CN103972116A - 导线键合机和校准导线键合机的方法 - Google Patents

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Abstract

一种导线键合机，包括：处理器；键合头，与处理器相耦接，配置来控制键合头移动；键合工具，安装在键合头并被键合头驱动，以用键合导线在安装于衬底的半导体晶粒和衬底之间形成电性互连；和键合头相耦接的测量设备，被操作来测量当键合工具被键合头驱动以通过键合局部将键合导线连接半导体晶粒时键合导线的键合局部形变。处理器具体配置来：获得测量键合局部形变和导线键合机操作参数之间的至少一个关系；将所获得的至少一个关系与导线键合机操作参数和期望键合局部形变之间的预定关系比较；根据键合局部形变相对于导线键合机操作参数所获得的至少一个关系和预定关系之间的比较结果，校准导线键合机操作参数。还公开一种校准导线键合机的方法。

Description

导线键合机和校准导线键合机的方法
技术领域
本发明涉及一种导线键合机和校准该导线键合机的方法。
背景技术
传统意义上，导线键合机使用在半导体装配和封装过程中，以在半导体芯片上的电气接触盘和衬底之间，或者不同的半导体芯片上的电气接触盘之间形成导电线路连接。具体地，将键合导线从包含有键合导线的线圈处馈送通过键合工具，如毛细尖管（劈刀）（capillary），以执行导线键合工序。通过组合使用热量、压力和超声波能量，键合导线被键合或焊接至半导体芯片或衬底的连接盘上。导线键合工序是一种固相（solid phase）焊接方法，其中两种金属材料（如键合导线和连接盘表面）被形成紧密接触。一旦这些表面处于紧密接触中，那么发生电子共享或原子相互扩散，导致形成导线键合。
校准导线键合机需要来确保不同的导线键合机之间性能的一致性。目前，校准导线键合机包括以下步骤。
1) 使用外部激光测振计（vibrometer）或光学测振计，以测量导线键合机的换能器端部或毛细尖管端部的超声波振动。
2) 记录键合结果，例如焊球尺寸，焊球剪切（ball shear），焊球提升的数量（number of ball lift），导线拉拽后的键合盘剥离等等；以及。
3) 使用外部的力传感器以根据测量的超声波振动和记录的键合结果校准键合力。
上述校准导线键合机的方法具有以下的缺点。
1) 由于该方法花费很长时间测量键合结果，例如焊球尺寸和焊球剪切，所以正常情况下，用户根据导线键合机的换能器端部的超声波振动的有限变化范围获得这些测量结果，这影响了校准精度。
2) 由于使用外部激光测振计或光学测振计包括用于测量导线键合机的换能器端部的超声波振动的其他设备，所以长的配置时间可能被需要。
3) 由于该方法没有模拟导线键合机的实际操作，所以它不可能是不精确的。
4) 由于外部的力传感器需要额外的设备来校准导线键合机，所以导线键合机的校准可能花费很长时间。
发明内容
一方面，本发明提供一种导线键合机，该导线键合机包含有：i)处理器；ii)键合头，其和处理器相耦接，该处理器被配置来控制键合头的移动；iii)键合工具，其安装在键合头上，该键合工具被键合头驱动，以使用键合导线在半导体晶粒和衬底之间形成电性互连，该半导体晶粒被安装在衬底上；以及iv)测量设备，其和键合头相耦接，该测量设备被操作来测量当键合工具被键合头驱动以通过键合局部将键合导线连接至半导体晶粒时键合导线的键合局部的形变；其中，该处理器被配置来：i)获得被测量的键合局部的形变和导线键合机的操作参数之间的至少一个相互关系；ii)将所获得的至少一个相互关系与导线键合机的操作参数和期望的键合局部的形变之间的预定的相互关系进行比较；以及iii)根据键合局部的形变相对于导线键合机的操作参数的所获得的至少一个相互关系和预定的相互关系之间的比较结果，校准导线键合机的操作参数。
另一方面，本发明提供一种校准导线键合机的方法，该导线键合机包含有：处理器；键合头；键合工具，其被键合头驱动，以使用键合导线在半导体晶粒和衬底之间形成电性互连，该半导体晶粒被安装在衬底上；测量设备，其被操作来测量当键合工具被键合头驱动以通过键合局部将键合导线连接至半导体晶粒时形成在键合导线的键合局部的形变；该方法包含有以下步骤：获得被测量的键合局部的形变和导线键合机的操作参数之间的至少一个相互关系；将所获得的至少一个相互关系与导线键合机的操作参数和期望的键合局部的形变之间的预定的相互关系进行比较；以及根据键合局部的形变相对于导线键合机的操作参数的所获得的至少一个相互关系和预定的相互关系之间的比较结果，校准导线键合机的操作参数。
附图说明
现在将参考附图，仅仅以示例的方式，描述本发明较佳实施例，其中。
图1a所示为具有键合工具进行键合的导线键合机的示意图，而图1b所示为图1a的导线键合机的平面布置示意图。
图2所示表明了超声波电流的操作参数和无空气球形变量（the amount of a free air ball deformation）之间的各种相互关系。
图3所示表明了键合力的操作参数和无空气球形变量之间的各种相互关系。
图4所示表明了形变设定的操作参数和无空气球形变量之间的各种相互关系；以及。
图5所示表明了XY平台振动设定的操作参数和无空气球形变量之间的各种相互关系。
具体实施方式
图1a所示为进行导线键合的导线键合机100。导线键合机100包括：i) 上夹具102和下夹具104，其用于控制键合导线105的移动，使用气动设备（所示为空气张紧器107）将键合导线105从线圈处（图中未示）沿着导线馈送路径馈送；ii）换能器20，其用于在导线键合期间产生超声波振动；iii）键合工具（所示为毛细尖管22），在键合期间键合导线105通过该键合工具被馈送；iv）电子火焰熄灭(EFO：electronic flame-off )打火杆（torch）110，其用于产生放电而在键合导线105的线尾端部生成无空气球；v）接触传感器112，其用于响应物体之间的接触；以及vi）测量设备（在图1中所示为位置编码器10），其可相对于线性标尺120移动以相对于参考位置确定和测量毛细尖管22的位置。
现在参考附图1a将描述导线键合机100的导线键合处理。首先，导线键合机100形成第一导线键合，具体为球形键合，其中无空气球的形变得以形成——位于设置在衬底上，和更具体为引线框116上的半导体晶粒114的上表面。其后，导线键合机100使用键合导线105形成第二导线键合，具体为楔形键合——位于引线框116的上表面，以致于在球形键合和楔形键合之间连接有导线圈。在导线键合机100在引线框116上执行楔形键合之后，毛细尖管22在远离楔形键合的方向上被移动，以致于毛细尖管22的基座被设置在预定位置。值得注意的是，毛细尖管22在移动远离楔形键合以前，上夹具102闭合，下夹具104开启以避免可能将键合导线105从楔形键合处过早地断开的任何的张紧。一旦毛细尖管22的基座定位在预定位置，那么下夹具104得以闭合以在键合导线105上施加握紧力。其后，毛细尖管22沿着Z轴向上移动进一步远离楔形键合一段线尾断开高度，以便于将键合导线105拉拽离开楔形键合。这样产生了将键合导线105从楔形键合处断开和分离的张紧力，以形成一段大体等同于预定线尾长度的线尾。但是楔形键合仍然应该保持键合在引线框116上。所形成的线尾和键合导线105从毛细尖管22的基座凸伸的局部相匹配。
用于导线键合机的全新的便携式加工调整方法（machine portability tuning methodology）被引入，其使用了测量设备以测量无空气球的形变和寻求无空气球的形变程度相对于导线键合机的一个或多个操作参数，如导线键合期间由导线键合机100所传送的超声波电流/能量、键合力设定、键合头形变设定和/或XY平台预设的振幅设定等的相互关系。在获得相互关系的曲线之后，导线键合机的处理器将会相对于预定的通用曲线（master curve）与之相比较，并通过自动补偿所获得的相互关系曲线和通用曲线之间的差值而校准导线键合机。所以，不同的导线键合机能够得以被校准，以具有和通用曲线所定义的性能相同的性能。
图1b所示为图1a所描述的导线键合机100的平面布置示意图。如图1b所示，位置编码器10被耦接至键合头12，以当超声波能量被超声波驱动器18施加至换能器20时测量键合头的位置和无空气球形变的程度。在自动调整过程中，当其他因子不变的情形下只有超声波电流是可变的。位置编码器10较佳地具有至少0.1微米的测量分辨率。具体地，在接着应用超声波能量、键合压力、键合头12移动和/或耦接至键合头12上的XY平台121的振动之后，位置编码器10被配置来测量无空气球沿着垂直Z轴朝向半导体晶粒的形变。
参考图1b所示，键合头控制器14控制马达驱动器13和马达15以移动键合头12和毛细尖管22，这样藉此施加恒定的压力于无空气球24上。另一方面，超声波驱动器18控制换能器20以将超声波能量施加在无空气球24上。在施加于无空气球24上的超声波能量和键合压力的联合作用下，无空气球24将会相应地形变。键合头编码器10将测量无空气球24的形变程度，并将结果返馈回复至中央计算机16。
现在详细地描述使用位置编码器10和线性标尺120测量无空气球的形变。
首先，键合头控制器14朝向半导体晶粒114上的导电盘移动键合头12，直到无空气球的基座接触半导体晶粒114上的导电盘。由于接触传感器112电性连接在无空气球24和半导体晶粒114上的导电盘之间，所以通过这种配置电路相应地得以形成，即，当无空气球24的基座接触半导体晶粒114上的导电盘时，闭合电路得以形成。从而，接触传感器112对无空气球24的基座和半导体晶粒114上的导电盘之间的接触作出响应。可选地，键合头上的信号变化也可以被使用来确定无空气球24的基座接触半导体晶粒114上的导电盘处的位置点。
在无空气球接触之后，毛细尖管22朝向半导体晶粒114上的导电盘继续降低，编码器标尺120测量毛细尖管22所移动的距离，直到无空气球24被毛细尖管22完全变形。所以，编码器10和线性标尺120能够测量由超声波能量----或导致毛细尖管22移动的导线键合机100的任何其他部件（如XY平台121的振动或键合头12提供键合力的相应的移动）所引起的无空气球在Z水平上（或高度）的形变。
所以，通过导线键合机100在半导体晶粒114的导电盘上形成球形键合，其中导致了无空气球24的形变。其后，在形成球形键合之后，毛细尖管22沿着Z轴方向的位置立即被位置编码器10测量。通过比较在形成球形键合之后立即被测量的毛细尖管22的位置和无空气球24的基座刚好接触半导体晶粒114上的导电盘时的毛细尖管22的位置，无空气球24的球形形变量能够得以测量。如图2所示，中央计算机16收集一系列关于传递自键合头12的超声波电流和无空气球的形变量之间相互关系的数据。其他的参数/设定保持不变。具体地，中央计算机16指令超声波驱动器18提供不同量的超声波电流（如100mA、600mA和700mA）至换能器20，而位置编码器10然后相应地测量无空气球的形变程度。例如，图2所示表明了施加至换能器20的700mA的超声波电流（所示为B）导致了20微米的无空气球形变（所示为C）。以这种方式，传送自键合头12的超声波电流和无空气球的形变程度之间相互关系能够得以导出。
而且，基于基础研究的通用曲线将会预设为存储在中央计算机16中的参考/通用曲线。同样地，通用曲线相关于无空气球的期望形变量和实现它的典型超声波电流之间的基于经验的相互关系。例如，图2表明了20微米的焊球形变（所示为C）通常是由通用曲线中的600mA（所示为A）的超声波电流实现，而不是由加工曲线（machine curve）中的更高的700mA（所示为B）的超声波电流实现。所以，应用700mA的超声波电流实现的20微米的无空气球形变可能不是精确的或者可重复的。这能够通过无空气球形变量不仅仅依赖于施加于换能器20上的超声波电流，而且依赖于其他因素如超声波电流大小、工具类型、材料变化程度和调节精确程度的事实而得以解释。
在导线键合机的中央计算机16中，通过将获得的加工曲线和通用曲线进行比较，固定的转换因子1-(B-A)/A (或 1-(700-600)/600 = 0.833)能够得以确定和自动设定，以致于由超声波驱动器18所施加在换能器20上的超声波电流乘以转换因子（如0.833）而被校准。由于依靠了通用曲线，所以导线键合机的校准可跨越各种机器而扩展。
类似地，无空气球形变相对于键合力的关系也能够得以确定。如图3所示，首先，中央计算机16收集一系列关于传递自键合头12的各种键合力和无空气球的形变量之间相互关系的数据，而其他的设定保持不变。具体地，中央计算机16指令马达驱动器13移动键合头12，藉此产生不同键合力大小（例如50g、100g、150g），然后，键合头编码器10相应地测量无空气球的形变程度。例如，图3所示表明了由键合头12施加的150g的键合力（所示为B）导致了25微米的焊球形变（所示为C）。以这种方式，传送自键合头12的不同键合力和无空气球的形变程度之间的相互关系能够得以导出。
相关于无空气球的期望形变程度和实现它的典型键合力之间的基于经验的相互关系的通用曲线能够预设为存储在中央计算机16中的参考/通用曲线。例如，图3表明了25微米的无空气球形变（所示为C）通常是由通用曲线中的120g（所示为A）的键合力实现，而不是由加工曲线中的更高的150g（所示为B）的键合力实现。所以，应用150g的键合力实现的25微米的无空气球形变可能不是精确的或者可重复的。这能够通过无空气球形变量不仅仅依赖于由键合头12所施加的键合力，而且依赖于这种其他因素如超声波电流大小、工具类型、材料变化程度和调节精确程度的事实而得以解释。
在导线键合机100的中央计算机16中，通过将获得的加工曲线和通用曲线进行比较，固定的转换因子1-(B-A)/A能够再次得以确定和自动设定，以致于由键合头12所施加的键合力乘以转换因子而被校准。由于依靠了通用曲线，所以导线键合机100的校准可跨越各种机器而扩展。
如图4所示，中央计算机16收集一系列关于不同形变设定和无空气球的形变量之间相互关系的数据。其他的设定保持不变。每次形变设定包括施加于换能器20的超声波电流和由键合头12所施加的键合力的特定组合。图4中所示的加工曲线是通过下述的形变设定而获得的：i）超声波电流：100mA；键合力：5g；ii）超声波电流：150mA；键合力：10g；iii）超声波电流：200mA；键合力：15g；iv）超声波电流：300mA；键合力：20g。例如，图4所示表明了形变设定iv）（所示为B）导致了20微米的无空气球形变（所示为C）。以这种方式，导线键合机100的不同键合设定和无空气球的形变程度之间的相互关系能够得以导出。
再者，相关于无空气球的期望形变和实现它的典型形变设定之间的基于经验的相互关系的通用曲线能够预设为存储在中央计算机（16）中的参考/通用曲线。例如，图4表明了20微米的无空气球形变（所示为C）通常是由通用曲线中的键合设定iii）（所示为A）实现，而不是由加工曲线中的键合设定iv）（所示为B）实现。所以，应用键合设定iv）实现的25微米的无空气球形变可能不是精确的或者可重复的。这能够通过无空气球形变量依赖于其他因素如工具类型、材料变化程度和调节精确程度的事实而得以解释。
在导线键合机100的中央计算机16中，通过将获得的加工曲线和通用曲线进行比较，转换因子1-(B-A)/A能够再次得以确定和自动设定，以致于由键合头12所施加的键合力乘以转换因子而被校准。由于依靠了通用曲线，所以导线键合机100的校准可跨越各种机器而扩展。
类似地，无空气球形变相对于XY平台振动设定的关系也能够得以确定。如图5所示，首先，中央计算机16收集一系列关于传递自XY平台121的各种振幅设定和无空气球的形变量之间相互关系的数据，而其他的设定保持不变。具体地，中央计算机16指令马达驱动器13移动XY平台121，藉此产生不同振幅大小（例如1微米、5微米和10微米），然后，键合头编码器10相应地测量无空气球的形变程度。例如，图5所示表明了由键合头12施加的10微米振幅（所示为B）导致了20微米的焊球形变（所示为C）。以这种方式，传送自XY平台121的不同振幅和无空气球的形变程度之间的相互关系能够得以导出。
相关于无空气球的期望形变程度和实现它的典型振幅之间的基于经验的相互关系的通用曲线能够预设为存储在中央计算机16中的参考/通用曲线。例如，图5表明了20微米的无空气球形变（所示为C）通常是由通用曲线中的10微米（所示为A）的振幅实现，而不是由加工曲线中的更高的15微米（所示为B）的振幅实现。
在导线键合机100的中央计算机16中，通过将获得的加工曲线和通用曲线进行比较，固定的转换因子1-(B-A)/A能够再次得以确定和自动设定，以致于由XY平台121所施加的振幅乘以转换因子而被校准。由于依靠了通用曲线，所以导线键合机100的校准可跨越各种机器而扩展。
本发明提出的方法具有下述的优点。
1）该测试模拟了实际的键合环境，并降低了由于其它因素而引起的结果变化。相对比而言，在传统的校准方法中外部的激光测振计/光学测振计仅仅测量换能器的振幅。通过测量相对于实际操作中导线键合机的超声波电流/能量 和/或键合力/压力的焊球形变程度，本发明方法直接从导线键合机的键合结果中测量，并且键合精度能够有益地得以改善。
2）由于本发明方法依赖于键合头编码器和中央计算机，二者均内置于导线键合机中，所以没有额外的设备被需要来完成自动测量和精细调节。这样藉此改善了用户友好性。而且，测试时间和成本也得以节省。
3）无空气球形变的速率（形变速度）也能够得以测量和校准。
值得注意的是，本发明的其他实施例也可能落在本发明所要求保护的范围内。

Claims (18)

1.一种导线键合机，该导线键合机包含有：
处理器；
键合头，其和处理器相耦接，该处理器被配置来控制键合头的移动；
键合工具，其安装在键合头上，该键合工具被键合头驱动，以使用键合导线在半导体晶粒和衬底之间形成电性互连，该半导体晶粒被安装在衬底上；以及
测量设备，其和键合头相耦接，该测量设备被操作来测量当键合工具被键合头驱动以通过键合局部将键合导线连接至半导体晶粒时键合导线的键合局部的形变；
其中，该处理器被配置来：
获得被测量的键合局部的形变和导线键合机的操作参数之间的至少一个相互关系；
将所获得的至少一个相互关系与导线键合机的操作参数和期望的键合局部的形变之间的预定的相互关系进行比较；以及
根据键合局部的形变相对于导线键合机的操作参数的所获得的至少一个相互关系和预定的相互关系之间的比较结果，校准导线键合机的操作参数。
2.如权利要求1所述的导线键合机，其中，该处理器被配置来通过转换因子来校准导线键合机的操作参数。
3.如权利要求1所述的导线键合机，其中，该导线键合机的操作参数是传递自键合头以在半导体晶粒和衬底之间形成电性互连的超声波电流。
4.如权利要求1所述的导线键合机，其中，该导线键合机的操作参数是传递自键合头以在半导体晶粒和衬底之间形成电性互连的键合力。
5.如权利要求1所述的导线键合机，其中，该导线键合机的操作参数是键合局部的形变设定。
6.如权利要求5所述的导线键合机，其中，该形变设定包含有超声波电流和键合力的组合，超声波电流和键合力二者可被操作来传递自键合头以在半导体晶粒和衬底之间形成电性互连。
7.如权利要求1所述的导线键合机，其中，该导线键合机的操作参数是导线键合机的XY平台的振动设定。
8.如权利要求1所述的导线键合机，其中，该测量设备为位置编码器。
9.如权利要求8所述的导线键合机，其中，该位置编码器被配置来测量键合局部沿着垂直轴线上的形变。
10.一种校准导线键合机的方法，该导线键合机包含有：处理器；键合头；键合工具，其被键合头驱动，以使用键合导线在半导体晶粒和衬底之间形成电性互连，该半导体晶粒被安装在衬底上；测量设备，其被操作来测量当键合工具被键合头驱动以通过键合局部将键合导线连接至半导体晶粒时形成在键合导线的键合局部的形变；该方法包含有以下步骤：
获得被测量的键合局部的形变和导线键合机的操作参数之间的至少一个相互关系；
将所获得的至少一个相互关系与导线键合机的操作参数和期望的键合局部的形变之间的预定的相互关系进行比较；以及
根据键合局部的形变相对于导线键合机的操作参数的所获得的至少一个相互关系和预定的相互关系之间的比较结果，校准导线键合机的操作参数。
11.如权利要求10所述的方法，其中，校准导线键合机的操作参数的步骤包括使用转换因子。
12.如权利要求10所述的方法，其中，该导线键合机的操作参数是传递自键合头以在半导体晶粒和衬底之间形成电性互连的超声波电流。
13.如权利要求10所述的方法，其中，该导线键合机的操作参数是传递自键合头以在半导体晶粒和衬底之间形成电性互连的键合力。
14.如权利要求10所述的方法，其中，该导线键合机的操作参数是键合局部的形变设定。
15.如权利要求14所述的方法，其中，该形变设定包含有超声波电流和键合力的组合，超声波电流和键合力二者可被操作来传递自键合头以在半导体晶粒和衬底之间形成电性互连。
16.如权利要求10所述的方法，其中，该导线键合机的操作参数是导线键合机的XY平台的振动设定。
17.如权利要求10所述的方法，其中，该测量设备为位置编码器。
18.如权利要求17所述的方法，其中，获得被测量的键合局部的形变和导线键合机的操作参数之间的至少一个相互关系的步骤包括：使用该位置编码器来测量键合局部沿着垂直轴线上的形变。
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