Segula ontwikkelt bondingsysteem vanuit systeemgedachte

’Alleen door vanuit een systeemgedachte te werken, lukt het om een optimaal resultaat te behalen‘, aldus Patrick Smulders, directeur systeemarchitectuur bij Segula Technologies in Eindhoven. Zijn bedrijf ontwikkelt een nieuw bondingsysteem voor micro-elektronica voor interne competentieontwikkeling. ’Uiteraard vanuit die systeemgedachte. En met een bijzonder goed resultaat.‘

Op zich is bonding van componenten geen nieuwe technologie. In het bereik van de componenten tussen de 0,5 bij 0,5 millimeter en de 25 bij 25 millimeter zijn verschillende aanbieders van machines op de markt. Ze hebben echter een belangrijke tekortkoming. Een tekortkoming die vraagt om een wezenlijke stap voorwaarts. Smulders: ’Het probleem bij bestaande bondingmachines is dat ze óf niet snel genoeg óf niet precies genoeg zijn. Vaak is de achtergrond daarvan dat dergelijke machines niet vanuit een systeemgedachte zijn ontwikkeld en daardoor nauwelijks kunnen evolueren met een veranderde vraag.‘

Hoe werkt systeemarchitectuur in concreto? Smulders: ’De start van het hele proces is de analyse van de businesscase. Wat wil de klant eigenlijk? Gaat het om een geheel nieuwe oplossing of een uitbreiding van een bestaand systeem? Vervolgens stellen we de requirements op met de klant. Aan welke functionele vereisten moet het systeem straks voldoen? Wat is de performance? Wat zijn de eisen aan het systeem gedurende de verschillende fasen in de levensduur van het apparaat? De volgende stap is een haalbaarheidsstudie, de conceptfase van het systeem. Dus niet wat, maar hoe. Voor de systeemarchitectuur maak je eerst een functionele decompositie. Welke functie los je op welke manier op? Een goede systeemarchitectuur bestaat uit deeloplossingen die op elkaar aansluiten. Natuurlijk qua interfaces maar ook qua performance: je verdeelt de beschikbare oplosruimte over de verschillende functieblokken. Deze worden verdeeld over verschillende modules.‘

Voor een modulaire opbouw, gewenst vanuit concurrent engineering, productie en service, volgen de ontwikkelaars bij Segula een ontwerpproces volgens het V-model. ’Vanuit de top van de linker V-poot dalen we af van systeemniveau naar componentniveau, terwijl gelijktijdig in de rechter poot de verificatietests van het hele systeem, modules en componenten worden ontwikkeld‘, legt Smulders uit. ’We hebben daarvoor de expertise in huis. Vanuit competenties als systeemanalyse, mechanica, elektronica, mechatronica, robotica, software, verificatie, Fem- en CFD-analyse en andere technieken zoals vision en optica ontwikkelen we daarvoor de deeloplossingen.‘

Dat gebeurt allereerst in de ’virtuele wereld‘, benadrukt Smulders. ’We gebruiken modelgebaseerde ontwikkeling om de verschillende designs te valideren. Vanuit systeem- en componentmodellen beoordelen we of de requirements worden gehaald. Zowel die requirements op moduleniveau – afgeleide van systeemrequirements – als op systeemniveau. Belangrijk is uiteraard de optimale balans tussen de verschillende delen. Die optimale balans is zeker niet alleen de optimale performance tijdens gebruik van het systeem, maar ook de performance in de verschillende levensfasen zoals design, productie, test en service. Natuurlijk is ook de kostprijs daarin meegenomen. Het logische vervolg is dan dat je de verschillende modules gaat maken of laten maken. Een module bestaat uit standaard componenten, bijvoorbeeld een camera of een servomotor en nieuwe componenten die vanaf nul moeten worden gemaakt.‘

Nadat het team in het V-model is afgedaald tot op het laagste niveau – het componentniveau – start de opgaande beweging. Hierin vinden de verificaties plaats van de verschillende resultaten die in de linker poot zijn geboekt. Het startpunt is dan de verificatie op componentniveau. Geverifieerd worden daarna de verschillende modules met hun interfacing. Sluit alles op elkaar aan? Daarna volgt de systeemtest. Wordt de gewenste output in hoeveelheden, kwaliteit en tijd gehaald? Het eindpunt is de factory– of user acceptance-test. Is de oorspronkelijk gestelde businesscase gerealiseerd? Vaak loopt die laatste fase gelijk op met de ingebruikname van het complete systeem bij de klant. Met de formele overhandiging is het V-model compleet.

Vloeibaar

De ontwikkeling van het nieuwe bondingsysteem vanuit een systeemarchitectuur volgens het V-model heeft geleid tot een mechatronisch systeem dat zowel zeer snel als zeer precies is. De snelheid van de totale machine moet minimaal duizend bonds per uur zijn, met een nauwkeurigheid van minder dan 0,4 µm (in het xy-vlak) en een yield van 98 procent. Het ontwikkeltraject startte vorig jaar als intern project en naar verwachting zal het prototype van de machine in de loop van dit jaar kunnen worden beproefd.

Hoewel Segula liever niet alle details prijsgeeft, valt toch op te maken dat in deze oplossing veel is gebruikgemaakt van robotica en thermodynamica. Het bedrijf heeft voor zichzelf drie speerpunten gedefinieerd: thermische controle, robotica en multisensorsystemen. Alle drie zijn systemen met niet–lineair dynamisch gedrag, bijvoorbeeld vanuit de fysica, actuatorgedrag of mechanica. Dit dynamische gedrag wordt gevangen in niet-lineaire modellen, met of zonder bijbehorende regelaar, waarmee de systeem- en componentperformance worden beoordeeld.

In het competentieontwikkelproject van de bondingmachine zie je dat vooral terug in de aan- en afvoer van de componenten voor het bondingproces. De aan- en afvoer wordt verzorgd door een robot, de thermische regeling en krachtregeling van het bondingproces, en de combinatie van één optisch meetsysteem voor beide te bonden producten met een 3DOF-bewegingsplatform. Componenten kunnen meerdere IC‘s zijn, spiegeltjes of kleine mechanische onderdeeltjes. Om deze componenten exact te positioneren, is er een visionsysteem dat aan de hand van merktekens op de componenten de positie van beide componenten gelijktijdig tot op een tiental nanometer nauwkeurig detecteert. De motionbesturing zorgt er vervolgens voor dat de twee in de juiste positie ten opzichte van elkaar komen te staan. Vervolgens worden beide componenten op elkaar gedrukt. De opgedampte verbindingslaag wordt dan door middel van kracht en temperatuur vloeibaar. Na afkoeling is de verbinding tot stand gebracht.

Aan de regeling van de temperatuur heeft Segula extra aandacht besteed. Om zowel het verhitten als het afkoelen te versnellen, heeft het bedrijf op de Eindhovense High Tech Campus een besturing ontwikkeld die nauwkeurig rekening houdt met de verschillende actuatoren voor deze processen en de timing. Hiermee is de cyclustijd van het bondingproces aanzienlijk verkort. Om uiteindelijk tot de benodigde output te komen, worden er enkele bondingstations parallel gezet. De aan- en afvoer van de componenten wordt gedaan door dezelfde module voor alle bondingstations.