Ball Pull), когда вывод захватывают специальным пинцетом и тянут, при данном виде тестирования образуются сложно удаляемые загрязнения. Со временем пинцет загрязняется налипшим припоем. Решение в данном случае состоит в том, чтобы использовать поток нагретого воздуха, который расплавляет, а затем сдувает припой с пинцета (рис. 23). В таких сложных случаях процесс очистки может быть недостаточно хорошо отлаженным, чтобы сразу продолжить тестирование, поэтому может потребоваться некоторое участие операторов в программировании процесса, однако благодаря функции автоматической инспекции инструмента с помощью камеры вмешательство оператора в данном случае можно свести к минимуму.
Рис. 23. Очистка пинцета после тестирования шариковых выводов на отрыв
Неразрушающее тестирование
Полная автоматизация имеет практическую значимость для всех видов тестов соединений, однако более всего данная функция эффективна при неразрушающем тестировании. В силу своей природы, неразрушающее тестирование требует тестирования большого количества соединений. Очень важно учитывать каждое соединение и следить за тем, чтобы при ручном тестировании оператор, вследствие утомления, не оказывал отрицательного влияния на хорошие соединения. Полностью автоматическое тестирование – безусловно является самым лучшим решением в данном случае. Автоматическая оценка, в некоторых случаях является единственной причиной, по которой полностью автоматическое тестирование не применяется.
Заключение
В данной статье показано, что могут быть достигнуты практически все требования для полностью автоматического тестирования прочности соединений, помимо полностью автоматической оценки и в некоторых случаях удаления загрязнений. В случае если для оценки или удаления загрязнений требуется вмешательство оператора, оно может быть реализовано с небольшими дополнительными затратами.
Тестирование прочности соединений всегда было неотъемлемой частью производственного процесса, благодаря поддержанию объема выхода годных изделий и обеспечению их высочайшего качества. Современные технологии позволяют воплотить полностью автоматическое тестирование прочности в жизнь, сохранив все преимущества процесса при гораздо более низких эксплуатационных расходах.