CN100440466C - 具有校准设备的引线接合器及方法 - Google Patents

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Abstract

一种引线接合器，其包括能够在水平面中移动的接线头，该接线头具有夹在角状件上的毛细管以及图像识别系统的部件。毛细管的尖端和图像识别系统的光轴分开一个矢量距离D。引线接合器有一个具有主体的设备，该主体有一个光标和两个止动面，它们使矢量距离D在任何时刻都能够被重新校准。引线接合器的控制程序设置为，一方面将毛细管移向第一止动面，并在毛细管接触第一止动面时确定接线头位置的第一坐标xC；然后，将毛细管移向第二止动面，在毛细管接触第二止动面时确定接线头位置的第二坐标yC。而且，控制程序进一步被设置为确定图像识别系统的光轴穿过光标的预定点处的接线头坐标。并且控制程序被设置为用于根据所得到的坐标xA、yA、xC和yC重新校准矢量距离D。

Description

具有校准设备的引线接合器及方法
技术领域
本发明涉及一种引线接合器，该引线接合器具有用于确定毛细管和图像识别系统之间的矢量距离的设备，本发明还涉及其方法。
背景技术
引线接合器是一种装置，半导体芯片在安装在基板上后用该装置接线。引线连接器具有夹在角状件尖端上的毛细管。毛细管用于将引线固定到半导体芯片的连接点和基板的连接点，并在两连接点之间导引该引线。在形成半导体芯片上的连接点和基板上的连接点之间的引线连接时，从毛细管伸出的引线端部首先熔成一个球。然后，引线球以压力或超声波的方式固定在半导体芯片的连接点上。为此，从超声波换能器向角状件施加超声波。此过程被称为球焊。然后该引线被拉到所需要的长度，形成引线回路并焊接到基板上的连接点上。这最后一部分过程称为楔焊。在将引线固定到基板上的连接点后，引线被切下并可以开始新的引线循环。在引线之前，通过图像识别系统来确定连接点的位置，以使得毛细管向下接触到连接点的正确位置。问题在于，在操作中由于热效应，在现有技术中被称作“照相机毛细管偏移”的毛细管和图像识别系统光轴之间的矢量距离D能够以一种不可预知的方式改变。因此，必须连续地检测和调节垂直距离D。
已知有不同的解决方案，以尽可能地消除和至少补偿在毛细管和图像识别系统光轴之间的垂直距离D。
按照第一方案，在图像识别系统的光学元件所连接的臂上，该光学元件确定了光轴的位置，以及在承载毛细管的角状件所连接的臂上安装有温度传感器。使用温度传感器所记录的温度，以计算由热引起的热膨胀，并根据所计算出的膨胀调节矢量距离D。此方法通常具有不令人满意的结果，因为，不是整个材料上的温度分布都已知，而只是温度传感器所在的一两个位置的温度已知。而且，承载光学元件(照相机、面镜、透镜和支架)的平台和毛细管包括多个不再能简单地由一个和多个膨胀系数表示其特征的机械部件。
按照第二方案，用照相机周期性地检查所接合的球的位置。该球的任何所设定位置和实际位置之间的差都对应于照相机毛细管偏移所改变的和所要修正的差。通常，多个球被测量，考虑它们时间加权的差以实现稳定的修正。这种方案的缺点在于，在任何情形下，一个球都必须在照相机毛细管偏移的第一测量和修正之前被接合。如果引线接合器停止一段时间，那么照相机毛细管偏移就可能已改变的十分剧烈，以使得第一球不再完全位于焊盘中。因此当前半导体芯片就成为废品。另外，用照相机对所接合球的测量并不容易。作为该工艺的结果，该球的形状容易有偏离，并总是有个别球的位置被误差测量的危险。
一种用于测量毛细管和照相机光轴之间的矢量距离的光学测量系统见于US 20010011669。这种测量系统需要相对较大的空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量系统，使用该测量系统，能够以一种简单而可靠的方式确定毛细管和图像识别系统的光轴之间的矢量距离。
引线接合器包括可以在水平面内移动的接线头，该接线头具有夹在角状件上的毛细管以及图像识别系统的光学元件。毛细管的尖端和图像识别系统的光轴分开一个矢量距离D。根据本发明，引线接合器有一种设备，该设备有一个具有一个光标和两个止动面的主体，它们使矢量距离D在任何时刻都能够被再次校准。引线接合器的控制程序设置得，一方面将毛细管移向第一止动面，并在毛细管接触第一止动面时立刻确定接线头位置的第一坐标xC；然后，将毛细管移向第二止动面，在毛细管接触第二止动面时立刻确定接线头位置的第二坐标yC。而且，控制程序被设置为确定图像识别系统的光轴穿过光标的预定点处的接线头坐标(xA，yA)。并且，控制程序被设置为根据测得的坐标xA、yA、xC和yC重新校准矢量距离D。
在生产中，为使毛细管能够降到相应连接点的适当位置，总是利用图像识别系统确定接线头所必须占据的那些坐标(x1，y1)，以使图像识别系统的光轴在连接点上穿过所期望的毛细管下探点(touchdownpoint)。通过在坐标(x1，y1)上加一个矢量D＝(dX，dY)而得出接线头为使毛细管尖端压在所期望的下探点上而必须占据的坐标(x2，y2)，其中矢量D表示从毛细管尖端到图像识别系统的光轴的矢量距离：(x2，y2)＝(x1，y1)+(dX，dY)。坐标x和y与测量系统为接线头位置提供的值有关。
为使矢量D在任何时刻都能够得到修正，在毛细管改变后，执行下列步骤：
1.以通常方式确定矢量距离D，例如通过测量由毛细管在基板和半导体芯片上产生的印痕(imprint)，
2.定义一个矢量D0＝D，
3.确定为了使图像识别系统的光轴穿过刚性设置的主体上的光标的预定点，接线头所必须占据的接线头坐标(xA1，yA1)，
4.确定为了使毛细管与主体的两止动面(12、13)相接触，接线头所必须占据的接线头坐标(xC1，yC1)，并且
5.根据R＝(rX，rY)＝(xC1，yC1)-(xA1，yA1)计算参考矢量R，
在引线接合器的生产中，能够通过下述步骤修正矢量距离D：
1.确定为了使图像识别系统的光轴穿过光标的预定点，接线头所必须占据的接线头坐标(xA2，yA2)，
2.确定为了使毛细管与主体的两止动面相接触，接线头所必须占据的接线头1的坐标(xC2，yC2)，
3.根据K＝(kX，kY)＝(xC2，yC2)-(xA2，yA2)计算矢量K，并
4.根据矢量D0和矢量K与R之间的差来修正矢量距离D。
附图说明
下面根据附图更详细的说明了本发明的实施例，这些图并未按照实际比例绘出。在附图中：
图1是一种引线接合器的接线头的平面图，该引线接合器具有毛细管、图像识别系统和用于确定毛细管和图像识别系统的光轴之间的矢量距离的设备，
图2是具有两个止动面的主体的透视图，
图3是PID控制器的方块图，而
图4是具有两个止动面的主体、毛细管以及参考矢量的平面图。
具体实施方式
图1示意性的示出了引线接合器的接线头1的平面图。接线头1包括能够在水平轴线上旋转的摇杆2。角状件4与摇杆2相连接，来自超声波换能器3的超声波能够施加于该角状件上。毛细管5夹在角状件4的尖端。毛细管5用于将引线连接到半导体芯片的连接点上和所分配的基板连接点上，并在这两个连接点之间引导该引线。接线头1使毛细管5的移动能够在两坐标轴x和y之间形成的平面6内进行，而摇杆2使垂直于平面6的移动能够进行。另外，引线连接器具有图像识别系统，其视场与平面6相对齐，并用于测量半导体芯片和基板上的连接点位置。图像识别系统包括照相机7和图像分析系统。图像识别系统具有垂直于平面6的光轴8。在所示例子中，照相机7与接线头1相连接，而其视场与平面6直接对齐。在此例子中，图像识别系统的光轴8与照相机7的光轴重合。然而，必需或期望能够使用例如透镜、面镜、棱镜等的其它光学部件，以导引光路和/或能够改变图像识别系统的视场尺寸。
例如，接线头1在支承于滑动板9上的预加载真空的空气轴承上滑动。这种类型的接线头1见于EP 317787中，其能够利用两个电磁驱动器而沿x或y方向移动。这种类型的另一种接线头1见于CN 1302713中，其具有直线和旋转驱动器，以在平面6中移动毛细管5。然而，也已知的是，利用xy台面来移动接线头1。利用例如光学测量系统这样的测量系统，以一种已知方式获得接线头1在平面6中的位置，即接线头1的xy坐标。
第一和第二电动机为接线头1在平面6中的移动而设置，其中第一电动机受第一控制器控制，而第二电动机受第二控制器控制。在该例中，测量系统包括玻璃或金属标尺和设置于接线头1上的指定读数头。
根据笛卡尔坐标xy的例子说明了本发明。在生产中，为使毛细管5能够下降到相应连接点上的正确位置，接线头1应占据的坐标(x1，y1)总是由图像识别系统确定，以使得图像识别系统的光轴8在连接点上穿过毛细管5所期望的下探点。通过为坐标(x1，y1)加上矢量D＝(dX，dY)而得出为使得毛细管5的尖端压在所期望的下探点上，接线头1所必须占据的坐标(x2，y2)，其中，矢量D表示从毛细管5的尖端到图像识别系统的光轴8的矢量距离：(x2，y2)＝(x1，y1)+(dX，dY)。(坐标x和y与测量系统为接线头1位置所提供的值有关。)
在生产中，矢量距离D能够以一种不可预知的方式变化。因此，重复校准矢量距离D是必要的。由于毛细管5位于图像识别系统的视场之外，因而用图像识别系统不能直接地确定毛细管5的尖端的位置。因此，根据本发明，可以预见一种用于矢量D＝(dX，dY)的检测和重新校准的设备，该设备具有主体10，该主体具有光标11和两个止动面12和13，使用该设备能够确定图像识别系统的光轴8穿过光标11的预定点处的接线头位置的坐标(xA，yA)和毛细管5尖端接触止动面12和13的接线头位置的坐标(xC，yC)。例如，光标11为圆形区域或十字。
图2示出了这样一个主体10的透视平面图。在图2中，也可见主体10相对于xyz坐标系统的对准。第一止动面12平行于x方向对准，第二止动面13平行于y方向对准。在紧邻两个止动面12、13之处有一个沿z向的钻孔14，该钻孔的下端被具有光标11(在图中不可见)的玻璃板15封闭。主体10相对于z高度设置，以使得光标11位于照相机7的焦点的深度。当钻孔14位于图像识别系统的视场中时，则在照相机7(图1)所产生的图片中，能够以足够的清晰度识别光标11。两个止动面12、13优选地沿z向设置于光标11上方足够远处，以使得毛细管5总是在其轴上方区域与止动面12、13相接触，该轴尽可能地紧邻于角状件4上的夹持位置的下方。
毛细管5包括朝向尖端逐渐变细的纵向圆形轴，该轴具有纵向钻孔，引线通过该钻孔被导引。由于对于不同的毛细管，轴的直径能够相差若干微米，因而矢量D0＝(dX，dY)和参考矢量R＝(rX，rY)都必须在每个毛细管改变后被确定。
根据如下步骤以通常所知的方式确定矢量D0：
1.在基板上(或者在半导体芯片上)产生毛细管的印痕，并且，在产生印痕之处确定接线头1位置的坐标(xp，yp)。
2.接线头1移动，直到毛细管5的印痕位于图像识别系统的视场中。然后确定为了使图像识别系统的光轴8穿过该印痕，接线头1所必须占据的接线头1坐标(xv，yv)。
3.矢量D0被定义为D0＝(dX0，dY0)＝(xp，yp)-(xv，yv)，即dX0＝xp-xv和dY0＝yp-yv。
根据如下步骤确定参考矢量R＝(rX，rY)：
1.接线头1移动，直到光标11位于图像识别系统的视场内。光标11处于照相机7所产生的图片中。现在根据照相机7产生的图片而确定接线头1的那些坐标(xA1，yA1)，这些坐标是为了使图像识别系统的光轴8穿过光标11的预定点，优选为其中心，接线头1所必须占据的坐标。
2.接线头1以预定速度沿第一预定方向移动，在沿x方向的例子中，朝向主体10的第一止动面12移动，其中第一控制器控制接线头1的移动。测量系统连续地产生接线头1位置的x坐标的当前实际值。根据第一控制器形成的信号确定时间点t1，毛细管5在该时间点压在第一止动面12上。然后，确定接线头1位置的x坐标的值xC1，接线头1在时间点t1位于该处。
3.接线头1以预定速度沿第二预定方向移动，在沿y方向的例子中，朝向主体10的第二止动面13移动，其中，现在是第二控制器控制接线头1的移动。测量系统连续地产生接线头1位置的y坐标的当前实际值。根据第二控制器形成的信号确定时间点t2，毛细管5在该时间点压在第二止动面13上。然后，确定接线头1位置的y坐标的值yc1，接线头1在时间点t2位于该处。
4.现在计算参考矢量R：
R＝(rX，rY)＝(xC1，yC1)-(xA1，yA1)，即rX＝xC1-xA1和rY＝yC1-yA1。
下面将更详细地说明步骤2的执行。图3示意性地示出了被设计为PID控制器的第一控制器16。第一控制器16具有输入部分17，接线头1的x坐标的当前实际值xI和接线头1的x坐标的当前设定值xS被供给到该输入部分。输入部分17形成差分信号UDiff＝XI-XS，并将其传送给并联连接的比例放大器18，积分器19和微分器20。输出部分21对比例放大器18的输出信号UP、积分器19的U1和微分器20的UD求和，得出第一控制器16的一个输出信号UR，该控制器控制接线头1的x驱动器。差xI-xS或积分器19的输出信号U1特别适于时间点t1的检测，毛细管5在该时间点压在第一止动面12上。差分信号UDiff根据系统偏差而确定。在毛细管5以恒定速度向第一止动面移动时，系统偏差消失。然而，一旦毛细管5与第一止动面12相遇并与其相接触，系统偏差UDiff就增加。积分器19的输出信号U1也增加。这两个信号，即系统偏差UDiff和积分器19的输出信号U1，特别地适于检测时间点t1，毛细管5在该时间点压在第一止动面12上。步骤3类似地进行。
为精确地获得时间点t1(或t2)，最好遵循系统偏差UDiff或输出信号U1的过程，并根据通行的数学和统计方法从信号的过程得出时间点t1(或t2)。
控制程序优选地设置为在系统偏差UDiff或输出信号U1超出预定值时立刻停止接线头1的移动并将接线头1沿相反方向移开。
如果系统偏差UDiff用于获得时间点t1(或t2)，那么保持相对较低的积分器19放大因子是有利的。
主体10由一种具有较高硬度的材料组成，以使得在压在止动面12和13上时，毛细管5受到导致系统偏差UDiff显著变化的较大机械阻力。
图4示出了主体10的两个止动面12和13，毛细管5和根据前述方法得出的参考因子R的平面图。毛细管5与两个止动面12和13相接触。参考矢量R从光标11指向毛细管5中位于毛细管5圆周的对称轴上的一点。
现在能够开始引线接合器的操作，其中，引线接合器的控制程序利用相应于紧接着毛细管改变后的矢量距离的矢量D0，考虑到照相机毛细管偏移量。任何由于温度变化或者其它原因而引起的矢量距离改变都能够以较高的精度测量，并在引线接合器操作中的任何时刻通过重新校准的方式得到考虑。重新校准按下列步骤进行：
1.矢量K以与参考矢量R相同的方式确定。因此，矢量K根据下式得出：
K＝(kX，kY)＝(xC2，yC2)-(xA2，yA2)，即，kX＝xC2-xA2和kY＝yC2-yA2，
从而，根据用于确定参考矢量R的步骤1到3确定坐标xC2、yC2、xA2和yA2。
2.矢量D被矢量R和K的差修正为D＝D0+K-R。此时修正后的矢量D对应于修正后的从毛细管5到图像识别系统的光轴8的当前矢量距离。
主体10必须固定到引线接合器以使该主体不能旋转，因为主体10的旋转将在重新校准中造成误差。而且，主体10必须包括一种其热膨胀系数尽可能低的材料。这种材料例如不胀钢。为尽可能地减少误差，光标11优选地设置得尽可能地靠近止动面12、13。
本发明也能用于如CN 1302713所述的具有转动接线头的引线接合器上。在这种引线接合器中，通过线坐标和角坐标定义了接线头1的位置。以(x＝线坐标，y＝角坐标)形式的坐标定义矢量D0、R和K。第一电机沿预定的水平方向移动接线头1，而第二电动机转动角状件4，而毛细管5在与接线头1一起移动的垂直轴上与接线头1相连接。第一控制器控制第一电动机，而第二控制器控制第二电动机。当第一电动机以预定速度移动接线头1并因而使毛细管5向第一止动面12运动时，那么，第二电动机的控制器将角状件4夹持在预定角位置。一旦毛细管5接触到第一止动面12，角状件4的角坐标也改变。结果，也能使用第二控制器的信号(例如，系统偏差UDiff或积分器19的输出信号U1)来检测毛细管5接触第一止动面12的时间点。
也可能的是，预见到第三和第四止动面，并使用第三和第四止动面确定第二参考矢量R2。然后，在生产中，通过第一和第二止动面确定矢量K而通过第三和第四止动面确定矢量K2。两矢量K2和K的差分矢量K2-K必须总是等于两参考矢量R和R2的差分矢量R2-R。如果不是这种情形，那么就表示有测量误差，或者有另外的误差。
而且，有可能将光标11设置得足够远离两止动面12和13以使得光标11在照相机7的视场中位于如图4所示毛细管5的位置。其优点在于，用于确定矢量R或K的接线头1的行程非常短。缺点在于，主体10的线性变形导致比光标11设置得尽可能接近止动面12和13时更大的误差。

Claims (3)

1.引线接合器，包括：
图像识别系统，
接线头(1)，该接线头可以在水平面中移动，并包括角状件(4)和夹在角状件(4)上的毛细管(5)，以及图像识别系统的至少一个部件，
测量系统，用于获取接线头(1)的位置，
控制程序，用于控制接线头(1)的位置，和
用于确定和修正毛细管(5)尖端和图像识别系统的光轴(8)之间的矢量距离的设备，该设备包括具有一个光标(11)并具有第一止动面(12)和第二止动面(13)的主体(10)，
其特征在于，控制程序被设置为将毛细管(5)移向第一止动面(12)，并在毛细管(5)接触第一止动面(12)时立刻确定接线头(1)的位置的第一坐标；并将毛细管(5)移向第二止动面(13)，在毛细管(5)接触第二止动面(13)时立刻确定接线头(1)的位置的第二坐标，并且其中，控制程序被设置为确定图像识别系统的光轴(8)穿过光标(11)的预定点处的接线头(1)坐标。
2.用于修正引线接合器的毛细管(5)尖端和图像识别系统(7)的光轴(8)之间的矢量距离D的方法，该引线接合器包括可以在水平面中移动并具有毛细管(5)以及图像识别系统的至少一个部件的接线头(1)，其中接线头(1)在平面中的位置由坐标(x，y)定义，其特征在于，在毛细管的改变后执行下列步骤：
-确定矢量距离D，
-定义一个矢量D0＝D，
-确定为了使图像识别系统的光轴(8)穿过在刚性设置于引线接合器上的主体(10)上设置的光标(11)的预定点，接线头(1)所必须占据的接线头(1)坐标(xA1，yA1)，
-确定为了使毛细管(5)与主体(10)的两止动面(12、13)相接触，接线头(1)所必须占据的接线头(1)坐标(xC1，yC1)，并且
-计算参考矢量R，R＝(rX，rY)＝(xC1，yC1)-(xA1，yA1)，
并且其中，为修正矢量距离D，执行下列步骤：
-确定为了使图像识别系统的光轴(8)穿过光标(11)的预定点，接线头(1)所必须占据的接线头(1)坐标(xA2，yA2)，
-确定为了使毛细管(5)与主体(10)的两止动面(12、13)相接触，接线头(1)所必须占据的接线头(1)坐标(xC2，yC2)，
-根据K＝(kX，kY)＝(xC2，yC2)-(xA2，yA2)计算矢量K，并
-用矢量D0和矢量K与R之差来修正矢量距离D。
3.根据权利要求2所述的方法，其中在权利要求2的最后一步中，根据D＝D0+K-R修正矢量D。
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