Fehlerquellen frühzeitig beseitigen

Dipl.-Ing. Kamillo Weiß, Fachjournalist, Leinfelden-Echterdingen

In der Fertigung hochintegrierter Elektronik sind die Präzisionsmaschinen von Die- und Wire-Bondern dieses Unternehmens weltweit im Einsatz. Das sehr komplexe Bonden von Hybrid-Bauteilen gilt international als Spitzentechnologie. Insbesondere in diesem Bereich liegt das Unternehmen mit seinen High-tech-Maschinen an der Weltspitze.

In der Bemerkung „Mit dem High-speed Videosystem können wir sogar Softwarefehler sehen, die wir nicht einmal mit dem Analyser feststellen konnten“ bringt Dr. Ing. Farhad Farassat, Geschäftsführer der F & K Delvotec Bondtechnik GmbH in München, die Bedeutung dieses modernen Werkzeuges auf den Punkt.

Bewegt man sich im mikroskopischen Bereich am Rande der machbaren Technologie entlang, ist die Fähigkeit der Prozessverfolgung von außerordentlicher Bedeutung. Bei extrem schneller Betriebsfrequenz von mehr als 100 kHz gilt es im µm-Bereich, präzis kontrollierte Bewegungen auszuführen. Die Verbindung der Chips durch Mikrodrähte mit der Außenwelt erfordert extreme Präzision mit höchster Wiederholgenauigkeit. Die Empfindlichkeit der Chips und die Komplexität des Prozesses erfordern die präzise sanfte Landung des Bondkopfes.

Der Prozess der Ultraschall-Mikroschweißung ist ein sehr komplexer Vorgang. Die Amplitude der Schweißreibung beträgt etwa 1 bis 2 µm. Weist die Maschine selbst auch nur eine Schwingung von 1 bis 2 µm auf, gibt es eine fehlerhafte Verschweißung, sprich Ausschuss. Während des Bondens gibt es eine ganze Reihe von Aktionen wie Touchdown, Vordeformation, Ausbiegung, Drahtbewegung und die eigentliche Deformation. Die eingehaltenen Parameter dieser Aktionen sagen sehr viel über das Bondergebnis aus, das letztendlich erreicht werden kann. Hinzu kommt das Standardproblem des Bondens, dass man keine vernünftige zerstörungsfreie Prüfung hat. Die tatsächliche Qualität eines Bondes zeigt sich erst nach dessen Zerstörung. Um Prozessfehler genau zu analysieren und gezielt beseitigen zu können, ist eine sehr genaue zeitgeraffte Beobachtung zum definierten Zeitpunkt von außerordentlichem Vorteil. Im schnelllebigen Markt der Elektronik und Elektronikproduktion gilt es nicht nur die ISO 9001 Qualitätsnormen strikt einzuhalten sondern auch im Qualitätsmanagement den Wettbewerbern ein Stück voraus zu sein.

Die Elektronikfertigung ist von hoher Dynamik in Technologie und im Markt geprägt. Die Entwicklung, Fertigung und Installation von Bondmaschinen müssen damit Schritt halten. Jeder kleine Fortschritt ist ein wichtiges Glied in der Qualitätskette des Fertigungsprozesses. In der Vergangenheit war der Einsatz von High-speed Video von aufwendigen teuren Systemen geprägt, deren Anwendung oft eine umfangreiche oder komplizierte Auslösesensorik benötigte. Der flexible schnelle Einsatz war Wunschbild. Das modulare High-speed Videosystem „MotionBlitz“ überzeugte die Ingenieure bei F + K Delvotec durch seine sehr einfache Bedienung, die kompakte mobile Lösung aus PC und Kamera und vor allem durch seine herausragenden Triggerfähigkeiten. Ohne spezielle Videorecorder werden die Bilder durch die Zusatzhardware und Software direkt im mobilen PC mit Windows 98 Betriebssystem gespeichert. Bei maximal 1 000 Bildern/s können bis zu 6 Sekunden direkt im BMP Format oder AVI Filmformat aufgezeichnet werden. Dadurch stehen die Bilder auch per e-Mail schnell für andere Zwecke zur Verfügung. Das besondere daran ist, dass die Bilder in einem Ringspeicher fortlaufend neu überschrieben werden, bis das zeitlich definierte Triggersignal die Aufnahmen stoppt. Die Anzahl der Bilder vor und nach dem Triggersignal ist beliebig definierbar. Weiterhin lassen sich bis zu 60 Ringspeicher mit jeweils bis zu 100 Bildern einstellen. Fortlaufend können damit bis zu 60 sporadische Ereignisse gezielt erfasst werden.

Durch die besonderen Fähigkeiten in der internen oder externen Triggerung unterscheidet sich dieses High-speed Videosystem von anderen. Dies hat weitreichende Konsequenzen in den Analysemöglichkeiten. So setzt Delvotec das System z. B. auch parallel zur Messung mit dem Logikanalyser ein. Fehlerhafte Ereignisse, die dem Analyser verborgen bleiben, sind dennoch in Steuerung und Software im Zeitpunkt exakt erfasst. Die Ingenieure waren mit der menügeführten Software unter Windows 98 und seinen Triggerfähigkeiten schnell vertraut. An einer beliebigen Stelle im Videobild wird per Mausklick ein „Sensor“ mit individuell vielen Pixeln als Zeile oder Fläche definiert. Eine Veränderung in diesem Feld stoppt die Aufnahme. Daraus ergibt sich die sehr einfache Triggerung der gewünschten Bildanzahl vor und nach dem Ereignis. Sporadische Vorfälle können dadurch zielsicher erfasst werden.

Das Triggermenue bietet noch weitere raffinierte Möglichkeiten. Im autoquest-modus sucht sich das System den optimalen Wert der Empfindlichkeit, also die beste Einstellung für einen stabilen Trigger. So kann man beispielsweise auch jedes zweite oder dritte usw. Triggersignal als „gültig“ definieren, wodurch Störungen ausgeblendet werden können.

Hinzu kommen noch die Möglichkeiten in der Programmierung von logischen Verknüpfungen mit dem internen oder externen Trigger. Dadurch erübrigen sich teure und komplizierte Triggerungen mit Hilfe von Lichtschranken oder anderer Sensorik. Selbst komplexe dreidimensionale Ereignisse können durch eine spezielle Stereokonfiguration des MotionBlitzes erfasst werden. Schwingungen, die sich der Kamerablickrichtung entziehen, werden sichtbar.

Früher waren für spezifisch eingeengte Ursachenforschung speziell geschulte Fachleute einen ganzen Tag mit den Vorbereitungen für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen beschäftigt. Heute kann man das mit dem MotionBlitz innerhalb weniger Minuten und vergleichsweise minimalem Aufwand durchführen. So verwundert es nicht, dass der Einsatz von High-speed Video bei Delvotec quer durch die verschiedenen Betriebsbereiche viele positive Ergebnisse bewirkte. Das gilt für die Konstruktion und Entwicklung der Mechanik, der Antriebs- und Steuerungstechnik, der Qualitätskontrolle bis hin zur Softwareentwicklung. Aber auch bei der direkten Kundenbetreuung wie Maschinenaufstellung und Optimierung, Marketing, Service und Schulung.

Setzt der Bondkopf auf und macht eine kleine kaum sichtbare Drehung, muss das nicht ein Fehler der Mechanik sondern kann auch ein Mangel in der Steuerungshardware oder -software sein. Das bedeutet, man sieht Fehler die man nicht einmal schätzen kann. Besonders positiv erwies es sich, dass die zeitliche Abfolge der Bilder mit der Software verknüpft werden können. Der Zeitpunkt der Aufnahme erfolgt exakt getriggert zu den Steuerbefehlen und muss nicht die ganze Zeit, sondern nur im vermuteten Fehlerbereich laufen. Das wird beliebig oft wiederholt, um die sporadisch auftauchenden Fehler zu entdecken. Derartige Möglichkeiten in der Fehlerfindung und Behebung standen früher nicht zur Verfügung. Nicht nur die Schwingung und deren Ursache konnte dadurch exakt lokalisiert werden, sondern es ergaben sich auch neue Möglichkeiten in der Maschinenoptimierung und man kann mit den Untersuchungen bereits bei den Maschinenbaugruppen ansetzen.

Totzeit an der Maschine ist ungenutzte Zeit, die anderweitig genutzt werden könnte, wenn man weiß, dass sie existiert. Dazu erwähnt Dr. Farhad Farassat ein praktisches Beispiel: „Die Vorstellung, dass die Software ständig läuft, ist nicht die ganze Wahrheit. Mitten im Prozess findet eine Kommunikation statt und für 10 µs herrscht Stillstand. Mit dem HS Video und in Kombination mit der getriggerten Messtechnik konnten wir eindeutig feststellen, warum das System an dieser Stelle steht. Das konnten wir zweihundertmal durchspielen und dabei sehen, ob die Konstanz gegeben ist. Solche Fehlerquellen ließen sich vorher fast nur am fehlerbehafteten Resultat erkennen. Ein unbefriedigender Ausweg war die heruntergesetzte Geschwindigkeit.“ Die Fehlererkennung und Behebung führten im Ergebnis zu geglätteten sanfteren Abläufen der Maschine und höherer Produktionsgeschwindigkeit.

Durch den einfachen flexiblen Einsatz des MotionBlitzes können Aggregate und Baugruppen bereits in der ersten Erprobung überprüft werden. Jeder weitere Schritt der Wertschöpfung von konstruktiven Maßnahmen in der Hard- und Software kann frühzeitig überprüft werden. Was man bisher mit dem Logikanalyser nicht herausbekommen konnte, wurde durch das Videosystem erschlossen. Das gilt für den ganzen Bereich der elektronisch-mechanischen Verknüpfungen und Rückkopplungen. Zur Maschinenentwicklung und dem Aspekt des Rapid Prototyping bemerkte Dr. Farhad Farassat: „Mit Abschätzen auf Grund der Resultate braucht man die dreifache Zeit zur Fehlererkennung von Schwingungen und Bewegungen gegenüber der visuellen Feststellung durch den MotionBlitz“.

Vorteile brachte der Videoeinsatz auch im Bereich von Training und Schulung. Das gilt sowohl auf höchster Fertigungsebene im Unternehmen der hochqualifizierten Mitarbeiter in Konstruktion, Entwicklung, Maschineneinrichtung als auch für Einrichter und Programmierer beim Kunden und bei der Schulung der Maschinenbediener. Bei Änderung der Bondparameter von zum Beispiel Zeit, Energie und Druck kann man mit dem High-speed Videosystem nachweisen, wie sich die Nachregelung auswirkt.

Als ein Kunde die Ursache eines Problems in ganz bestimmter Richtung vermutete, konnte man ihm eindeutig beweisen, wo der Fehler wirklich lag. Das ist vom Ergebnis her ein wichtiger Marketing-Vorwärtseffekt. Von großer Bedeutung ist auch der Aspekt in der Kommunikation mit dem Kunden. Emotional geführte Diskussionen extern wie betriebsintern können ganz schnell auf der Basis von sachlichen Grundlagen geklärt werden. Auch auf Fachmessen kann man die Fähigkeiten seiner Maschinen eindeutig belegen. Das gilt insbesondere auch für die Prozesse, bei denen es wenig Vergleichsmöglichkeiten gibt. In der Lösung von Kausalitäten – welcher Schritt kam zuerst – erwies sich der Einsatz von High-speed Video als entscheidender Vorteil. Im Hinblick auf den Produkthaftungsaspekt ist diese Kontrollmöglichkeit per Video von großer Bedeutung: Liegt beispielsweise ein Problem an der Maschine, an der Betriebsart, oder an sonstigen Gründen. Das mögliche Hin- und Herschaukeln in der Fehlerzuordnung von Maschinenreklamationen kann durch den MotionBlitz minimiert werden. Bei Delvotec wir dieses Videosystem als ein wichtiges Analysewerkzeug eingeschätzt, insbesondere für eine möglichst lückenlose Kontrolle im gesamten Prozess der Maschinenherstellung, im Marketing, und im Support.

„Ich bin der Meinung, dass es kaum möglich ist, ohne ein System wie dem MotionBlitz hochwertige Bondsysteme zu entwickeln und effektiv einzusetzen. Das Zusammenspiel von Hard- und Software mit den anderen Messverfahren macht es so wertvoll.“ Das ist die Einschätzung von Dr. Ing. Farhad Farassad, und F + K Delvotec will diese Vorteile auch den Kunden im Support verstärkt anbieten.Weitere Informationen – QE 410. Anschrift: Mikrotron GmbH, Pressestelle, Freisingerstr. 3, 85336 Eching, Tel.: 08165-95230.