Лаборатория передовых техпроцессов APL компании Universal Instruments – стратегический партнер для производителей электроники

Американская компания Universal Instruments отлично известна во всем мире как производитель высокотехнологичного сборочного оборудования для отрасли производства электроники, однако не меньшую мировую известность компания получила благодаря основанной ей в далеком 1987 году Лаборатории передовых техпроцессов (Advanced Process Lab, APL). И в те годы, и тем более в настоящее время, в условиях жесткой конкурентной борьбы между производителями, ключом к рыночному успеху являются прежде всего знания, полученные в результате комплексной научной проработки. Очевидно, что конкурентным преимуществом будут обладать только те компании, в структуре затрат которых значительная доля отводится финансированию передовых научных и прикладных исследований. Базой для таких работ и служит открытая компанией Universal Instruments Лаборатория APL. Ее работа не только помогает компании продолжать выпуск конкурентоспособного сборочного оборудования, но также оказывает поддержку многочисленным производителям и поставщикам электроники, помогая им внедрять современные материалы, процессы и технологии, определять причины отказов, оптимизировать надежность и поддерживать изделие на протяжении всего жизненного цикла.

Лаборатория APL располагается в г. Бингхэмптон (штат Нью-Йорк, США), где находится и головной офис компании Universal Instruments, и организационно состоит из трех взаимодействующих между собой подразделений: международного консорциума A.R.E.A. (Advanced Research in Electronics Assembly – Передовые исследования в области сборки электроники), групп поддержки техпроцессов и анализа отказов (рис 1).

Рис. 1. Организационная структура Лаборатории APL

История Консорциума началась еще в 1992 году, когда Лаборатория поверхностного монтажа (SMT Laboratory) компании Universal Instruments привлекла ряд крупных компаний из списка Fortune 100 для проведения масштабного исследования, целью которого являлась разработка процесса сборки с применением компонентов со сверхмалым шагом выводов и компонентов на ленте-носителе, распределив тем самым высокие затраты и технические риски на всех участников проекта. Результат оказался настолько успешным, что преобразовался в целый ряд исследовательских проектов, а сформировавшаяся организационная структура положила начало организации, известной в настоящее время под названием Консорциум A.R.E.A.

Сейчас Консорциум объединяет в своем составе более 30 ведущих компаний отрасли сборки электроники. Работы охватывают исследования в области материалов, надежности и разработки техпроцессов. Основная цель работ – фундаментальное понимание сборочных процессов и материалов, при этом особое внимание уделяется максимизации выхода годных, обеспечению долговременной надежности выпускаемых изделий, сокращению сроков проектирования, затрат и ресурсов, облегчению выбора материалов. Каждый год специалисты Лаборатории APL на основе мнения членов Консорциума, академических исследователей и представителей отрасли выбирают набор значимых проектов в области традиционных и передовых технологий, после чего проводят аналитические и экспериментальные исследования по намеченным тематикам. Работа выполняется коллективом штатных сотрудников, экспертов и консультантов, в котором задействованы ученые и представители академического сообщества – профессора, докторанты, выпускники университетов, магистры профильных университетов. Результаты в виде научных отчетов, руководств по процессам, протоколов испытаний, рекомендаций по применению и пр. публикуются на закрытом веб-сайте, а также в рамках трех ежегодных выездных совещаний. В работе принимают участие и сотрудники предприятий-членов Консорциума, некоторые из которых проводят в лаборатории длительное время.

Среди текущих направлений работ консорциума можно выделить, например, исследования механизма накопления повреждений и характеров отказов в микроструктуре бессвинцовых паяных соединений, изучение материалов для заливки под корпус, определение влияния ускоренного термоциклирования на надежность, работа над техпроцессами с участием передовых компонентов и технологий (PoP, SiP, CSP, flip chip и пр.), процессами пайки в паровой фазе, пайки высокотемпературными припоями, корпусирования оптоэлектронных компонентов, решение типичных проблем отрасли – роста усов, дендритов, проблемы образования кратеров под контактными площадками и пр.

Все научные и прикладные исследования проводятся в Лаборатории APL на самом современном оборудовании – как сборочном, так и аналитическом (рис 2). Важно отметить, что возможности этой лаборатории, как с точки зрения оборудования, так и в том, что касается широты знаний, опыта компетенций специалистов, намного превосходят таковые у подавляющего большинства коммерческих компаний – OEM-производителей и предприятий контрактной сборки, для которых поддержка лаборатории такого уровня стало бы непосильным бременем по финансовым и прочим соображениям.

Рис. 2. Образцы оборудования, используемого для проведения исследований в Лаборатории APL

Помимо двух полностью автоматизированных сборочных линий, оснащенных автоматами установки компонентов Universal Instruments и оборудованием для остальных операций техпроцесса от ведущих мировых производителей – членов Консорциума A.R.E.A., Лаборатория обладает аналитическим подразделением, способным выполнять широчайший спектр научных исследований на самом современном уровне. Среди применяемых методов можно выделить:

• неразрушающий контроль с применением рентгеновского оборудования и сканирующего акустического микроскопа;
• сканирующую электронную микроскопию;
• различные методы тепловых анализов, включая дифференциальную сканирующую калориметрию, термогравиметрию, ИК-спектроскопию с преобразованием Фурье и пр.;
• методы исследования характеристик материалов, среди которых вискозиметрия, испытания на электромиграцию и смачиваемость;
• точные измерения размеров и линейных перемещений, включая, например, измерение столбиковых выводов на полупроводниковой пластине;
• ионную и газовую хроматографию / масс-спектрометрию и многие другие.

Отдельно следует отметить полную готовность лаборатории для проведения различных испытаний на механические воздействия и воздействия окружающей среды – к услугам специалистов большое количество климатических камер, вибростендов, конвекционных и вакуумных печей.

Вторая группа работ, проводимых в Лаборатории APL, направлена на поддержку техпроцессов заказчика и призвана обеспечить для таких процессов высокий выход годных, надежность как самих процессов, так и выпускаемых изделий, быстрый возврат вложенных средств, сокращение затрат на материалы и трудовые ресурсы, оптимизацию стратегии испытаний.

Важно отметить, что Лаборатория APL оказывает поддержку на всем протяжении жизненного цикла изделия – от концепции до окончания срока службы, и предлагает ряд услуг на каждом этапе (рис. 3). Выполняются работы самого различного характера – от разработки техпроцесса, подготовки производства, выпуска опытных образцов и небольших партий изделий и их оценки до комплексного аудита предприятия и разработки решений «под ключ», часто с использованием нестандартных компонентов и материалов. Также проводятся испытания и выбор технологических материалов, оценка конструкций печатных плат, трафаретов и пр. Разумеется, все общение с Лабораторией APL происходит строго конфиденциально без доступа к информации третьих лиц.

Рис 3. Услуги Лаборатории APL в течение всего жизненного цикла изделия

Наконец, последнее, но не менее важное направление работы Лаборатории APL – анализ первопричин отказов. Задача локализации отказов и определения основной причины их возникновения – комплексная задача, которая еще более осложняется, если в создании изделия участвуют высокотехнологичные компоненты, материалы и методы сборки. Чтобы быстро и безошибочно определить причину отказа, необходимы не только сложные инструменты, позволяющие заглянуть, например, под поверхность CSP-компонентов, паяных соединений, печатных плат, но, что не менее важно, умение управлять этим инструментарием и наличие знаний, опыта и квалификации во многих смежных дисциплинах, позволяющее правильно интерпретировать полученные результаты. В Лаборатории APL были разработаны ключевые производственные процессы для всех семейств электронных компонентов, и в совокупности с экспертными знаниями по каждому типу корпуса и технологии сборки это дает возможность не только выявлять основную причину отказа, но и оперативно устранять ее, предотвращать появление таких отказов в будущем, повышать эксплуатационную надежность, а также предоставлять доказательства в случаях возникновения претензий по качеству изделий и возврата изделий производителю. Все это избавляет производителя от больших расходов, связанных с ремонтом, отбраковкой и исполнением гарантийных обязательств. Работы по анализу отказов в Лаборатории APL проводятся в интересах отраслевых компаний самой разнообразной специализации – помимо OEM- и контрактных производителей, это поставщики печатных плат, материалов и компонентов, конечные потребители продукции и даже конкуренты компании Universal Instruments.

Не считая традиционных компонентов, плат и сборок, анализу могут быть подвергнуты и такие высокотехнологичные/сложные компоненты и материалы изделия, как кабельная разводка, гибкие платы и платы с высокой плотностью межсоединений (HDI), финишные покрытия, адгезивы, материалы для герметизации и заливки, припои и флюсы всех типов и форм и пр. (рис. 4).

Рис. 4. Предметы исследований, проводимых в Лаборатории APL
а) результат электрического перенапряжения кристалла; б) оценка коробления корпуса BGA‑компонента;
в) несоответствие микропереходного отверстия требованиям; г) микрошлиф стекированных глухих отверстий;
д) рентгеновское изображение годного компонента SoIC;
е) растрескивание многослойного керамического конденсатора

Возможности Лаборатории APL по анализу дефектов чрезвычайно широки. Вот лишь некоторые из типовых применяемых исследований:

• оптическая инспекция, рентгеновский 2D-контроль;
• ионная хроматография, анализ ионных загрязнений;
• получение микрошлифов;
• энергорассеивающий рентгеновский анализ;
• цветная дефектоскопия;
• механические испытания на отрыв и сдвиг;
• климатические испытания, включая тепловой удар и термоциклирование;
• акустическая микроскопия;
• измерение толщины металлизации с помощью рентгенофлуоресцентного анализа и многие другие.

За многие годы работы в Лаборатории APL накоплено множество примеров решений проблем заказчиков и экономии ими средств. Так, например, была эффективно найдена причина перемежающихся отказов в партии светодиодов, используемых в изделии – приборной панели. Исследования в поляризованном свете помогли быстро обнаружить серьезные трещины в конструкции светодиодов, а анализ отказов позволил установить, что эти трещины наличествовали уже на этапе приемки светодиодов. Суммарная экономия средств OEM-производителя составила более 250 000 долларов США. В другом примере использование сканирующей электронной микроскопии и энергорассеивающего рентгеновского анализа предоставили неоспоримые доказательства того, что финишное покрытие поставляемых плат не соответствует требованиям заказчика, что дало ему возможность вернуть платы, получив возмещение, и настоять на соблюдении своих технических требований, сэкономив, по оценкам, около 100 000 долларов.

В заключение хотелось бы остановиться на двух примерах реальных проектов, выполненных в Лаборатории APL и демонстрирующих ее технологические и научные возможности.

В первом из них в сотрудничестве с производителем была выполнена паяная сборка на гибком основании с участием компонентов flip-chip с самым маленьким в мире шагом выводов (рис. 5) для использования в медицинском катетере, предназначенном для получения ультразвукового изображения внутренностей коронарной артерии.

Рис. 5. Объекты исследования Лаборатории APL
а) ширина проводника/зазор составляет 14 мкм;
б) компонент Flip‑Chip с шагом 70 мкм

В рамках этой работы в Лаборатории APL была разработана новая концепция монтажа, далее в соответствии с ней перепроектировано монтажное основание, предложено патентованное решение по автоматизации и соответствующая оснастка, разработан сборочный процесс «под ключ», выполнена сборка опытных образцов, проведена передача процесса заказчику и обучение специалистов, выполнены аналитические исследования и испытания на надежность.

Вторым проектом, который хотелось бы отметить, является магнитный компас для 3-осевого GPS-устройства SiP.

Здесь специалистами Лаборатории APL была разработана технология сборки устройства в составе трех компонентов flip-chip, один из которых устанавливался на боковую грань. Лаборатория отвечала за все применяемые материалы и процессы: скрайбирование полупроводниковых пластин, проектирование и приобретение подложек, процесс сборки и выбор материалов, конструкцию литьевых пресс-форм и операцию литья под давлением, разделение и маркировку, а также собственно за мелкосерийное производство на мощностях APL. Разработанное в результате комплексное решение по сборке было передано заказчику в Малайзию.

Таким образом, Лаборатория APL несомненно вносит существенный вклад в развитие отрасли производства электроники. С одной стороны, ее научные исследования обеспечивают для компании Universal Instruments конкурентные преимущества при разработке сборочного оборудования, позволяя оперативно реагировать на постоянно изменяющиеся технологии электронной промышленности, с другой – активно участвуя во всем процессе проектирования изделия заказчика, снабжает его современными технологиями и техпроцессами, проводит контроль и испытания, анализирует отказы, а также предоставляет производственные мощности для отработки процесса производства, выпуска и анализа опытных образцов, выполняет обучение специалистов и в результате передает готовый процесс на предприятие заказчика. Услугами Лаборатории APL пользуются предприятия во всем мире, и российские заказчики, вне всякого сомнения, также могут извлечь большую выгоду из подобного сотрудничества.