Безбумажная лаборатория для микроэлектронной сборки

Компания Palomar Technologies Assembly Services (далее — Assembly Services) со штаб-квартирой в Карлсбаде, шт. Калифорния, имеет автоматизированное сборочное производство микроэлектроники, на котором трудится коллектив опытных руководителей, инженеров, техников и операторов. На этом производстве создаются новые эффективные методы монтажа. Инженеры Assembly Services разработали автоматизированную безбумажную среду ADMA, которая отвечает строгим требованиям микроэлектронной сборки, обеспечивая при этом высокий уровень производительности и учета.
Система анализа и автоматизированного управления данными (Automated Data Management and Analysis, ADMA) представляет собой унифицированное средство, позволяющее усовершенствовать все аспекты разработки процесса и увеличить срок службы сборочного узла, а также снизить расходы за счет повышения выхода годных изделий и коэффициента использования оборудования. Устраняя необходимость в ведении бумажной документации 1 при сборе экспериментальных данных, отображая ход процесса и отслеживая причины отказа с помощью компьютера, ADMA обеспечивает более высокую эффективность работы чистых комнат на производстве Palomar Technologies (родительской компании Assembly Services).
ADMA собирает данные, экспортируемые из программного обеспечения автоматизированного сборочного узла, и отправляет их в приложение для анализа. Затем ADMA представляет анализ рабочих характеристик в графическом и численном виде, которые выводятся на монитор для последующего анализа.
Все данные классифицируются и сохраняются в папках с указанными временными метками с точностью до миллисекунд (см. рис. 1), позволяя с помощью переменных, зависящих от времени и событий, четко отслеживать состояние процесса. Рабочие характеристики оборудования и процесса контролируются из разных мест с помощью нескольких приложений, автоматов и платформ Palomar Technologies.

Рис. 1. Главное окно системы ADMA

ADMA — одно из многих средств, состоящих на службе у Assembly Services. Эта компания использует автоматическое высокоточное оборудование мирового класса для монтажа кристаллов и проволочных соединений наряду с сопутствующими приборами, в т.ч. с автоматизированными системами дозировки жидкотекучих материалов, полуавтоматическими и ручными установками для микросварки, приборами для проверки соединений, сортировщиками кристаллов и системами для создания отверстий в кремниевых пластинах. Компания Assembly Services имеет многолетний опыт монтажа кристаллов на эвтектику, формирования выводов и работы с дозаторами жидкотекучих материалов с помощью такого оборудования как:
– автоматическая установка Palomar 6500 для полностью автоматизированной высокоскоростной сбор­ки микроэлектронных уст­ройств с точностью до 1,5 мкм [2];
– установка для высокоскоростной ультразвуковой микросварки Palo­mar 8000 методом шариковой или стежковой термокомпрессии;
– автоматическая сборочная установка Palomar 3800 с гибким функционалом для полностью автоматизированного прецизионного монтажа;
– высокоточный дозатор жидкотекучих материалов Max Series компании GPD Global;
– универсальный прибор для проверки соединений Royce In­stru­ments 650 и полуавтоматический сортировщик кристаллов DE35-ST.

До появления безбумажной лаборатории ADMA компания Assembly Services применяла систему бумажного документооборота, обеспечивавшую прослеживаемость (трассируемость) процесса. Однако со временем возникла необходимость в автоматизации этого контроля. В результате была создана ADMA, которая обеспечивает надежное управление в допустимых пределах за счет непрерывной проверки рабочих параметров оборудования в соответствии с технологической документацией. В состав ADMA входит комплекс оборудования и приложений, обеспечивающих лучший коэффициент использования ресурсов, при котором не страдает качество. Стандартный доступ к документации с данными о процессе на каждой рабочей станции позволяет операторам использовать для справки предыдущие процессы монтажа и автоматически отслеживать материалы, обеспечивая преемственность процессов (см. рис. 2).

Рис. 2. Перечень материалов в ADMA

Рис. 2. Диаграмма работы выделенного сервера

В контрактной сборке наиболее важными параметрами является время безотказной работы и выход годных изделий. При разработке ADMA инженеры полагали, что нецелесообразно подключать производственное оборудование к корпоративной сети. В результате был создан выделенный сервер (Rome Server), который ассоциативно был назван в соответствии с известной поговоркой «Все дороги ведут в Рим». Его архитектура и команды обеспечивают более управляемую и безопасную ИТ-среду для специализированного оборудования. С любого компьютера в лаборатории стало возможным получить доступ ко всем данным технологического процесса и командам. Раздельное резервирование архитектуры точки доступа означает, что при отказе в одном из узлов производственный процесс не останавливается (см. рис. 3). Этот сервер гарантирует резервирование данных настроек автоматов и персональных компьютеров, подключенных к точкам доступа и возможность их немедленного восстановления.

Рис. 3. Пример готового сертификата соответствия

Система ADMA от Assembly Services позволяет увеличить добавленную стоимость продукции путем повышения производительности и выхода годных изделий за счет эффективного мониторинга и коррекции данных процесса сборки с помощью автоматов, калибровки и информации о технических параметрах. Среда ADMA намного облегчает контроль основных технологических параметров и активное управление процессом, повышая рентабельность продукции и удовлетворенность заказчика.
Контроль над операциями упрощается с помощью документирования и архивации всех данных, касающихся непроизводительных расходов, учета прихода и ухода с работы, а также записей о ежедневных проверках, в т.ч. о контроле электростатического разряда и состояния чистых комнат. Иногда при корпусировании требуется помещение с определенным классом чистоты. В этом случае ADMA контролирует соблюдение правил и ведет регулярные записи о состоянии помещений, чтобы предотвратить загрязнение или пропажу ценных материалов. Строгий учет персонала, инструментов и оборудования позволяет в итоге снизить расходы, повысить эффективность производства и качество продукции.

Пример 1. Значение принципа трассируемости

Производители ВПК, оптоэлектроники и медицинской техники считают весьма необходимым обеспечение трассируемости. Одна начинающая компания, специализирующаяся на производстве оптоэлектроники, обратилась к Assembly Services с просьбой выполнить в масштабе целой 6-дюймовой пластины корпусирование кристаллов с активным оптическим кабелем. От Assembly Services требовалось предоставить этой компании услуги по разработке микроэлектронного процесса и изготовлению. Поскольку сборка требовала высокоточного оборудования, для корпусирования использовалась сборочно-монтажная установка Palomar 6500 и импульсный инструмент нагрева для монтажа на эвтектику. В сборке также применялись автомат Palomar 3800 и дозатор GPD Global, с помощью которого осуществлялась герметизация и точечная дозировка. Таким образом, в процессе постоянно участвовали четыре машины, которыми управляли операторы и инженеры. Как только была написана программа и отлажен технологический маршрут, оператору осталось только нажать кнопку пуска.
В этом примере заказчику потребовалось, чтобы контрактный производитель обеспечил стопроцентную трассируемость и строгий контроль при изготовлении более чем 3000 кристаллов из одной пластины на нескольких этапах процесса. Поскольку в этом производстве пришлось обработать огромное количество, ADMA стала ключевым звеном в успешном выполнении заказа, позволив:
– эффективно обработать данные: как при сборке, так и контроле составлялась карта годности кристаллов на пластине для автоматов 6500,3500 и 3800;
– составить сертификат соответствия из данных инспекции (см. рис. 3);
– избежать дорогостоящих ошибок с помощью четко задокументированных команд (см. рис. 5);
– оперативно составить список материалов в процессе повторных заказов, благодаря чему клиент смог быстрее вывести продукцию на рынок.

Рис. 4. Отслеживание процесса сборки

Рис. 5а. Скриншот окна с техническим заданием (окно детализации свернуто)	Рис. 5б. Скриншот окна с детализированным этапом задания

Без системы ADMA, обеспечившей безбумажный контроль и трассируемость процесса, компания Assembly Services не смогла бы выполнить этот специфический заказ, для реализации которого потребовалось несколько этапов технологического процесса и автоматов. Автоматизация с помощью программного обеспечения существенно снижает риски возникновения ошибок по вине оператора.

Пример 2. «Бездействующий» заказчик

Один крупный производитель МЭМС-устройств и сверхъярких светодиодов обратился к Assembly Services в конце 2008 г. с заказом на изготовление светодиодов. По его расчетам, на их сборку требовалось около полугода. C помощью ADMA был составлен следующий поэтапный план: поставка деталей → заказ на изготовление → данные для обеспечения трассируемости → продолжительность сборки (см. рис. 6а, б).
На момент заказа уже имелись опытные образцы изделий, однако потребовались три недели на разработку, чтобы учесть специфику мелкосерийного выпуска продукции. По завершению разработки началось производство. Был также заключен договор о приобретении готовой продукции. Однако спустя полгода руководство заказчика приняло решение приостановить производство. При этом инженеры Assembly Services сохранили все данные, касающиеся сборки.
Через два года заказчик вернулся с просьбой возобновить производство. Если бы при подготовке к выпуску изделий использовалась не система ADMA, это была бы выполнимая, но достаточно трудоемкая и дорогостоящая задача.
Например, пришлось бы заниматься повторной разработкой. Любая попытка проверить не вполне правильно собранные или частично утерянные данные, найти документацию, отладить процесс, программы и команды, потребовала бы немало времени, увеличив сроки выполнения заказа и его выхода на рынок. Однако всего этого не понадобилось, и заказ два года «бездействовавшего» клиента был оперативно выполнен благодаря ADMA.
Итак, с помощью среды ADMA и методов управления качеством заказчик получает следующие преимущества:
– отсутствуют расходы на повторное проектирование;
– отсутствуют расходы на соответствующие исправления в производственном процессе;
– сокращается время выполнения каждой задачи. В данном примере было немедленно найдено подробное руководство по эксплуатации с параметрами корпусов, технологическим маршрутом, специальные – программы, а также данные о загрузке производства. В результате было сэкономлено 15 рабочих дней.
– суммарная экономия составила 45–65 тыс. долл. + 3 рабочие недели (по 5 дней).

Пример 3. Крупный военный заказчик

В этом случае заказчик выбрал Assembly Services для сборки новейшего оптоэлектронного устройства. Проект был малым и специализированным для производственно-технической среды заказчика, который разработал опытный образец и приступил к ограниченному выпуску продукции для военных самолетов, чтобы составить технико-экономическое обоснование.
Этот проект заключался в сборке новой запатентованной разработки — антенной решетки в фокальной плоскости (Composite Focal Plane Array, CFPA), для которой требовалось выполнить высокоточное крепление кристалла на AlNi-подложку. Возникла необходимость выполнить заказ в чистой комнате класса 1000. Инженеры Assembly Services разработали технологический процесс и создали программу, которая пошагово записывала ход работы в ADMA. В чистой комнате использовались сборочно-монтажные установки 3500 и 6500, а также дозатор GPD Global. Персонал компании несколько раз в день в течение двух недель проверял ее состояние на соответствие требованиям класса 1000. Копланарность была обязательным требованием к расположению кристаллов видеосистемы. Поскольку каждая партия этих кристаллов часто варьировала по высоте в пределах ±3 мкм, эту разницу необходимо было компенсировать в процессе сборки.
Кристаллы выбирались и размещались на заданной высоте с определенным усилием и в установленной последовательности. При этом следовало соблюсти копланарность каждого отдельного массива, что с успехом сделала система ADMA, избавив от необходимости поэтапно выполнять эту искусную работу вручную. До, во время и после сборки плата тестировалась на наличие перемычек. Вслед за установкой пассивных компонентов платы снова была протестирована мультиметром на отсутствие неисправностей в электрической схеме, после чего все данные были сохранены в ADMA. Эта система может записывать и хранить данные контроля электростатического разряда, а также состояния чистой комнаты для анализа заказчиком хода проекта. В случае обнаружения какого-либо дефекта он оперативно устранялся, или выполнялась соответствующая доработка.
Флуктуации в материале — известная проблема при монтаже на микроуровне. Было обнаружено, что некоторые поступившие материалы неэффективно взаимодействуют с эпоксидной смолой. Оказалось, что эти вещества имели пористую структуру. Все партии материалов были проверены с помощью ADMA, которая позволила заказчику удостовериться в том, что поставленные ему материалы не обеспечивали требуемую адгезивность. Поставщик достаточно быстро предоставил для производства необходимые адгезивы.
Подводя итог проделанной работе, можно сделать вывод о том, что на каждом этапе процесса требовалась его прослеживаемость и сбор данных. Поскольку изделие предназначалось для эксплуатации в военных самолетах, оно должно было обеспечить высокую надежность.

Приведенные примеры свидетельствуют о том, что сборочно-монтажные установки Palomar Technologies обеспечивают высокую надежность изготовления продукции на каждом этапе ее сборки. Система ADMA исключает работу наугад за счет документирования всего процесса — ее можно использовать как техническое руководство по микроэлектронной сборке, которое намного повышает эффективность производства.
ADMA помогает в комплектовании материалов, выступает центральным хранилищем чертежей, данных о контроле, обеспечивает трассируемость всех этапов процесса, ведет записи и предоставляет руководство по эксплуатации. Как известно, снижение производительности и возникновение риска несовместимости могут стать результатом отсутствия базы производственных данных, которые персонал использует как справочную информацию.
ADMA не только создает лучшие условия работы и повышает качество управления процессами, но и обеспечивает четкое понимание задачи после получения технического задания. Простые и ясные инструкции помогают персоналу лучше понять, что требуется для выполнения задания. Так, например, ADMA сообщает, где можно получить материалы, что с ними делать, как использовать и гарантировать высокое качество продукции.
Иногда производственная компания сталкивается с проблемой набора кадров и обучения. В микроэлектронике обучение персонала и освоение им новых технологий бывает трудоемким, дорогостоящим и рискованным делом. Применение накопленных производственных данных в сочетании с актуальными инструкциями уменьшает риск эксплуатации оборудования новичками, упрощает их обучение и гарантирует выполнение требований к поставкам.

Можно сказать, что прослеживаемость всех этапов процесса и применение лучших методов управления позволяют контролировать весь ход сборки до мельчайших деталей. Непрерывное управление позволяет быстро обнаружить отклонение, локализовать дефект и устранить его либо произвести доработку процесса, если это проблема системного характера. Обратная связь выявляет, что работает, а что — нет. Если же обратная связь работает с перебоями, возникает риск потерять ценную информацию, а в итоге — сорвать график поставок и, возможно, потерять клиента. Чтобы этого не произошло, обратная связь должна быть устойчивой.
На выполнение сложного монтажа может потребоваться несколько дней или смен и не один оператор. В этом случае ADMA обеспечивает последовательность выполнения процесса, или надежную обратную связь от одного оператора к другому. Например, с ростом размеров пластин и уменьшением размеров кристаллов требования обеспечить непрерывность работы и надежную обратную связь становятся очень важными для успешной сборки. Если при корпусировании в масштабе целой пластины не применяется среда ADMA, кристаллы со сколами ищутся и удаляются вручную. ADMA не только быстро справляется с этой задачей, но и составляет карту годности кристаллов на пластине, обнаруживает и помечает брак. При работе персонала в несколько смен программное обеспечение ADMA сохраняет результаты предыдущих операций, исключая повторение пройденных операций.

Система ADMA учитывает реалии современного сборочного производства микроэлектроники, которое в редких случаях сосредоточено на одной территории или в одном регионе. ADMA осведомлена о состоянии рабочей среды на производстве: в этой безбумажной системе регистрируется поступление новых проектов и их завершение, ведется учет расхода и запасов материалов, контролируются графики сборки и заказы на изготовление. ADMA позволяет диспетчерам и руководителям проекта удаленно контролировать и управлять ходом его выполнения — для принятия важных решений у менеджеров имеются все соответствующие данные. Помимо того, что ADMA в реальном времени предоставляет данные о состоянии дел, информация от этой системы включает текущие отчеты о запасах расходуемых и нерасходуемых материалов, показателях эффективности, сроках изготовления продукции и уведомления о тех участках, работу на которых требуется улучшить. Генеральный директор из своего офиса контролирует ход работы и данные, а также управляет складом и следит за ходом производства.

Спектр заказчиков компании Assembly Services простирается от начинающих компаний до крупных производителей, которые либо не желают инвестировать в приобретение высокоточных сборочно-монтажных автоматов, либо не имеют опытных сотрудников для создания опытных образцов, тестирования и производства сложных устройств, разрабатываемых на предприятии. Другие клиенты Assembly Services не желают обзаводиться квалифицированным персоналом, выделять средства на его обучение и создавать специальные помещения для высокоточного монтажа кристаллов. Однако если начинающая или крупная компания пожелает установить сборочно-монтажные автоматы на своем производстве, на это потребуется очень мало времени. К тому моменту Assembly Services уже успеет завершить разработку технологического процесса.
Assembly Services специализируется в микроэлектронной сборке таких систем как многокристальные модули, МЭМС, сверхъяркие светодиоды, МЭМС военного и бытового назначения, микро-BGA, гелиоконцентраторы, активные оптические кабели и кристаллы на плате (COB). При этом используются методы монтажа кристалла на эвтектику, с помощью эпоксидной смолы, проволочного монтажа и корпусирования в масштабе целой пластины. Используемые материалы: AuGe, AuSn, AuSi, PbSn, проводящая и непроводящая эпоксидные смолы. В проволочном монтаже применяется золото, платина и алюминий.

_______________________

¹Бумажный документооборот увеличивает вероятность ошибки оператора, приводит к захламлению, уменьшает производительность до 95% по сравнению с безбумажным производством.