CN102543792A

CN102543792A - 用于超声波键合的方法和设备

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Publication number: CN102543792A
Application number: CN2012100285365A
Authority: CN
Inventors: 汉斯-于尔根.赫西; 迈克尔.布勒克尔曼; 塞巴斯蒂安.哈根科特
Original assignee: Hesse and Knipps GmbH
Current assignee: Hesse and Knipps GmbH
Priority date: 2007-11-12
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2028-11-07
Also published as: EP2385545A2; EP2385545A3; EP2218097B1; CN102543792B; EP2385545B1; US8783545B2; DE102007054626A1; WO2009062887A1; US20100280646A1; MY155362A; KR20100087214A; EP2218097A1; CN101911272B; JP2013153236A; JP5583588B2; CN101911272A; JP2011503890A; JP5583821B2

Abstract

本发明涉及超声波键合时用于质量控制的方法，其中使用转换器-键合刀具单元和超声波发生器，并且其中在键合期间通过一个或多个传感器采集一个或多个在键合期间变化的参数来判断键合质量和/或影响键合，并且作为优选的扩展建议，在键合期间采集在超声波刀具的振动方向上代表超声波刀具尖端的至少一个时间-速度历程的速度历程测量信号。本发明也涉及适合于执行方法的键合设备。本发明此外涉及用于在超声波键合时的质量控制的另外的方法和适合于执行此方法的键合设备。

Description

用于超声波键合的方法和设备

本申请是申请日为2008年11月7日、申请号为200880122327.9的发明专利申请“用于超声波键合的方法和设备”的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于超声波键合的建立和质量控制的方法，特别是通过超声波进行接线键合连接的方法，以及涉及适合于执行此方法的部件以及装配有所述部件的键合设备，特别是接线键合机。本发明在此方面也特别地涉及楔形-楔形键合。本发明总得来说特别地针对相对于传统技术改进的生产率和质量控制的可靠性。

背景技术

楔形-楔形键合是用于芯片和基板的接触的普遍已知和可靠的技术。楔形-楔形键既被用于功率电子设备又被用于微电子设备中。为监测键合过程的质量，使连续产品中一定百分比的产品接受破坏测试，并且通过统计方法推断全部生产批次的质量。

特别地，在可靠性相关领域中进一步质量控制的希望导致近年来开发了多种方法，这些方法实现了作为以上所述破坏测试的补充的在线监测。应提及的是基本上两种方法，一个方法是键合连接的非破坏的机械检测，其中小的力(拉力或剪力)作用在连接上以检测强度，另一个方法是基于信号测量的方法，所述信号可直接从超声波发生器或转换器的位置指示器获取。

第二个方法将转换器内流过的电流、超声波发生器输出上的电压或接线的变形或这些量的组合用作测量量。

将键合力、超声波功率以及键合时间用作确定过程窗的控制量。在专利US 4,606,490、EP 0 368 533 B1、EP 0 540 189 B1中描述了这些方法。这些方法的基本特征是使被测量的量相对于由使用者预定的特征线演变。这些方法的重点在于，此类变形历程和电流历程也能够指示出差的键合连接。因此，给定的规则总是必要的，即为充分确定键合质量，因此总是将不合适的、质量差的键合可靠地识别出。

在专利文献EP 1 023 139 B1和EP 1 342 201中有为弥补此缺点的一个尝试。在旧的方法中，仅考虑测量量并且将其作为质量判据。在新的方法中尝试将所述量联合并且由此推导出质量标准。作为电流的替代，在此将转换器的电导纳用作与超声波功率最大程度上独立的量。尝试从导纳历程和接线变形的组合及其相关性得到关于连接质量的可靠描述。

该方法不能到达目的，因为所使用的测量量不足以与在连接区内发生的物理过程相关联。因此，例如电谐振(电流和电压之间的相位角为零)不对应于机械谐振(刀具尖端的速度和电压之间的相位角为零)，使得仅使用电学量的系统不在机械谐振中运行。使用前述方法检测不到刀具尖端(Werkzeugspitze)的速度以及连接对之间的摩擦、即直接对于连接形成具有关键意义的物理量。

在本发明申请人的EP 1 789 226 A1以及WO 2006/032316 A1中描述了使用安装在膜内的传感器。

所述的迄今已知的方法因此不适合于检测并且相应地处理用于判断连接质量的关键数据。特别地，这些方法不能满足对全自动键合机的质量监测的要求。

发明内容

根据第一方面，本发明涉及用于超声波键合特别是超声波接线键合时的质量控制的方法，其中，使用转换器键合刀具单元和超声波发生器，并且其中，在键合期间通过一个或多个传感器检测一个或多个在键合期间变化的参数的测量信号来判断键合质量和/或影响键合，特别地通过控制或调节键合过程来影响键合。

针对前述过于现有技术所解释的问题，本发明要解决的技术问题在于，提供质量控制的改进的可能性，特别地进一步，将对于连接形成关键的或有说服力的物理量包括在其内。

该技术问题的根据本发明的解决方案基于现在发现的如下认知，即，楔形尖端的速度和连接对之间的摩擦特别地是对于连接形成关键的以及就此而言是对于判断键合过程有说服力的键合过程的物理量或参数，并且因此将其从传感器信号提取并供判断单元使用。然后，该判断单元可基于合适的模型作为参考，在此基础上实现对过程数据的判断。

为了解决该技术问题，本发明首先并且基本上建议了这样的方法步骤，使得在键合期间检测至少一个代表了超声波刀具的尖端在其振动方向上的时间-速度历程的特别地为定性的或关于相位历程的速度历程测量信号。就此而言，刀具或楔形尖端的时间-速度历程体现了参数(键合参数)，所述参数作为测量量或作为键合过程的可变量允许对键合过程的观测。由之产生的测量信号可用作随后的估计的输入量，特别是用于判断键合质量，和/或用于控制和/或调节当前的和/或随后的键合过程。存在如下可能性，即，作为补充包含来自不同的源的单独或多个另外的输入信号。可考虑所有过程相关的量，例如运动学方面的接线变形，超声波系统方面的频率，电流和电压以及超声波电流之间的相位差，以及来自附加的传感器的例如机械的超声波振动，以及楔形速度和超声波电流之间的相位差。参数或测量量的检测可连续进行，或准连续地或者说以合适的采样率进行。在此，在键合连接建立期间、即在键合过程期间对于各测量量所确定的数值可作为数值集合组合为向量(特征向量)，以便用于另外的评估和使用。在此，在时间间隔内记录的并且如需要组合成向量的值随后也在其时间序列中称为历程。被认为合适的是将刀具尖端在其振动方向上的时间-速度历程进行检测和求解，使得在此通常形成由正弦和/或余弦部分组合的时间历程。就此而言明确的检测可对于此时间历程并且在需要时对于另外的测量量实时地进行，优选地通过使用通过另外的接口连接到DDS超声波发生器的基于FPGA的电子设备进行。

也存在如下可能性，即，从单独的或多个对于测量量或键合参数确定的前述信号导出另外的过程相关的量。特别地存在如下可能性，即，使用由刀具尖端的速度历程确定的传感器信号得到导出量，所述导出量表现或涉及刀具或楔形尖端和接线之间的摩擦，接线和基板之间的摩擦，接线在基板上的联接，刀具或楔形尖端偏离或速度。从测量信号产生导出信号例如可通过单独的或多个测量信号的处理，特别是通过变换(例如，也通过滤波)和/或通过多个(例如，两个、三个等)测量信号的计算上的关联进行。例如，作为导出量可考虑作为刀具速度和发生器电压这两个测量量的商的机械导纳。另外，例如是作为发生器的电流和电压的商的电导纳，以及作为导纳的倒数的电阻抗。

特别地根据本发明的另外的方面，此外基于相似度函数(构造对比，Texturvergleiche)的量是另外的可能的输入量，特别地也用于计算质量指标。这此输入量中的每个是一向量，其长度取决于记录持续时间、采样率以及必要时所应用的预处理操作。

根据本发明的方法的优选扩展，优选的是通过压电传感器记录速度历程测量信号，所述压电传感器优选地布置在超声波转换器的支承上，并且通过所述压电传感器可在测量技术上检测特别地垂直于传播的激励超声波的横向延伸。为此目的，可优选地使用在发明人的WO 2006/032316 A1中描述的压电传感器。此文献的内容完整地合并在本申请中，其目的也是将所述文献中所述的单独的或多个特征包含在本申请的权利要求中。使用此传感器的研究令人惊奇地得到如下结果，即，为比较目的使用激光干涉计测量的刀具或楔形尖端的速度与传感器电压关于相位一致。从此认知出发，根据本发明方法的扩展建议：测量由超声波发生器传送到超声波转换器的时间-发生器电压历程，例如通过相位比较器确定时间-发生器电压历程和速度历程测量信号之间的相位差，并且通过超声波发生器调节或改变超声波刀具的振动频率而使得所述相位差减小，优选地减小直至基本上为零或严格地为零。由此实现了产生机械谐振的状态，这在键合连接建立时提供了明显的优点。一方面在此状态产生了压电振动向焊接刀具的最佳传输性能，并且另一方面仅出现很小的损失。根据本发明存在受控地形成机械谐振状态的可能性。过去，这点除了别的之外是不可能的，因为键合设备不具有测量时间-速度历程的可能性，并且就此而言也未知相应的使用。与此不同的是，过去尝试通过调节电谐振来改进传输性能和损失，当然这仅具有有限的成功。过去，曾通过相位比较器确定转换器电流和转换器电压之间的相位差，并且通过相位调节器将该相位差调整为零而改变振动频率。然而，通常电谐振的状态不与希望的机械谐振的状态一致，使得电谐振的调节不可能受控地进行。现在发现，在刀具振动时，速度历程与压电传感器的测量信号直至高频谱部分是类似的，使得可以高精度调节机械谐振。为将相位差调节到零值，例如可使用(自身已知的)PLL，即锁相环，或者说闭环控制回路。

根据本发明的方法的另一个合适的扩展在于，在单独的键合过程期间或在键合后，通过速度历程测量信号将摩擦值-时间历程确定为摩擦的实际历程或实际向量，所述实际历程或实际向量表征了在单独的键合过程持续时间期间改变的摩擦力的历程。根据速度-时间历程确定摩擦值-时间历程可通过专业人员常用的方式进行。在此，可确定一系列摩擦值，其中每个摩擦值与键合过程的确定的时刻相关联，并且其自身特别地由更大量的刀具尖端测量信号导出。所得到的“摩擦值信号”或其时间历程可理解为在键合过程中在键合刀具、键合接线和例如基板(也参照上面提到的构造)之间的和信号。在例如键合过程期间得到的摩擦信号也可以为了另外的处理而例如被处理为向量。相应地，可形成用于速度值和摩擦值和由其导出的例如导纳的值的向量。根据本发明存在不同的可能性，即，按需要地使用这些历程以用于影响随后的键合和/或用于判断键合结果(键合质量)。存在以下可能性，即，使用在键合过程的各实际过程状态时确定的摩擦值(在以上所解释的意义中作为导出量)来控制和/或调节另外的键合过程和/或随后的键合过程，这优选地以影响例如键合力、超声波功率、键合时间和/或超声波频率的控制量的方式进行。替代地或补充地存在如下可能性，即，通过计算机由摩擦值-时间历程以及预先给定的额定摩擦值-时间历程，或在学习阶段优选地根据或类似于随后解释的特征而确定和存储的额定摩擦值-时间历程，来确定表示键合过程或键合连接质量值的质量。例如，导出的摩擦的额定历程也可以是向量，并且将其元素逐一地与实际向量的时间相关的元素进行比较。例如，可由各差异形成偏差向量。对于在先前的学习阶段中产生测量量和/或导出量的额定历程的可能性，也参考如下的描述相关地进行。也存在如下可能性，即，将所述质量值用于控制和/或调节随后的键合过程，优选地以影响如键合力、超声波功率、键合时间和/或超声波频率的控制量的方式进行。另一个优选的应用可以是，将质量值用于以控制和/或调节的方式影响键合过程的控制量，所述控制量如键合力、超声波功率、键合时间和/或超声波频率，和/或用于在达到临界值时给出警告信号。已表明，在单独的键合过程期间出现的刀具速度在振动方向上的历程和由其导出的历程(特别是导出的摩擦)根据键合条件可实现与常规评估参数(特别是接线变形)相比更可靠的对于键合过程质量的判据。因此，与现有技术相比，根据本发明的方法实现了对于键合质量更精确的监测，并且在需要时(例如，在键合条件改变时)实现了对控制量改进的影响以得到持续良好的键合质量。特别地，存在将所导出的摩擦的额定值-实际值比较整合在键合过程的控制和/或调节内的可能性，其中，必要时也可考虑另外的参数。

涉及前述解释的第一方面，本发明也包括用于超声波键合的建立和质量控制的优选地为接线键合机的键合设备，其具有转换器-键合刀具单元和超声波发生器，以及用于获得至少一个在键合期间变化的参数的测量信号的至少一个传感器。本发明建议，键合设备具有至少一个传感器，所述传感器适合于产生代表了超声波刀具的尖端在振动方向上的时间-速度历程的速度历程测量信号。就此而言优选的扩展也参考权利要求9至14的特征，并且对于可能的优点和效果，参考全部描述和附图。本发明当然也包括与之相关的超声波发生器，所述超声波发生器可调节楔形尖端的速度和超声波电压之间的相位，使得系统在零相位时在其机械谐振处工作。

基于前述关系和特征，本发明因此在其第一方面中也致力于与发明过程整合的质量监测模块，特别是优选地在固定地预先给定参考数据(额定数据)时使用摩擦和机械导纳(楔形尖端的速度与发生器电压的商)的质量监测模块。在此，存在处理外部传感器值的可能性。也存在的可能性是转换器-楔形系统在其机械谐振处或选择地在电谐振处运行。可从测量量中确定用于摩擦和楔形速度的导出量。

本发明根据第二方面涉及在超声波键合时，特别是超声波接线键合时用于质量控制的方法，其中使用转换器-键合刀具单元和超声波发生器，并且其中在键合期间检测一个或多个在键合期间变化的参数的测量信号，特别地用于判断键合质量和/或影响键合。

基于所述的现有技术，本发明的此另外的方面的技术问题在于有利地扩展所述类型的方法，使得实现特别地精确和可靠的键合质量判断。

根据本发明，该技术问题的解决首先并且基本上结合如下特征实现，

-在键合过程持续时间期间，通过传感器记录一个或多个参数的测量信号，所述参数例如特别地是超声波发生器或转换器上的电流强度和/或电压，和/或接线变形，和/或超声波频率或谐振频率，和/或刀具速度，并且分别作为特别地时间上的实际历程提供，特别是保存在存储器内，

-特别地建议从键合过程的一个或多个参数的测量信号中形成由参数导出的量的一个或多个实际历程，

-将一个或多个实际历程与各实际历程关于其参数或其导出量相关联的存储在存储器内的额定历程分别进行计算操作，特别是比较操作，其中为各实际历程确定偏差历程，特别是通过时间上相互相关的实际历程和额定历程的单独值的比较来确定，和

-通过合适的计算装置从一个或多个偏差历程分别计算出单项质量指标Q_i，和/或将单独键合过程或单独键合连接的质量组合地表征的质量指标Q，并且特别地将所述质量指标存储和/或用于控制或调节随后的键合过程。

在本发明的范围内也称为特征提取(也参见附图)的单项质量指标Q_i的确定，实现了以特别地明显和有说服力的方式的键合质量监测，并且如在下文中解释甚至实现了用于控制和/或调节键合连接(即所谓的键合)的产生过程。在此，在本发明的范围内，多个量的观察或监测是优选的。

实际历程、额定历程和偏差历程可基本上或通常上，即也与本发明的另外的方面相关地，再次例如是一维向量或值列，带有优选地在作为基础的测量信号的时间序列上分类的值。就此而言，也可以在概念上作为历程的替代言及向量(特征向量)，即，实际向量、额定向量和偏差向量，等等。它们可以简化地被理解为数值集合，其中其数值的个数等取决于测量中使用的采样率和键合过程或测量的持续时间。在此，优选的是实际向量和额定向量具有相同的维度或长度，使得能够以特别地直观的方式评估来自两个向量的、相互间在步骤次序或在测量时刻(因此，在时间上)相关联的各对值，以便产生偏差向量的值。

如前所述，本发明建议从测量的和/或导出的量中生成特征历程或特征向量。在计算单项质量指标Q_i时，优选地将作为基础的特征向量或其偏差向量转换为标量量。如果将质量指标计算时作为基础的特征向量或历程的个数标记为n，则在此涉及到由n个可具有相同或不同维度的特征向量形成一个n维的特征向量(结果向量)。优选地，在此结果向量的每个元素可作为标量量而对应于作为基础的各特征向量的数学值。

优选地，在计算质量指标Q时，特别地根据事先存储在存储器内的信息至少将多个偏差历程中的单独偏差历程单个地并且特别地相互独立地加权。通过在计算时将一个或多个偏差历程在时间上或在其历程上(即，关于偏差向量的不同的元素)可变地加权，也可特别地进一步提高质量判断的精度。优选地，根据本发明的方法可实施为使得通过合适的计算装置由单独的偏差历程分别确定单项质量指标Q_i，特别地通过根据所存储的信息单个地进行时间上或历程上的加权，并且使得根据所存储的算法从多个单项质量指标Q_i中计算质量指标Q。

此方法步骤基于现在所发现的如下认知：不同的键合参数(或由其导出的量)及其测量到的时间历程在判断键合质量时彼此间可具有不同程度的意义，并且在键合过程的不同时间间隔内的单独的键合参数(或由其导出的量)也可具有不同程度的意义。这意味着，对于严格的质量判断，模型是仅考虑视作重要的键合参数的模型，但此模型为此考虑整个键合持续时间；或模型是原理上总是考虑所有测量技术上检测到的参数的模型，但此模型对于键合过程的条件和作用于键合过程的干扰影响可能不足。现在，本发明的方法实现了，将所发现的关于键合持续时间内哪些时间段内哪些键合参数可能意义较大或意义较小的认知，整合在用于质量控制的自动方法内，或整合在适合于实施所述方法的键合设备内。相应的认知和关系可在实验中确定，并且然后存档在数据库、专家系统等内。如果随后在相应的键合条件下即对于相同的参考系统建立键合连接，则所存档的信息可被加载到工作存储器内，使得就此而言可实现定制的质量判断。因此，在一定的前提条件下例如可有利的是，将键合过程结束时接线变性的时间历程赋予较大意义。同样，例如也可以构思，与键合部分的较晚的时间间隔相比，将早期时间间隔内的代表了可变的摩擦的历程赋予较大的意义。当然，也存在如下可能性，即，在需要时为特定的键合参数提供在键合持续时间内相等的加权。重要的是可使不同的键合参数单个地并且就此而言相互独立地加权。类似地也存在如下可能性，在实时工作的键合过程控制或调节的情况下，将键合参数的单独加权用于影响控制量。例如，可构思的是使超声波功率在键合过程开始时受到第一键合参数的较强加权的影响，并且在键合过程结束时受到另外的键合参数的额定值-实际值比较的较强加权的影响。

根据前文，本发明的方法也包括如下可能性，即，将单独键合参数的偏差历程根据其单独的加权仅在键合过程内特定的时间间隔内考虑。这可例如通过将此参数在键合过程的另外的时间部分内进行零加权来实现。虽然原则上被考虑的键合参数在键合持续时间期间在此也被连续测量，但在质量判断时单独的键合参数的加权在不同的时间间隔期间可不同。除预先给定不同的加权外，当然也给出了单独地预先给定不同参数的开始点和结束点的可能性。作为参数加权的突变式变化的替代或补充，也可预先给定加权函数，其中加权因数小步幅地改变或准连续地改变。这例如通过预先给定加权向量来实现。

如已所述，也存在如下可能性，即，从测量信号中形成不同的参数，特别是形成通过合适的计算装置导出的量，并且从所述量的实际历程中通过与先前存储的所述导出量的额定历程的计算比较又确定了偏差历程，并且使得此偏差历程用于时间上单个加权的质量指标确定。概念“比较”在此如前文所述广泛地理解为数据处理或计算操作的多种可能性的意义。在简单的例子中，该比较是额定值-实际值对的简单的求减或求差，但也可以构思另外的算法。关于例如通过向量预先给定的额定历程存在如下可能性，即，将此额定历程例如在存储器内固定地预先给定(例如，来自专家系统)，或事先在学习阶段中确定，优选地根据或类似于如下将描述的特征确定。为将前述方法自动化，优选的还是通过软件计算支持地执行所述方法的至少单独的或多个步骤。优选的扩展也在于如下可能性，即，将所确定的单独质量指标或总质量指标用于改进另外的键合运行的控制和/或调节。在此，控制量也可以优选地是键合力、超声波功率以及键合时间。

本发明在其第二方面也包括用于超声波键合连接的建立和质量控制的优选地为接线键合机的键合设备，所述键合设备根据权利要求24构造为适合于执行前述方法。对于键合设备的可能的优选扩展，也参考权利要求25至31的特征，并且对于可能的效果和优点，参考整个描述。将测量量或参数，例如电流、接线变形、谐振频率、楔形速度、超声波电压和电流的相位差和楔形速度和电压的相位差，以及将从传感器信号中导出的量，例如导纳或阻抗和摩擦力与预先给定的或学习的时间历程(额定历程)进行比较。从单独测量量与所属的额定值曲线或额定历程的偏差中确定出用于随后计算质量指标的加权的输入量。单独值的加权和其中考虑其时间段是可调节的。

根据第三方面，本发明涉及在超声波键合时用于质量控制的方法，其中使用了转换器-键合刀具单元和超声波发生器，并且其中在键合期间采集一个或多个在键合期间变化的参数的测量信号，以便用于判断键合质量和/或影响键合。

在使用较粗的接线时，使用常规系统的测量显示，所采集到的物理量取决于键合表面、基板材料、结构刚度、整个系统的固有模态、所使用的楔形和接线等而明显地变化。过程量的与取决于应用的明显波动使得在粗接线键合时不能使用特征线作为涉及应用可使用的参考数据。

基于此背景，本发明的另外的技术问题是提供一种方法和设备，所述方法和设备可产生或者说因此在比喻的(übertragenen)意义上学习参考数据(额定值)，所述参考数据尽管输入前提条件不同也是与不同的应用匹配的以用于判断所观察的输入数据。

该技术问题根据本发明首先并且基本上结合如下特征解决：

-对于至少一个确定的键合参考系统，通过预先给定确定的特别地在数据库中与键合参考系统相关联的键合设备的调整执行学习阶段，其中学习阶段包括学习-键合过程的特定的集合，即特定数量的学习-键合过程，

-在学习-键合过程的时间阶段期间，通过传感器记录一个或时间上平行的多个键合过程参数的各测量信号或分开的测量信号，所述键合过程参数特别地例如是超声波发生器上的电流强度和/或电压，和/或接线变形，和/或超声波频率或谐振频率，和/或刀具在振动方向上的速度，并且将各测量信号作为特别地时间上的学习历程保存在存储器内，

-对于至少一个参数，对于学习历程内划分或考虑的各恒定的或相同的时刻或测量步骤，从学习-键合过程的集合中确定测量信号值的概率密度分布或相对概率密度，特别地通过使用统计模型来确定，和

-对于各分布分别确定最大值，从不同分布的最大值中形成期望特征线，并且将期望特征线作为已学习的所涉及参数的额定历程存储。

测量信号通过传感器的检测可连续地、准连续地或如需要也使用希望的更小的采样率执行。所选择的概念“学习阶段”应解释为：在此阶段期间将，通过键合方法或键合设备自动生成用作参考历程的额定历程(额定向量)。在此方面，也可替代地将学习阶段称为参考历程或额定历程的生成阶段。

假定对于不同的输出前提条件存在稳定的过程，该稳定的过程的过程参数保证生成带有足够高质量的键合连接，则对于每个直接测量的量和每个导出的量可学习隶属它们的统计量。该学习阶段用于产生参考数据，所述参考数据在随后的自动运行中用作计算质量指标的基础。因此，对于不同的过程不固定地编制特征线，而是在前述前提下由系统自身产生所述特征线。

与至此所描述相同的量可用作输入量。根据所学习的统计量，可将偏差定量地估值并且用于质量计算。

一种合适的方法在于，对于不同的键合参考系统，即关于键合条件不同的系统，分别在特殊的学习阶段中产生单独的额定历程。第一参考系统例如可以是带有陶瓷基板的系统，第二不同的参考系统例如可以是插头，第三参考系统可以是芯片等。可导致不同的额定历程的不同键合条件的差异在此特别地在所谓的粗接线键合中是具有意义的，因为在此可出现比细接线键合中更大的偏差。就此而言，也合适的是对于例如带有不同的接线粗细的特定的陶瓷基板又形成了不同的参考系统，或为之设置单独的额定向量。实际上，为产生用于特定的参考系统的额定历程，可使得在第一键合过程期间将在随后的自动运行中对于质量判断有意义的所有测量量平行地记录，并且在分开的向量内存储，其中也可形成由测量量导出的量的向量。然后，可对于第二键合过程和另外的键合过程重复该步骤，其中键合集合例如可包括一百个(或也可以是不规则数量的)键合过程。如果例如以50kHz的采样率记录测量量历程，则在典型地10m/sec的键合过程的持续时间内导致每个测量量或测量量历程五百个测量值。在学习阶段期间应将键合设备的过程参数(例如，键合力、超声波功率和键合时间)的调节选择为使得：在此调节下，对于特定的参考系统，键合过程如同预计地良好地进行，使得所产生的键合连接的占优部分，特别是统计上明显的部分具有良好的键合质量，并且总是使质量不合适的部分是键合连接的较少的，特别是统计上不明显的部分。这样的调节可由受训的人员根据经验值预先选择，或例如从数据库、专家系统等中获取。在学习阶段期间，记入额定值曲线或额定历程的测量量的值时间上相互平行地记录。在此，按照多种方式存在通过信号处理部件(例如，计算单元、模拟传输环节等)准备测量信号的可能性。

已学习的额定历程可随后在建立键合连接(生产运行或自动运行)的方法中用于超声波连接的质量控制。为此存在如下可能性，即，为建立键合连接，对于特定的键合参考系统将先前的学习阶段中为其制定的额定历程例如从数据库中提供，例如读入到工作存储器内，在键合过程时间期间通过合适的传感器记录一个或多个参数的各测量信号并且将测量信号分别作为时间上的实际历程保存在存储器内，并且对于至少一个参数由实际历程和在学习阶段中学习的额定历程确定出偏差历程作为所谓的误差向量。这可通过已描述的方法，例如通过将相互间在时间上相关联的来自额定向量和实际向量的值进行计算比较来实现。也被视作合适的扩展是，为统计模型预先给定围绕分布最大值的特定值的置信区间，在各分布中确定上和/或下区间边缘上的值，从下区间边缘的值中形成下边缘特征线和/或从上区间边缘的值中形成上边缘特征线，并且在建立键合连接时将所确定的实际历程与下和/或上边缘特征值进行计算比较。特别地存在如下可能性，即，在超过上边缘特征线和/或在低于下边缘特征线时产生误差信号，和/或在数据库内存储所述误差信号，和/或通过标记将所键合的产品与随后的分拣相关联，和/或其中由过程控制或调节系统要求使用者输入。此类替代也可在如下情况中提供，即，如果例如对于各键合过程所计算的质量指标Q(或单独的或多个单项质量指标Q_i)超过或低于特定的极限值。应理解的是，根据需要可对于多个参数确定所述偏差历程。也存在如下可能性，即，在学习阶段中由参数的测量信号或由期望历程也确定出导出参数的额定历程，在随后的键合连接建立期间由测量信号或由测量信号的实际历程也确定所述导出参数的实际历程，并且从相互与导出参数相关联的额定历程和实际历程中也确定与导出参数相关联的偏差历程。测量量和/或导出量的所述偏差历程又用于确定单项质量指标和/或总的质量指标，优选地根据一个或多个所述的特征或参考附图。在前述方法中也存在如下可能性，即，通过软件计算支持地自动执行至少单独的或多个方法步骤。

本发明关于其第三方面也进一步包括根据权利要求42的用于超声波键合连接的建立和/或质量控制的优选地为超声波键合设备的键合设备，所述键合设备构造为适合于或匹配于根据前述一个或多个特征的本发明的方法的执行。对于此键合设备的优选扩展的特征特别地也在权利要求43至45中给出。对于可能的效果和优点，进一步参考全部描述和附图。

参考前述的实施方式，本发明致力于提供自学习的系统，其中设备或方法适合于产生取决于产品和环境的统计量作为质量计算的基础。在质量计算中，在此理论上包括许多输入量，所述输入量可作为测量量提供和/或作为测量量的导出量实时计算，例如通过测量量的变换，小波变换，分散度估计等。存在如下可能性，即，可通过使用所述的输入量(实际历程或实际向量)连同参考数据(额定历程或额定向量)产生与过程整合的质量监测模型，所述参考数据对于不同的过程在相应的学习阶段学习或自动产生。此类质量监测模型可作为硬件模块和/或软件模块构造在根据本发明的键合设备上(也如本发明的另外的方面中所述)，其中，此类模块在本发明的不同方面的情况下也可以是独立权利要求的对象。存在考虑恒定数量的输入向量的可能性。也存在如下的可能性，即，通过将相同或不同的时间间隔的不同的测量量相关或通过将来自不同的时间间隔的相同的测量量相关来生成特征向量。还存在的可能性是，通过来自监测单元的反馈考虑可变数量的输入向量。本发明最后也反应了如下可能性，即，通过使用由监测单元扩展的输入数据的量之一以及使用自适应的质量计算来产生与过程整合的质量监测模块。存在将误差向量转换为标量的质量量的可能性。

本发明此外根据第四方面涉及，在超声波键合时、优选地在超声波接线键合时用于质量控制的方法，其中，使用转换器-键合刀具单元和超声波发生器，并且其中，在键合期间检测多个在键合期间可变的参数的测量信号，优选地用于控制键合质量和/或影响键合。

由此出发，本发明要解决的技术问题在于，有利地改进此类方法，使得特别地实现了对于运行状态的改进的反馈。

根据本发明，该技术问题首先并且基本上通过如下特征解决：在键合过程的时间阶段期间通过传感器记录多个参数的测量信号并且分别将其作为时间上的实际历程提供，优选地存储在存储器内，所述参数优选地例如为超声波发生器或转换器上的电流强度和/或电压，和/或接线变形，和/或超声波频率或谐振频率，和/或刀具速度，其中存在如下可能性，即，从键合过程的一个或多个参数的测量信号中形成由参数/多个参数导出的量的实际历程，将多个实际历程与各实际历程关于参数或导出量相关联的、存储在存储器内的额定历程分别进行比较计算操作，其中，对于实际历程分别确定偏差历程，优选地通过与相互在时间上相关联的单项值比较来进行，通过合适的计算装置从偏差历程计算出各单项质量指标(标量量)，并且通过使用至少一个预先给定的相似性准则，将至少一个键合连接的多个单项质量指标作为键合指标组与多个不同的存储在存储器内的优选地存储在专家系统内的存储器-指标组进行比较，并且在满足至少一个相似性准则时将所述至少一个键合连接的多个单项质量指标与存储器-指标组相关联，所述存储器-指标组通过与特定的参数值或导出量值相关联的单项质量指标而相互间区分。

所述单项质量指标的确定在本发明的范围内也称为特征提取。在简单的应用例子中，单项质量指标可从所属的偏差向量的值或标量值中通过形成数学值来确定。优选地，在满足存储器-指标组的相似性准则时自动地产生优选的电分类信号，所述电分类信号导致信息的给出，和/或用于控制或调节键合设备。也合适的是，使存储器内的不同的存储器-指标组分别与关于键合设备的运行状态的不同数据相关联，优选地与关于不同误差状态的不同数据相关联，并且使所产生的分类信号或误差分类信号导致关于运行状态或误差状态的信息的给出。根据本发明的也可具有独立意义的另外的方面，存在如下可能性，即，通过执行计算操作的监测装置在考虑到已知的关系或统计量的情况下在异常值-键合方面分析键合运行期间建立的键合连接的在特征提取时形成的单项质量指标(已不再具有时间参考)和/或质量指标和/或分类信号。为扩展该方法，可以将属于异常值-键合的单项质量指标的组在存储器内作为新的存储器-指标组存储，并且与关于运行状态或误差状态的数据关联。存在如下可能性，即，通过计算装置从异常值键合测量信号、优选地从其实际历程中统计地转化出导出量，并且对由此形成的实际历程在显著特征、历程等方面进行研究。根据本发明的同样可具有独立意义的另外的方面，也存在如下可能性，即，将为其确定了显著特征的导出量在随后的键合过程中在计算质量指标时使用。以此方式，用于特征提取的输入向量的数量和指标组内含有的值的未来数量增加一。通过这样的监测系统，有利地保证了对于质量监测的持续扩展或检查，并且实现了可能的模型建立。根据本发明的也可具有独立意义的另外的方面存在如下可能性，即，在键合指标组和存储器-指标组之间出现预定的偏差时，自动产生特别地电信号，所述电信号优选地实时地用于控制或调节当前的和/或随后的键合过程。就此而言，这是取决于已知的存储器-指标组或误差类的负反馈。也优选的是，根据前述特征的一个或多个的方法在调整和/或维护工作之后在键合连接上自动执行。合适的是，优选地使方法根据一个或多个前述特征自动地执行，优选地通过使用软件而计算支持地执行。

本发明关于其第四方面还进一步包括用于超声波键合连接的建立和/或质量控制的优选地为超声波键合设备的键合设备，所述键合设备根据权利要求57构造为适合于或匹配于根据前述一个或多个特征的本发明的方法的执行。优选的可能扩展特别地也在权利要求58至62中给出，其中对于可能的效果和优点，进一步参考全部描述和附图。

根据前述解释，本发明实现了键合过程中可能的误差的分类，误差与误差类型的自动相关联，以及键合误差的自动指定。就此而言本发明也包括取决于特征提取中的输入构造和对于过程控制的反馈实时地产生修正量的可能性。还存在如下可能性，即，在质量计算中产生具有趋势分析和对于过程控制的反馈的形式的修正量。另外的应用可能性在于监测使用者干预和检查维护工作。本发明也实现了误差向量到标量的质量量的转换。

本发明涉及到不同地描述的方面当然也包括如下部件或模块作为分别针对所述方面解释的键合设备的补充，即，所述部件或模块适合于或足以执行单独的根据本发明的方法。就此而言，相应的部件或模块也可以是独立权利要求的对象。

附图说明

在下文中参考附图详细给出本发明的各方面，所述附图中图示了根据本发明的方法和根据本发明的设备的优选实施例，附图中：

图1按照框图的形式示出了根据本发明的适合于计算地确定单项质量指标和质量指标的设备和方法，

图2按照图表的形式示出了参数或导出量的已学习的统计模型的图示，

图3按照三维图表的形态示出了抽样时刻的测量量的概率密度的图示，

图4示出了从图2中示出的曲线历程选择的95％的置信区间，

图5按照框图的形式示出了根据本发明的用于键合误差分类的设备和方法，

图6示出了图5的扩展，带有来自用于过程控制或调节的分类单元的反馈，

图7作为方框图示意性地示出了带有用于调节电谐振的超声波发生器的键合设备和键合方法，和

图8作为方框图示意性地示出了根据本发明的带有用于调节机械谐振的超声波发生器的键合设备和键合方法。

具体实施方式

图1示出了适用于计算质量指标Q，Q_i(即，Q_l至Q_n)的部件的安排。借助于特殊的信号处理单元I确定了从传感器原始数据导出了量，即楔形速度和摩擦，等待。对于这些量的每个，与所述的电流、导纳、变形等测量量和实时确定的谐振频率一起，在判断单元II内在所述的特征提取(featureextraction)的情况下首先计算出单项质量值Q_i。然后将这些单项质量值Q_i传送到计算单元III用于整体指标的质量计算(quality calculation)，并且在此处由加权的单项质量指标Q_i计算出各键合连接的质量指标Q或Q_ges。然后将所述质量指标Q或Q_ges存储在存储器IV内。控制量例如是键合力、超声波功率、键合时间和/或超声波频率。单项质量指标Q_l...Q_n可作为向量处理，由此向量可计算出总质量指标Q。每个元素Q_i(即Q_l...Q_n)表示标量量，所述标量量由测量量或导出量的各偏差历程或偏差向量计算出，例如在标量量时这可以是关于其单独元素加权的向量值。

从根据本发明一个方面在学习阶段期间记录的测量数据中可产生用于连接形成的模型，所述模型适合于判断连接品质。图2至图4解释了在产生各测量量时优选地适用于原理方法的统计法。图2中典型地图示了测量量在特定的抽样时刻的概率分布。

如果绘出所有抽样的量并且观察其辐值的相对频度，则可以此方式得到关于单独的向量元素值的概率密度函数。此类概率密度分布也在图3中仅示例性地图示。从该图示中通过将额定向量或额定历程的元素视作均值而产生各测量值的额定历程。如果在坐标系中将各均值在时间轴上在各抽样时刻画出并且通过线(贝塞尔曲线，样条曲线等)将点连接，则得到所述测量量的对于已学习的应用的特征线，即根据本发明产生(即“学习”)的额定向量或额定历程。也可以将这些数列(Zahlenfolgen)序理解为时间向量，其元素严格地与采样时刻相关联。

当然也可以使用输入向量，所述输入向量的元素与另外的测量量的特定的值相关联，使得并非每个向量包含可与等距抽样时刻相关联的元素。特征向量的长度也可不同，因为其对于系统的效果可对于参考量的不同大小的参考区域具有意义。

可以取决于输入量选择统计模型。对于代表性统计量在参考键合上的最小数量取决于所选择的模型。基本上，力求尽可能大的和代表性的样本。最小量通过系统作为常数固定地预先给定。分散范围以及置信区间的大小(图4)是可调节的参数，例如99％的分散范围；分散范围以及置信区间在各样本均值周围的位置(图4)从已学习的概率密度函数中得到，并且因此取决于所选择的模型和参考数据。

质量计算优选地分为两级，即，分为特征提取或者说单项质量指标Q_i的确定(图1，方框II)，以及质量指标Q的质量计算(图1，方框III)。首先，对于每个量(键合过程的参数或导出量)，从二维概率密度函数计算出隶属于各取样时刻的期望值(统计最大值)。对于所有输入量(输入向量的元素)，确定测量值和样本参考值(均值、中值、重心等)之间的距离。特征向量优选地在置信区间的延拓上赋范。可使用从统计学中已知的方法用于估值。在计算质量指标时，对于各测量量使用最可与作为基础的模型匹配的不同统计量。可构思对于单独值和其中观察此单独值的时间范围进行加权。因此，例如接线在键合过程开始时的变形历程可能是无意义的，或能够在此阶段可能不发生由于超声波导致的变形。因此，它们对于过程的第一毫秒保持不被观察。另外的物理效应能够特别地在焊接过程开始时具有重大意义，因此，例如连接对之间的摩擦的时间历程具有重大意义。最后，由Q_i形成的向量还接受另外的变换，以便包含导出的、已清除干扰影响的量。以此方式，产生了另外的特征向量。

在下一步中，在特征提取开始时的n个特征向量在输出上形成n个标量。但这可视作带有n个元素的向量，并且用作质量计算的输入量。在质量计算中，此向量根据元素的含义所确定的过程形成标量。此标量是所寻求的质量值Q。阈值是可构思的参数，所述阈值根据构造可必要地由操作者干预。

在前述可能性的继续和扩展中，可在另外的步骤中将特征向量(Q_l...Q_n)或误差向量关于其所属的误差归类。图5示出了适合于此归类的系统的优选的原理结构。质量值的计算原理上如同在实施形式二中所述进行。提供了另外的模型，所述模型将结果与结果类型相关联使得可给出误差原因(见图5，方框1.3.3)。

来自信号预处理和超声波发生器的原始数据不仅被用于特征提取(feature extraction，图5，1.3.1)，而且还被传送到非实时工作的监测单元上。监测单元也获得质量计算的结果和误差分类器的结果(图5，1.3.2和1.3.3)。特征提取、质量计算和误差分类各自具有另外的输入，通过所述另外的输入将监测单元的结果反馈到质量值的计算中。

监测系统考虑到实际的已知统计量来处理以上所述的值。例如，在基板更换时或根据事先确定的已执行的键合连接的数量激活监测系统，并且首先关于偏差检查所输入的数据(图5，2.1，(偏差识别，分类))。如果确定了偏差，则将其传送到方框2.2(automatical or user guided learning of bondfailure，键合故障的自动或使用者引导的学习)，并且使用者基于此获得认知。所存在的可能性是，在检查完失效(aufgefallenen)的键合连接后，为系统提供相应的误差名称，或根据检查结果给出新的特征作为质量特征。如果不发生使用者输入，则监测系统将偏差自动分类，并且指派自动生成的ID代码而无记忆参考。将此新的数据向量传送到监测单元的方框2.3上，并且在此方框2.3处将其编制为新的特征向量。从此处向实时系统上进行反馈(图5，方框1.3.1，箭头A)，用于特征提取的输入向量的数量加一(图5，方框1.3.1)。在此处所述的形式中，新的输入向量对应于由外部进来的原始数据或数据的通过信号处理单元的变换的组合，也参考图5，方框1.2。

用于质量计算/误差分类的输入向量的维度因此也加一。此外，新的特征向量由方框2.3传送到方框2.4上(质量计算和分类的适配)。在此区域内，根据新的数据检测模型的一致性，必要时将模型适配，并且给返回到质量计算和误差分类器上(图5，方框1.3.2和1.3.3，箭头B)。以此方式，通过监测系统总是确保质量监测的扩展或检测，并且实现最可能的模型形成。

根据本发明的另一个方面，在计算属于单独的测量量的通常作为时间函数的向量元素时在认知计算结果和作为基础的模型时，可实时地注意到与模型的偏差，并且通过合适的与过程时间的参数匹配来影响过程(也见图6，从1.3.1和1.3.2到1.2的负反馈)。虽然在EP 1 023 139中已描述了负反馈的系统，但在那里仅基于具有特征线形式的固定地预先给定的模型。误差类型的确定和取决于此误差类型的负反馈在所述文献中未公开。在此方面，本发明提供了全新的解决方案，所述解决方案也解释了在影响焊接过程的量上的与误差相关联的反馈。

根据本发明的另一个也可独立具有意义的方面，前述方法步骤和键合设备的特征也可用于检测操作者干预。由于对转换器楔形系统的严格的认知，例如也可检测，例如转换器是否在维修工作后被正确地安装，楔形是否按预先规定安装，并且以正确的楔形螺栓预紧被固定。夹紧的特性和键合记录也可根据已学习的构造和过程检测其正确的功能。

在图7和图8的方框I内图示了根据第一实施形式的超声波发生器的重要部件。比较器1和2将用于电流和电压的正弦信号分别改造为矩形波信号，其过零点分别与正弦振动的过零点一致。使用相位比较器确定超声波信号的电流和电压之间的相位差。因此确定的相位实际值作为输入量供给到随后的相位调节器(PID控制器)。对于谐振的相位额定值为零。调节器的输出量是DDS(Direct Digital Synthesizer直接数字合成器)，量θ_corr是相位增量，据此调节DDS的输出信号的频率。该信号然后通过功率放大器放大，并且供给到超声波转换器。调节器在输出上改变其量θ_corr，使得作为其结果的DDS的频率在负载(转换器楔形系统)上实现超声波电压和超声波电流之间的零相位差。这样的布置适合于调节电谐振。

在相对于图7修改的并且示出了优选的实施形式的图8中，可以选择将电流还是将替代的传感器信号通过比较器引导而用于相位比较。替代的传感器信号(从相位偏差的角度看)是用于楔形速度的判据，并且可在此被用于调节机械谐振。

所有公开的特征(自身)是对于本发明关键的。所述的本发明的单独方面、特别是单独方面的单独特征，也可与另外的描述的本发明的单独的方面或多个方面、特别是另外的方面的单独的特征组合。在申请的公开中，因此在此也内容上完整地包含所属的/添加的优先权资料(预申请的文本)的公开内容，也用于将这些资料的特征包括在本申请的权利要求内的目的。

Claims

1.一种用于超声波键合时的质量控制方法，其中，使用转换器-键合刀具单元和超声波发生器，并且其中，在键合期间通过一个或多个传感器采集一个或多个在键合期间变化的参数的测量信号来判断键合质量和/或影响键合，其中，在键合期间实时采集至少一个代表了超声波刀具的尖端在其振动方向上的时间-速度历程的速度历程测量信号，其特征在于，将代表时间-发生器电压历程的电压历程测量信号以及所述速度历程测量信号供给到相位调节器，并且通过所述相位调节器将超声波刀具的振动频率调节或改变为使得相位差自动地减小，以便实现所述转换器-键合刀具单元的机械谐振。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在单独的键合过程期间或在键合后，确定摩擦值-时间历程，所述摩擦值-时间历程表征了在单独的键合过程的持续时间期间可变的摩擦力的历程。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述速度历程测量信号通过布置在超声波转换器的支承内/上的压电传感器记录，并且通过垂直于传播的激励超声波的横向延伸在测量技术上可采集。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，测量与所述超声波发生器的超声波转换器相关联的时间-发生器电压历程，确定基于所述速度历程测量信号的相位差，并且通过所述超声波发生器将超声波刀具的振动频率调节或改变为使得所述相位差减小。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，将在键合过程的实际过程状态下确定的摩擦值用于控制和/或调节另外的实际键合过程，和/或随后的键合过程，所述控制和/或调节通过影响控制量来进行。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，由摩擦值-时间历程作为实际历程，并且要么由预先给定的额定值摩擦值-时间历程作为额定历程，要么由前述在学习阶段中确定的并且存储的额定值摩擦值时间历程作为额定历程，借助于计算机确定偏差历程，并且确定由所述偏差历程导出的表征了键合过程或键合连接的质量的质量值。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，将所述质量值用于控制和/或调节随后的键合过程，所述控制和/或调节通过影响控制量来进行，和/或将所述质量值用于在达到关键值时给出警告信号。

8.一种用于超声波键合连接的建立和质量控制的键合设备，其具有转换器-键合刀具单元和超声波发生器，以及用于获得至少一个在键合期间变化的参数的测量信号的至少一个传感器，其中，键合设备具有至少一个传感器，所述传感器适合于产生代表了超声波刀具的尖端在振动方向上的时间-速度历程的速度历程测量信号，其特征在于，键合设备具有电压传感器和相位调节器，所述电压传感器用于采集与超声波转换器相关联的时间-发生器电压历程，所述相位调节器与传感器或压电传感器连接，并且所述传感器通过相位比较器采集时间-发生器电压历程和传感器信号历程或速度历程测量信号之间的相位差，并且通过刀具振动频率的改变在超声波发生器上将所述相位差减小以实现转换器-键合刀具单元的机械谐振。

9.根据权利要求8所述的键合设备，其特征在于，键合设备具有用于在单独的键合过程的持续时间期间记录速度历程测量信号的装置，以及用于计算定量地表征键合过程期间作用的摩擦力的摩擦值时间历程的装置。

10.根据权利要求8或9所述的键合设备，其特征在于，提供压电传感器作为传感器，所述压电传感器布置在超声波转换器的支承内/上，并且通过垂直于传播的激励超声波的横向延伸在测量技术上可采集。

11.根据权利要求8-10中任一项所述的键合设备，其特征在于，键合设备具有存储器装置，在所述存储器中存储至少一个预先给定的额定值摩擦值时间历程或至少一个此前在学习阶段确定的额定值摩擦值时间历程，并且具有适合于使用额定值摩擦历程和在键合过程中确定为实际历程的摩擦值时间历程来计算表征键合过程或键合连接的质量的计算装置，通过由两个历程的时间上相互对应的值计算出偏差历程。

12.根据权利要求8-11中任一项所述的键合设备，其特征在于，键合设备在其特征中具有通过偏差历程和/或质量值可影响的用于控制和/或调节当前和/或随后的键合过程的控制和/或调节装置，所述控制和/或调节装置影响键合过程的控制量。