Drähte von 17 bis 600 mit einer einzigen Maschine bonden - die neue Bonderserie 64/66000 G5 setzt neue Maßstäbe in der Bondtechnologie

Ausgangspunkt bei der Entwicklung dieser Maschinen war ein Wunsch, den viele Kunden teilen: Mit einer einzigen Maschine sowohl Dünndraht, als auch Dickdraht verarbeiten zu können. Diesen Wunsch erfüllen die neuen Maschinen der Serie 64/66000 G5 von F & K Delvotec bravourös. Wenn die Applikation von Dünndraht auf Dickdraht oder umgekehrt geändert werden soll, wird lediglich der Bondkopf ausgetauscht. In nur 20 Minuten ist der Wechsel vollzogen, ohne Änderungen an der Bonderbasis vornehmen zu müssen. Das garantiert höchste Flexibilität und Kosteneinsparungseffekte, da eine Maschine mit zwei Bondköpfen alle Applikationsbereiche abdeckt. Der neue Dünndrahtbondkopf verarbeitet Drahtdurchmesser von 17 bis 100 µm, der neue Dickdrahtbondkopf Drahtdurchmesser von 100 bis 600 µm. Das integrierte digitale Ultra­schallsystem ist für Drähte von 17 bis 600 µm programmierbar, so dass kein Wechsel nötig ist.  

Die besonderen Vorteile der 64/66000 G5 Maschinen im Vergleich zu den Modellen der Vorgängerserien 6400 und 6600, sind noch größere Flexibilität, überragende Bondqualität und hohe Servicefreundlichkeit.

» Bondprozess

Für die neuen 64/66000 G5 Maschinen wurde ein optimiertes Bondprozess­kontrollsystem mit erweitertem Funktionsumfang entwickelt. Der verbesserte Sensor misst die Drahtdeformation auf 0,1 µm genau. Das analoge Sensorsignal wird dabei nahe am Sensor digitalisiert und zum Microcontroller gesendet. Der kurze Übertragungsweg und hohe Abtastfrequenzen vermindern mögliche Signalstörungen und erhöhen die Bondqualität. Ein leistungsstarker Microcontroller analysiert die erhaltenen Deformations- und Impedanzwerte und regelt gleichzeitig US-Leistung und Bondkraft für bestmögliche Bond­qualität. Die große Speicherkapazität des neuen Microcontrollers ermöglicht dabei das Verarbeiten großer Datenmengen in Echtzeit.

Darüber hinaus bietet das System während des Bondens direkten Zugriff auf die Bondkraft, so dass alle drei für die Bondqualität entscheidenden Parameter, US-Zeit, US-Leistung und Bondkraft, jederzeit kontrollierbar und regelbar sind.

Bereits vor 15 Jahren stellte F & K Delvotec eine Bondprozesskontrolle zur Verbesserung der Bondqualität vor und installierte in allen Maschinen das sog. ''closed loop'' System. Das patentierte System misst kontinuierlich die Deformation des zu bondenden Drahtes. Es regelt Ultraschall und Bondkraft während des Bondprozesses nach vorgeschriebenen Bahnformen , oder nach einer Bahnkurve, die fortlaufend nach Qualitätskriterien errechnet wird. Seit einigen Jahren ist auch die Transducer-Impedanz zur Qualitätsbeurteilung in dieses System integriert.

» Piezoantriebssystem

Für präzise Bewegungen ist ein Piezoantriebssystem unschlagbar. Kleine Di­stanzen, wie zum Beispiel das Öffnen und die Bewegung der Drahtklammer, Touchdown und andere Minimalbewegungen während des Bondens, beherrscht ein Piezoantrieb wesentlich besser als Motoren und Magnete, die langsamer und ungenauer arbeiten. Die fünfte Drahtbondergeneration setzt auf neue Piezoantriebsysteme, die besser und schneller zu betreiben sind. Die neuentwickelte Piezoantriebssteuerung der G5 Maschinen kann jede beliebige Kurvensteuerung mit Piezoantrieben darstellen. Die Drahtklammer kann sehr schnell geöffnet und je nach Drahtdicke und Drahthärte mit verschiedenen Ge­schwindigkeiten und Steuerkurven wieder geschlossen werden. Dies stellt die geringstmögliche Verformung des Drahtes in der Klammer sicher und trägt zu besserer Bondqualität bei. Das gleiche gilt für das Abreißen und den Vorschub des Drahtes: Je dünner der Draht ist, desto wichtiger wird die Präzision der Piezoantriebssteuerung. Mit diesem System können problemlos 17 µm Drähte gebondet werden, die nach dem Bonden eine Verformung von lediglich 25 bis 30 µm aufweisen. Doch damit nicht genug: Der gleiche Bondkopf verarbeitet auch 100 µm Draht, ohne Änderungen vornehmen zu müssen.

F & K Delvotec setzt bereits seit 12 Jahren mit großem Erfolg Piezoantriebe für die Klammer- und Touchdown-Bewegung ein und setzte damit als erster Draht­bonderhersteller Qualitätsmaßstäbe.

» Digitaler Ultraschallgenerator

Transducer und Ultraschallgenerator beeinflussen ganz entscheidend die erzielte Bondqualität. Um auch höchsten Ansprüchen gerecht zu werden, entwickelte F & K Delvotec ein eigenes Ultraschallsystem, das heute für verschiedene Materialien und Kunden von 40 bis 240 kHz im Einsatz ist. Material und Piezos der Transducer sind nach ausgiebigen Testreihen für höchste Bondqualität opti­miert.

Der neue digitale US-Generator bietet vielfältigste Möglichkeiten für das Bon­den auf verschiedenen Materialien mit verschiedenen Frequenzen und Lei­stungen. Dieser Generator kann mit konstanter Spannungs-, Strom-, oder Lei­stungsregulierung arbeiten, oder auch mit einer Mischung verschiedener Para­meter. Darüber hinaus können die erste und zweite Bondstelle mit ver­schiedenen Frequenzen gebondet werden. Dieses flexible System ist unüber­troffen, wenn z.B. von einer Steckerleiste in Richtung eines Chip gebondet wird. Die nachgiebige Steckerleite muss mit niedrigerer Frequenz gebondet wer­den als der starre Chip, wofür das System von F & K Delvotec prozesssichere Bondqualität bietet.

Die Flexibilität des Ultraschallgenerators setzt sich auch bei den Transducern fort: Transducer für 17 bis 600 µm Draht können eingesetzt werden, ohne am Generator Hardwareänderungen vornehmen zu müssen. Für Spannung, Strom oder Leistung sind beliebige Ramps programmierbar, was sich beim Bonden auf verschiedenen Oberflächen als großer Vorteil erweist.

Der digitale Generator erleichtert die Bondprozesskontrolle und liefert hervorragende Bondqualität. Um eine optimale Übertragung der US-Leistung an der Bond­stelle sicherzustellen, ersetzte F & K Delvotec vor über 10 Jahren alle Lager der Dickdrahtbon­der durch Parallelfedern, was nun auch für die Dünndrahtbonder realisiert wurde. Das von F & K Delvotec patentierte System erhöht die Bondqualität, da im Transducerlager keine Ultraschall-Lei­stung mehr vernichtet wird.

» Lineares Antriebssystem

Gemeinsam mit den Antriebslieferanten entwickelte F & K Delvotec ein sehr dynamisches und schnelles System mit einer Genauigkeit von wenigen µm. Diese neuesten Linearmotoren verfügen über die mehrfache Kraft und Dyna­mik der Vorgängermodelle und erreichen in Verbindung mit intelligenter Mo­torsteuerung und integrierter Fehlererkennung noch höhere Bondgeschwindig­keiten. Der Geschwindigkeitsanstieg und die größere Systemsteifigkeit sichern die hohe Bondqualität.

Bereits seit zehn Jahren verwendet F & K Delvotec in alle ihren Drahtbondern Linearmotoren für die X- und Y-Bewe­gung.

» Bildverarbeitungssystem

Die Maschinen der fünften Generation verwenden die neueste Entwicklung von Cognex, Cognex 8000 Pat Max. Dieses System ist in der Lage, Oberflächen mit geringem Kontrast und von schlechter Qualität zu erkennen.

Die optimale Funktionalität des Bilderkennungssystems verlangt, dass Optik und Lichtsystem aneinander angepasst sind. Dafür hat F & K Delvotec Optiken und Beleuchtungssysteme entwickelt, welche die verschiedenen Oberflächen problemlos erkennen können.

» Software

Heutige Produktionsmaschinen stellen nur noch selten Insellösungen dar, son­dern müssen in der Lage sein, mit einer Vielzahl anderer Systeme zu kommu­nizieren. Anforderungen wie Linienintegration, Erfassung von Qualitätsdaten oder Online-Zugriff für die Service-Abteilung des Herstellers sollen vom Steue­rungssystem der Maschine neben der eigentlichen Ablaufsteuerung erfüllt wer­den. Während der Produktion muss die Maschine große Datenmengen verar­beiten und gegebenenfalls nach außen bereitstellen, wobei unterschiedlichste Schnittstellen und Konzepte zum Einsatz kommen können. Für diese Aufgabe hat F & K Delvotec ein Unix-kompatibles Echtzeit-Betriebssystem gewählt, wel­ches zusammen mit einer flexiblen, offenen Softwarearchitekur die Plattform bildet, um heutige und zukünftige Anforderungen erfüllen zu können.

Diese Plattformstruktur mit leistungsfähigen und erprobten Schnittstellen nimmt den Kunden die Sorge, sich künftig mit ständig wechselnden Programmen auseinander setzen zu müssen, wie es in der PC-Welt häufig der Fall ist.

Die klar strukturierte Bedienoberfläche der Maschine ist vom Bediener leicht zu handhaben und die Struktur des Bondprogramms erlaubt die Programmierung von einfachen Transistoren bis hin zu komplexen Hybridbauteilen ohne großes Vorwissen.

» Hardware

Die heute verwendete Hardware muss nicht nur dem derzeitigen Stand der Technik entsprechen, sondern sich auch veränderten Gegebenheiten der Zu­kunft anpassen können. Ein C-PCI System stellt sicher, dass jederzeit durch einfaches Austauschen eines Boards die neueste Prozessorgeneration in den Maschinen zum Ein­satz kommen kann. Die Architektur ermöglicht eine einfache, zeitsparende und kostengünstige Aufrüstung des Systems. Einzelne Komponenten kommunizieren durch ein CAN-Feldbussystem miteinander, wodurch der Verdrahtungsaufwand minimiert und Wartung und Service vereinfacht werden. Die Hard­ware der neuen Maschinengeneration entspricht somit jederzeit dem aktuellen Stand der Technik und das System ist durch Updates preisgünstig aktualisier­bar.

» Allgemeines

Der Maschinenrahmen ist anhand von detaillierten Berechnungen aller auftre­tenden Schwingungen und Computersimulationen konstruiert worden. Das Er­gebnis ist ein starres und gleichzeitig gedämpftes System, das selbst bei hohen Geschwindigkeiten unanfällig gegen Schwingungen ist. Diese Schwin­gungsverminderung führt zu höchster Bondqualität. Das Maschinendesign wurde in Zusammenarbeit mit einer renommierten Münchner Designfirma reali­siert, so dass Funktion und Form in harmonischem Einklang stehen.

Die Maschinen der fünften Generation sind sowohl für Automationslinien als auch für Stand-alone-Anwendungen bestens geeignet. Zur Integration in auto­matische Produktionslinien kann der Bondkopf, je nach Bedarf, am vorderen Teil oder auf dem hinteren Teil der Bonder-Grundplatte montiert werden, was flexible Einbaumöglichkeiten in eine Vielzahl von Liniensystemen erlaubt. Ebenso kann die Bedienkonsole des Bonders problemlos vom Bonder getrennt und an anderer Stelle in der Linie installiert werden. Für Stand-alone-Lösungen wird der Bondkopf hinten montiert, so dass der vordere Teil des Bondergehäu­ses das Bauteilhandling für Leadframes und andere Bauteile aufnehmen kann. Dies erlaubt eine sehr kompakte Bauweise des gesamten Bonders.

» Mehrfachmaschinen zum Aluminium-Wedge-Wedge Bonden

In der Leistungselektronik wird fast ausschließlich mit Aluminiumdraht gebondet, da Gold für große Drahtdurchmesser zu teuer wäre. Für Smart-Power und Leistungsbauteile der neueren Generationen werden mit Dünndraht gebondete Steuerungschips im Package eingesetzt.

Für diese Anwendungen können mehrere Maschinen der fünften Generation miteinander verkettet werden. Diese Maschinenreihen bestehen in der Regel aus Dünn- und Dickdrahtbondern, die in einem Durchgang Drähte von 17 bis 600 µm bonden. Durch die Verkettung der Maschinen können die Bauteile in einem einzigen Durchlauf gebondet werden. Das verhindert zum einen, dass die Bauteile durch wiederholtes Ein- und Ausladen in Einzelmaschinen beschädigt werden und spart zum anderen viel Zeit im Produktionsdurchlauf ein. Wenn die erste Maschine einen Fehler im Package entdeckt, wird diese Information an alle nachgeschalteten Maschinen weitergeleitet. Dieses Bauteil wird daraufhin ausgelassen und nicht gebondet. Am Indexer jeder Maschine sind zwei nicht zerstörende Pulltester zum Pulltest angebracht. Darüber hinaus ist im Bondkopf ein Pulltester integriert, der jeden Draht mit den vorgeschriebenen Maximalwerten des nicht zerstörenden Pulltest testen kann.

» Servicefreundlichkeit

Die Maschinen der fünften Generation sind mit zahlreichen Test- und Prüffunk­tionen ausgestattet, um die Arbeit der Bediener zu erleichtern. Die Maschinen­komponenten senden ununterbrochen Betriebsdaten an das Controlprogramm. Der Einsatz intelligenter Komponenten erleichtert die Fehlersuche und hilft dabei, wertvolle Produktionszeit zu sichern. Fehleranalysen können rasch und sicher durchgeführt werden, um die Maschinenverfügbarkeit zu erhöhen.

Die linearen Antriebssysteme sind als offenes System konzipiert und erlauben die Kommunikation via Netztwerk. Der Zugriff von außen wird erleichtert und korrektive Maßnahmen können schneller und einfacher eingeleitet werden.

Auch an die erleichterte Zugänglichkeit wurde gedacht: Alle Hardwarekompo­nenten sind von vorne zu erreichen, wodurch der Austausch einfach und zeit­sparend erledigt werden kann.

Verfasser: Dr. Farhad Farassat, Geschäftsführender Gesellschafter der F & K Delvotec Bondtechnik GmbH

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