CN103377959A - 调整导线键合机上的超声键合能量的方法 - Google Patents

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Abstract

一种调整导线键合机上的超声键合能量的方法，所述方法包括以下步骤：提供无空气球压扁与超声键合能量之间的参考关系；确定对象导线键合机上的无空气球压扁与超声键合能量之间的实际关系；以及调整所述对象导线键合机的至少一个超声键合能量设定，使得所述对象导线键合机的所述实际关系更接近所述参考关系。

Description

调整导线键合机上的超声键合能量的方法
相关申请的交叉引用
此申请要求2012年4月22日提交的美国临时申请No.61/636681的权益，于此通过引用并入了该临时申请的全部内容。
技术领域
本发明涉及导线键合的形成，并且更具体地，涉及调整和/或标准化多个导线键合机之间的超声键合的改进的方法。
背景技术
在半导体器件的处理和封装中，导线键合依旧是提供封装结构内的两个位置之间（例如，在半导体管芯的管芯焊盘与引线框的引线之间）的电互连的主要方法。更具体地，使用导线键合器（也称为导线键合机），在待电互连的相应位置之间形成导线回路。形成导线回路的主要方法是球键合（ball bonding）和楔形键合（wedge bonding）。在在（a）导线回路的末端与（b）键合部位（例如，管芯焊盘、引线等）之间形成键合时，可以使用各种类型的键合能量，包括，例如，超声能量、热超声（thermosonic）能量、热压缩能量等。
归因于相似导线键合机之间的变化，对相似导线键合机使用或采用相同输入键合参数可能难以获得具有基本一致的键合特性（例如，切变强度、拉拔强度等）的导线键合。例如，超声换能器（例如，包括压电晶体）往往从机器到机器变化，即使它们名义上是相同的。从而，即使将相同的能量（例如，电流）施加至各换能器，换能器的输出特性（以及得到的各导线键合）也可以显著变化。
从而，期望提供在多个相似导线键合机之间形成一致的导线键合的改进的方法。
发明内容
根据本发明的范例实施例，提供了一种调整（例如，校准、标准化等）导线键合机上的超声键合能量的方法，所述方法包括以下步骤：（1）提供无空气球压扁与超声键合能量之间的参考关系；（2）确定对象导线键合机上的无空气球压扁与超声键合能量之间的实际关系；以及（3）调整所述对象导线键合机的至少一个超声键合能量设定，使得所述对象导线键合机的所述实际关系更接近所述参考关系。
附图说明
当结合附图阅读以下详细描述时，根据以下详细描述，本发明得到了最好的理解。要强调的是，根据通常实践，附图的各特征不是按比例的。相反，为清楚起见，各特征的尺寸被任意放大或缩小。附图中包括以下图：
图1是示例根据本发明的范例实施例的无空气球在在下基底上的着陆（touchdown）的框图侧视图；
图2是示例根据本发明的范例实施例的无空气球压扁（squash）与时间的关系的定时图；
图3是根据本发明的范例实施例的用于多个导线键合机的压扁增量与超声键合能量的增量的关系的图示；
图4是根据本发明的范例实施例的示例为参考关系的压扁增量与超声键合能量的增量的关系的图示；
图5是根据本发明的范例实施例的压扁增量与超声键合能量的增量之间的初始实际关系和校正的实际关系的图示；
图6是示例根据本发明的范例实施例的调整对象导线键合机上的超声键合能量的方法的流程图；
图7是示例根据本发明的范例实施例的调整对象导线键合机上的超声键合能量的另一范例方法的流程图；以及
图8是示例根据本发明的范例实施例的测量无空气球压扁的方法的流程图。
具体实施方式
如于此使用的，超声键合能量指导线键合机的超声换能器使用的能量。可以作为电流受控的能量（例如，以施加至换能器以实现换能器并且从而键合头（bonding tool）的超声振动的毫安的受控的增量）、电压受控的能量、电功率受控的能量等来提供该键合能量。
在本发明的具体范例实施例中，进行对超声键合能量设定的调整，以提供导线键合器可移植性，即在多个导线键合机（例如，该机器可以是相同型号的，或不同型号的）间具有一致的键合。可以调整的范例超声键合能量设定包括，但不限于：提供给换能器的电流的电流设定；提供给换能器的电压的电压设定；提供给换能器的功率的电功率设定；电流因子设定（例如，基于压扁的电流因子设定）；电压因子设定（例如，基于压扁的电压因子设定）；功率因子设定（例如，基于压扁的功率因子设定）；实际关系与参考关系之间的超声键合能量偏移等。如本领域技术人员将理解的，该因子设定（例如，电流因子设定）可以是施加至实际设定的因子或变量（例如，乘数（multiplier）、偏移等）。从而，在电流因子设定的情况下，设定可以是施加至待提供给换能器的实际电流设定的乘数。该电流因子设定可能在容许导线键合器用户使用公共电流输入来实现基本相似的导线键合中是有用的，因为该电流因子设定克服了从一机器至另一机器（例如，机器具有相同型号或不同型号）的某些差异。该过程可以涉及超声键合能量设定的手动调整，或可以是完全自动的而无需外部测量（例如，切变试验测量、拉伸试验测量等），由此增加了机器至机器校准调整的效率（并减少了人力）。
本创新技术量化了无空气球（FAB）在键合力和超声能量下的压扁行为。压扁的速率和量可以利用导线键合机的z轴上的高分辨率编码器（或使用其它技术）来测量，并且与施加的超声能量的水平成比例。如本领域技术人员将理解的，无空气球压扁与导线键合的切变强度之间基本相关。从而，基于压扁的调整/校准将基本上标准化导线键合机间的切变强度。
如以下解释的，在施加超声能量时的时间段期间测量压扁水平。在具体范例中，当无空气球与键合位置发生物理接触时发生着陆——在宣告该物理接触（例如，使用诸如电导率探测的接触探测系统、使用力探测、使用速度探测等）时，可以视为着陆。在宣告接触后施加键合力，并且链接换能器结构以稳态键合力在一位置（例如，导线键合机的z轴位置）处释放。然后，超声能量施加至无空气球。在此范例中，在一时间段（例如预定时间段）期间测量压扁，该时间段在施加超声能量时开始并且在经历所述预定时间段时结束。
根据本发明的某些范例实施例，提供了调整（例如，校准等）多个导线键合机之间的超声能量的方法。例如，某些创新方法将对象导线键合机的实际关系（例如，对象导线键合机上的无空气球压扁与超声键合能量水平之间的相关性）与参考关系（例如，单个（多个）参考导线键合机上的无空气球压扁与超声键合能量水平之间的预定相关性）进行比较，以及调整对象导线键合机的至少一个超声能量设定，使得调整的对象关系更接近参考关系。此技术容许朝向单个参考关系调整（例如，校准、标准化等）多个对象导线键合机。本创新过程往往具有特别的益处，该特别益处与在例如导线键合机的工厂车间（factory floor）处的一系列对象导线键合机（其中该机器可以是相同型号或可以不是相同型号）间提供具有类似特性的导线球键合相关。
图1示例了在着陆时键合头102（例如，毛细管102）的较低端处的与键合位置104（例如，半导体管芯的键合焊盘）接触的无空气球100的侧视图。如本领域技术人员将理解的，可以施加相对低水平的键合力，使得可以达到基本上稳定的状态，其中无空气球100如图1中所示地与键合位置104接触。然后，施加一水平的超声键合能量（例如，由施加至超声换能器的电流提供）并且测量无空气球100的压扁。键合头102的向下运动（导致压扁），以及无空气球100至压扁无空气球100a的实际变形也在图1中以虚线示出。图2是用于测量无空气球压扁的范例性定时图。
例如，图2是在预定水平的键合力（“键合力”）和超声键合能量（“超声键合能量”）处压扁与时间的关系的简化的定时图（例如，其可以从示波器获得）。特别是，y轴示例键合头的竖直（在键合器z轴上）压扁移动增量（例如，以z轴编码器计数增量计），而x轴示例时间的增量（例如，以毫秒计）。自时间“零”（x轴最左边）开始，在时间1期间，示出了键合头102的下降，具有最小键合力或没有键合力并且没有超声键合能量。位于键合头102的尖端处的无空气球100接触位置104（即，无空气球100的着陆）。存在探测此着陆（“着陆”）的许多方式。例如，此着陆可以感测为闭合电路（completed electrical circuit）。在另一范例中，可以结合无空气球沿z轴的速度的衰减来感测此着陆。在着陆后（不管如何探测），施加预定水平的键合力（“键合力”）（例如，相对低水平的键合力），使得z轴位置在时间2期间变得相对稳定。该稳定的z轴位置由时间2期间的基本平的或水平的线示例，其中存在无空气球100的小的压扁或不存在压扁。然后，施加预定量的超声键合能量（“超声键合能量”）达预定时间（时间3）（“压扁”），同时维持键合力。在时间3结束时，切断键合力和超声键合能量，并且在时间4期间抬起键合头。在时间3期间，超声能量的施加使得键合头向下移动直至无空气球102被压扁。此向下移动的量与无空气球压扁的量相关，并且可以通过例如z轴上的高分辨率编码器来对其进行测量。对应于预定键合力和预定键合能量处的压扁的数据可以保存到计算机中，用于以后生成给定导线键合机的无空气球压扁与超声键合能量的关系/分布。如本领域技术人员将理解的，可以设想用于测量无空气球压扁的其它技术。
无空气球压扁与施加的超声键合能量（例如，施加至超声换能器的电流）之间的关系往往在超声键合能量的某一范围内是线性关系——但是如上所述，该关系可以从一个导线键合机至另一导线键合机发生变化，从而产生可移植性问题。根据本发明的某些范例实施例，提供了无空气球压扁与超声键合能量之间的参考关系。例如，此参考关系可以是期望的或型号关系，并且可以通过测量多个相似导线键合机的关系，并且然后从该多个关系外推参考关系（例如，对多个关系进行平均或对该多个关系进行其它数学操作来推导单个参考关系）来获得。
图3示例多个相似导线键合机（例如，相同型号的）的相应的实际关系。更具体地，对于每一个导线键合机（例如，在每一个导线键合机可以是在某些可接受指标内操作的已知机器的地方），推导关系。可以通过测量（例如，使用如以上关于图2描述的z轴编码器）超声能量的多个水平/增量中的每一个处的z轴无空气球压扁来推导该关系。如本领域技术人员将理解的，在测量无空气球压扁的每一个数据点处，可以施加预定键合力和预定超声键合能量。可以在预定范围（例如，导线键合机的活动范围）中递增地增大预定超声键合能量。在本发明的某些实施例中，预定键合力可以是与该关系相关的静力，并且在其它实施例中，预定键合力可以随预定超声键合能量一起递增。施加的以获得用于推导该关系的各种压扁测量结果的预定键合力和预定超声能量的范围将取决于使用的导线键合机、使用的超声换能器的类型、以及各种其它因素。用于预定超声键合能量的一个范例范围为10-100毫安。在该范例中，施加至超声换能器的电流可以在10毫安与100毫安之间递增（例如，以30个增量）。也可以使用键合力的对应增量。可以在每一个增量处测量无空气球压扁，并且于是可以提供用于给定导线键合机的关系。可以对许多相似导线键合机重复此过程。
例如，图3示例用于5个区别的、相似导线键合机的这些关系（即，相应的线性关系的形式，即斜率（slope））。如上所述，此5个线性关系中的每一个表示超声键合能量的增量（例如，以及键合力的增量）处的多个压扁测量结果。此5个关系可以用于建立单个参考关系。当然，虽然图3中示出了5个关系，但是可以使用用于任何数量的相似导线键合机的任何数量的关系来建立期望的参考关系。例如，可以对每个关系的斜率进行平均来确定平均斜率——并且此平均斜率可以用作参考关系。
图4示例范例参考关系（例如，期望的参考斜率）。如本领域技术人员将理解的，不使用图3的5个关系来推导图4中所示的参考关系。在任何情况下，在计算或另外地提供期望的参考关系后，多个导线键合机的期望导线键合器可移植性的用户可以将用于每个导线键合机的相应的实际关系调整为更紧密接近参考关系。通过使用该调整，每一个调整的导线键合机的输出可以更紧密地接近参考关系的输出，由此给用户提供导线键合机间的改善的键合一致性。
具体地，图5示例对象导线键合机的初始/实际关系（“初始”）。将此关系与图4的参考关系（“期望的斜率”）进行比较。调整对象导线键合机的一个或多个超声能量设定（例如，待施加至超声换能器的电流的电流因子、待施加至超声换能器的电压的电压因子、实际关系（“初始”）与参考关系（“期望的斜率”）之间的偏移等），使得对象导线键合机的调整的、或校正的实际关系（“校正的”）更接近参考关系。从而，图5示例更接近图4的参考关系（“期望的斜率”）的“校正的”（即，调整的）关系（即，校正的关系比初始关系更接近参考关系）。可以使用相同超声键合能量设定（或使用不同或附加超声键合能量设定）如所需地重复对象导线键合机的实际关系的调整，直至校正的实际关系在参考关系的预定容限内。
如本领域技术人员所理解的，期望某些因子在用于建立参考关系的导线键合机与对象导线键合机之间保持相同（或基本类似）。例如，温度（例如，如由加热块提供的）、毛细管类型、导线类型等。
可以在工厂对整组相似导线键合机重复于此描述的调整过程，例如使得调整每一个导线键合机以形成具有类似特性的相似导线键合。可以例如通过操作员介入来手动执行该过程。然而，可以自动执行该过程。例如，参考关系（以及关联的预定容限）可以集成到计算机系统中，由此可以结合可以访问参考关系的计算机程序或算法来执行调整对象关系的过程。在更具体的范例中，参考关系和计算机程序可以包括在每一个待调整的对象导线键合机上。
图6是示例根据本发明的范例实施例的调整导线键合机上的超声键合能量的方法的流程图。在步骤600，提供无空气球压扁与超声键合能量之间的参考关系（例如，见以上对图2和3的讨论）。在步骤602，确定对象导线键合机上的超声键合能量与无空气球压扁之间的实际关系。在步骤604，在可选步骤中，将对象导线键合机的实际关系与参考关系进行比较。然后，在步骤606，调整对象导线键合机的至少一个超声键合能量设定，使得对象导线键合机的实际关系更接近参考关系。
图7是示例根据本发明的范例实施例的调整导线键合机上的超声键合能量的另一方法的流程图。在步骤700，提供无空气球压扁与超声键合能量之间的参考关系（例如，见以上对图2和3的讨论）。在步骤702，确定对象导线键合机上的超声键合能量与无空气球压扁之间的实际关系。在步骤704，将对象导线键合机的实际关系与参考关系进行比较。在步骤706，确定对象导线键合机的（调整的）实际关系是否在参考关系的预定容限内。例如，可以使用算法、曲线拟合软件、及本领域技术人员理解的其它技术来实现该确定。如果答案是肯定的，则进行到步骤708并且完成操作。如果答案是否定的，则进行到步骤710，在此，调整对象导线键合机的至少一个超声键合能量设定，使得对象导线键合机的调整的关系更接近参考关系。该方法然后返回到步骤706，直至调整的实际关系在参考关系的预定容限内。需要注意，可以在闭环中重复步骤706和710，直至调整的实际关系在参考关系的预定容限内，并且方法进行到步骤708（操作完成），或直至步骤706和710重复了预定次数，或达预定时间段。
图8是示例测量无空气球压扁的范例方法的流程图。具体地，描述图1-2中示例的过程。在步骤800，降低无空气球以在键合位置（例如，诸如管芯焊盘的基底）上着陆。在步骤802，施加键合力。在步骤804，经过时间T1。然后在步骤806，测量初始Z高度（例如，毛细管的或导线键合机的键合头的其它部分的）。自步骤808，施加预定水平的超声能量（例如，同时保持键合力）。在步骤810，经过时间T2。然后，在步骤812，切断超声能量和键合力。在步骤814，再次测量Z高度（最终Z高度）。在步骤816，确定初始Z高度（在步骤806）与最终Z高度（在步骤814）之间的差以获得对应的超声键合能量增量处的压扁。如以上所提供的，可以对许多超声键合能量增量（例如，以及键合力增量）重复此过程（或其它压扁测量过程），以推导用于特定键合机的关系。该过程可以用于建立参考关系（与一个或多个导线键合机相关）或与待调整的对象导线键合机的实际关系相关。
虽然于此作为线示例了无空气球压扁与超声键合能量之间的关系（例如，参考或实际关系），并且更具体地，线性关系的斜率，但是该关系可以采取其它形式。例如，该关系可以提供为曲线、一系列的数、多个数据点、数学表达式、或其它形式。
可以在各导线键合机上的单个位置确定于此描述的压扁值（例如，用于建立参考关系，用于建立实际导线键合机的实际关系等）。相反，可以在可能具有变化的影响的参考或对象导线键合机上的不同位置完成压扁的确定（以及关联的调整）。例如，可以在四个或更多键合方向上进行压扁的确定（以及关联的调整）以解决该变化。
如本领域技术人员将理解的，根据本发明的对超声键合能量设定的调整可以期望地例如将对象导线键合机的实际关系的斜率改变为更接近参考关系的斜率。在改变实际关系的斜率后（例如，在参考关系的斜率的预定容限内），可以进一步确定参考关系与调整的实际关系之间的偏移是否在可接受的容限内。如果两个关系之间（例如两条线之间）的偏移不在可接受的容限内，可以进行另一调整（例如，键合力调整）以改变该偏移。
虽然于此参照具体实施例示例和描述了本发明，但是不是意在将本发明限制于所示的细节。而是，可以在权利要求的等同物的范围内并且不脱离本发明对细节进行各种修改。

Claims (21)

1.一种调整导线键合机上的超声键合能量的方法，所述方法包括以下步骤：
a）提供无空气球压扁与超声键合能量之间的参考关系；
b）确定对象导线键合机上的无空气球压扁与超声键合能量之间的实际关系；以及
c）调整所述对象导线键合机的至少一个超声键合能量设定，使得所述对象导线键合机的所述实际关系更接近所述参考关系。
2.如权利要求1所述的方法，其中，多个参考导线键合机用于提供步骤a）中的无空气球压扁与超声键合能量之间的所述参考关系。
3.如权利要求1所述的方法，其中，步骤a）的所述参考关系涉及所述超声键合能量的多个值中的每一个值处的相应的无空气球压扁。
4.如权利要求1所述的方法，其中，步骤a）的所述参考关系涉及多个导线键合机中的每一个导线键合机上的超声键合能量的多个值中的每一个值处的相应的无空气球压扁。
5.如权利要求4所述的方法，其中，通过对所述多个导线键合机中的每一个导线键合机在所述超声键合能量的所述多个值中的每一个值处的所述相应的无空气球压扁进行平均来获得所述参考关系。
6.如权利要求1所述的方法，其中，重复步骤b）和c），直至所述实际关系在所述参考关系的预定容限内。
7.如权利要求1所述的方法，其中，对多个附加对象导线键合机重复步骤b）和c）。
8.如权利要求1所述的方法，其中，步骤b）中的所述无空气球压扁对应于所述对象导线键合机的键合头的z轴运动。
9.如权利要求1所述的方法，其中，使用所述对象导线键合机的z轴编码器来确定步骤b）中的所述无空气球压扁。
10.如权利要求1所述的方法，其中，步骤c）的所述对象导线键合机的所述至少一个超声键合能量设定的所述调整是手动调整。
11.如权利要求1所述的方法，其中，步骤c）的所述对象导线键合机的所述至少一个超声键合能量设定的所述调整是自动调整。
12.如权利要求11所述的方法，其中，在闭环中执行步骤b）和c）。
13.如权利要求1所述的方法，其中，使用至少1000个数据点来建立步骤a）的所述无空气球压扁与所述超声键合能量之间的所提供的参考关系。
14.如权利要求1所述的方法，其中，步骤c）中调整的所述至少一个超声键合能量设定是超声换能器的电流因子设定。
15.如权利要求1所述的方法，其中，步骤c）中调整的所述至少一个超声键合能量设定是超声换能器的电压因子设定。
16.如权利要求1所述的方法，其中，步骤c）中调整的所述至少一个超声键合能量设定是所述实际关系与所述参考关系之间的偏移。
17.如权利要求1所述的方法，还包括将步骤b）中确定的所述实际关系与步骤a）中提供的所述参考关系进行比较的步骤。
18.如权利要求1所述的方法，其中，所述对象导线键合机的所述实际关系是基本线性的关系，并且其中，步骤c）的所述至少一个超声键合能量设定的所述调整导致所述对象导线键合机的所述实际关系的斜率的改变。
19.如权利要求1所述的方法，其中，所述实际关系和所述参考关系是基本线性的关系。
20.如权利要求19所述的方法，其中，步骤c）的所述至少一个超声键合能量设定的所述调整导致所述对象导线键合机的所述实际关系的斜率的改变。
21.如权利要求20所述的方法，还包括确定（i）步骤c）之后的所述实际关系与（ii）所述参考关系之间的偏移是否在预定容限内的步骤d）。
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