CN101903116A - 对引线键合机的超声换能器中的恒压源进行校准的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种对恒压模式中的引线键合机的超声换能器中的电压进行校准的方法。所述方法包括：(1)确定与所述超声换能器的操作相关联的阻抗值；以及(2)基于所确定的阻抗值来建立调节的电压电平以用于所述恒压模式中的所述超声换能器。
Description
技术领域
本发明涉及到引线键合机的超声换能器的能量施加，更具体而言，涉及向超声换能器施加恒定电压的改善方法。
背景技术
在处理和封装半导体器件时，引线键合继续成为在封装内的两个位置之间(例如在半导体管芯的管芯焊盘与导线框的导线之间)提供电互连的主要方法。更具体而言，使用引线键合器(也被称为引线键合机)在将电互连的各个位置之间形成引线环。
示例性的传统引线键合序列包括：(1)在从键合工具延伸的引线端部上形成金属熔球(free air ball)；(2)使用所述金属熔球在半导体管芯的管芯焊盘上形成第一键合；(3)在所述管芯焊盘和导线框的导线之间以期望的形状延伸引线的长度；(4)将引线针脚式键合到导线框的导线；(5)切断引线。在(a)引线环的端部与(b)键合位置(例如，管芯焊盘、导线等等)之间形成键合时，可以使用各种类型的键合能量，例如包括超声能量、热超声能量、热压缩能量等等。
本领域的普通技术人员都了解，这些能量源不是按照相互排它的方式施加。例如，热超声能量通常涉及热量(例如来自热量块)和超声能量(例如来自超声换能器)的施加。在结合引线键合使用超声能量时，通常存在两种形式的超声输出控制：恒流控制模式，其中施加到换能器的电流保持恒定(或者保持为预定的电流分布曲线)而可以改变电压；以及恒压控制模式，其中施加到换能器的电压保持恒定(或者保持为预定的电压分布曲线)而可以改变电流。在一些应用中，也使用恒功率模式。
许多早期的引线键合器平台在电流的开环控制中使用恒压模式(即，无论系统的阻抗如何变化，所施加的电压处于恒定电平)。后来的引线键合器平台采用恒流控制模式，其允许更多的闭环控制。即，可以将电流反馈到控制板，从而调节电压以保持期望的电流。
本领域的普通技术人员都了解，恒流控制模式的优点在于其能够在一个引线键合系统/机和另一个引线键合系统/机之间实现“可移植性”(portability)。即，换能器的位移(并且因此劈刀(capillary))与系统的电流成比例。因此，为了对于具有不同阻抗值的系统实现类似的键合结果(例如，球直径、球剪切力等等)，向换能器提供相同电流通常产生可接受的结果。恒流模式的一个缺点在于，在换能器的谐振频率接近键合部件(例如，第一键合管芯焊盘、导线框的第二键合导线)的谐振频率时，系统的阻抗可能明显改变(例如，阻抗会明显增加)。在恒流控制模式中，系统将试图通过改变电压输出(例如，电压将显著增加以导致阻抗的显著增加)调节该阻抗变化。例如，这会导致投入到键合的总体能量的增加，这又可能在键合中产生不一致(例如，在挤压键合上方、第二键合短尾不一致等等)。
相比而言，恒压控制模式在存在谐振问题时期望限制到键合的能量输出，并且因而，键合结果倾向于更加一致。不幸的是，恒压控制模式的缺点是通常缺乏可移植性。由于系统的阻抗不相同(例如，由于换能器的机械差异、换能器与安装结构之间的耦合差异、换能器与劈刀之间的安装差异等等)，系统与系统之间的阻抗能够变化很大(例如一个系统阻抗可以是20欧姆，而另一个系统阻抗可以是50欧姆)。因而，在使用恒压控制模式时，与具有较高阻抗的系统相比，具有较低阻抗的系统将不期望地导致施加到键合的更多能量。
这样，在传统的恒流和恒压控制模式中都存在明显的局限。因而，期望提供向引线键合机的超声换能器施加恒定电压的改善方法。
发明内容
根据本发明的示例性实施例，提供一种对恒压模式中的引线键合机的超声换能器中的电压进行校准的方法。所述方法包括：(1)确定与所述超声换能器的操作相关联的阻抗值；以及(2)基于所确定的阻抗值建立调节的电压电平以用于所述恒压模式中的所述超声换能器。
本发明的方法还可以实施为装置(例如，作为引线键合机的智能的一部分)，或者实施为计算机可读载体(例如，结合引线键合机使用的计算机可读载体)上的计算机程序指令。
根据本发明的另一实施例，提供一种引线键合系统。所述引线键合系统包括超声换能器和控制器。所述控制器用于(1)确定与所述超声换能器的操作相关联的阻抗值，并且(2)基于所确定的阻抗值建立调节的电压电平以用于所述恒压模式中的所述超声换能器。
附图说明
当结合附图阅读下面的详细描述时，能够更好地理解本发明。应该强调，根据通用实践，附图中的各种特征部件不是按照比例绘制。相反地，为了清楚起见，故意放大或者缩小各种特征部件的尺寸。附图中包括如下各图：
图1是根据本发明的示例性实施例的引线键合机的换能器以及相关部件的立体图；
图2是根据本发明的示例性实施例用于理解确定与超声换能器的操作相关联的阻抗值的方法的方框电路图；
图3是根据本发明的示例性实施例用于理解对恒压模式中的引线键合机的超声换能器中的电压进行校准的方法的方框电路图；
图4是根据本发明示例性实施例说明对恒压模式中的引线键合机的超声换能器中的电压进行校准的方法的流程图；
图5是根据本发明示例性实施例说明对恒压模式中的引线键合机的超声换能器中的电压进行校准的另一方法的流程图；以及
图6是根据本发明示例性实施例说明确定与超声换能器的操作相关联的阻抗值的方法的流程图。
具体实施方式
根据本发明的某些示例性实施例，使用恒压控制模式向引线键合系统的超声换能器提供能量。在某些应用中，例如由于恒压模式倾向于对差的导线管脚钳位以及导线管脚谐振条件等其它潜在问题不太敏感，优选恒定电压。为了克服传统恒压控制模式的可移植性问题，可以将超声换能器的阻抗(和/或与超声换能器的操作相关联的阻抗)用来归一化电压的幅度输出。
通过使用这里描述的改善的恒压模式，能够实现多个优点，例如包括在具有易受谐振影响的导线管脚的应用上改善的第二键合，同时仍然保持机器到机器之间的可移植性并且补偿由于磨损和时间效应导致的系统阻抗变化。
如这里所使用的，术语“控制器”旨在被宽泛地定义为包括许多功能中的一个或者多个的引线键合系统/机的一部分，例如：用于向超声换能器传输的信号生成、所生成的信号的信号放大、机器软件功能性、控制板部件、逻辑等等。因而，很清楚，术语控制器并非旨在局限于引线键合系统的任何具体部件。
在本申请中，描述了与超声换能器的操作相关联的阻抗。本领域的普通技术人员都了解，与超声换能器的操作相关联的阻抗是在换能器可以操作的频率处的阻抗值。这通常在超声换能器的谐振频率处或者附近(本领域的普通技术人员都了解，超声换能器可以具有多个谐振频率)。与超声换能器的操作相关联的阻抗可以涉及来自换能器本身的阻抗分量，来自换能器的安装的阻抗等等。
图1是超声换能器100的立体图。换能器100包括用于将换能器100安装到引线键合机的键合头的安装凸缘102a和102b。将压电晶体104设置在由换能器100限定的腔中，其中晶体104经由向电极106a和106b施加电能而向换能器100提供超声能量。将该超声能量传输到在引线键合、柱球焊工艺(stud bumping)等中使用的键合工具108。
图2是根据本发明的示例性实施例用于理解确定与超声换能器的操作相关联的阻抗值的方法的方框电路图。更具体而言，为了发现超声系统的谐振频率(并且因此确定与超声系统的操作相关联的阻抗值)，控制器204包括信号发生器200和放大器202。信号发生器200产生正弦输出信号，在包括超声换能器的谐振频率的大频率范围上扫频(sweep)该正弦输出信号。通过放大器202放大该正弦输出信号，然后将该放大的信号发送到换能器206。将反馈信号(例如，与流经换能器的信号的电压和电流相关的反馈信号)发送到控制器204。控制器204在频率扫频期间维持恒定电压。在该过程期间，控制器204监视该反馈信号以确定该信号的频率何时达到超声系统的谐振频率。当然，存在可以感测谐振频率的多种方法。
在第一示例中，可以监视反馈信号以感测电流的增加。在系统中的电流达到最大值时(即，当然对于给定的超声系统来说可能存在多个电流峰值或者“最大值”，但是在信号的频率扫频中仅存在一个目标电流最大值)，控制器确定已经达到了谐振频率。在该频率处，对电压和电流进行采样并且使用该电压和电流确定谐振频率处的超声系统阻抗。
在第二示例中，可以监视反馈信号以感测电压和电流之间的相位差。在相位差大致为零时(即，电压和电流“同相”)，则控制器确定已经达到了谐振频率。在该频率处，对电压和电流进行采样并且使用该电压和电流确定谐振频率处的超声系统阻抗。
与所采用的技术无关，通过控制器感测谐振频率，然后确定与超声换能器的操作相关联的阻抗。在确定了超声系统阻抗之后，该超声系统阻抗可以用于调节将施加到恒压控制模式中的超声换能器的电压。例如，图3是根据本发明的示例性实施例用于理解对恒压模式中的引线键合机的超声换能器中的电压进行校准的方法的方框电路图。
现在参照图3，控制器300包括诸如机器软件302和超声控制板/发生器304的各种元件。机器软件302具有到参考阻抗(Zref)和参考电压(Vref)的接入。例如，参考阻抗和参考电压可以代表公知/代表性系统的值。因而，参考阻抗是与公知/代表性超声换能器的操作相关联的阻抗值的预定值。参考电压是结合公知/代表性超声换能器的恒压模式使用的电压值。例如，参考阻抗和参考电压值可以存储在引线键合机的存储器中，或者可以输入到引线键合机中(例如，通过用户使用图形用户界面等输入该值)。
机器软件302还具有到与该主题超声换能器的操作相关联的实际阻抗值(Zactual)的接入。例如，可以参照图2按照上述方式确定实际阻抗值(Zactual)。
机器软件302建立/计算实际阻抗值与参考阻抗值的比值(Zactual/Zref)，并且机器软件随后将该比值应用到参考电压以提供调节的电压电平。该调节的电压电平可以是由超声控制板/发生器304使用的调节的电压电平；然而，如图3所示，也可以将可移植性因数应用到该调节的电压电平以获取进一步调节的电平。例如，这样的可移植性因数可以基于经验测试/与该主题换能器相关的数据进行确定，其中该可移植性因数与超声系统的增益/灵敏度相关。即，如果将某一输入应用到超声换能器，则输出是期望的输出？或者是否存在损耗，例如超声晶体损耗，而使可移植性因数的使用变得令人期望？一个示例很好地说明了图3的框图的功能。
在该示例中，目标是确定将施加到恒压模式中的该主题超声换能器的电压。这可以是一次确定(例如，在引线键合机启动时)，或者这可以是重复或者循环确定。假设对参考超声系统在120KHz的谐振频率处的先前测试产生具有下列值的参考阻抗和参考电压值：Zref＝30欧姆；并且Vref＝10伏特。通过上面参照图2描述的操作，将与超声换能器的操作相关联的实际阻抗确定为Zactual＝40欧姆。机器软件302确定比值为1.33(即，Zactual/Zref＝40/30＝1.33)。因此，将该比值应用到Vref，从而将调节的电压值确定为13.3伏特(即，调节的电压＝(Vref*比值)＝(10伏特*1.33)＝13.3伏特)。可以将该调节的电压传输到超声控制板/发生器304，通过该超声控制板/发生器304将13.3伏特的恒定电压施加到该主题超声换能器。
可选地，可以将可移植性因数(PF)应用到调节的电压。例如，使用经验测试，可以确定该主题超声系统具有某些损耗，从而期望提供1.05的可移植性因数。因而，将该调节的电压(13.3伏特)乘以可移植性因数(1.05)以提供13.965伏特的进一步调节的电压。可以将该调节的电压传输到超声控制板/发生器304，通过该超声控制板/发生器304将13.965伏特的恒定电压施加到该主题超声换能器。
图4-6是根据本发明某些示例性实施例的流程图。本领域的普通技术人员都理解，可以省去流程图中包括的某些步骤；可以增加某些附加的步骤；并且可以改变所述步骤的顺序以与所说明的顺序不同。
图4是根据本发明示例性实施例说明对恒压模式的引线键合机的超声换能器中的电压进行校准的方法的流程图。在步骤400处，确定与超声换能器的操作相关联的阻抗值。例如，该阻抗值可以不仅是超声换能器的阻抗，而且还包括例如与下列相关的阻抗分量：换能器内压电晶体的耦合；到换能器的电连接；换能器的安装；键合工具与换能器之间的耦合等等。在步骤402处，基于所确定的阻抗值建立调节的电压电平以用于恒压模式中的超声换能器。例如，如上所述，可以计算实际阻抗与参考阻抗的比值，并且可以将该比值应用到参考电压以得到调节的电压。当然，可以设想基于所确定的阻抗值调节的电压的可选技术。该调节的电压可以是施加到换能器的电压。作为选择，在可选的步骤404处，可以计算进一步的调节的电压值，其中该进一步的调节的电压是调节的电压乘以可移植性因数。
图5是根据本发明的示例性实施例说明对恒压模式中的引线键合机的超声换能器中的电压进行校准的另一方法的流程图。在步骤500处，建立参考电压(Vref)和参考阻抗(Zref)。如上面所提供的，参考阻抗和参考电压可以代表公知/代表性系统的值。在步骤502处，确定与超声换能器的操作相关联的阻抗值(Zactual)。在步骤504处，建立在步骤502中所确定的阻抗与参考阻抗的比值(即，Zactual/Zref)。在步骤506处，通过将该比值应用到参考电压来建立调节的电压电平以用于恒压模式中的超声换能器。该调节的电压可以是施加到换能器的电压。作为选择，在可选的步骤508处，可以计算进一步的调节的电压值，其中该进一步的调节的电压是调节的电压乘以可移植性因数。
图6是根据本发明示例性实施例说明确定与超声换能器的操作相关联的阻抗值的方法的流程图。例如，图6中所示的方法可以结合图4的步骤400使用，或者结合图5的步骤502使用。
再次参照图6，在步骤600处，使用引线键合机的控制器产生正弦输出信号。在包括超声换能器的谐振频率的整个频率范围上扫频该正弦输出信号。在步骤602处，放大该正弦输出信号(例如，使用控制器的放大器)。在步骤604处，将所放大的正弦输出信号发送到换能器。在步骤606处，使用控制器测量所放大的正弦输出信号的反馈信号。在步骤608处，通过步骤606中对所放大的正弦输出信号的测量确定超声换能器的谐振频率。例如，可以通过多种技术中的任意一种确定该谐振频率(例如，监视信号电流的电流最大值、监视信号的电压和电流之间的相位差等)。在步骤610处，在谐振频率处确定与超声换能器的操作相关联的阻抗值。
对于给定的引线键合机/系统，这里所公开的校准技术(例如，用于超声换能器的恒定电压的校准)可以执行一次。可选地，可以在给定频率处(例如，每一次键合时、每100次键合时等等)或者在给定事件处(例如，每次使用新的劈刀工具时等等)执行该校准技术。
尽管结合超声换能器的谐振频率描述了本发明的某些方面，但是本领域的普通技术人员都了解，超声换能器可以具有多个谐振频率。这样，可以结合多个谐振频率中的任意一个使用本发明的这些方面。
这里所描述的本发明的某些示例性实施例涉及基于该主题换能器所确定的阻抗值来建立恒压模式中的超声换能器的调节的电压电平。在一个示例中，通过向参考电压应用比值(Zactual/Zref)来调节电压电平(基于阻抗值)。当然，在本发明的范围内可以按照不同方式来调节电压电平(基于阻抗值)。例如，可以使用基于该主题换能器的阻抗值的不同函数或者比值来调节电压电平。还可以设想其它技术。
可以在多个可选介质中实施本发明的校准技术。例如，该技术可以作为软件安装在现有的计算机系统/服务器上(结合引线键合机使用或者与该引线键合机集成使用的计算机系统)。此外，可以从包括与该校准技术相关的计算机指令(例如，计算机程序指令)的计算机可读载体(例如，固态存储器、光盘、磁盘、射频载体介质、音频载体介质等等)来操作该技术。
尽管这里参照具体实施例说明和描述了本发明，但是本发明并非旨在局限于所示的细节。而是可以在权利要求等同物的范围内并且在不偏离本发明的情况下进行各种修改。
Claims (19)
1.一种对恒压模式中的引线键合机的超声换能器中的电压进行校准的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)确定与所述超声换能器的操作相关联的阻抗值；以及
(2)基于所确定的阻抗值来建立调节的电压电平以用于所述恒压模式中的所述超声换能器。
2.如权利要求1所述的方法，还包括建立参考电压和参考阻抗值并且建立在步骤(1)中所确定的所述阻抗值与所述参考阻抗值的比值(Zactual/Zref)的步骤，通过将所述比值应用到所述参考电压从而在步骤(2)中建立所述调节的电压电平。
3.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(1)包括测量流经所述超声换能器的电流信号使得能够检测最大电流值，然后确定所述最大电流值处的所述阻抗值。
4.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(1)包括测量流经所述超声换能器的信号的电流与电压之间的相位差，使得在所述相位差基本为零时能够在步骤(1)确定所述阻抗值。
5.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(1)包括(a)使用所述引线键合机的控制器产生正弦输出信号，其中在包括所述超声换能器的谐振频率的整个频率范围上扫频所述正弦信号；(b)放大所述正弦输出信号；(c)向所述换能器发送经放大的正弦输出信号；(d)使用所述控制器测量发送到所述换能器的经放大的正弦输出信号的反馈信号；(e)通过步骤(d)确定所述超声换能器的所述谐振频率；以及(f)确定所述超声换能器在所述谐振频率处的所述阻抗值。
6.如权利要求5所述的方法，其中，步骤(e)包括测量所述反馈信号的电流值，并且通过确定所述反馈信号的最大电流值来确定所述谐振频率。
7.如权利要求5所述的方法，其中，步骤(e)包括测量所述反馈信号的电流与电压之间的相位差，并且在所述相位差基本为零时确定所述谐振频率。
8.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(1)包括(a)确定所述超声换能器的谐振频率；以及(b)确定所述超声换能器的所述谐振频率处的所述阻抗值。
9.如权利要求1所述的方法，还包括步骤：
(3)使用结合所述超声换能器的操作所确定的可移植性因数进一步调节所述调节的电压电平。
10.一种包括计算机程序指令的计算机可读载体，所述计算机程序指令使计算机实施对恒压模式中的引线键合机的超声换能器中的电压进行校准的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)确定与所述超声换能器的操作相关联的阻抗值；以及
(2)基于所确定的阻抗值来建立调节的电压电平以用于所述恒压模式中的所述超声换能器。
11.一种引线键合系统，包括：
超声换能器；以及
控制器，所述控制器用于(1)确定与所述超声换能器的操作相关联的阻抗值，以及(2)基于所确定的阻抗值来建立调节的电压电平以用于所述恒压模式中的所述超声换能器。
12.如权利要求11所述的引线键合系统，其中，所述引线键合系统包括存储在存储器中的参考电压值和参考阻抗值，并且其中所述控制器用于建立所述阻抗值与所述参考阻抗值的比值(Zactual/Zref)，并且其中所述控制器用于通过将所述比值应用到所述参考电压来建立所述调节的电压电平。
13.如权利要求11所述的引线键合系统，其中，所述控制器用于测量流经所述超声换能器的电流信号使得能够检测最大电流值，然后所述控制器确定所述最大电流值处的所述阻抗值。
14.如权利要求11所述的引线键合系统，其中，在确定与所述超声换能器的操作相关联的所述阻抗值的过程中，所述控制器用于测量流经所述超声换能器的信号的电流与电压之间的相位差，使得在所述相位差基本为零时确定所述阻抗值。
15.如权利要求11所述的引线键合系统，其中，在确定与所述超声换能器的操作相关联的所述阻抗值的过程中，所述控制器用于(a)产生在包括所述超声换能器的谐振频率的整个频率范围上扫频的正弦输出信号；(b)放大所述正弦输出信号；(c)向所述换能器发送经放大的正弦输出信号；(d)测量发送到所述换能器的经放大的正弦输出信号的反馈信号；(e)确定所述超声换能器的所述谐振频率；以及(f)确定所述超声换能器的所述谐振频率处的所述阻抗值。
16.如权利要求15所述的引线键合系统，其中，在步骤(e)期间，所述控制器用于测量所述反馈信号的电流值，并且通过确定所述反馈信号的最大电流值确定所述谐振频率。
17.如权利要求15所述的引线键合系统，其中，在步骤(e)期间，所述控制器用于测量所述反馈信号的电流与电压之间的相位差，并且在所述相位差基本为零时确定所述谐振频率。
18.如权利要求11所述的引线键合系统，其中，在确定与所述超声换能器的操作相关联的所述阻抗值的过程中，所述控制器用于(a)确定所述超声换能器的谐振频率；以及(b)确定所述超声换能器的所述谐振频率处的所述阻抗值。
19.如权利要求11所述的引线键合系统，其中，所述控制器用于使用结合所述超声换能器的操作确定的可移植性因数进一步调节所述调节的电压电平。
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