Wie Bilder die Kurve kriegen

Auslesen zweidimensionaler Strichcodes mit einem gebogenen Glasfaserstab

  • Die Unterseite der Streifen vor dem Drahtbonden mit der Position des zweidimensionalen Matrix-Codes. Der Code kennzeichnet den Streifentyp und damit auch das Layout des MEMS-Bauteils. Die Unterseite der Streifen vor dem Drahtbonden mit der Position des zweidimensionalen Matrix-Codes. Der Code kennzeichnet den Streifentyp und damit auch das Layout des MEMS-Bauteils.
  • Die Unterseite der Streifen vor dem Drahtbonden mit der Position des zweidimensionalen Matrix-Codes. Der Code kennzeichnet den Streifentyp und damit auch das Layout des MEMS-Bauteils.
  • Der Glasfaserstab muss den Matrix-Code auf der Unterseite der Streifen (links) aufnehmen und ihn wie gezeigt (oben) in die richtige Ebene übertragen.
  • Die endgültige Version des Glasfaserstabs, den Schott für STMicroelectronics entwickelt hat.
  • Das Bild, das sich ergibt, und wie es sich für die Kamera darstellt, die über dem Wafer angebracht ist.

Abbildungsverfahren mithilfe verschmolzener oder sogar flexibler Faserbündel sind nichts Neues. Dennoch ist es bei jeder Anwendung eine Herausforderung, ein gutes Auflösungsvermögen, die richtige endgültige Orientierung des Bildes und einen ausreichenden Bildkontrastes sicherzustellen. Mit einem Abbildungsstab, der diesen Kriterien entspricht, können Matrix-Codes, die sich auf der Unterseite von MEMS-Substraten befinden von oben ausgelesen werden.

STMicroelectronics ist der größte europäische Hersteller elektronischer Bauteile und entwickelt seine eigenen Fertigungssysteme für MEMS (Mikro-Elektromechanische Systeme). MEMS sind 1,4 mm bis 5 mm groß und bestehen im Allgemeinen aus einer CPU und mehreren Komponenten, die mit ihrer Umgebung, z.B. mit Mikrosensoren in Verbindung stehen. So entstehen Teile, die wichtige Unterkomponenten von größeren Baugruppen und in Smartphones, der Automobilelektronik und Ähnlichem unverzichtbar sind.
Derartige Bauteile werden mit den üblichen Wafer- und Substrat-Prozessen gefertigt. Das heißt, eine Charge gleicher oder ähnlicher Chips wird zusammen auf einem einzigen Wafer und/oder einem Substrat hergestellt. Für jedes Bauteil ist eine bestimmte, sich stets wiederholende Folge von Produktionsschritten notwendig (Beschichtung, Formgebung, Lithografie/Ätzen), gefolgt von Verbinden, Drahtbonden, eventuell Verkapseln. Dann wird die Charge getestet und schließlich werden die Einzelbauteile voneinander getrennt.

Zugang zur zweidimensionalen Strichcode-Matrix
Bei einem Typ von Drahtbonder-Systemen, die bei der Herstellung einer bestimmten MEMS-Komponente verwendet werden, sind die abgetrennten Chips in Streifen angeordnet und werden so weiterverarbeitet. Damit das System zum Drahtbonden die jeweils richtigen Entwurfspläne für jede einzelne Streifensorte auswählen kann, findet es die erforderliche Information in einem zweidimensionalen Strichcode, ein sogenannter Matrix-Code, auf der Unterseite des Streifens (Abb. 1).
Der Elektronikhersteller stand nun vor dem Problem, den Matrix-Code lesen zu müssen, ohne den Aufbau des Drahtbonder-Systems unnötig zu verkomplizieren. Weil es zur Ausrichtung und Inspektion nach dem Bonden schon eine Kamera gab, die von oben auf den Streifen schaute, wandte sich das verantwortliche Entwicklungsteam im Unternehmen auf der Suche nach einer alternativen passiven optischen Lösung an die Abteilung Lighting and Imaging von Schott.

Die schlug schließlich vor, den Matrix-Code nach oben abzubilden, sodass er von der bereits vorhandenen Kamera aufgenommen werden kann (Abb. 2). Wegen der telezentrischen Optik der Kamera, musste das Bild genau in die vorgegebene Fokusebene der Kamera übertragen werden.

Um die Kurve abbilden
Die Abteilung Lighting and Imaging entwickelte dazu für die Abbildung einen gebogenen Glasfaserstab (engl. imaging rod). Der Begriff „Stab" weist in diesem Fall auf die feste Struktur anstelle eines flexiblen Kabels hin. Beide Arten, Stab und biegbare Bauformen, werden bereits für die verschiedensten Anwendungen eingesetzt, z.B. für optische Endoskope in der Medizin oder Industrie.
Es gibt jedoch in jeder Anwendung Feinheiten, die besondere Aufmerksamkeit im Detail erfordern. Im hier beschriebenen Fall musste das Bild, das sich ergab, korrekt orientiert in der richtigen Fokusebene erscheinen. Es durfte nicht gedreht sein und die Dichte der Glasfasern musste im Stab eine genügend hohe optische Auflösung und einen ausreichenden Kontrast liefern. Auch die Produktionsumgebung stellte aufgrund der hohen Temperaturen von bis zu 175 °C und der auftretenden Vibrationen eine besondere Herausforderung dar.
Eine potentielle Schwierigkeit, die bei Glasfaserstäben auftritt, welche Bilder in einer bestimmten Orientierung liefern sollen, sind Überlagerungen zwischen den Einzelfasern. Die Glasfaserstäbe werden nämlich gebogen und verdreht, um die Orientierung des Bildes anzupassen.
In der Anwendung von STMicroelectronics muss der Stab die Bildebene um 180° drehen und gleichzeitig für die richtige Orientierung in dieser Ebene sorgen. Er musste dafür bei hohen Temperaturen geformt und anschließend verdrillt werden. Hierbei kann das Problem entstehen, dass es nach diesem Prozess aufgrund zu starker Krümmung und Mikrorissen zu Lichtverlusten durch die Faserhüllen kommen kann. Das aus einer Faser ausgetretene Licht überlagert sich dann mit dem einer anderen Faser, was zu Flimmern im Bild führen und den Kontrast verschlechtern kann.
Dennoch gelang es der Abteilung Lighting and Imaging bei Schott einen Stab zu entwickeln, der allen Anforderungen im zur Verfügung stehenden Raum gerecht wurde (Abb. 3 und 4). Mit dem Beginn seiner Serienfertigung kann dieser in den speziellen Drahtbonder-Systemen bei STMicroelektronics in Malta eingesetzt werden.

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