CN102760678A - 一种偏置漂移主动纠正系统、方法及引线键合机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种偏置漂移主动纠正系统、方法及引线键合机，通过将准直镜、分光镜、同轴光发射器以及回反射器的合理设置，并将不同时间点上，劈刀刀尖在工作时所形成的金球在成像系统探测器靶面上的不同位置间的差值，确定为劈刀和成像系统之间距离的偏置漂移量；根据该偏置漂移量纠正劈刀和成像系统之间的距离参数。从而可以实时精确测量劈刀和成像系统之间距离的偏置漂移量并对所述距离参数进行纠正，确保引线键合机的焊接精度，提供芯片的成品率，且结构简单，成本低，便于实现模块化。

Description

一种偏置漂移主动纠正系统、方法及引线键合机
技术领域
本发明涉及半导体器件生产工艺技术领域，具体涉及一种偏置漂移主动纠正系统、方法及引线键合机。
背景技术
半导体器件，诸如集成电路芯片，其电气性能一般是将芯片与引线框架粘接，然后通过引线键合或倒装焊工艺(将芯片焊点与料架引脚进行连接)实现的。
引线键合的过程即首先放置金线到芯片上的焊点，然后连接该焊点与引线框架的引脚。当所有的焊点和引脚键合到一起后进行封装，形成集成电路芯片。通常封装为陶瓷封装或塑料封装。常见芯片一般有成百甚至上千焊点需要连接。
引线键合设备的种类很多，有些通过热键合，有些通过超声键合，有些兼用这两种方式。在引线键合机中，视觉系统通过捕获、传输器件图像并使用计算机进行图像分析，来指导引线键合，以保证焊点正确定位及连接。
现有用于半导体后封装设备——引线键合机(Wire bonder)，通常是用劈刀(capillary)的刀尖在芯片上打点，然后利用xy工作台的移动找到该点。并记录该点所在位置，此后，键合头将直接移动至该点所在位置进行焊线。如附图1所示。在引线键合机初始化中，劈刀尖1在芯片(图中未画出)上打点。然后移动xy工作台中x方向移动板3、y方向移动板4，带动成像系统2运动，将该点移到成像系统2的视场中，通过该点在成像系统2中探测器(detector)靶面上的位置计算出劈刀和成像系统2之间的距离(具体可以为劈刀的中心轴和成像系统2的光轴之间的距离)，并将该距离记录到内存中。于是，在此后的工作中，成像系统2每次观察到芯片，劈刀尖1则通过xy工作台移动相应固定的劈刀和成像系统2之间的距离进行焊线。
然而，由于温度变化所导致的热膨胀以及系统的其它随机误差使得劈刀和成像系统2之间的距离随时在发生变化，产生偏置漂移，即劈刀和成像系统2之间的距离并非定值。而固定以引线键合机初始化中测量获取的劈刀和成像系统2之间的距离进行焊线会降低焊线精度，影响整机性能。显然对于质量要求较高的芯片并不能满足要求，导致废品率升高。因此，在焊线初始化阶段和一定的焊线间隔后对劈刀和成像系统2之间距离的偏置漂移进行纠正是非常必要的。
而现有测量及纠正劈刀和成像系统2之间距离偏置漂移的技术方案在具体应用时，测量精度以及灵敏度较低，且系统结构复杂、安装困难、成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种偏置漂移主动纠正系统、方法及引线键合机，从而实时纠正引线键合机中劈刀和成像系统之间距离的偏置漂移，确保半导体器件的生产质量。
为解决上述技术问题，本发明提供方案如下：
本发明实施例提供了一种偏置漂移主动纠正系统，所述系统设置于一引线键合机中，并设置于引线键合头的下方；
所述引线键合机包括：劈刀；以及设置有探测器的成像系统；所述劈刀下端刀尖在工作时形成金球；
所述偏置漂移主动纠正系统包括：第一准直镜、第二准直镜、分光镜、同轴光发射器以及回反射器；
所述同轴光发射器所发射的同轴光依次经过所述分光镜、第一准直镜，照亮所述金球；
所述金球反射的光线依次经过所述第一准直镜、分光镜、回反射器、第二准直镜，将所述金球的像成像于所述成像系统中所述探测器的靶面上；
所述偏置漂移主动纠正系统还包括：
偏置漂移量获取模块，用于在第一时间获取所述金球的像在所述探测器靶面上的第一位置信息，以及在第二时间获取所述金球的像在所述探测器靶面上的第二位置信息，将所述第一位置信息与第二位置信息的差值确定为所述劈刀与成像系统之间距离的偏置漂移量；
纠正模块，用于根据所述偏置漂移量获取模块获取的偏置漂移量，纠正引线键合机在焊接时所使用的劈刀与成像系统之间距离参数。
优选的，所述的偏置漂移主动纠正系统中，
所述第一准直镜与所述第二准直镜分别设置于所述回反射器锥点两侧，且所述第一准直镜与所述第二准直镜光轴平行；
所述第一准直镜设置于所述劈刀与回反射器之间，且与所述劈刀同轴设置，所述劈刀尖在工作时形成的金球球心处于所述第一准直镜的焦平面上；
所述第二准直镜设置于所述成像系统与回反射器之间，且与所述成像系统同轴设置，所述第二准直镜的焦平面位于所述成像系统的工作面上；
所述分光镜设置于所述第一准直镜与回反射器之间，且所述分光镜的光轴与所述第一准直镜光轴成45°角；
所述同轴光发射器设置于所述第一准直镜与回反射器之间，所述同轴光发射器所发射的同轴光光轴与所述分光镜轴心同心；
所述回反射器的透射面与所述第一准直镜和第二准直镜的光轴垂直，所述回反射器的锥点设置于所述回反射器的入射光束和出射光束光轴连线中心点的延长线上。
优选的，所述的偏置漂移主动纠正系统中，所述第一准直镜和第二准直镜为单透镜或者为透镜组。
优选的，所述的偏置漂移主动纠正系统中，所述分光镜为分光棱镜或分光平片。
优选的，所述的偏置漂移主动纠正系统中，所述同轴光发射器所采用的光源为发光二极管或光纤光源；
所述同轴光发射器所发射的同轴光为可见光，或紫外光，或红外光。
优选的，所述的偏置漂移主动纠正系统中，所述回反射器为中空回反射器或者玻璃回反射器。
优选的，所述的偏置漂移主动纠正系统中，所述回反射器的内表面镀有反射膜。
优选的，所述的偏置漂移主动纠正系统中，所述探测器为位置传感器；或者
所述探测器为电荷耦合器件CCD相机；或者
所述探测器为互补金属氧化物半导体存储器CMOS相机。
本发明实施例还提供了一种引线键合机，该引线键合机包括上述本发明实施例提供的偏置漂移主动纠正系统。
本发明实施例还提供一种偏置漂移主动纠正方法，所述方法应用上述本发明实施例提供的偏置漂移主动纠正系统中，或者所述方法应用于上述本发明实施例提供的引线键合机中；
所述偏置漂移主动纠正方法包括：
在第一时间获取所述金球的像在所述探测器靶面上的第一位置信息，以及在第二时间获取所述金球的像在所述探测器靶面上的第二位置信息，将所述第一位置信息与第二位置信息的差值确定为所述劈刀与成像系统之间距离的偏置漂移量；
根据所述偏置漂移量，纠正引线键合机在焊接时所使用的劈刀与成像系统之间距离参数。
从以上所述可以看出，本发明实施例提供的偏置漂移主动纠正系统、方法及引线键合机，通过将准直镜、分光镜、同轴光发射器以及回反射器的合理设置，并将不同时间点上，劈刀刀尖在工作时所形成的金球在成像系统探测器靶面上的不同位置间的差值，确定为劈刀和成像系统之间距离的偏置漂移量；根据该偏置漂移量纠正劈刀和成像系统之间的距离参数。从而可以实时精确测量劈刀和成像系统之间距离的偏置漂移量并对所述距离参数进行纠正，确保引线键合机的焊接精度，提供芯片的成品率，且结构简单，成本低，便于实现模块化。
附图说明
图1为现有技术中引线键合机中劈刀和光学系统示意简图；
图2为本发明实施例提供的偏置漂移纠正系统光学结构示意图；
图3为本发明实施例提供的回反射器光学走向示意图；
图4为本发明实施例提供的回反射器偏置漂移测量俯视图；
图5为本发明实施例提供的偏置漂移纠正系统结构示意图；
图6为本发明实施例提供的偏置漂移纠正方法流程示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种偏置漂移主动纠正系统，该系统安装在半导体后封装设备——引线键合机(Wire bonder)上，是用于测量键合头由于温度以及系统的其它随机误差所引起引线键合机中劈刀与成像系统(即光学系统)之间距离(可用附图2中的D表示)的偏置漂移，并纠正劈刀与成像系统之间距离参数，以便引线键合机采用当前正确的劈刀与成像系统之间的距离参数进行焊接。
本发明实施例提供的偏置漂移主动纠正系统，可以实现精密、高速、稳定芯片粘接或键合中劈刀和成像系统偏置漂移的实时测量。该系统的具体实施方式可如附图2所示，该图为偏置漂移主动纠正系统的光学结构示意图。
由附图2可见，偏置漂移主动纠正系统可整体安装于键合平面以下，具体可设置于键合头下方。偏置漂移主动纠正系统具体可由两组准直镜(2、6)、回反射器5、同轴光发射器3和分光镜4组成。同时，该系统可借助键合头上的成像系统7及劈刀做为辅助工具。所述劈刀在工作时，其下端的刀尖可形成金球1。且该系统的光路传输可由三部分组成：由两组准直镜(2、6)组成的无焦光路、由回反射器5组成的折转光路、由同轴光发射器3和分光镜4组成的同轴光照明光路。
本发明实施例中，准直镜2可设置于劈刀与回反射器5之间，且劈刀刀尖处在工作时形成的金球1球心可位于准直镜2的焦平面上，准直镜2的光轴和劈刀的中心轴位于一条直线上，即准直镜2可与劈刀同轴设置。
本发明实施例中，准直镜6可设置于成像系统7与回返射器5之间，且准直镜6的焦平面8位于成像系统7的工作面上，准直镜6的光轴可与成像系统7的光轴位于一条直线上，即准直镜6可与成像系统7同轴设置。
而且，本发明实施例中，准直镜2的光轴平行于准直镜6的光轴，因此，准直镜2、6之间的光路为平行光路。
本发明实施例所涉及的准直镜2、6，具体可以采用对称结构也可以采用不对称结构。可以使用单透镜，也可以使用透镜组。
本发明实施例中，同轴光发射器3可安装于准直镜2与回反射器5之间，同轴光发射器3所发射的同轴光光轴可与分光镜4轴心同心。同轴光发射器3的光源可为发光二极管(LED)或光纤光源，且同轴光发射器3所发射的同轴光可为可见光、紫外光、红外光等。
由于分光镜4在会聚光路中像差很大，因此分光镜4最好安装于平行光路中以提高图像的清晰度和对比度。所以，本发明实施例所涉及的分光镜4可安装于准直镜2到回反射器5之间的光路中。而且，分光镜4与准直镜2的光轴成45°角安装。分光镜4的分光比可为1∶1。本发明实施例所涉及的分光镜4具体可以为分光棱镜或分光平片。
从附图2中可以看出，分光镜4使得从准直镜2透过的光束E有轴向的平移Δd。因此，准直镜2和6的光轴并不关于回反射器锥点对称。
本发明实施例所涉及的回反射器5在安装时，需要保证回反射器5的透射面同时与准直镜2和准直镜6的光轴垂直。另外，回反射器5在安装时还需保证回反射器5的锥点(即顶点)处于入射光束(附图2中光束F)和出射光束(附图2中光束G)光轴连线中心点的延长线上。并且，本发明实施例中，回反射器5的入射光束和出射光束必须平行。如附图3所示，回反射器5具有使入射光束和出射光束始终平行且反向的性质(其中M表示一光束)
理想状态下，回反射器5各反射面间夹角为90°，若存在制造误差δ，则入射光线和出射光线并不严格平行，而是存在夹角β，且其中n′为回反射器材质的折射率(如果使用中空回反射器，n′＝1)。可以看出一旦回反射器5加工完毕，β便为定值，由于所求距离为差，所以对结果并无影响。本发明实施例中，选取角偏差在5″以内的回反射器均可。为了让出射波面波象差符合回反射器5的标准要求(即出射波面波象差＜λ/4)，回反射器5内直角面的光圈数都应在0.1以下。入射面起着透射的作用，光波从空气进入玻璃或反之，折射率的变化为n′减1，不像内反射时折射率的变化为2n′，所以透射面的面形可适当降低要求。回反射器5的固有误差对于每个状态的入射和出射光都是相同的，由于所求的距离为差，则固有误差在小范围内可以减去或者忽略。
本发明实施例所涉及的回反射器5，具体可为中空回反射器或者玻璃回反射器，也可以用直角棱镜替代。并且，为了增强同轴光的反射率，还可在回反射器的内表面镀有反射膜，或者利用全反射而内表面不镀反射膜。
本发明实施例提供的偏置漂移主动纠正系统的具体工作流程可如下所述：同轴光发射器3发射同轴光光束A，照射到分光镜4上，通过分光镜4反射形成光束B。光束B经过准直镜2形成光束C，照亮劈刀尖的金球1，金球1的球心位于准直镜2的焦平面上。从金球1反射的光束D通过准直镜2准直为平行光束E入射到分光镜4上，经过分光镜4透射，形成光束F入射到回反射器5的透射面上。经过回反射器5内表面的反射，再从回反射器5的透射面射出，记为光束G。如附图4所示(其中o或o’为靶面中心点)，入射光束E和出射光束F始终关于回反射器锥点对称。由于该偏置漂移补偿系统为无焦系统。因此，入射光束E在回反射器透射面的坐标为(Δa，Δb)时，出射光束F在回反射器5透射面的坐标可为(Δa′，Δb′)＝-(Δa，Δb)。
光束G入射到与准直镜2平行的准直镜6上，出射光束H会聚于准直镜6的焦平面8上并呈现金球的像。
金球的像再入射到成像系统7中进行二次成像，成像于成像系统7中的探测器靶面上。呈现在探测器靶面上的金球的像为一像点，则该像点在靶面上的位置可记为(x，y)。需要说明的是，本发明实施例中，探测器具体可为位置传感器(PSD)，或者为电荷耦合器件(CCD)相机，或者为互补金属氧化物半导体存储嚣(CMOS)相机等。
在一定的焊线间隔后，由于热膨胀等原因使得劈刀与成像系统7与之间的距离发生变化。那么，本发明实施例中可再次实施与上述过程类似操作，对金球1进行再次成像。此时，金球1的像落在探测器靶面上的坐标为(x′，y′)。测得偏置漂移量(Δx，Δy)＝1/Γ(x-x′，y-y′)(其中Γ为成像系统7的放大倍率)。测得该偏置漂移量后，系统根据测得的偏置漂移量，对焊接时所使用的劈刀与成像系统7之间的距离参数进行纠正，引线键合机按照纠正后的新的劈刀与成像系统7之间的距离参数进行焊线，从而确保焊接精度，提高芯片成品率。
那么，在一个具体实施例中，如附图5所示，本发明实施例提供的偏置漂移主动纠正系统还可以包括以下功能模块：
偏置漂移量获取模块51，用于在第一时间获取金球的像在探测器靶面上的第一位置信息，以及在第二时间获取金球的像在探测器靶面上的第二位置信息，将第一位置信息与第二位置信息的差值确定为劈刀与成像系统之间距离的偏置漂移量；
纠正模块52，用于根据偏置漂移量获取模块51获取的偏置漂移量，纠正引线键合机在焊接时所使用的劈刀与成像系统之间距离参数。
另外，成像系统由于工作距离的微小变化使得放大倍率会在Γ附近发生变化，因此在计算偏置漂移(Δx，Δy)＝1/Γ(x-x′，y-y′)时，需要考虑不同工作位置的微量倍率变化，来修正偏移的距离。
基于上述本发明实施例提供的偏置漂移主动纠正系统，以及引线键合机，本发明实施例还提供了一种偏置漂移主动纠正方法，如附图6所示，该方法具体可以包括：
步骤61，在第一时间获取金球的像在探测器靶面上的第一位置信息，以及在第二时间获取金球的像在探测器靶面上的第二位置信息，将第一位置信息与第二位置信息的差值确定为劈刀与成像系统之间距离的偏置漂移量；
步骤62，根据偏置漂移量，纠正引线键合机在焊接时所使用的劈刀与成像系统之间距离参数。
本发明实施例中，第一时间与第二时间的间隔，可事先预定或者根据生产现场的实际情况任意调整。
通过上述描述可以看出，与其它技术相比，本发明实施例提供的偏置漂移主动纠正系统、方法及引线键合机，通过将准直镜、分光镜、同轴光发射器以及回反射器的合理设置，并将不同时间点上，劈刀的刀尖在工作时所形成的金球在成像系统探测器靶面上的不同位置间的差值，确定为劈刀和成像系统之间距离的偏置漂移量；根据该偏置漂移量纠正劈刀和成像系统之间的距离参数。从而可以实时精确测量劈刀和成像系统之间距离的偏置漂移量并对所述距离参数进行纠正，且结构简单，成本低，便于实现模块化。
以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种偏置漂移主动纠正系统，其特征在于，所述系统设置于一引线键合机中，并设置于引线键合头的下方；
所述引线键合机包括：劈刀；以及设置有探测器的成像系统；所述劈刀刀尖在工作时形成金球；
所述偏置漂移主动纠正系统包括：第一准直镜、第二准直镜、分光镜、同轴光发射器以及回反射器；
所述同轴光发射器所发射的同轴光依次经过所述分光镜、第一准直镜，照亮所述金球；
所述金球反射的光线依次经过所述第一准直镜、分光镜、回反射器、第二准直镜，将所述金球的像成像于所述成像系统中所述探测器的靶面上；
所述偏置漂移主动纠正系统还包括：
偏置漂移量获取模块，用于在第一时间获取所述金球的像在所述探测器靶面上的第一位置信息，以及在第二时间获取所述金球的像在所述探测器靶面上的第二位置信息，将所述第一位置信息与第二位置信息的差值确定为所述劈刀与成像系统之间距离的偏置漂移量；
纠正模块，用于根据所述偏置漂移量获取模块获取的偏置漂移量，纠正引线键合机在焊接时所使用的劈刀与成像系统之间距离参数。
2.根据权利要求1所述的偏置漂移主动纠正系统，其特征在于，
所述第一准直镜与所述第二准直镜分别设置于所述回反射器锥点两侧，且所述第一准直镜与所述第二准直镜光轴平行；
所述第一准直镜设置于所述劈刀与回反射器之间，且与所述劈刀同轴设置，所述劈刀尖在工作时形成的金球球心处于所述第一准直镜的焦平面上；
所述第二准直镜设置于所述成像系统与回反射器之间，且与所述成像系统同轴设置，所述第二准直镜的焦平面位于所述成像系统的工作面上；
所述分光镜设置于所述第一准直镜与回反射器之间，且所述分光镜的光轴与所述第一准直镜光轴成45°角；
所述同轴光发射器设置于所述第一准直镜与回反射器之间，所述同轴光发射器所发射的同轴光光轴与所述分光镜轴心同心；
所述回反射器的透射面与所述第一准直镜和第二准直镜的光轴垂直，所述回反射器的锥点设置于所述回反射器的入射光束和出射光束光轴连线中心点的延长线上。
3.根据权利要求2所述的偏置漂移主动纠正系统，其特征在于，所述第一准直镜和第二准直镜为单透镜或者为透镜组。
4.根据权利要求2所述的偏置漂移主动纠正系统，其特征在于，所述分光镜为分光棱镜或分光平片。
5.根据权利要求2所述的偏置漂移主动纠正系统，其特征在于，所述同轴光发射器所采用的光源为发光二极管或光纤光源；
所述同轴光发射器所发射的同轴光为可见光，或紫外光，或红外光。
6.根据权利要求2所述的偏置漂移主动纠正系统，其特征在于，所述回反射器为中空回反射器或者玻璃回反射器。
7.根据权利要求6所述的偏置漂移主动纠正系统，其特征在于，所述回反射器的内表面镀有反射膜。
8.根据权利要求2所述的偏置漂移主动纠正系统，其特征在于，所述探测器为位置传感器；或者
所述探测器为电荷耦合器件CCD相机；或者
所述探测器为互补金属氧化物半导体存储器CMOS相机。
9.一种引线键合机，其特征在于，所述引线键合机包括如权利要求1至8任一项所述的偏置漂移主动纠正系统。
10.一种偏置漂移主动纠正方法，其特征在于，所述方法应用所述权利要求1至8任一项所述的偏置漂移主动纠正系统中，或者所述方法应用于所述权利要求9所述的引线键合机中；
所述偏置漂移主动纠正方法包括：
在第一时间获取所述金球的像在所述探测器靶面上的第一位置信息，以及在第二时间获取所述金球的像在所述探测器靶面上的第二位置信息，将所述第一位置信息与第二位置信息的差值确定为所述劈刀与成像系统之间距离的偏置漂移量；
根据所述偏置漂移量，纠正引线键合机在焊接时所使用的劈刀与成像系统之间距离参数。
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