专利名称：对准键合机或拾放机的焊头的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及键合机，特别是管芯键合机或拾放机，以及与这种允许其焊头简单对准的机器一起使用的设备。
管芯键合机是一种将半导体芯片固定或键合于载体上特别是引线框上的机器。为了确保在不发生任何问题的情况下进行随后的引线键合，必须调整管芯键合机的焊头的空间定位，以便半导体芯片以平面平行的方式在约10微米的规定容差范围内键合于载体上。
拾放机早已为人们熟知。例如它们用于将一半导体芯片键合到另一半导体芯片上。这种工艺已知为倒装芯片或C4。拾放机还广泛用于在印刷电路板上安装各种各样的电子元件。
本发明的目的是提供一种装置，利用该装置，键合机特别是管芯键合机或拾放机的焊头可以以简单方式对准。
本发明的具体和优选方案见所附的独立和从属权利要求。从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征适当地结合，以及和这些权利要求所明显表明的特征组合。
根据本发明的第一实施例，提供了一种对准键合机特别是管芯键合机或拾放机的焊头的方法。具有两平面平行表面的对准板设于平面平行于键合表面延伸的支撑面上，在键合表面上，半导体芯片将键合于载体材料上。校准测量装置，测量装置的信号取决于对准板的位置。然后，由键合机的焊头抓住对准板，并最好保持在测量装置之上一小段距离。然后，将焊头位置对准，直到来自测量装置的信号等于校准后的信号为止。
本发明的第二实施例中，提供了一种实施上述方法的装置。
对准板可以具有金属化或铁磁性的表面。测量装置至少具有设置于大致平行于支撑面的平面中的三个线圈，最好是三个或四个线圈。可以装配一个显示器，以便至少显示由三个或更多线圈提供的信号中两个之间的差值。最好是，该装置设计成在任一时刻，只有所说至少三个线圈中的一个产生有意义的信号。该装置可以构形成使线圈顺序工作，即，以时分多路的方式工作。
为了更好地理解本发明，并展示如何实现本发明，下面结合附图以实例进行说明。
图1展示了带有本发明的对准焊头的装置的管芯键合机。
图2A和2B展示了本发明用于对准焊头的装置，其中线圈用作测量装置。
图3是展示线圈以时分多路方式工作的电路图。
图4是电压图；及图5展示了用于对准焊头的装置，其中使用了本发明的光学测量装置。
下面参照管芯键合机说明本发明。图1示意性地展示了带有键合面2的管芯键合机1，在键合面2上，半导体芯片将一个接一个地键合于引线框或任何其它载体材料上。半导体芯片也可以应用于载体材料，即所谓的倒装芯片。在管芯键合机1的焊头3处通过为键合半导体芯片配备的真空抽气将半导体芯片抓住，并将之安装于引线框上进行半导体芯片的键合。焊头3具有带抽气孔5的橡胶件4，以便半导体芯片能够用抽气孔5形成密封。
焊头3可与用于不同尺寸半导体芯片的不同尺寸的橡胶件4配合。更换橡胶件4后，不得不重新调对准焊头3。对准后，焊头3必须将半导体芯片键合于载体材料上，以便半导体芯片表面边缘上没有点突于其表面上的任何其它点超过约10微米。管芯键合机1具有与键合面2平面平行对准的支撑面6。在支撑面6的正下方固定接于其上的是测量装置7，该测量装置7根据具有两平面平行表面8和9的对准板10的目前位置提供信号。该信号由显示器11可视地显示出来。焊头3可以借助两个螺钉12和13或借助电驱动装置绕两个轴手控转动，以便将要定位的半导体芯片可以在规定的容差范围内以平面平行于键合面2的方式键合。
焊头3的对准按以下步骤进行a)在支撑面6上设置对准板10；b)校准测量装置7；c)用焊头3的橡胶件4抓住对准板10，并将对准板10自由保持于测量装置7之上一小段距离；及d)人工或自动地调整焊头3的位置，直到来自测量装置7的信号等于步骤b)后的信号。
步骤a)后，对准板10位于平面平行于键合面2的预定参考位置。在步骤b)探测对准板10位于该位置时测量装置7提供的信号。步骤c)后对准板10处于由焊头3的目前位置及橡胶件4限定的倾斜位置。步骤d)期间，对准板10的倾斜位置移向参考位置，直到测量装置7的信号表示焊头3固定对准板10平面平行于键合面2。
测量装置7的校准应理解为测量和存储由测量装置7提供的信号，作为对准板10位于参考位置的参考信号，或理解为调节对准板10位于参考位置时的测量装置7，以便其信号显示预定值，例如值“0”。下面将用实例更详细地说明该方法的步骤b)。
对准板10的合适材料例如有聚碳酸酯，其中至少表面9但最好是表面8和9是金属化的。那么几克重的对准板10落在不同尺寸的半导体芯片所覆差的范围内。
对准焊头3的常规方法有以下缺点，即不能考虑橡胶件4。然而，由于橡胶件4的抽气孔5不能以所需的精度制造和安装于焊头3上，所以橡胶件4本身是不希望的倾斜的根源。根据本发明的方法的优点在于，还可以消除由焊头3自身不能少的橡胶件4导致的半导体芯片倾斜。
通常的感应测距是一种合适的测量技术，其中，在金属或铁磁物质在其近磁场内移动时，由交流电流激励的线圈的欧姆电阻和/或电感改变。图2A和2B分别是一个优选实施例的平面图和侧视图，其中电路板14用作测量装置7，其至少具有三个线圈Sp1、Sp2和Sp3，但最好是有四个线圈Sp1、Sp2、Sp3和Sp4。线圈Sp1、Sp2、Sp3和Sp4位于笛卡儿xy坐标系的四个象限内，相对于原点对称。电路板14设置成平面平行，其与支撑面6的距离约为1毫米。线圈Sp1、Sp2、Sp3和Sp4是由电路板的路径或轨迹形成的平面线圈。对准板10面对线圈Sp1、Sp2、Sp3和Sp4的表面9具有金属化或铁磁性的表面。参见图3，线圈Sp1、Sp2、Sp3和Sp4提供根据相应线圈Sp1、Sp2、Sp3和Sp4与对准线板10的距离z的信号S1、S2、S3和S4。线圈Sp1、Sp2、Sp3和Sp4的信号S1、S2、S3和S4应分别理解为已电预处理过的信号。在焊头3调整后，对准板10绕假想轴Y1顺时针转动时，线圈Sp2和Sp3的信号S2和S3分别减弱，而线圈Sp1和Sp4的信号S1和S4分别加强。因而，差值信号S2-S1和S3-S4也减弱。在焊头3的另一次调整后，对准板10绕假想轴x1顺时针转动时，信号S1和S2减弱，而信号S3和S4加强。这种情况下，两差值信号S2-S3和S1-S4减弱。在电路板14完全平坦时，所有线圈具有相同的特征S(z)，其中z表示垂直于xy平面的方向，在对准板10保持与电路板14平面平行时，两个差值信号D1=S2-S1,D2=S2-S3刚好消失。
因电路板14不必取向成以需要的精度平面平行于支撑面6或键合面2(图1)，由于不可避免地制造容差，及因线圈Sp1、Sp2、Sp3和Sp4一般有不同的各自的特征S1(z)、S2(z)、S3(z)和S4(z)，所以不得不至少进行一次校准程序。在此校准程序中，对准板10置于支撑面6上，然后，或者ⅰ)存储差值信号D1cal=S2cal-S1cal和D2cal=S2cal-S3cal，或者ⅱ)平衡信号S1cal和S3cal直到它们的值为S2cal，即直到差值D1和D2消失，即，D1=0,D2=0为止。
在ⅰ)情况下，焊头3的对准紧随其后，根据步骤d)，通过调整焊头3，即保持对准板10自由，直到差值信号D1和D2各自的值为D=D1cal和D2=D2cal。在ⅱ)情况下，通过调整焊头3直到差值信号D1和D2消失，进行焊头3的对准。例如，首先通过交替地在线圈Sp1和Sp2上施加振荡器信号，并显示差值信号D1=S2-S1，使电路工作，以便通过借助螺钉12调整焊头3使差值信号D1消失。然后，在线圈Sp3和Sp2上交替地施加该信号，并显示差值信号D2=S2-S3，以便可以通过螺钉13调整焊头3使差值信号D2消失。
是否每次焊头3对准时都要进行校准程序或偶尔进行校准程序，取决于测量装置7关于例如温度、湿度等的外界影响的稳定性。
对于对准来说三个线圈Sp1、Sp2和Sp3已足够。但为了冗余的缘故，包括第四个线圈Sp4也是有益的。由于邻近设置的线圈Sp1、Sp2和Sp3会彼此影响，优选的工作模式是，在任何时间，只有线圈Sp1、Sp2和Sp3中的一个产生有效的磁场。这种模式例如是时分多路过程。
图3展示了以时分多路方式操作线圈Sp1、Sp2和Sp3的电路。线圈Sp1、Sp2和Sp3安排成平行路径15-17。该电路包括振荡器18、控制装置19和差值形成器20，其输出提供到显示器11。路径15-17的每一条在其输入侧具有一个开关21，在其输出侧具有一个开关22，这些开关可由控制装置19驱动。开关21接振荡器18。路径15-17的每一条的输出都提供到差值形成器20上，电阻器23和电容器24接在开关21之后，其中电容器24与相应的线圈Sp1、Sp2或Sp3并联。线圈和电容器的一个接点接地m，而与电阻器23连接的接点接到探测器25和随后的取样-保持模块26。取样-保持模块26的输出构成该路径的输出。每个取样-保持模块26皆由控制装置19控制，从而获得和存储一个新的值。关于探测器25，例如可以用峰值振幅探测器或同步探测器。差值形成器20例如可以是构形成差分放大器的运算放大器，该运算放大器的反相输入可提供有信号S1或信号S3，该运算放大器的非反相的输入可提供有信号S2，这样，差值信号D1=S2-S1或差值信号D2=S2-S3显示于接于其后的显示器11上。
开关21和22由控制装置19周期性地开关，所以在任何时间只有路径15-17中的一条处于工作状态。图4展示了焊头3利用差值信号D1=S2-S1对准的情况，下列电压U为作为时间t的函数的产物a)振荡器18输出端的电压，b)带有线圈Sp1的路径15的开关21后的电压，c)带有线圈Sp2的路径16的开关21后的电压，d)路径15的探测器25的输入端的电压，e)路径16的探测器25的输入端的电压，f)路径15的探测器25的输出端的电压，g)路径16的探测器25的输出端的电压，h)路径15的取样-保持模块26的输出端的电压，i)路径16的取样-保持模块26的输出端的电压，及j)差值形成器20的输出端的电压。
还展示了控制装置19控制取样-保持模块26以获得新测量值的时间。振荡器18加到平面线圈Sp1-Sp3的频率在约1-10MHz之间，最好为4MHz。电容器24的电容应该是匹配的，以便由电容器24和相应线圈Sp1、Sp2或Sp3形成的谐振电路的谐振频率与振荡器的频率大致相应。振荡器频率最好选为使其值为谐振峰值的上升沿的一半，从线圈Sp1、Sp2或Sp3到振荡器导出的信号的频率较大。由振荡器18产生的信号较好是一方波。还可以用具有合适输出的微处理器代替振荡器18。通过逐步降低振荡器18产生的频率，控制装置19导出三条路径15-17的开关21和22利用其打开和关闭且取样-保持模块26由其控制的频率。
有利的是电路元件直接安装在电路板14的下侧，从而极大地增加对于来自外部影响干扰的容差。
图5展示了一种光学系统用作测量装置17的实施例。这种情况下，对准板10的表面9为一具良好光学反射性的表面，例如镜面。此光学系统具有光源30、半透明镜31、透镜32和光电探测器33。光源30和光电探测器33位于透镜32的焦点f或焦面上。因为透镜32的缘故，点光源30发出的光34作为平面波35入射到对准板10的表面9上，并在此至少部分被半透明镜31反射到光电探测器33上，透镜32将反射的平行光36聚焦回到光电探测器33上。较好是用光敏元件的两维阵列作为光电探测器33，例如CCD(电荷耦合器件)或PSD(光敏器件)。普通屏37可以用作显示光敏元件提供的显示信号的显示器11。关于根据该方法的点b)光学系统的校准，改变y1和z方向的光电探测器的位置，直到对应于反射光束36的光斑出现在屏37的中心。方向y1垂直于附图的表面。关于根据该方法的点d)的对准，调整焊头3，直到对应于反射光束36的光斑出现在屏37的中心为止。
所述用于对准管芯键合机1的焊头3的装置可与管芯键合机1集成为一体，或作为附件提供，这样便可将现有的管芯键合机翻新。在后一种情况下，在可以进行焊头的对准之前，支撑面6必须取向成与键合面2平面平行。
应该理解，尽管以上对本发明作了具体的说明，但在不背离本发明精神实质和范围的情况下，可以作出各种改形/附加和/或替换。
权利要求
1．用于将半导体芯片或电子元件安装于载体的键合面上的键合机或拾放机，包括平行于键合面的支撑面；对准板；设计成根据所说对准板的位置至少产生一个信号的测量装置；设计成抓住所说对准板，并将所说对准板自由保持在所说测量装置之上一小段距离的焊头；所说焊头还设计成进行位置调整，直到由所说测量装置产生的所说至少一个信号等于参考信号为止。
2．如权利要求1所述的键合机或拾放机，其中所说参考信号是由所说测量装置产生的，并在所说对准板位于所说支撑面上时被存储起来。
3．如权利要求1所述的键合机或拾放机，其中所说对准板具有金属化或铁磁性的表面，所说测量装置至少具有设置在大致平行于所说支撑面的平面内的三个线圈，所说线圈根据所说对准板的位置提供各信号，所说线圈的所说信号用于产生测量装置的所说至少一个信号。
4．如权利要求2所述的键合机或拾放机，其中所说对准板具有金属化或铁磁性的表面，所说测量装置至少具有设置在大致平行于所说支撑面的平面内的三个线圈，所说线圈根据所说对准板的位置提供各信号，所说线圈的所说信号用于产生测量装置的所说至少一个信号。
5．如权利要求3所述的键合机或拾放机，其中测量装置的所说至少一个信号为所说至少三个线圈提供的两信号间的差值。
6．如权利要求4所述的键合机或拾放机，其中测量装置的所说至少一个信号为所说至少三个线圈提供的两信号间的差值。
7．如权利要求3所述的键合机或拾放机，其中所说至少三个线圈以时分多路的方式工作。
8．如权利要求4所述的键合机或拾放机，其中所说至少三个线圈以时分多路的方式工作。
9．如权利要求5所述的键合机或拾放机，其中所说至少三个线圈以时分多路的方式工作。
10．如权利要求6所述的键合机或拾放机，其中所说至少三个线圈以时分多路的方式工作。
11．如权利要求1所述的键合机或拾放机，其中所说对准板具有光学反射面，所说的测量装置是一光学系统，设置成用平行光束照明所说对准板。
12．如权利要求2所述的键合机或拾放机，其中所说对准板具有光学反射面，所说的测量装置是一光学系统，设置成用平行光束照明所说对准板。
13．用于对准键合机或拾放机的焊头的装置，其中键合机或拾放机将半导体芯片或电子元件安装于载体的键合面上，所说装置包括构形成平行于所说键合面的支撑面；对准板；设计成根据所说对准板的位置至少产生一个信号的测量装置。
14．如权利要求13所述的装置，其中所说对准板具有金属化或铁磁性的表面，所说测量装置至少具有设置在大致平行于所说支撑面的平面内的三个线圈，所说线圈根据所说对准板的位置提供各信号，所说线圈的所说信号用于产生测量装置的所说至少一个信号。
15．如权利要求13所述的装置，其中所说对准板具有光学反射面，所说的测量装置是一光学系统，设置成用平行光束照明所说对准板。
16．对准键合机或拾放机的焊头的方法，其中键合机或拾放机将半导体芯片或电子元件安装于载体的键合面上，所说方法包括抓住对准板，并将所说对准板自由保持在测量装置之上一小段距离；及调整所说焊头的位置，直到由所说测量装置产生的至少一个信号等于参考信号为止。
17．如权利要求16所述的方法，还包括以下步骤，将所说对准板设置于平行于所说键合面延伸的支撑面上，并存储由所说测量装置产生的信号，作为参考信号。
18．如权利要求16所述的方法，其中所说对准板具有金属化或铁磁性的表面，所说测量装置至少具有设置在大致平行于所说支撑面的平面内的三个线圈，所说线圈根据所说对准板的位置提供各信号，所说线圈的所说信号用于产生测量装置的所说至少一个信号。
19．如权利要求17所述的方法，其中所说对准板具有金属化或铁磁性的表面，所说测量装置至少具有设置在大致平行于所说支撑面的平面内的三个线圈，所说线圈根据所说对准板的位置提供各信号，所说线圈的所说信号用于产生测量装置的所说至少一个信号。
20．如权利要求16或17所述的方法，其中所说对准板具有光学反射面，所说的测量装置是一光学系统，设置成用平行光束照明所说对准板。
全文摘要
对准键合机特别是管芯键合机(1)或拾放机的焊头(3)的方法,包括:a)在支撑面(6)上设置具有两平行表面(8,9)的对准板(10),支撑面平行于键合面(2),在键合面上,半导体芯片将键合于载体材料上;b)校准测量装置(7),测量装置的信号取决于对准板(10)的位置;c)用键合机的焊头(3)抓住对准板(10),自由保持于测量装置(7)之上一小段距离;d)对准焊头(3),直到来自测量装置(7)的信号等于步骤b)后的信号。还提供了适于实施该方法的装置。
文档编号H01L21/00GK1216858SQ9812367
公开日1999年5月19日 申请日期1998年10月30日 优先权日1997年10月30日
发明者托马斯·根舍, 马西阿斯·克里格, 约根·曼哈特, 阿劳斯·乌里奇 申请人:Esec公司