CN101026111A - 导线键合的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电子元件的导线键合方法和装置，使得PR处理和导线键合大体同时进行成为可能。该装置包括有：键合头，其装载键合工具以进行导线键合；旋转马达，其和该键合头相耦接，该旋转马达被设置来改变键合工具相对于待键合的电子元件的角定向；第一载体和第二载体，其用于分别装配电子元件进行导线键合；以及第一光学系统，其被布置和设置来观察在第一载体上装配的电子元件上的键合点，此时键合工具设置于在第二载体上装配的电子元件的上方以进行导线键合。

Description

导线键合的方法和装置
技术领域
本发明涉及导线键合装置，特别是涉及通过电子元件的视觉检查确定导线键合点之后，在电子元件之间完成导线连接的导线键合装置。
背景技术
在半导体封装工业中使用导线键合来完成电子元件之间，如晶粒和其上贴装晶粒的衬底之间或者晶粒和另一个晶粒之间的电性连接。通常，这种导线键合装置被分成两种类型：球形键合(ball bonding)装置，其中在待键合的导线端部形成有焊球；楔形导线键合(wedgewire bonding)装置，其中在导线键合时导线发生变形。楔形导线键合装置充分利用了楔形形状的键合工具。
球形键合装置仅仅要求键合头在沿着X、Y、Z方向的三个轴线上移动。但是对于楔形导线键合装置而言，键合头和电子元件同样必须通过围绕Z方向旋转来相对于彼此定位。例如，如果在两处位置导线将被键合，在第一次键合完成以前，导线键合头和电子元件必须相对定位，以便于楔形键合工具和第二次键合的假想位置对齐定位，然后在完成第一次键合之后，沿着X和Y轴线朝向第二次键合位置移动键合头。
因此，在导线键合开始以前，需要模式识别(PR：patternrecognition)以确定键合点和电子元件上各个键合点的相对方位，以便于楔形键合工具在每个键合点能够被正确地定位。这可称之为PR定位或者更通俗地称之为PR处理。
通常使用包括CCD摄像机的光学系统完成PR处理。普遍而言，PR处理和导线键合操作被依次完成，如首先完成PR处理，接着是导线键合。在某些应用中，可能存在多个键合点需要识别，或者可能仅仅存在一些需要被键合的导线，而和导线键合所需时间更长的情形相比，PR处理所花的时间相对于导线键合所花时间将会更加重要。在这种情况下，当必须仍然完成PR处理时，导线键合不会被执行。结果，出现了在PR处理期间产生的瓶颈，并且降低了由整个导线键合工序所实现的单位时间产量(UPH：units per hour)。能够同时着手PR处理和导线键合以提高UPH是有益的。
在现有的导线键合系统中，电子元件，通常为衬底，有时被装配在θ平台(theta-table)的作业固定器(work-holder)上，其接着被装配在定位平台上以在一水平的XY平面如XY平台上定位该作业固定器。该XY平台在XY平面上定位该衬底，而θ平台被用来改变衬底相对于楔形键合工具的角定向(angular orientation)。至少存在两个作业固定器，其中可在一个作业固定器上的衬底上完成PR处理，而同时在另一个作业固定器上完成导线键合。
但是，应用具有θ平台和θ马达的多个旋转作业固定器同时进行PR处理和导线键合操作存在几个问题。一个问题是由于θ马达的有限准确性限制了有效的键合区域。而且，当键合点移动更加远离θ平台的中心时，准确性变得更加依赖于精确地确定键合点之间旋转的有效轴线，虽然唯一正确的旋转是围绕θ平台的中心。当确定键合点的精确位置时，这样引入了更多的错误。
由于有限的键合区域，衬底更加频繁的装载和卸载可能是必要的，这样用于其他工序的空闲时间增加了，并且其反过来直接影响UPH。而且，当装载和卸载的频率增加时，操作员的关注需要更加频繁。
另一个不足是：对于θ平台和摄像机而言硬件修正参数是必要的以完成PR处理。由于需要至少两个θ平台以同时完成PR处理和键合，所以如果使用超过一个以上的摄像机进行PR处理，精确度会降低，因为摄像机和θ平台的每个组合将会具有自己的硬件修正参数设定。失误的可能性被放大。更糟的是，使得两个θ马达能够进行相同的转动是困难的，并且如果两个θ马达不能转动到相同的目标角度，这会导致更高的PR定位失误率和更低的UPH。
在LED器件的情形中，放置位置的变化是普遍的，尤其是对于使用手工的晶粒贴附方法得到LED器件而言。当使用θ平台时，由于精确性有限，LED器件的放置改变可能导致PR定位方面的失误。当使用θ平台时该失误率更高，其是因为在旋转作业固定器进行PR处理并然后进行键合之后，其上放置有衬底的不同θ平台之间的LED的位置中的偏差(discrepancies)被放大。键合位置距θ平台的中心越远，失误将会越高。寻求避免θ平台装配于多个载体上所出现的上述问题是令人期望的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导线键合的装置和方法，以寻求克服前述现有技术中的至少一部分缺点，以便于在能够大体同时完成PR处理和导线键合的时候实现更高的键合精度。
因此，一方面，本发明提供一种电子元件的导线键合装置，该装置包括有：键合头，其装载键合工具以进行导线键合；旋转马达，其和该键合头相藕接，该旋转马达被设置来改变键合工具相对于待键合的电子元件的角定向；第一载体和第二载体，其用于分别装配电子元件进行导线键合；以及第一光学系统，其被布置和设置来观察在第一载体上装配的电子元件上的键合点，此时键合工具设置于在第二载体上装配的电子元件的上方以进行导线键合。
第二方面，本发明提供一种用于电子元件导线键合的方法，该方法包含有以下步骤：分别在第一载体和第二载体上装配电子元件；使用和键合头相耦接的旋转马达，改变键合头的键合工具相对于第一载体上的电子元件的角定向；然后使用键合工具在第一载体上装配的电子元件上进行导线键合，此时使用第一光学系统观察在第二载体上装配的电子元件上的键合点。
参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明的特点限定在权利要求书中。
附图说明
根据本发明所述的用于电子元件导线键合的装置和方法的实例现将参考附图加以描述，其中：
图1是根据本发明较佳实施例所述的导线键合机的侧视示意图。
图2是导线键合机的光学系统、键合头和载体的侧视示意图。
图3是图2中所描述的元件的平面示意图。
图4是表明使用安装于单个的定位平台上的双载体的操作流程示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明较佳实施例所述的导线键合机10的侧视示意图。它通常包括：双载体，由左载体12和右载体14组成；定位平台如XY平台，用于控制双载体12、14的位置；键合头18，用于完成导线键合。该双载体12、14被安装在XY平台16上。
还存在有第一光学系统如左侧光学系统22、第二光学系统如右侧光学系统24和第三光学系统如中央光学系统20。这些光学系统20、22、24最好具有内置的自动聚焦能力和可调的放大。中央光学系统20通常被用作在键合以前观察键合点和监控键合导线的质量，而左侧光学系统22和右侧光学系统24被设置和布置来观察电子元件上的键合点，以进行PR处理。如有必要，中央光学系统20同样也被用作为后备的PR处理设备，例如当键合点的PR定位必须被重新处理的时候，此时边侧光学系统22、24上的PR定位失败了，或者如果边侧光学系统22、24有缺陷了。
图2是导线键合机10的光学系统20、22、24、键合头18和载体12、14的侧视示意图。左载体12和右载体14均安装在XY平台16上。每个载体12、14具有作业固定器26以装配一个或多个以衬底28形式存在的电子元件，例如一个或多个发光器件(LEDs：light-emitting devices)或COB(COB：chip-on-board)器件。键合头18运载包含有变换器30的键合工具，以在每个衬底28上完成导线键合。而且，键合头18沿着Z轴垂直上下移动。一旋转马达例如θ马达和键合头18相耦接，且其被配置来围绕Z轴旋转和改变变换器30相对于衬底28在θ方向上的0角定向。在导线键合工序过程中，键合头18的旋转使得楔形键合工具相对于衬底28被定位。
因此，在单个的导线键合系统中至少两个载体能被合并。当在一个或多个载体上完成键合时，可在另一个载体的衬底上完成PR处理。
图3是图2中所描述的元件的平面示意图。XY平台16在XY平面上移动，并作为驱动器将载体12、14进给到键合头18下方的位置处以进行导线键合，和到左侧光学系统22、右侧光学系统24下方的位置处以进行PR处理。较佳地，单个的XY平台16被用作为安装两个载体12、14以同时移动它们。中央光学系统20通常设置在衬底的上方以监控键合导线在与定位来进行导线键合的电子元件相同的电子元件上的导线键合质量。键合头18被安排来进行Z方向移动和θ方向移动以定位其导线键合工具。该键合头在左侧光学系统22和右侧光学系统24之间和/或之内(in between)较佳地共线(collinearly)设置。使得键合头18转动以相对于放置于载体12、14上的衬底定位变换器30，这避免了将θ平台和θ马达相分离以相对于每个衬底定位变换器30的问题。
图4是表明使用安装于定位平台，如XY平台16上的双载体12、14的操作流程示意图。衬底28被安装在每个载体12、14上。XY平台16首先在左侧光学系统22下方移动定位左载体12，以进行安装于左载体12上的衬底28的PR处理，同时位于键合头18下方的右载体14完成安装于右载体14上的衬底28的导线键合。假设右载体14上的衬底28已经完成了PR处理，以便于键合工具能够根据衬底28上的键合点正确地定位和角定向，以完成导线键合。由于左侧光学系统22被设置和配置来观察安装于左载体上衬底28的键合点，此时变换器30设置在安装于右载体14上衬底28的上方以进行导线键合，所以在固定于左载体12上的衬底28上完成PR处理的时候同时在固定于右载体14的衬底28上完成导线键合。
在PR处理和导线键合分别在这两个衬底28上已经完成以后，XY平台16移动到右侧，其中左载体12然后定位在键合头18的下方进行导线键合，同时右载体14设置于右侧光学系统24的下方。右载体14上的衬底28已经完成导线键合，其被移走。将新的衬底放置于右载体14上以便于在其上可以进行PR处理。
因此，当在右载体14上的衬底28上完成PR处理时，能够在左载体12上的衬底28上完成导线键合。在分别完成导线键合和PR处理之后，XY平台16移动到左侧以便于左载体12现在位于左侧光学系统22的下方，和右载体14位于键合头18的下方以进行导线键合。位于左载体12上已经完成导线键合的衬底28然后被卸载，而新的未被键合的衬底28被放置于左载体12上进行PR处理。相同的惯常步骤被采用于待键合导线的后续衬底28上。
值得注意的是，根据本发明较佳实施例所述的导线键合装置允许非UPH生产性的PR操作和UPH生产性的导线键合操作并行完成。以这种方式，用于键合操作的空闲时间能被减少，而和布置相类似的、具有仅仅一个载体的系统相比本装置的UPH能够大大提高。UPH的增长在应用方面尤其突出，其包括和导线键合时间相比PR处理的时间更突出。
在本发明较佳实施例中，由于在键合头18上本质上仅仅存在一个θ马达相对于衬底28定位键合头18，因此基于载体数目的增加而在键合和定位准确性方面几乎没有冲击。那是因为和安装有θ平台以在键合头18和衬底28之间产生相对旋转的载体的不同，θ旋转产生的错误没有被键合区和θ马达的旋转中心之间的距离所引入。在理论上，藉此键合区能够有效地不受限制。
因此，载体上的LED器件放置上的任何变化，尤其是从手工晶粒分离产生的那些变化，没有被不同θ平台的旋转度的差异所放大。PR定位的成功率不受影响，只要LED位置的变化是在系统可接受的定位范围以内。另一个优点是当其中一个载体有缺陷或者丧失能力的时候，本装置仍然能够在单个载体上完成传统的连续键合操作。
此处描述的本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和/或补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。

Claims (15)

1、一种电子元件的导线键合装置，该装置包括有：
键合头，其装载键合工具以进行导线键合；
旋转马达，其和该键合头相藕接，该旋转马达被设置来改变键合工具相对于待键合的电子元件的角定向；
第一载体和第二载体，其用于分别装配电子元件进行导线键合；以及
第一光学系统，其被布置和设置来观察在第一载体上装配的电子元件上的键合点，此时键合工具设置于在第二载体上装配的电子元件的上方以进行导线键合。
2、如权利要求1所述的导线键合装置，该装置还包含有单个的定位台，该定位台上装配有第一载体和第二载体，以相对于键合头和第一光学系统同时移动第一载体和第二载体。
3、如权利要求1所述的导线键合装置，该装置还包含有第二光学系统，该第二光学系统被布置和设置来观察在第二载体上装配的电子元件上的键合点，此时键合工具设置于在第一载体上装配的电子元件的上方以进行导线键合。
4、如权利要求3所述的导线键合装置，其中，该键合头在第一光学系统和第二光学系统之间和/或之内大体共线设置。
5、如权利要求3所述的导线键合装置，该装置还包含有驱动器来进给第一载体和第二载体，以在第一光学系统和第二光学系统下方的位置与键合工具下方的位置之间移动而完成导线键合。
6、如权利要求1所述的导线键合装置，该装置还包含有第三光学系统，该第三光学系统通常设置在键合头的上方，并被布置和设置来观察电子元件，该电子元件与定位来由键合工具进行导线键合的电子元件相同。
7、一种用于电子元件导线键合的方法，该方法包含有以下步骤：
分别在第一载体和第二载体上装配电子元件；
使用和键合头相耦接的旋转马达，改变键合头的键合工具相对于第一载体上的电子元件的角定向；然后
使用键合工具在第一载体上装配的电子元件上进行导线键合，此时使用第一光学系统观察在第二载体上装配的电子元件上的键合点。
8、如权利要求7所述的用于电子元件导线键合的方法，该方法还包含有下述步骤：
在装配电子元件之后，和根据电子元件上键合点的位置改变键合工具的角定向之前，观察电子元件上的键合点以进行导线键合。
9、如权利要求7所述的用于电子元件导线键合的方法，该方法还包含有下述步骤：
将第一载体移动远离键合工具，并从第一载体上移走已经键合的电子元件；和
在键合工具下移动装配在第二载体上的电子元件，以进行导线键合。
10、如权利要求9所述的用于电子元件导线键合的方法，该方法还包含有下述步骤：
当观察装配在第一载体上的未键合的电子元件的键合点时，在第二载体上进行电子元件的导线键合。
11、如权利要求10所述的用于电子元件导线键合的方法，其中，观察未键合的电子元件的键合点是使用第二光学系统完成的。
12、如权利要求11所述的用于电子元件导线键合的方法，其中，该键合头在第一光学系统和第二光学系统之间和/或之内大体共线设置。
13、如权利要求11所述的用于电子元件导线键合的方法，该方法包含有：将第三光学系统通常地设置于键合头的上方，该第三光学系统被布置和设置来观察电子元件，该电子元件与定位来由键合工具进行导线键合的电子元件相同。
14、如权利要求10所述的用于电子元件导线键合的方法，该方法还包含有下述步骤：
将第二载体移动远离键合工具，并从第二载体上移走已经键合的电子元件；和
在键合工具下移动装配在第一载体上的电子元件，以进行导线键合。
15、如权利要求7所述的用于电子元件导线键合的方法，其中，第一载体和第二载体均装配在单个的定位台上，以相对于键合头和第一光学系统同时移动第一载体和第二载体。
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