CN1334599A - 用来形成导线连接的设备 - Google Patents

Abstract

一种借助于一个毛细管(10)用来在一个第一连接区域(2)与一个第二连接区域(3)之间形成导线连接的设备,包括一个图象识别系统,该图象识别系统这样设计,从而刚好在碰撞相应连接区域(2)之前,毛细管(10)的末端(27)进入图象识别系统的图象区域。以这种方式,毛细管(10)在连接区域(2)上的希望碰撞点的位置以及毛细管(10)的末端(27)的位置,能由相同的测量系统确定、估计、及用于毛细管(10)的运动的精确控制。

Description

用来形成导线连接的设备

本发明涉及一种用来形成导线连接的设备。

在半导体工业中，这样的设备一般称作导线接合器。他们用来形成在半导体芯片和基片的垫片之间的导线连接。导线接合器带有一个在水平面内可运动引导的接合头。接合头包括一个能在水平转动轴线上旋转的摇杆。摇杆带有一个其末端处夹持一个引导接合导线的毛细管的角状物。另外，接合头包括一个用来确定垫片在半导体芯片上的位置的图象识别系统。图象识别系统这样设计和放置，从而其视场布置成与毛细管侧向相邻，由此图象识别系统的光轴竖直冲击半导体芯片或基片。这意味着基本上图象识别系统的光束平行于毛细管的纵向轴延伸。

温度波动导致光轴和毛细管的末端可以彼此相对移动的效果。作为这种温度漂移的结果，毛细管已不把接合导线放置在垫上的预期点处。为了避免这样的不正确放置，毛细管相对于图象识别系统的光轴的位置必须以短时间间隔重新定义。这对于所谓的细微间距和超细微间距用途尤其如此，对此从垫片中心到垫片中心的距离总计仅50μm或甚至35μm。

本发明的目的在于开发一种测量系统，借助于该系统，对于仅35μm或甚至20μm的非常小的垫片中心至垫片中心距离能可靠地确定毛细管相对于要接合的垫片的位置，即使有温度波动也是如此。

本发明包括在权利要求1中给出的特征。便利的结构产生于从属权利要求。

按照本发明，用来借助于一个毛细管在一个第一连接区域与一个第二连接区域之间形成导线连接的设备包含一个如此设计的图象识别系统，从而毛细管的末端刚好在毛细管碰撞相应连接区域之前到达图象识别系统的图象区域中。因此，毛细管碰撞连接区域的希望点的位置以及毛细管末端的位置能由相同的测量系统测量、估计和用于毛细管运动的精确控制。

图象识别系统包括一个光学系统和一个摄象机，由此光学系统把位于水平面中的接触区域以预定的放大投影到摄象机，并且如此建造，从而摄象机从上方竖直地看不到相应连接区域，而在与竖直成一个预定角度下并且然后仅当连接区域布置在毛细末端下面时才能看到。

只要毛细管末端在相应连接区域上方的高度是未知的，相对于对于观看方向横向延伸的坐标方向才能确定毛细管末端相对于接触区域的位置。为了也确定毛细管末端相对于第二坐标方向的位置，按照本发明建议，或者借助于第二光学系统和一个第二摄象机扩展图象识别系统，由此第二摄象机从一个第二观看方向看到连接区域；或者在限定的条件下照亮毛细管，并且通过也考虑到毛细管的阴影确定毛细管末端相对于第二坐标方向的位置。

在下面，基于附图更详细地解释本发明的这两个例子，作为最佳实施例。

图1表示用来形成导线连接的设备部分的示意表示，

图2表示设备的部分的平面视图，

图3表示由一个摄象机拍摄的图象，

图4表示由摄象机拍摄的另外图象，

图5表示用来形成导线连接的另外的设备的部分，

图6表示在毛细管照亮与摄象机观看轴线之间的几何关系，及

图7、8表示由摄象机拍摄的图象。

实施例1

图1表示用来在布置在一个半导体芯片1上的所谓垫片的一个第一连接区域2与一个第二连接区域3之间的导线连接的设备的末按比例画出的示意表示。图1仅表示对于本发明理解必需的设备部分。半导体芯片1布置在一个基片4上，基片4呈现在一个用来形成导线连接的支撑平台5上。第二连接区域3例如定位在基片4上。设备带有一个可在水平面6内运动的接合头7。接合头7包括一个可在水平轴线上转动的摇杆8。一个对其能施加超声波的角形物9附着到摇杆8上。一根毛细管10夹持到角形物9末端上。毛细管10用来把导线接合到两个连接区域2、3以及在他们之间引导导线。一个带有用来测量连接区域2和3的位置和毛细管10的末端的位置的光学元件的载体11固定到接合头7上。光学元件属于图象识别系统。载体11横向相邻于角形物9布置。

对于第一实施例，图象识别系统包括：两个子系统，即一个第一光学系统12和一个第一摄象机13、及一个第二光学系统14和一个第二摄象机15；照明装置16；以及用来处理和估计由两个摄象机13和15输送的图象的电子图象处理模块40。在图1的侧视图中，第二光学系统14和第二摄象机15是不可见的。第一光学系统12布置在半导体芯片1与第一摄象机13之间的光束路径中。它包括把投影到摄象机13上的半导体芯片1的图象放大例如因数8的光学元件、和一个这样布置从而第一摄象机13从一个第一预定方向18看到半导体芯片1或基片4的第一反射镜17。第二光学系统14布置在半导体芯片1与第二摄象机15之间的光束路径中。它类似于第一光学系统12建造，并且带有一个这样布置从而第二摄象机15从一个第二预定方向20(不可见)看到半导体芯片1或基片4的第二反射镜19(图2)。方向18和20在面对着毛细管10的一侧分别对应于两个光学系统12或14的光学轴。

图2表示半导体芯片1、角形物9、毛细管10、带有反射镜17、19的两个光学系统12、14及照明装置16的平面图。为了表明清楚起见，末画出载体11(图1)。方向18和20作为其在半导体芯片1的平面22(图1)上的投影23和24中的虚线呈现。方向18(图1)和20每个能由极坐标(α₁，β₁)和(α₂，β₂)分别特征化，由此角度α指示与垂线21成的角度(图1)，而角度β指示相对于预定水平方向25的角度。

坐标轴u指定给在平面22中竖直向方向18的投影23延伸的轴线。坐标轴v指定给在平面22中竖直向方向20的投影24延伸的轴线。坐标轴u和v包括角度＝β₂＋β₁。方向18和20最好这样选择，从而角度总计约90°。两个角α₁和α₂对于零不同，最好同样大，并且最好位于在10°与30°之间的范围内。为了清楚起见，坐标系借助于坐标轴u建立，v呈现平行于方向18和20的投影23、24的移动。

摄象机13、15每个发送一个包括例如640*480象素的两维图象。每个图象指定一个具有图象轴x和y的直角坐标系。第一摄象机13的图象的水平轴x对应于坐标轴u，而第一摄象机13的图象的垂直轴y对应于坐标轴v(但仅当角度总计＝90°时)。坐标轴u不失真和按比例地投影在第一摄象机13的x轴上，而坐标轴v失真和不按比例地投影在第一摄象机13的y轴上。对于第二摄象机15，它颠倒：这里，坐标轴v不失真和按比例地投影在第二摄象机15的x轴上，而坐标轴u失真和不按比例地投影在摄象机15的y轴上。

借助于校准测量，确定在第一摄象机13的图象的x轴与坐标轴u之间的关系以及在第二摄象机15的图象的x轴与坐标轴v之间的关系，从而他们适用于毛细管10的运动路径的校正。这意味着，在校准之后，第一摄象机13的每个象素能指定坐标轴u的一个值，而第二摄象机15的每个象素能指定坐标轴v的一个值。

图象识别系统用来刚好在碰撞之前确定毛细管10在半导体芯片1上的接触区域2上的期望碰撞点，从而当在期望碰撞点与希望碰撞点之间的偏差太大时，能校正毛细管10的运动。为此目的，进行两次连续测量。第一次测量用来确定毛细管10在连接区域2上的预编程碰撞点的位置。第一次测量最好在毛细管10布置在摄象机13、15的视场外并且不阻碍连接区域2的视线时发生。

图3表示对于第一次测量由摄象机13拍摄的半导体芯片1的图象。图象仅包含半导体芯片1的一部分。连接区域2呈现为在深色背景上的浅色区域。另外，相邻连接区域2′的部分在图象中也是可见的。借助于一般已知的算法，现在确定毛细管10的希望碰撞点26的象素坐标x_s。象素坐标y_s不必在这里确定。即使当摄象机13的每个象素由一对整数特征化时，通过第一摄象机13的图象估计确定的希望碰撞点26的象素坐标x_s也不必是整数。

第二次测量用来确定毛细管10的末端的位置。第二次测量当毛细管10已经到达其在连接区域2上方的所谓探测高度H时并且瞬时停止或者在毛细管10通过探测高度H的同时发生。探测高度H是一个在毛细管10刚好在碰撞(接触)半导体芯片1之前通过的路径段中的预定点。探测高度H典型地布置在半导体芯片1的上方100μm至150μm处。通常，毛细管10在其强烈加速运动时摇摆。但毛细管10一到达其探测高度H或以较低速度通过它，这些摇摆就消失到这样一种程度，从而第二次测量能发生。

图4表示对于第二次测量由摄象机13拍摄的图象。连接区域2的部分现在由毛细管10覆盖着。而且，毛细管10的阴影28作为一个深色区域是可见的。毛细管10的阴影28具有相同的效果，就象连接区域2的部分被覆盖着。毛细管10的末端27显得象半圆形区域，并且借助于已知的图象分析过程，有可能确定毛细管10的末端27的期望碰撞点的象素坐标x_I。在表示的例子中，毛细管10的末端27偏离其x方向的设置位置一个象素距离Δx1＝x_I－x_s。该偏差现在能转换成在坐标轴u上的物理距离Δu，并且相对于坐标轴u能刺激毛细管10的对应校正运动。

然而，由毛细管10在摄象机13的图象中的表示不能确定毛细管10在连接区域2上的期望碰撞点在y方向的象素坐标y_I，因为毛细管在连接区域2上方的准确高度是未知的。然而，借助于由第二摄象机15拍摄的两个图象，能以相同的方式确定象素坐标x_s和x_I，由此坐标x再次指示摄象机15的水平x轴。然而，对于第二摄象机15的象素距离Δx2＝x_I－x_s对应于在坐标轴v上的物理距离Δv。因此，根据确定的象素距离Δx2，相对于坐标轴v能开始毛细管10的校正运动。

在某些情况下，有可能省略第一次测量，并且由对于第二次测量拍摄的两个图象，确定与毛细管10的希望碰撞点的位置和毛细管10的期望碰撞点位置有关的信息。

在半导体芯片1与两个摄象机13和15之间的两个光束路径相对于角形物9的纵向轴线对称地布置(图1)，并且不同之处仅在于在其下半导体芯片1和毛细管10由指定摄象机13或15看到的角度β。为此，在下面根据图5仅描述在半导体芯片1与第一摄象机13之间形成的其特征由角度α₁和第一光学系统12确定的光束路径。

为了使第二次测量总是可能的，毛细管10的末端27必须布置在摄象机13的视场中，并因此在光学系统12的孔径角γ₁内。所以光轴18′与垂线21的角度α₁和光学系统12的孔径角γ₁必须根据毛细管10的形状选择，并且以这样一种方式协调，从而毛细管10的末端27不由毛细管10的轴29覆盖：角度α₁因此应该尽可能地大。另一方面，要接合的半导体芯片1的连接区域2的可见性一定不要由已经接合的导线阻碍：角度α₁因此应该尽可能地小。

光学系统12的孔径角γ₁应该尽可能地小，从而可见性不由毛细管10的轴29或由已经接合的导线阻碍。另一方面，孔径角γ₁确定光学系统12的光学分辨率，并因此确定可实现的光学分辨率：孔径角γ₁越大，光学分辨率越高，但聚焦深度越小。孔径角γ₁和光学系统12的放大因数应该这样定义，从而连接区域2以及毛细管10在它布置在探测高度H处时的末端27以足够的清晰度投影到摄象机13上。而且，放大因数应该这样选择，从而光学分辨率和由象素距离确定的摄象机13的分辨率彼此对应着。

然而光学分辨率不仅取决于光学系统12的孔径角γ₁，而且也取决于由照明装置16发射的光的波长λ(图1)。波长λ越小，在给定孔径角γ₁下的分辨率越高。因此最好使用蓝光来照明。借助于申请者的现有型号3088导线接合器的试验使用，证明具有约15°的孔径角γ₁和8的放大因数的光学系统12是成功的。

照明装置16最好这样布置，从而在连接区域2上反射的光落在光轴18′上。这生成在连接区域2与其周围的高对比度，从而借助于较小的光输出完整的图象估计是可能的。然而，扩散光也是可能的，这导致较低的对比度但导致细节的较好复制。

两个摄象机13和15能作为在一个单芯片上的CCD摄象机实施，由此两个光学系统12和14把其图象投影在CCD芯片的相邻区域上。

实施例2

对于第二实施例，与第一实施例不同，仅提供第一光学系统12和第一摄象机13，并且省略第二光学系统14和第二摄象机15。相对于坐标轴u的方向毛细管10的末端的期望碰撞点与希望碰撞点的可能偏差的确定象对于第一实施例那样发生。然而，相对于坐标轴v的方向毛细管10的末端的期望碰撞点与希望碰撞点的可能偏差的确定现在也采用毛细管10的阴影。对于该实施例，坐标轴v对应于方向18的投影23(见图2)的方向。为了使之是可能的，照明装置16这样布置，从而送出的光以角度δ＝α₁碰撞连接区域2，由此α₁表示相对于垂线21的角度，在该角度下摄象机13看到连接区域2。在图6中，表示形成的几何关系，由此图6表示由经毛细管10和方向18纵向延伸的垂线21建立的平面的部分。标号30指示投影到平面22上的毛细管10的图象，而标号31指示落在平面22上的毛细管10的阴影。摄象机13的图象对应于平面22的表示。因为角度δ和α₁在摄象机13的图象中是相同的尺寸，所以毛细管10的图象30的末端27′和毛细管10的阴影31的末端27″离开毛细管10的期望碰撞点26相同的距离。

现在，对于如图7中所示的拍摄的第一图象的估计，由连接区域2的图象不仅确定象素坐标x_s，而且也确定象素坐标y_s。由表示在图8中拍摄的第二图象，然后象对于第一实施例那样，确定象素坐标x_I。另外，由毛细管10的图象30的估计确定毛细管的末端27′的象素坐标y_I1，并且由阴影31的图象估计确定毛细管阴影31的末端27″的象素坐标y_I2。然后能按y_I＝1/2(y_I1＋y_I2)计算期望碰撞点的象素坐标y_I。校正向量然后生成(Δx＝x_I－x_s，Δy＝y_I－y_s)。该校正向量现在必须转换成与u、v坐标系对应的校正向量，从而借助于运动校正能把在摄象机13的象素系统中确定的毛细管10的偏移位置带到消失，以致于毛细管10碰撞在连接区域2的校正位置处。为了使之可能，首先必须执行校准过程，从而在摄象机13的x、y坐标系中建立的距离能转换成u、v坐标系中的距离。校准例如以这样一种方式发生，从而图象由带有基准点的校准板制成，确定基准点的象素坐标，然后把接合头在u、v坐标系中运动一个具体距离，拍摄校准板的一个第二图象，及确定基准点的新象素坐标。

第二实施例比第一实施例便宜，因为仅有一个光学系统，一个摄象机和一个图象处理模块是必需的。然而，第一实施例供给两个不同变量适用以便确定毛细管10的偏移的优点。基本上，每当已经接合的导线阻碍或大大地阻碍在连接区域2与第一摄象机13之间的光束路径时，借助于第二光学系统14和第二摄象机15按照第二实施例考虑到包含在毛细管阴影的信息，能执行测量。同样，如果阻碍至第二摄象机15的光束路径，则借助于第一光学系统12和第一摄象机13按照第二实施例能执行测量。

在某些情况下，由摄象机13和15发送的图象的估计比适用的需要较多时间，而没有生产率损失。然而，为了补偿热漂移，十分足够的是，当接合下一个或紧隔一个的连接区域时，此时仅考虑在接合一个连接区域的同时获得的与毛细管10的偏移有关的信息。

按照本发明的设备的另外优点在于，在接合之后能立即形成接合连接的图象，而不用接合头7进行特别运动，以便象当今的系统那样把光学系统带到接合位置的上方。而且，然后有可能分析接合连接的位置，并且对于毛细管的控制也考虑到这点。而且，倾斜观看为估计形成的导线连接的质量开辟出新的可能性，例如当导线下垂时现在是可见的。

尽管已经表示和描述了本发明的实施例和应用，但对于得益于本公开的、熟悉本专业的技术人员显然，多种除上述之外的改进是可能的，而不脱离这里的发明性概念。因此，本发明除在附属权利要求书中的精神之外不受限制。

Claims (6)

1.一种用来在一个第一连接区域(2)与一个第二连接区域(3)之间形成导线连接的设备，带有：一个毛细管(10)，用来把导线附着到两个连接区域(2、3)上以及在他们之间引导导线；一个图象识别系统，包括用来确定至少第一连接区域(2)的位置的一个光学系统(12)和一个摄象机(13)，由此由摄象机(13)形成的图象建立一个带有一个第一和一个第二图象轴线的坐标系，该设备的特征在于：在面对着毛细管(10)的光学系统(12、14)一侧的光学系统(12)的一个光轴(23)包括一个对于垂线(21)的角度α₁，角度α₁不等于零，从而毛细管(10)的末端(27)刚好在碰撞第一连接区域(2)之前在摄象机(13)的图象中是可见的；并且把图象识别系统设计成，借助于由摄象机(13)拍摄的至少一个图象确定相对于第一图象轴线的毛细管(10)在第一连接区域(2)上的期望碰撞点的位置、和相对于第一图象轴线的毛细管(10)的末端(27)的位置。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，图象识别系统包括：一个另外的光学系统(14)，其在面对着毛细管(10)的光学系统(12、14)一侧的光轴(24)包括一个对于垂线(21)的角度α₂，角度α₂不等于零；和一个另外的摄象机(15)，由此由另外摄象机(15)形成的图象建立一个带有一个第一和一个第二图象轴线的坐标系，其特征还在于，把图象识别系统设计成，借助于由另外摄象机(15)拍摄的至少一个图象确定相对于另外摄象机(15)的第一图象轴线毛细管(10)在第一连接区域(2)上的希望碰撞点的位置、和相对于另外摄象机(15)的第一图象轴线毛细管(10)的末端(27)的位置。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，图象识别系统进一步设计成，通过考虑毛细管(10)的图象以及毛细管(10)的阴影，确定相对于第二图象轴线的毛细管(10)在第一连接区域(2)上的希望碰撞点的位置、和相对于第二图象轴线的毛细管(10)的末端(27)的位置。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，照明装置(16)布置在由光学系统(12)的光轴(23)和垂线(21)建立的平面内，来自照明装置(16)的光以对于垂线(21)的角度δ碰撞第一连接区域(2)，由此角度δ与角度α₁具有相同的大小。

5.根据权利要求1至4之一所述的设备，其特征在于：由获得的毛细管(10)的末端(27)的位置与其在第一连接区域(2)上希望碰撞点位置的可能偏离，确定用于毛细管(10)的控制的校正向量；并且当接近第一连接区域(2)时或当接近一个以后的第一连接区域(2)时考虑该校正向量。

6.根据权利要求1至5之一所述的设备，其特征在于：由照明装置(16)发射的光位于可见光谱的蓝光部分中。

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