CN1309526C - 测量引线接合器的毛细管自由振荡的振幅的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于测量夹在施加了由超声波转换器(2)发出的超声波的角(3)上的毛细管(1)尖端振荡振幅的分量A_y的方法，其中测量是基于光束(6)被毛细管(1)遮蔽，并且其中光束(6)的强度通过光接收器(14)测量，毛细管被设置在光束的一侧且不遮蔽光束，并被施加超声波。然后分步骤移动毛细管通过光束，其中，对于从i＝0到n的每个步骤，光接收器输出信号的直流电压部分U_DC(y_i)和交流电压部分U_AC(y_i)以及坐标y_i都可以被确定，其中坐标y_i代表了毛细管(1)相对于垂直于光束(6)的坐标轴y的位置。然后可以从测量值中计算出分量A_y。

Description

测量引线接合器的毛细管 自由振荡的振幅的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量引线接合器(wire bonder)的毛细管(capillary)自由振荡振幅的方法和装置。

背景技术

引线接合器是用于在半导体芯片安装在基片上之后对其进行布线的机器。引线接合器具有一个毛细管，夹紧角(horn)的尖端。毛细管用来将引线(wire)固定到半导体芯片上的连接点以及基片上的连接点，并且引导两个连接点之间的引线。在产生半导体芯片和基片上的连接点之间的引线连接时，从毛细管伸出的引线末端首先被熔化成球状。然后，通过压力和超声波将引线球固定到半导体芯片的连接点上。在此过程中，对角施加由超声波转换器(ultrasonic transducer)发出的超声波。这个过程叫做球连接(ball bonding)。然后引线被拉伸到要求的长度，形成一个环状，并被焊接到基片的连接点上。这个过程的最后一部分叫做楔连接(wedge bonding)。在将引线固定到基片的连接点上之后，截断(tear off)引线，可以开始下一个连接过程。

由欧洲专利EP498936 B1已知一种用于测量毛细管自由振荡振幅的方法和装置。测量值用来校准超声波转换器。采用光垒(lightbarrier)来测量毛细管振荡的振幅。

由日本专利10-209 199已知一种采用激光束作为光垒来测量自由振荡毛细管振幅的方法和装置。

实验表明采用已知技术来测量自由振荡毛细管尖端振幅无法产生可再现的结果。

发明内容

本发明的目的即在于提供一种用于测量自由振荡毛细管尖端振幅的方法和装置。

由于毛细管的振荡改变了通过它的光束强度，与本发明相一致的方法乃是基于借助于毛细管的光束遮蔽法(shading)。允许通过的光束强度通过光接收器(opto-receiver)来测量。通常并不知道平面内毛细管振动的方向。然而通常毛细管的振动主要沿着角的纵轴方向。通过光束遮蔽法测量原则，只有毛细管振动振幅的垂直于光束方向的分量能够才被测量。不幸的是当不采取特殊措施时有很多不良效应会妨碍到重复测量，例如毛细管的污染、在毛细管上产生的衍射、毛细管表面的逐层变化、光束的不对称等。本发明可以进行大量测量并对获得的测量数据求平均。首先，毛细管针对光束进行调整。然后，根据以下步骤确定与光束方向垂直的毛细管振动分量A_y。

a)将毛细管放置在光束的一侧且不阻挡光束，并对角施加超声波。

b)沿着预定方向w分确定数值n个步骤将毛细管移入光束，或者完全通过光束直到它位于光束的另一侧。其中，在从i＝1到n的每一步中，除坐标系y_i外，光接收器的输出信号U_P(y_i)的直流电压部分U_DC(y_i)和交流电压部分U_AC(y_i)均可被确定，其中坐标系y_i标明了毛细管相对于垂直于光束的坐标轴y的位置，待测的A_y分量沿着坐标轴y的方向。

c)灵敏度值S_i(y_i)的计算是直流部分U_DC(y_i)关于坐标轴y的导数， $S_i\left(y_i\right)=\frac{{\mathrm{dU}}_{\mathrm{DC}}\left(y_i\right)}{\mathrm{dy}}.$

d)选择至少四个测量点，对这里的每个灵敏度都要选择至少四个测量点对于其中每个测量点计算A_y，i值，

$A_{y,i}=\frac{U_{\mathrm{AC}\left(y_i\right)}}{S_{i\left(y_i\right)}}.$

e)计算A_y，i的平均值A_y分量。

A_y分量可以通过统计学方法很方便地计算。这对平滑步骤c中计算出来的灵敏度值S_i(y_i)尤其有益，例如可通过对相邻测量点求平均来实现。这对于平滑U_DC(y_i)和U_AC(y_i)的测量值也是有益的。不仅考虑四次测量，而是考虑尽可能多的测量更加有利。例如，选择测量次数的一个可能标准是灵敏度值S_i超出一个预定的最小值。

附图说明

下面将参照附图对本发明的实施例作更详尽的说明。

附图1基于光束遮蔽法测量自由振荡的毛细管尖端振幅的测量装置，

附图2-6毛细管尖端相对于光束的不同位置，

附图7-11不同图表，以及

附图12、13其它的测量装置。

具体实施方式

附图1显示了毛细管1和用于测量毛细管尖端自由振荡振幅的测量装置的平面图，毛细管1夹在施加了从超声波转换器2发出的超声波的角3的尖端上。直角坐标系的坐标用x、y和z标记，其中z坐标与附图平面垂直。角3固定在引线接合器的接合器头4(bondhead)上。接合器头4使毛细管1的尖端可以在全部三个坐标轴方向上移动。测量装置包括可在工作区域内产生具有准确直径的光束6的光源5。光源最好包括激光二极管7和将激光二极管7发出的光锥9转换成光束6的第一光学装置8(optical assembly)。在本实施例中，第一光学装置8包括两个透镜；第一透镜10将由激光二极管发出的光锥9汇聚成平行光11；第二透镜12把光线再聚焦，使得光束6的直径在第二透镜12的焦平面13处达到最小。同时，焦平面13是测量毛细管1振幅的测量平面。此外，本装置包括一个光接收器14和将光束6映像到光接收器14上的第二光学装置15。光学装置15包括两个透镜；第一透镜16将经过测量平面后再次发散的光束6汇聚成平行光17；第二透镜18将平行光17汇聚到光接收器14上。毛细管10尖端的直径大约在50μm到150μm之间。光束6在测量平面内的有效直径小于毛细管1在被测点的直径。在本实施例中，光束6的直径达到大约21μm。

如附图1中所示，光束6沿着x方向。角3的纵轴19沿y方向伸展。为了测量毛细管1的尖端振荡的振幅，毛细管1的尖端位于透镜12的焦平面13并遮住光束6的一部分。当打开超声波转换器2时，毛细管1的尖端在xy平面内振动。振动的y分量A_y引起光束6阴影(shading)的变化，该变化可被光接收器14探测到，而振动的x分量A_x并不改变阴影。

本测量装置具有两个卓越特点。一方面，光接收器14相对于光束6倾斜了一个预定角度，使得光束6在光接收器14表面反射的部分不会反射回毛细管甚至激光二极管7而是无干扰的离开了测量装置。一个1-2°倾斜角度已经足够了。这样光束6并不是以90°角照射到光接收器14上。另一方面，两光学器件8和15中的任何一个最好分别包括遮护板(shield)20和21，以遮蔽散射光(stray light)。

附图2显示了毛细管1的尖端和光束6。光束6的直径D_L小于毛细管1尖端的直径D_C。

为了能够可靠地测量毛细管1尖端振荡振幅，在本方法的第一部分必须相对于光束6对毛细管1的z向高度进行校准。步骤如下：

1.将毛细管1设置在光束的一侧，使之不会遮挡光束。此外，毛细管1应当在z方向上足够低，以至少在下一步骤中它将完全覆盖光束。

2.沿y方向逐步移动毛细管1通过光束，直至到达光束的另一侧。之后，从光接收器发出的信号中确定光束大致照射在毛细管中央的位置y₀。位置y₀在附图3中被给出。

3.将毛细管1置于位置y₀，之后将其在z方向上升高，直至光接收器的输出信号达到预定值，此预定值通常约为毛细管不遮蔽光束时信号值的5％。这个位置在附图4中被给出；下文将称之为z₀。

在本方法的第二部分，现通过以下步骤确定毛细管1尖端振荡振幅A的y分量A_y：

a)将毛细管1设置在位置z₀并在y方向上位于光束6的一侧，以不遮蔽光束6。通过超声波转换器2将超声波加在角3上。

b)在y方向上分n个步骤将毛细管1移动使之通过光束6，直至位于光束6的另一侧。光接收器14的输出信号U_p包括一个直流电压部分U_DC和一个交流电压部分U_AC：

U_p＝U_DC+U_AC                           (1)

直流电压部分U_DC来自于光束6未被毛细管1遮蔽的部分。交流电压部分U_AC来自于光束6由于毛细管1尖端的振荡而被调制的部分。在每个从i＝1到n的步骤中，光接收器14输出信号U_p(y_i)的两个部分U_DC(y_i)和U_AC(y_i)以及相应的y坐标y_i都被确定和保存下来。

相邻坐标y_i和y_i+1之间的距离通常为1μm。

交流电压部分U_AC与毛细管1尖端振荡的y分量A_y的关系如下：

$U_{\mathrm{AC}}=S\left(y\right)*A_y=\frac{{\mathrm{dU}}_{\mathrm{DC}}\left(y_i\right)}{\mathrm{dy}}*A_y,---\left(2\right)$

其中密度S(y)由直流电压部分U_DC相对于y坐标的导数得到。

a)现在，对于每个测量步骤i，求导

由测量值U_DC(y_i)计算而得，并保存为密度S_i(y_i)：

$S_i\left(y_i\right)=\frac{{\mathrm{dU}}_{\mathrm{DC}}\left(y_i\right)}{\mathrm{dy}}---\left(3\right)$

b)依据等式(3)，现在可以计算每一个测量点i的振幅A_y，i：

$A_{y,i}=\frac{U_{\mathrm{AC}\left(y_i\right)}}{S_{i\left(y_i\right)}}---\left(4\right)$

c)通过求平均，可以根据等式(4)从值A_y，i中计算出毛细管1尖端振荡振幅A的y分量A_y的平均值。

为了根据以上方法步骤c和d计算y分量A_y的平均值，最好不考虑所有测量点而是仅仅考虑那些灵敏度S超出预定最小值的测量点。即当毛细管1移入光束6和其再次移出的时候，也即如附图5和6中所示的当毛细管1仅仅部分遮蔽了光束6的时候。这样，仅仅那些从物理角度来说实际上提供了有用测量值的测量点被选中。在毛细管1几乎全部遮蔽光束6的区域，其振动对测量信号没有贡献。此外，采用统计学中的常用方法是有好处的。这对于通过平滑求得的灵敏度S_i(y_i)尤其有益。平滑过程可以通过例如求三个相邻测量值的平均值或者通过拟合到(fit)预定的函数来完成。平滑测量值U_DC(y_i)和U_AC(y_i)并且在等式(3)和/或(4)中采用相应的平滑值也是有益的。最好忽略任何反常的数值。

附图7到11显示了直流电压部分U_DC(y_i)、由其计算的灵敏度S_i(y_i)以及灵敏度S_i(y_i)的平滑值S_g(y_i)，交流电压部分U_AC(y_i)和由交流电压部分U_AC(y_i)和平滑灵敏度S_g(y_i)计算的振幅A_y，i；平滑灵敏度S_g(y_i)作为y坐标y_i的函数。附图7中，用示意图表示了毛细管1相对于光束6的位置，其中箭头代表毛细管1的运动方向。在附图11中，只计算和显示了那些相应的灵敏度S_i(y_i)大于预定最小值的振幅A_y，i。这些振幅A_y，i的平均值在步骤d中被确定，以获得唯一的毛细管1尖端振荡振幅A的分量A_y的值。在本实施例中，对于分量A_y，值A_y，in＝1.331μm±0.033μm来自于当毛细管移入光束6时的测量点，值A_y，out＝1.334μm±0.040μm来自于当毛细管移出光束6时的测量点。因此A_y，in和A_y，out的值基本上相等；合在一起，分量的取值为A_y＝1.332μm±0.037μm。

实际上让毛细管完全通过光束6是有意义的，这样，通过记录尽可能多的测量点，在每个测量点的精确度提高了。然而仅仅将毛细管部分移入光束6也是可行的。

附图12显示了具有成预定夹角θ的两个光束22和23的一种测量装置，其中两个光束分别由光源5和5′分别产生，强度分别由光接受器14和14′测量。通过本测量装置可以测量到毛细管1振荡振幅A的两个分量A₁和A₂。分量A₁代表振幅A在xy平面内垂直于第一个光束22的分量，分量A₂代表振幅A在xy平面内垂直于第二个光束23的分量。分量A₁和A₂之中每一个都可以采用上文所述方法确定，之后可以应用常规数学结合实际的几何图形来计算振幅A。通过基于附图1阐述的例子，毛细管1的移动轴垂直于光束6的方向。在根据附图12的例子中，可以选择毛细管1分别垂直于光束22或23的方向移动以测量分量A₁和A₂。然而毛细管1的移动也可以沿着一个预定的方向w。在这种情况下，坐标y_i代表了分别垂直于光束22和23的方向的移动的分量。因此在每个例子中坐标y_i都代表毛细管1相对于与相应光束22或23垂直的方向上的位置。对于两个光束22和23都标示出了方向y。

根据附图1和12的测量装置可以被永久安装在引线接合器上，以至于毛细管振动的振幅可以被随时测量。

附图13显示了适合作为移动单元(portable unit)用于不同的引线接合器的测量装置。本测量装置包括一个平台24，其上牢固的安装了两个所谓的搭锁(snap-on)聚焦装置25和26。第一光纤27将光源5和第一搭锁聚焦装置25连接在一起，第二光纤28将第二搭锁聚焦装置26和光接收器14连接在一起。第一搭锁聚焦装置25的任务是将从光纤27传导过来的光转换成聚焦于测量平面的光束6。第二搭锁聚焦装置26的任务是将通过毛细管的光束6的光注入第二光纤28之中。

引线接合器的超声波转换器2(附图1、附图12及附图13)由一个参数P控制。参数P可以是，比如，通过超声波转换器的电流或者加在超声波转换器上的电压。通常参数P和振幅A呈线性关系：

A＝γ*P                                          (5)

因此，毛细管1尖端振荡的振幅A的分量A_y的测量或者振幅A的测量可以确定常量γ。在引线接合器的生产运作中，常量γ可以在每次毛细管改变之后通过测量重新确定并用于生产。

Claims (5)

1、用于测量毛细管(1)的尖端振荡振幅的分量A_y的方法，毛细管夹在施加了由超声波转换器(2)发出的超声波的角(3)上，其中该测量方法基于被毛细管(1)遮蔽的光束(6)的阴影，并且其中光束(6)的强度由光接收器(14)测量，其特征在于以下步骤：

将毛细管(1)设置在光束(6)的一侧，使其不遮蔽光束(6)，对角(3)施加超声波；

分预定的n个步骤沿着预定方向移动毛细管(1)，或者沿预定方向完全通过光束(6)，其中，在从i＝1到n的每个步骤中，光接收器(14)的输出信号的直流电压部分U_DC(y_i)和交流电压部分U_AC(y_i)以及坐标y_i都可以被确定，其中坐标y_i表示毛细管(1)相对于垂直于光束(6)的坐标轴y的位置，以及其中待测分量A_y沿着坐标轴y的方向；

计算灵敏度值S_i(y_i)，它是直流电压部分U_DC(y_i)相对于坐标轴y的导数， $S_i\left(y_i\right)=\frac{d{U}_{\mathrm{DC}}\left(y_i\right)}{\mathrm{dy}};$ 以及

选择至少四个测量点，并对这至少四个测量点之中每一个计算值A_y，i，其中 $A_{y,i}=\frac{U_{\mathrm{AC}}\left(y_i\right)}{S_i\left(y_i\right)};$

由值A_y，i计算其平均值分量A_y。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，灵敏度值S_i(y_i)被平滑处理。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定毛细管(1)振荡振幅的两个不同分量。

4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定毛细管(1)振荡振幅的两个不同分量。

5、一种用于实现如权利要求1至4中任一项所述方法的测量装置，其特征在于，光束(6)以一个不同于90°的角度照射在光接收器(14)上，使得光束(6)在光接收器(14)的表面上反射的部分不会反射回反射毛细管(1)中，而是不发生干涉地离开所述装置。

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