Qualitäts- und kosteneffiziente Integration neuer Bauelementetechnologien in die Flachbaugruppenfertigung

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Diss. Reihe Fertigungstechnik, Band 112

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2020-01-27
Issue Year
2001
Authors
Feuerstein, Robert
Editor
Geiger, Manfred
Feldmann, Klaus
Publisher
Meisenbach
ISBN
3-87525-151-2
Abstract

The assembly production is characterized by a strongly dynamic growth in all areas worldwide. Electronics production as a key technology and core competence is of outstanding importance for Germany as a business location. Quality assurance is of particular importance. This can be seen from the comparatively high expenditure for personnel and investments with corresponding costs. The causes lie in the complexity of the process steps, reinforced by increasing miniaturization and the steadily increasing number of connection points per component. However, the increasing variety of today's electronic components leads inevitably lead to more complex and flexible process chains. The integration of new components while at the same time being forced to produce quality and cost-effective manufacturing solutions leads to expanded quality assurance challenges. The aim of the work was therefore the targeted analysis of quality and cost-relevant mechanisms within an expanded production environment for miniaturized structures. At the beginning of the investigations, the various alternatives to standard SMD technology were compared and their technological implementation was compared. It turns out that the most cost-effective solution for functional integration at the component level can be implemented with BGAs and CSPs. Both types of components can be assigned to the group of area arrays and have economic and technological advantages, especially when integrated into existing process chains. Based on this pre-selection, extensive technical qualification of the systems available at the chair for processing area arrays was carried out. For the individual sub-processes of solder paste application, assembly, soldering, the selected machines were experimentally examined and essential control parameters were analyzed. As a result, optimization measures were developed and their effectiveness demonstrated by ability analyzes. These results could also be transferred to the qualification of existing systems at industrial partners within the framework of cooperations. Building on this work, a process chain for processing highly integrated components with hidden connection structures could be set up at the institute for the first time. This precision process chain was used for the comprehensive analysis of interactions and damage mechanisms when processing area arrays. The strong influence of connection-specific parameters on the process quality could also be demonstrated, as well as the clear dependence of the processability of these modules on parameters that were previously insufficiently considered, such as the placement force. In addition, various test series were carried out beforehand to characterize the wetting behavior under the influence of storage. This showed the significantly better wetting behavior of area arrays compared to technologically comparable modules with peripheral connections. For a comprehensive analysis of the interaction relationships, an information system developed at the institute was expanded to include the technologically relevant components, processes and analysis mechanisms. At the same time, the aspect of rework was taken into account by integrating additional functionalities. Process-integrated rework must be provided, especially against the background of new and miniaturized connection forms. To this end, initial work has been carried out, which will be expanded in cooperation with industrial partners. As the level of quality increases, the question of the effort required for controlled production is becoming increasingly important. The purely technical consideration and optimization of a process must be supplemented by parameters to estimate the economically necessary effort. Comprehensive basic investigations therefore evaluated market-available systems for integrated quality and cost assessment and derived a requirement profile for the specific interests of electronics production from their deficits. This profile was implemented in a two-stage evaluation system, which enables both a technology change evaluation as a planning tool and a production-integrated efficiency evaluation. Exemplary application examples and the connection options to external systems illustrate the diverse applications that the implemented evaluation system provides for efficiency analysis. In future work, the processing mechanisms for innovative component shapes will be further refined and alternative connection media or substrates will also be taken into account. In addition, the consistent merging of quality and cost aspects in the planning, implementation and operation of complex production lines for module production still offers considerable potential that must be implemented in further work.

Abstract

Die Baugruppenfertigung ist geprägt von einem weltweit stark dynamischen Wachstum in allen Bereichen. Elektronikproduktion als Schlüsseltechnologie und Kernkompetenz ist von herausragender Bedeutung für den Wirtschaftsstandort Deutschland. Die Qualitätssicherung hat dabei einen besonderen Stellenwert. Dies zeigt sich am vergleichsweise hohen Aufwand für Personal und Investitionen mit entsprechenden Kosten. Ursachen liegen in der Komplexität der Prozessschritte, verstärkt durch zunehmende Miniaturisierung sowie der stetigen Erhöhung der Anzahl an Verbindungsstellen pro Bauelement. Die zunehmende Variantenvielfalt heutiger Elektronikkomponenten führt jedoch zwangsläufig zu komplexeren und flexibleren Prozessketten. Die Integration neuer Komponenten bei gleichzeitigem Zwang zu qualitäts- und kostenoptimalen Fertigungslösungen führt zu erweiterten Herausforderungen an die Qualitätssicherung. Ziel der Arbeit war daher die gezielte Analyse qualitäts- und kostenrelevanter Mechanismen innerhalb eines erweiterten Produktionsumfeldes für miniaturisierte Strukturen. Dabei wurden zu Beginn der Untersuchungen die verschiedenen Alternativen zur Standard-SMD-Technologie gegenübergestellt und hinsichtlich ihrer technologischen Umsetzung vergleichend bewertet. Es zeigt sich, dass die kostengünstigste Lösung zur Funktionsintegration auf Baugruppenebene mit BGAs und CSPs realisiert werden kann. Beide Bauelementtypen sind der Gruppe der Area Arrays zuzuordnen und besitzen ,insbesondere bei der Integration in bestehende Prozessketten, wirtschaftliche und technologische Vorteile. Ausgehend von dieser Vorauswahl wurde eine umfangreiche technische Qualifizierung der am Lehrstuhl verfügbaren Systeme zur Verarbeitung von Area Arrays durchgeführt. Für die einzelnen Teilprozesse Lotpastenauftrag, Bestücken, Löten wurden die ausgewählten Maschinen experimentell untersucht und wesentliche Stellparameter analysiert. Daraufhin wurden Optimierungsmaßnahmen entwickelt und deren Wirksamkeit durch Fähigkeitsanalysen nachgewiesen. Diese Ergebnisse konnten zudem auf die Qualifizierung bestehender Systeme bei Industriepartnern im Rahmen von Kooperationen übertragen werden. Aufbauend auf diesen Arbeiten konnte erstmals eine Prozesskette zur Verarbeitung höchstintegrierter Bauelemente mit verdeckten Anschlussstrukturen am Institut aufgebaut werden. Diese Präzisionsprozesskette diente zur umfassenden Analyse von Wechselwirkungen und Schädigungsmechanismen bei der Verarbeitung von Area Arrays. Der starke Einfluss anschlussspezifischer Kenngrößen auf die Prozessqualität konnte ebenso nachgewiesen werden, wie die deutliche Abhängigkeit der Verarbeitbarkeit dieser Bausteine von bisher nur unzureichend berücksichtigten Parameter wie der Bestückkraft. Ergänzend wurden im Vorfeld verschiedene Versuchsreihen zur Charakterisierung des Benetzungsverhaltens unter Lagerungseinfluss durchgeführt. Hier zeigte sich das signifikant bessere Benetzungsverhalten von Area Arrays gegenüber technologisch vergleichbaren Bausteinen mit peripheren Anschlüssen. Zur übergreifenden Analyse der Wechselwirkungsbeziehungen wurde ein am Institut entwickeltes Informationssystem um die technologisch relevanten Komponenten, Prozesse und Analysemechanismen ausgebaut. Gleichzeitig wurde der Aspekt der Nacharbeit durch die Integration zusätzlicher Funktionalitäten berücksichtigt. Insbesondere vor dem Hintergrund neuer und miniaturisierter Anschlussformen muss eine prozessintegrierte Nacharbeit bereitgestellt werden. Hierzu wurden erste Arbeiten geleistet, die in Zusammenarbeit mit Industriepartnern ausgebaut werden. Mit fortschreitender Erhöhung der Qualitätsniveaus erhält die Frage nach dem Aufwand für eine beherrschte Fertigung zunehmend an Bedeutung. Die rein technische Betrachtung und Optimierung eines Prozesses muss um Parameter zur Abschätzung des wirtschaftlichen notwendigen Aufwandes ergänzt werden. In umfangreichen Grundlagenuntersuchungen wurden daher marktverfügbare Systeme zur integrierten Qualitäts und Kostenbewertung evaluiert und aus deren Defizite ein Anforderungsprofil für die spezifischen Belange der Elektronikproduktion abgeleitet. Dieses Profil wurde in einem zweistufigen Bewertungssystem umgesetzt, mit dem sowohl eine Technologiewechselbewertung als Planungswerkzeug wie auch eine produktionsintegrierte Effizienzbewertung möglich ist. Exemplarische Anwendungsbeispiele sowie die Anbindungsmöglichkeiten an externe Systeme verdeutlichen die vielfältigen Einsatzfälle, die das realisierte Bewertungssystem zur Effizienzanalyse zur Verfügung stellt. In zukünftigen Arbeiten werden die Verarbeitungsmechanismen für innovative Bauelementformen weiter verfeinert und zusätzlich alternative Verbindungsmedien oder Substrate berücksichtigt. Darüber hinaus bietet die konsequente Zusammenführung von Qualitäts- und Kostenaspekten bei Planung, Realisierung und Betrieb komplexer Fertigungslinien zur Baugruppenproduktion noch erhebliches Potential, das in weiterführenden Arbeiten umzusetzen ist.

Series
Fertigungstechnik - Erlangen
Series Nr.
112
Notes
Nach Rechteübertragung des Meisenbach-Verlags auf die FAU digitalisiert und online gestellt durch Geschäftsstelle Maschinenbau und Universitätsbibliothek der FAU im Jahr 2020. Koordination der Reihe: Dr.-Ing. Oliver Kreis. Für weitere Informationen zur Gesamtreihe siehe https://mb.fau.de/diss
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