Prozessoren, das Herz und Gehirn von Serverboards werden immer größer und leistungsfähiger. In den letzten drei Jahren ist die Größe der Prozessoren in einem noch nie dagewesenen Tempo gewachsen. Grund dafür ist die exponentiell steigende Nachfrage nach Rechenleistung, die vor allem durch die rasante Entwicklung der künstlichen Intelligenz und deren enormen Datenverarbeitungsbedarf ausgelöst wurde.

„Moderne Elektronikprodukte stellen extreme Anforderungen an die Fertigungstechnik“, erklärt Thomas Bliem, Vice President R&D bei ASMPT SMT Solutions. „Großflächige KI-Chips mit Ball Grid Arrays und stark miniaturisierte Standardbauelemente, die auf engstem Raum bestückt werden, müssen präzise platziert werden. Diese sehr unterschiedlichen Bauelemente gilt es auf einer Linie zu verarbeiten – und zwar möglichst nahe am Idealwert: Zero Defects per Million Opportunities (DPMO). Hier ist ASMPT als Technologiepionier mit seinen zukunftsweisenden Maschinen führend. Elektronikfertiger sind damit für diese Herausforderungen bestens gerüstet.“

Kleinste Bauelemente auf engstem Raum

Moderne 0201-m-Bauelemente sind in der Breite kleiner als ein menschliches Haar und werden extrem eng bestückt. Daher kann sich das Gehäuse nicht mehr im Reflow-Prozess selbst zentrieren, so dass oft schon ein geringer Winkelversatz zu einem Kurzschluss und damit zu einem unbrauchbaren Produkt führt. SIPLACE Bestückautomaten vermessen jedes Bauelement einzeln und kompensieren den Aufnahmeversatz durch rotierende Segmente am Bestückkopf. Dabei kann jedes Segment individuell gedreht werden. Nach Aufnahme des Bauelements wird es auf dem Weg zur Kamera in die Bestücklage gebracht, zum Beispiel 90°. Nach der optischen Vermessung ist nur noch eine minimale Winkelkorrektur, die meist kleiner als 1° ist, erforderlich. Durch dieses einzigartige Prinzip in den SIPLACE Bestückautomaten, lässt sich nicht nur höchste Bestückgenauigkeit erzielen, sondern auch jeder beliebige Bestückwinkel, wie zum Beispiel 35°, realisieren.

Große und schwere BGA-Chips

Moderne KI-Anwendungen benötigen sehr viel Rechenleistung, wodurch die Prozessoren immer größer und komplexer werden. Sie werden heute meist als System-in-Package-Bauelemente (SIP) ausgeführt, auf denen sowohl Bare Dies als auch passive Standard-SMT-Bauelemente montiert sind. Diese Bauelemente sind heute bereits 80 × 80 mm groß und über hundert Gramm schwer, sogar Formfaktoren von 150 × 150 mm bei einem Gewicht von 300 Gramm sind realisierbar. Das SiP-Design sorgt dafür, dass der Schwerpunkt der Prozessoren nicht immer in der Mitte des Bauelements liegen muss. SIPLACE Bestückautomaten messen deshalb das Trägheitsmoment der schweren Ball Grid Arrays (BGAs) mit genau definierten Drehbewegungen. So wird sichergestellt, dass das Bauelement mit der maximal möglichen Beschleunigung transportiert wird, ohne dass trägheitsbedingte Störungen auftreten.

Bald 10.000 bis 20.000 Anschlüsse

Moderne KI-Prozessoren benötigen eine enorme Anzahl von Kontakten, die schon bald in die Zehntausende gehen wird. Diese sind zudem unregelmäßig auf der Anschlussfläche verteilt, so dass eine Beschreibung von Hand einer Sisyphusarbeit gleichkäme. SIPLACE Bestückautomaten können die Anordnung der Kontaktstellen über die Bauelementkamera automatisch einlesen oder die entsprechenden Geometriedaten des Herstellers über eine standardisierte Schnittstelle übernehmen. Dies gilt selbstverständlich auch für die SIPLACE Vision Teach Station. Für die sichere Aufnahme der BGAs bietet ASMPT ein breites Sortiment an individuell geformten Pipetten an.

Optische Inspektion der Komponenten

Erfolgskritisch ist bei großflächigen BGAs die visuelle Inspektion mit der Bauelementkamera. Geprüft wird zum Beispiel, ob sich Pin 1 an der richtigen Position befindet oder ob alle Lotkugeln vorhanden sind. Ebenso wichtig ist die hochpräzise Koplanaritätsprüfung: Nur wenn alle Lotkugeln exakt auf einer Ebene liegen, ist später ein optimaler Kontakt zu den nur 100 µm dünnen Lotpastendepots möglich. Da hier die Messgenauigkeit einer Bauelementkamera allein nicht ausreicht, arbeiten SIPLACE Bestückautomaten mit einem 3D-Koplanaritäts-modul. Es projiziert einen Laserstrahl auf die Anschlussebene. Durch Bewegung des Bauelements relativ zum Laserstrahl, bei gleichzeitigem Scannen, wird mit einem speziellen Algorithmus ein exaktes 3D-Höhenprofil ermittelt.

Leiterplatteninspektion

Die Bestückposition auf der Leiterplatte inspizieren die SIPLACE Bestückautomaten mit einem weiteren hochauflösenden Vision System, der Leiterplattenkamera. Dabei werden zum Beispiel Spacer-Elemente erkannt und untersucht. Diese sind für einen reibungslosen Reflow-Lötprozess unerlässlich, da sie Kurzschlüsse infolge einer unvermeidlichen thermischen Verwindung großer BGAs verhindern. Die Leiterplattenkamera erkennt zudem Fremdkörper im Bestückbereich.

KI-Bauelemente: zu teuer für Fehlbestückungen

Erst wenn alle Vermessungssysteme ihr OK gegeben haben, wenn alle Lotkugeln in einer Ebene und ihre Z-Abweichungen innerhalb der Toleranz liegen, wenn auch in der Bestückzone auf der Leiterplatte alle Voraussetzungen optimal sind, wird das BGA mit höchster Präzision und exakt definierter Bestückkraft positioniert. Dieser Aufwand lohnt sich, denn die Preise für hochmoderne KI-Prozessoren können sehr hoch sein.