校准引线接合器的方法

专利名称：校准引线接合器的方法
技术领域：
本发明涉及用于校准在权利要求1的前序中所述类型的引线接合器(Wire Bonder)的方法。
背景技术：
引线接合器是一种机器，通过该引线接合器，将引线连接到已经安装在衬底上的半导体芯片上。引线接合器具有固定到机臂(horn)尖端的毛细管。该毛细管用来将引线固定到半导体芯片上的连接点以及固定到衬底上的连接点，并且引导该两个连接点间的引线。在实现半导体芯片上的连接点和衬底上的连接点间的引线连接时，首先将从毛细管伸出的引线端熔入一球中。然后，通过压力以及超声波，将该引线球固定到半导体芯片上的连接点。这样做时，从超声换能器将超声波应用到机臂。该过程被称为球形焊接。然后将引线拉到所需的长度，组成线环并焊接到衬底上的连接点。该后面的过程被称为楔形焊接。在将引线固定到衬底上的连接点后，扯下引线并可以开始下一焊接周期。
球形焊接受各种因素的影响。为实现预定质量的焊接连接，对特定的过程必须确定几个物理和/或技术参数的适当值。这种参数的例子是结合力，即在焊接过程中毛细管加在球上或半导体芯片的连接点上的力，或施加到机臂的超声换能器的交流电振幅。
半导体芯片上的连接点间的距离(本技术领域中称为“步距(pitch)”)正变得越来越小。当今，在微步距(Fine Pitch)领域中已经趋向仅50μm的步距。这意味毛细管在其尖端的区域中尺寸也正在变得越来越小，以便毛细管不与已经焊接的引线接触。由于毛细管尖端的尺寸越来越小，在毛细管的机械特性上不可避免的制造公差的影响变得更大。由于焊接，毛细管磨损以致于必须不时地用新的毛细管来替换。当今，为在每次毛细管改变时实现甚至在微步距领域中可靠的焊接结果而不必经过费时的工作来重新校准引线接合器，要根据严格的几何标准选择毛细管。

发明内容
本发明的目的是开发一种用于校准引线接合器的方法，其保证在大规模生产中，在毛细管改变前后用相同的处理条件用引线连接半导体芯片。
在大规模生产中规定的另一任务是将在一个引线接合器上发现的最佳参数传送到另一引线接合器上。本发明也将提供用于该任务的解决方案，并支持用简单和粗略的方式从引线接合器传送到引线接合器的方法。
所述的任务用在权利要求1、3和5中限定的特征来解决。
每个引线接合器具有固定到机臂的毛细管。通过超声换能器将超声波施加到机臂，由此通过参数P控制超声换能器。参数P最好是流过超声换能器的电流。然而参数P也可是施加到超声换能器的交流电压的振幅或功率或控制超声换能器的另一参量。
通常，当毛细管改变时，由于每个毛细管具有稍微不同的特性而且也以略为不同的方式固定到机臂上，因此毛细管尖端的振动特性改变。所述任务企图达到的目的之要点是测量毛细管或由机臂和毛细管形成的振动系统的基本影响参数，该基本影响参数对焊接过程具有基本的影响，以及根据新毛细管的机械特性，在毛细管改变后使用获得的知识复位相关引线接合器的焊接参数，并且在此之后，仅用新毛细管开始生产。
本发明基于这样一种认识，即毛细管尖的机械特性对毛细管施加在球形焊接上的超声波力具有很强的影响。因为在它的尖端区域中毛细管的尺寸正变得越来越小，不可避免的制造公差也导致毛细管和毛细管之间刚性的变化日益增加。本发明对如何补偿在刚性中的变化提供了解决方案。
在焊接期间，预先定义施加到毛细管的结合力。因此毛细管尖沿垂直方向压在固定于毛细管和衬底的连接点间的球形焊接上。当将超声波应用到机臂时，则在机臂和毛细管中形成稳定的超声波。因为将毛细管压在球形焊接上，故它的尖端不能自由地振动。因此毛细管尖将沿水平方向的力，即所谓的切向力FT施加在球形焊接上。该切向力FT是与毛细管尖有关的机臂尖的偏转AH(t)的函数，在此参数t表示时间。切向力FT(t)是交变力，FT(t)＝FT0*cos(ωt))，其随着超声波的频率ω振动。
相对于毛细管尖，在毛细管的固定点上的机臂的振动的振幅AH通常在0.1-4μm的范围内，因此相对于通常为11毫米的毛细管的长度来说是很小的。相对于毛细管的最细部分的长度，即毛细管尖的尖端，振幅AH也是很小的。因此，毛细管具有几乎象弹簧那样的属性，即切向力FT(t)的振幅FT0与相对于毛细管尖的毛细管的固定点处的机臂的振动的振幅AH极近似地成比例FT0＝k*AH(1)其中参量k表示取决于毛细管的机械特性的常数。该常数k是毛细管的抗弯强度的度量。因此切向力的大小FT0基本取决于两个参量，即由超声换能器控制的振幅AH和毛细管的抗弯强度。
现在所述任务的解决方案的要点是确定每个毛细管的抗弯强度，并且在每个毛细管改变时，采用控制超声换能器的参数P来确定毛细管的抗弯强度以便由各个毛细管施加在球形焊接上的切向力在毛细管改变前后同样大。
当准备焊接新产品时，必须首先确定各种参数，如结合力、用于控制超声换能器的参数P等等的最佳值。接着，解释在毛细管改变后如何复位用于控制超声换能器的参数P。参数P例如是施加于超声换能器的交流电I的振幅I0。在振幅AH和交流电的振幅I0间存在如下线性关系AH＝a*I0，其中参量α是例如能通过根据欧洲专利EP498936中给出的方法的校准确定的引线接合器的相关常数。在机臂中的毛细管的固定对参量AH没有或仅有很小影响的前提下，切向力的振幅FT0因此由下式产生FTO＝k*AH＝k*α*IO(2)除机臂中毛细管固定的影响外，由引线接合器产生的切向力FT的大小因此在从第一毛细管向第二毛细管的变化前后是相同的，对第一毛细管，其抗弯强度由值k1表征，对第二毛细管，当通过以下值在毛细管改变后操作引线接合器时，其抗弯强度由值k2表征。
P2＝I0，2＝k1/k2*I0，1＝k1/k2*P1(3)因为，通过这种校正，仅处理关系k1/k2，当抗弯强度不是绝对量而已知是比例常量时这是足够的。
从等式(1)可以看出，除各个毛细管的抗弯强度外，相对于毛细管尖的毛细管的固定点处的机臂的振动振幅AH也影响施加到球形焊接上的切向力。为了也校正各个毛细管在机臂上固定的影响，以及毛细管与毛细管之间不同的从毛细管尖到机臂上的固定点的距离L，最好也根据振幅AH校正流过超声换能器的交流电的振幅。因此在这种情况下，一方面，对第一毛细管确定抗弯强度k1，另一方面，相对于第一毛细管尖测量机臂振动的振幅AH1。类似地，对第二毛细管，确定抗弯强度k2以及相应的振幅AH2。在毛细管改变后，通过以下公式给出参数P2。
P2＝I0，2＝k1/k2*AH1/AH2*I0，1＝k1/k2*AH1/AH2*P1(4)然后将该参数P2应用到超声换能器。因为在焊接过程中，球形焊接开始相对快地在连接点上来回滑动，因此在焊接过程中测量振幅AH相对来说比较困难。然而，已经表明，可使用在机臂上固定点下的区域中的毛细管的振动的振幅AC或毛细管尖的振幅AS来代替振幅AH，同时毛细管在大气中自由振动。对参数P2，于是可得出P2＝k1/k2*Ac1/Ac2*P1或(5)P2＝k1/k2*AS1/AS2*P1(6)其中参量AC1和AS1表示毛细管改变前相应的振幅，参量AC2和AS2表示毛细管改变后相应的振幅。当然通过在相同位置的毛细管测量这些振幅是很重要的。可从欧洲专利EP498936和日本专利申请JP10-209199了解测量自由振动的毛细管的振幅的方法。然而，这些文献假定毛细管的振动与机臂的纵向方向平行。然而，并不总是这种情况与纵向方向垂直的水平方向中的毛细管的振动的振幅是与机臂的纵向方向平行的毛细管的振动的振幅的30％。因此，通过这种测量一定注意到测量的是毛细管的振动的实际振幅而并不仅是它的一个分量。
当振幅AH1、AC1或AS1中的一个被测量为振幅A(W1)时，本发明也能用于从第一引线接合器W1到第二引线接合器W2的传送方法。如上所述，确定所使用的毛细管的抗弯强度k1和k2。另外，对第一引线接合器W1，当将参数P的预定值P0应用到超声换能器时确定毛细管的振幅A(W1)。值P(W1)表示通过启动焊接过程应用到第一引线接合器W1的超声换能器的参数P的值。对第二引线接合器W2，当将参数P的值P0应用到第二引线接合器的超声换能器时，将相应的振幅AH2、AC2或AS2确定为毛细管的振幅A(W2)。然后利用由公式P(W2)＝k1/k2*A(W1)/A(W2)*P(W1)给出的参数P的值P(W2)操作第二引线接合器W2。对于建立焊接处理，P(W1)表示应用到第一引线接合器W1的超声换能器的参数P的值。
已经表明，另外的几何参量，即在尖端区域引导引线的毛细管的纵向钻孔的直径也影响切向力。由于对本发明来说无关的理由，毛细管的纵向钻孔在出口处加宽的下部区域中具有恒定的直径H。因为当焊接时，仅使位于纵向钻孔外的球形焊接部分变形而位于内部的部分不变形，球形焊接的变形部分随纵向钻孔直径H的增加而减小。因此，在毛细管改变后，对将参数P2应用到超声换能器很有利，参数P2是通过下述公式给出的P2＝k1/k2*A1/A2*H12/H22*P1，(7)其中k1表示抗弯强度，A1为上述的自由振动的毛细管的振幅AH1、AC1或AS1中的一个，H1是毛细管改变前的毛细管的纵向钻孔的直径，k2，A2以及H2是毛细管改变后毛细管的相应参数。
上述解释的较正因数已经在实际中得到证明。然而，也有这种情况，即较正因数具有更通用的相关性以便将参数P2应用到超声换能器，参数P2是根据模型由下述公式给出的P2＝g(k1，k2)*P1(8)或P2＝g(k1，k2，A1，A2)*P1(9)或P2＝g(k1，k2，A1，A2，H1，H2)*P1(10)在下文中，根据附图描述不同的方法，利用这些方法，通过测量确定或基于毛细管的单个测量几何数据和材料参数用数学方法确定抗弯强度或抗弯强度的估计值。


图中示出了图1，2 集成到包含压敏电阻元件的半导体芯片中的传感器；图3四个压敏电阻元件的电路；图4另一个压敏电阻传感器；以及图5毛细管的剖面图。
具体实施例方式
通过测量确定抗弯强度的一种可能性包含在于，在应用具有压敏电阻传感器的超声波时测量由毛细管产生的切向力。可从2001年6月10日至14在慕尼黑的会议“Tranducer’01 Eurosensors XV”的会议记录中出版的文章“Analysis of ultrasonic wire bonding by in-situpiezoresistive microsensors”了解适用于该目的的压敏电阻传感器。
图1和图2示出了集成到半导体芯片中的传感器1的平面图和剖面图，该半导体芯片包含电连接到惠斯通电桥的四个压敏电阻元件2-5。传感器1的输出信号相应于惠斯通电桥的输出信号。传感器1最好由在一个表面7中的n掺杂硅6组成，其中嵌入在该表面上的压敏电阻元件2至5作为p掺杂硅的方波形电阻通路。用常规的钝化层8覆盖传感器1的表面7。压敏电阻元件2至5排列在例如方形接触区9外部，在方形接触区中，在校准超声功率时，引线接合器的毛细管10的尖端压在半导体芯片上。在理想情况下，用虚线圆环10′表示将毛细管10的尖端压在传感器1上的区域。在图1中，用x和y标记笛卡尔系统坐标轴。x轴最好与硅晶体的一个轴[110]平行。从x方向上看，在x方向中的压敏电阻元件2至5的方波形的通路排列在接触区9的左和右外侧。它们用来检测由剪切力Fx引起的机械应力，该剪切力是当使用超声波时，在x方向中由传感器1中的毛细管10导致的。为了测量，应当相对于引线接合器定向传感器1，以便毛细管10的振动的方向尽可能与x方向平行。
图3表示由四个压敏电阻元件2至5形成的惠斯通电桥的电路图。四个压敏电阻元件2至5经由铝制的普通印制引线连接。惠斯通电桥最好由具有电压U的恒定电源供电。因此，惠斯通电桥的输出电压Uout＝V1-V2为Uout=R2R4-R3R5(R3+R4)*(R2+R5)U---(11)]]>其中R2至R5表示压敏电阻元件2至5的欧姆电阻。
现在根据下述方法，通过引线接合器确定毛细管的抗弯强度1、将没有引线或没有引线球的毛细管放在传感器1的接触区9上。应当尽可能将毛细管放在接触区9的中央。
2、将足够大以便在下一步骤3中毛细管不会在传感器1的表面上来回滑动的结合力Fc施加到毛细管。1N的结合力已经证明很有效。
3、将参数P的预定值，例如与正在运行的生产过程一起使用的值应用到超声换能器。现在必须等待直到完成初始响应并且实现稳定状态。该稳定状态的特征在于，传感器信号Uout(t)的振幅U0不再改变。将振幅U0用作参考值URefURef＝U0(12)4、从传感器1抬起毛细管，并且当毛细管在大气中自由振动时，将先前描述的振幅AC或AS中的一个确定为振幅A。
5、然后按以下公式计算毛细管的抗弯强度kk＝URef/A(13)因此，通过该方法，假定由毛细管施加在球形焊接上的切向力与通过传感器1测量的剪切力成比例。然而，通过该方法确定的毛细管抗弯强度的值k不将毛细管的抗弯强度表征为绝对值而仅是相对值，即为比例常量。也可以说用为抗弯强度确定的估计值代替用于抗弯强度的精确值。术语“估计值”的意思是不仅抗弯强度的值不是绝对精确的，而且该估计值已知为比例常量。
图4表示传感器1的平面图，通过该传感器，可确定参考值URef，而传感器1不必相对于毛细管的振动方向对准。传感器1包含四个压敏电阻元件2至5，用于测量在x方向中产生的剪切力Fx，以及四个压敏电阻元件11至14，用于测量在y方向产生的剪切力Fy。将四个压敏电阻元件2至5电连接作为第一惠斯通电桥，该第一惠斯通电桥的输出信号用Uout，x(t)表示。将四个压敏电阻元件11至14电连接作为第二惠斯通电桥，该第二惠斯通电桥的输出信号用Uout，y(t)表示。通过该传感器1，可确定参考参量URef，而不必对准毛细管10的振动方向而使其与传感器1的x方向平行。一旦完成初始响应以及实现稳定的状态，由输出信号Uout，x(t)和Uout，y(t)的振幅U0，x和U0，y确定参考参量URefURef=U0,x2+U0,y2---(14)]]>接触区9的尺寸通常总为80μm*80μm，而毛细管10的尖端的直径约为50μm至150μm。
输出信号Uout，x(t)和Uout，y(t)的振幅取决于毛细管10压在接触区9上的位置。因此，为增加校准的精确性，建议将毛细管10放在接触区9的不同位置上，并基于在这些位置上获得的测量值确定参考参量URef以及校正因数γ，如下在图4中，示意性地示出了毛细管10的中间放置点15，对每个放置点赋予一对坐标(xi，k，yi，k)，由此在该例子中，符号i和k中的每个接受五个不同值。两个放置点15间的距离通常为5μm至10μm。根据上述一个方法测量的振幅U0，x(xi，k，yi，k)(如果必要的话U0，y(xi，k，yi，k))中的每个形成具有鞍状(saddle)的区域。现在，用数学方法确定函数U0，x的鞍状(xS，x，yS，x)的坐标和值U0，x(xS，x，yS，x)(如果必要的话，函数U0，x的鞍状(xS，y，yS，y)的坐标和值U0，y(xS，y，yS，y))，最后根据等式(12)和(14)计算参考值URef。
不同的可能性在于，通过在考虑毛细管材料参数情况下的模拟程序来测量用于毛细管的抗弯强度的几何相关数据并从这些值计算抗弯强度或抗弯强度估计值，这些材料参数诸如有弹性模量、密度、在用于焊接的超声波频率下的毛细管材料的内部摩擦的阻尼系数。在下文中，解释使用如图5中所示的毛细管的例子如何确定用于毛细管的抗弯强度的估计值。
图5示出了毛细管10的剖面图，将毛细管10固定在引线接合器的机臂16中。将超声波从超声换能器17施加到机臂16中。通常，超声换能器17由压电陶瓷组成。超声换能器17最好施加有I＝I0*cos(ωt)的交流电，其频率ω与由毛细管和机臂形成的振动系统的固有频率一致，使其振幅I0适合于焊接过程。
在该图中，L表示毛细管的尖端18到机臂上的固定点的距离，该距离一个固定点一个固定点地通常变化达100μm。
为接受未示出的焊线，毛细管10包括具有朝出口逐渐变细的纵向钻孔20的长方形体19。如图所示，长方形体19在一个或两个级21和22中朝毛细管10的尖端18逐渐变细。因此，长方形体19包括轴23和两个逐渐变细的级21和22。在现有技术中，第二级22通常称为“瓶颈”。毛细管10的壁厚在瓶颈区中是最小的，这就是为什么在瓶颈区的毛细管10的几何形状的变动对抗弯强度的影响最强的原因。在外部尺寸中的变化因此比纵向钻孔20的内部直径中的变化对抗弯强度的影响大得多。因此当仅考虑瓶颈的外部尺寸时，已经确定毛细管10的抗弯强度的相对好的估计值。另外，在许多情况下假定相对于其纵向轴24毛细管10轴对称被证明对用于确定抗弯强度是合理且足够准确。
在该例子中，假定瓶颈的外部几何形状是轴对称并且是梯形的。那么它的特征是具有三个长度a、b和c。用合适的测量方法，如光学方法来确定三个长度a、b和c。可将轴23以及第一梯形级21的几何形状假定为不变，因为在这两个部分中的变动对抗弯强度的影响是微不足道的。纵向钻孔20的几何形状也可假定为常数，因为其对抗弯强度的影响远低于外部几何形状的影响。
通过力F定义抗弯强度kB，力F是必须的以便将毛细管10的尖端18在垂直于其纵向轴24、表示为x方向的方向中偏转一预定距离x0，x0通常为1至2μmF＝-kB*xO距离x0与相对于毛细管10的尖端的毛细管10的固定点处机臂16的振动的振幅对应。
在考虑到毛细管10的材料参数的情况下确定抗弯强度kB，该材料参数诸如为弹性模量E、密度p以及焊接过程中使用的超声波频率下的毛细管材料的内部摩擦的阻尼系数γ(ω)。这是通过例如根据有限元方法工作的模拟程序来完成的，该有限元方法至少考虑第二梯形级22，即瓶颈的外部几何形状(在该例子中，在剖面图中将毛细管的第二梯形级22假定成轴对称并具有梯形横截面)，即三个几何参数a、b和c以及材料参数，诸如弹性模量E、密度p以及阻尼系数γ(ω)。将纵向钻孔20的几何形状假定为常数。将其在毛细管10的尖端18的出口的几何形状假定为常数或对每个毛细管10单独测量，并在模拟中考虑进去。
在模拟程序的帮助下确定估计值k时，最好考虑到第一梯形级21和轴23的几何形状，然而，通常将这些几何形状假定为不变，因为这些部分比第二梯形级22硬得多。用这种方式确定的用于抗弯强度kB的值不表示实际的抗弯强度而是估计值k。
对这种模拟，最好使用动态模型，其中激励边界25在x方向中振动。另外，最好也考虑到由边界25的偏转导致的转矩。然而，也可能使用静态模型，通过该模型，使边界25在x方向中以在x方向中通常为2μm的距离偏转。通过静态和动态模型计算在毛细管的尖端18处在x方向中产生的力。因此该模拟考虑到从其尖端到用边界25表示的机臂16上的固定点的毛细管的机械特性。
也能在市场上获得具有不同几何形状的毛细管。在这种情况下，对于通过模拟程序用数学方法确定抗弯强度来说，必须通过适当的参数来描述毛细管的尖端的几何形状，这些参数是对每个毛细管进行模拟所测量的。
从图5中可以看出，在第二梯形级22的下部区域中，毛细管10的纵向钻孔20具有在出口处加宽的恒定的直径H，至于加宽的原因与本发明无关。当单个地确定用于每个毛细管的直径H时，能在毛细管改变后根据如上所述的等式(7)改变超声波参数P。
权利要求
1.用于在从第一毛细管向第二毛细管改变后校准引线接合器的方法，其中将第一或第二毛细管固定到机臂的尖端，将超声波从超声换能器施加到该机臂上，其中在用第一毛细管操作时，用参数P的值P1控制超声换能器，在用第二毛细管操作时，用参数P的值P2控制超声换能器，其特征在于确定用于第一毛细管的抗弯强度的估计值k1，并确定用于第二毛细管的抗弯强度的估计值k2，以及将值P2设置成P2＝g(k1，k2)*P1，其中g(k1，k2)是两个估计值k1和k2的预定函数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于函数g(k1，k2)是由g(k1，k2)＝k1/k2给出的。
3.用于在从第一毛细管向第二毛细管改变后校准引线接合器的方法，其中将第一或第二毛细管固定到机臂的尖端，将超声波从超声换能器施加到该机臂上，其中在用第一毛细管操作时，用参数P的值P1控制超声换能器，在用第二毛细管操作时，用参数P的值P2控制超声换能器，其特征在于确定用于第一毛细管的抗弯强度的估计值k1，确定用于第二毛细管的抗弯强度的估计值k2，当将参数P的预定值P0应用到超声换能器时，确定第一毛细管的尖端的振动的振幅A1，当将参数P的预定值P0应用到超声换能器时，确定第二毛细管的尖端的振动的振幅A2，以及将值P2设置成P2＝g(k1，k2，A1，A2)*P1，其中g(k1，k2，A1，A2)是两个估计值k1和k2及其测量的振幅A1和A2的预定函数。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于函数g(k1，k2，A1，A2)是由g(k1，k2，A1，A2)＝k1/k2*A1/A2给出的。
5.用于在从第一毛细管向第二毛细管改变后校准引线接合器的方法，其中将第一或第二毛细管固定到机臂的尖端，将超声波从超声换能器施加到该机臂上，其中在用第一毛细管操作时，用参数P的值P1控制超声换能器，在用第二毛细管操作时，用参数P的值P2控制超声换能器，其中第一和第二毛细管具有纵向钻孔，朝向出口的该纵向钻孔的一端在一定距离上具有恒定直径H1或H2，其特征在于确定用于第一毛细管的抗弯强度的估计值k1，确定用于第二毛细管的抗弯强度的估计值k2，当将参数P的预定值P0应用到超声换能器时，确定第一毛细管的尖端的振动的振幅A1，当将参数P的预定值P0应用到超声换能器时，确定第二毛细管的尖端的振动的振幅A2，测量第一毛细管的直径H1和第二毛细管的直径H2，以及将值P2设置成P2＝g(k1，k2，A1，A2，H1，H2)*P1，其中g(k1，k2，A1，A2，H1，H2)是两个估计值k1和k2、测量的振幅A1和A2以及测量的直径H1和H2的预定函数。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于函数g(k1，k2，A1，A2，H1，H2)是由g(k1，k2，A1，A2，H1，H2)＝k1/k2*A1/A2*H12/H22给出的。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于至少测量各个毛细管的尖端的外部几何形状以用于确定估计值k1和k2。
8.如权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于借助于压敏电阻传感器确定估计值k1和k2。
全文摘要
在通过引线接合器进行引线焊接时，为了在毛细管改变后实现最佳焊接结果，建议在从第一毛细管向第二毛细管改变后利用参数P
文档编号B23K20/10GK1435870SQ03102339
公开日2003年8月13日 申请日期2003年1月30日 优先权日2002年2月1日
发明者迈克尔·梅耶, 马丁·梅尔泽 申请人:Esec贸易公司