DD229288A1

DD229288A1 - METHOD AND DEVICE FOR QUALITY CONTROL IN ULTRASONIC CONTACT PROCEDURES

Info

Publication number: DD229288A1
Application number: DD26984984A
Authority: DD
Inventors: Klaus-Dieter Lang; Klaus P Galuschki; Wolfgang Scheel
Original assignee: Univ Berlin Humboldt
Priority date: 1984-11-23
Filing date: 1984-11-23
Publication date: 1985-11-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Qualitaetskontrolle bei Ultraschallkontaktierverfahren, die bei der Herstellung von Zwischenverbindungen an Halbleiterbauelementen Anwendung finden kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Qualitaetskontrolle bei Ultraschallkontaktierverfahren zu schaffen, bei denen waehrend des Schweissprozesses die Qualitaet der hergestellten Schweissverbindung bestimmt werden kann. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein den Schwingungsverlauf charakterisierendes Ausgangssignal in Form einer gedaempften Schwingung eines am Schwingungssystem angebrachten Sensors am Ende der Schallanregung gemessen, gleichgerichtet, digitalisiert und in einem Computer verarbeitet wird, um durch die Zeitkonstante der exponentiellen Ausschwingfunktion eine Aussage ueber die Qualitaet der ausgefuehrten Schweissverbindung zu erhalten.The invention relates to a method and a device for quality control in Ultraschallkontaktierverfahren that can be used in the manufacture of interconnections of semiconductor devices application. The invention has for its object to provide a method and apparatus for quality control in Ultraschallkontaktierverfahren in which during the welding process, the quality of the welded joint produced can be determined. The method is characterized in that an oscillation characteristic characterizing output signal in the form of a damped vibration of the vibration system attached sensor at the end of the sound excitation is measured, rectified, digitized and processed in a computer, by the time constant of the exponential decay function a statement about the quality to receive the executed welding connection.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Qualitätskontrolle bei Ultraschallkontaktierverfahren bei der Herstellung von Zwischenverbindungen an Halbleiterbauelementen. Ultraschallkontaktierverfahren werden in der elektronischen Industrie vor allem zum Herstellen von Zwischenverbindungen in Form der Drahtbrücken zwischen den Chipanschlüssen und den Anschlußelementen des Gehäuses eingesetzt. Die Erfindung ist dementsprechend vorzugsweise für automatische Einrichtungen zur Drahtmontage vorgesehen, da bei diesen gegenüber manuell gesteuerten die visuelle Prüfung der Verbindungsstelle durch die Arbeitskraft entfällt. Bevorzugte Anwendungen sind in der Bauelementefertigung elektronischer Systemkomponenten zu sehen.The invention relates to a method and a device for non-destructive quality control in Ultraschallkontaktierverfahren in the manufacture of interconnections of semiconductor devices. Ultraschallkontaktierverfahren be used in the electronics industry mainly for the production of interconnections in the form of wire bridges between the chip terminals and the connection elements of the housing. Accordingly, the invention is preferably intended for automatic wire-mounting devices, as these require no manual checking of the joint by the worker in comparison with manually controlled ones. Preferred applications can be seen in the component manufacturing of electronic system components.

Characteristic of the known technical solutions

Zur Einschätzung der Verbindungsqualität der Drahtbrücken beim Kontaktieren elektronischer Bauelemente kommen die unterschiedlichsten Prüfmethoden zur Anwendung. Dabei unterteilt man die Verfahren in zerstörende, bedingt zerstörungsfreie und zerstörungsfreie Methoden. Es ist zu beobachten, daß durch zunehmende Anschlußzahl der Bauelemente und die Forderung nach hoher Zuverlässigkeit in wachsendem Maße zerstörungsfreie Verfahren zur Qualitätskontrolle der Drahtbrücken entwickelt werden.To assess the quality of the connection of the wire bridges when contacting electronic components, a variety of test methods are used. Here, the methods are divided into destructive, conditionally non-destructive and non-destructive methods. It can be observed that, due to the increasing number of components and the demand for high reliability, non-destructive methods for quality control of the wire bridges are being developed to an increasing extent.

Bei einer Gruppe von Verfahren (Scheel, W.; Schmidt, G.; Thiede, M.: Aluminium als Verdrahtungsträger in der Mikroelektronik unter schweißtechnischem Aspekt; Schweißtechnik; 33(1983) 12) werden vordem eigentlichen Prozeß die materialspezifischen Eigenschaften der Schweißteile, welche das Schweißergebnis beeinflussen, erfaßt und Rückschlüsse auf das zu erwartende Schweißergebnis gezogen.In a group of methods (Scheel, W .; Schmidt, G., Thiede, M .: aluminum as a wiring substrate in microelectronics under welding aspect; Welding; 33 (1983) 12) are the actual process, the material-specific properties of the welded parts, which influence the welding result, recorded and drawn conclusions on the expected welding result.

Nachteilig bei diesen Verfahren ist, daß jeweils nur ein Teil der möglichen Einflußfaktoren erfaßt wird und damit das Schweißergebnis nicht konkret für jede Verbindungsstelle angegeben werden kann.A disadvantage of this method is that only a part of the possible influencing factors is detected and thus the welding result can not be specified concretely for each joint.

Bei einer weiteren Gruppe von Verfahren (Sorsorov, N.; Aljochin, V.; Gusev, 0.: Bericht über die im IMET der AdW. der UdSSR zum Thema I. des RGW „Ultraschallschweißen" 1976-1977 durchgeführten Arbeiten, Kolesko, V.M.: Ul'trazvukovaja mikrosvarka, Verlag Nauka i Technika, Minsk, 1977) wird während des Schweißvorganges der Verlauf der Amplitude des Schweißwerkzeuges bzw. der Kontaktwiderstandsverlauf beobachtet und es werden daraus Rückschlüsse auf die Schweißqualität gezogen.In another group of methods (Sorsorov, N., Aljochin, V., Gusev, 0: report on the work carried out in the IMET of the AdW of the USSR on the subject of I. CMF "ultrasonic welding" 1976-1977, Kolesko, VM : Ul'trazvukovaja mikrosvarka, published by Nauka i Technika, Minsk, 1977), the course of the amplitude of the welding tool or the contact resistance profile is observed during the welding process and conclusions are drawn about the welding quality.

Nachteilig bei diesen Verfahren ist, daß moderne Drahtbonder mit einer Phasenregelung zur Stabilisierung des Prozesses ausgerüstet sind und solche Amplitudenverläufe nicht mehr auftreten bzw. die Messung des Verlaufes des Kontaktwiderstandes an den Anschlußelementen des Chips über pn-Übergänge hinweg erfolgt und man damit nur in ausgewählten Fällen Ergebnisse erhält.A disadvantage of this method is that modern wire bonders are equipped with a phase control to stabilize the process and such amplitude curves no longer occur or the measurement of the course of the contact resistance at the terminal elements of the chip over pn junctions takes place and you so only in selected cases Results obtained.

Andere Verfahren (DD-WP 152659, JP 57-24011, JP 58-35579) gestatten eine Anzeige des Ist-Zustandes am Ende des Schweißprozesses. Es wird geprüft, ob eine elektrische Verbindung entstanden ist oder nicht. Nachteilig ist hierbei in jedem Falle, daß keine Aussage über die Qualität der Verbindung möglich ist.Other methods (DD-WP 152659, JP 57-24011, JP 58-35579) allow an indication of the actual state at the end of the welding process. It is checked whether an electrical connection has been made or not. The disadvantage here in any case that no statement about the quality of the connection is possible.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, bei schallunterstützten Kontaktierverfahren während des Schweißprozesses die Qualität der hergestellten Schweißverbindung bestimmen zu können. Die Erfindung soll insbesondere in Verbindung mit automatischen Drahtbondern zur Qualitätserhöhung und Arbeitsproduktivitätssteigerung beitragen.The aim of the invention is to be able to determine the quality of the welded joint produced during sound-assisted contacting processes during the welding process. The invention is intended, in particular in conjunction with automatic wire bonders, to increase quality and increase labor productivity.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Qualitätskontrolle bei Ultraschallkontaktierverfahren zu schaffen, bei denen während des Schweißprozesses die Qualität der hergestellten Schweißverbindung bestimmt werden kann.The invention has for its object to provide a method and apparatus for quality control in Ultraschallkontaktierverfahren in which the quality of the weld produced can be determined during the welding process.

Zur Lösung der Aufgabe wird davon ausgegangen, daß während des Schweißvorganges eine feste mechanische Kopplung zwischen dem Schweißwerkzeug, dem Bonddraht und der Anschlußfläche besteht und mechanische Schwingungen hoher Frequenz über das Schweißwerkzeug in die Fügeteile eingeleitet werden. Am Ende des Schweißvorganges wird die Schwingungsanregung durch die Bondeinrichtung eingestellt und die mechanische Kopplung zwischen Schweißwerkzeug und^ügeteilen wird aufgehoben^To achieve the object, it is assumed that during the welding process, a fixed mechanical coupling between the welding tool, the bonding wire and the pad exists and mechanical vibrations of high frequency are introduced via the welding tool in the parts to be joined. At the end of the welding process, the vibration excitation is adjusted by the bonding device and the mechanical coupling between the welding tool and the parts is eliminated

Erfindungsgemäß wird nach Beendigung der Schwingungsanregung die Aufhebung der mechanischen Kopplung zwischen Schweißwerkzeug und Fügeteilen verzögert. Der dadurch am Ende der Schwingungsanregung entstehende Amplitudenabfall in Form einer gedämpften Schwingung wird durch einen Sensor erfaßt und einer Auswertung zugeführt.According to the invention, the cancellation of the mechanical coupling between the welding tool and joining parts is delayed after completion of the vibration excitation. The resulting at the end of the vibration excitation amplitude drop in the form of a damped oscillation is detected by a sensor and fed to an evaluation.

Zwischen der Zeitkonstante des Ausschwingvorganges und der Qualität der Schweißverbindung wurde eine Korrelation in experimentellen Untersuchungen nachgewiesen.Between the time constant of the decay process and the quality of the welded joint, a correlation has been demonstrated in experimental studies.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einer Steuerschaltung, einem Gleichrichter, einem Analog-Digital-Umsetzer, einem Mikrorechner und einem Monitor.The inventive device consists of a control circuit, a rectifier, an analog-to-digital converter, a microcomputer and a monitor.

Erfindungsgemäß wird durch die Steuerschaltung am Ende der Schwingungsanregung die Aufhebung des mechanischen Kontaktes zwischen Schweißwerkzeug und Fügeteilen verzögert. Am Ende der Schwingungsanregung beginnt die Auswertung der gedämpften Schwingung. Die elektrischen Signale des Sensors werden dem Gleichrichter zugeführt. Vorteilhafterweise wird die Gleichrichterschaltung als Präzisionsgleichrichter mit nachgeschaltetem Integrator ausgelegt. Das gleichgerichtete Signal wird von einem Analog-Digital-Umsetzer in eine Digitalinformation gewandelt und in einem Mikrorechner verarbeitet.According to the invention, the cancellation of the mechanical contact between the welding tool and the parts to be joined is delayed by the control circuit at the end of the vibration excitation. At the end of the oscillation excitation, the evaluation of the damped oscillation begins. The electrical signals of the sensor are fed to the rectifier. Advantageously, the rectifier circuit is designed as a precision rectifier with a downstream integrator. The rectified signal is converted by an analog-to-digital converter into digital information and processed in a microcomputer.

Erfindungsgemäß erfolgt die Steuerung des Meßvorganges ebenfalls durch die Steuerschaltung.According to the invention, the control of the measuring process is also carried out by the control circuit.

Die Verarbeitung im Mikrorechner erfolgt auf der Grundlage bekannter mathematischer Verfahren.The processing in the microcomputer is based on known mathematical methods.

Die Qualität der erzielten Schweißverbindung kann auf einem Monitor angezeigt werden.The quality of the welded joint achieved can be displayed on a monitor.

embodiment

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden.The invention will be explained below with reference to an embodiment.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Qualitätskontrolle von Mikroschweißverbindungen, wie sie in einer teilweise dargestellten Drahtbondeinrichtung verwendet wird.Fig. 1 shows schematically a device for the nondestructive quality control of micro-welded joints, as used in a partially illustrated wire bonding device.

Die Darstellung enthält einen magnetostriktiven Wandler 1, einen piezoelektrischen Sensor 2, ein Koppelstück 3, einen Rüssel 4, die Sonotrode 5, einen Motor 6 mit Motorsteuerung 7, einen Impedanzwandler 8, den Präzisionsgleichrichter mit Integrator9, einen Analog-Digital-Umsetzer 10, den Ein-/Ausgabebaustein 11 des Mikrorechners 12, den Monitor 13, die Pegel-Zeit-Steuerung 14 des Drahtbonders und die Steuerschaltung 15.The illustration includes a magnetostrictive transducer 1, a piezoelectric sensor 2, a coupling piece 3, a proboscis 4, the sonotrode 5, a motor 6 with motor control 7, an impedance converter 8, the precision rectifier with integrator 9, an analog-to-digital converter 10, the Input / output module 11 of the microcomputer 12, the monitor 13, the level-time control 14 of the wire bonder and the control circuit 15th

Es wird ein Labordrahtbonder LDB 70 (VEB ZFTM) verwendet. Die Kontaktierung erfolgt durch Ultraschallschweißen. Zur Herstellung der Drahtbrücken wird 30^m AISiI Draht verwendet.A laboratory wire bonder LDB 70 (VEB ZFTM) is used. The contact is made by ultrasonic welding. For the production of the wire bridges, 30 Å AISiI wire is used.

Das Signal des Ausschwingvorganges gelangt über das Koppelstück 3, das die Verbindung zwischen Wandler 1 und Rüssel 4 realisiert auf den Sensor 2. Das entstehende elektrische Signal wird über den Umpedanzwandler 8 und dem Präzisionsgleichrichter mit Integrator 9 dem Analog-Digital-Umsetzer 10 zugeführt. Das im Analog-Digital-Umsetzer erzeugte Digitalwort wird über den Ein-/Ausgabebaustein 11 in den Rechner 12 geladen und dort verarbeitet. Das Ergebnis der numerischen Berechnung, die Zeitkonstante des Ausschwingvorganges, wird auf dem Monitor 13 angezeigt. Zur Erfassung des Ausschwingvorganges wird die Aufhebung des mechanischen Kontaktes zwischen dem Schweißwerkzeug 5 und den Fügeteilen nach Beendigung der Schallanregung verzögert. Die Pegel-Zeit-Steuerung 14 schaltet nach Ablauf der Schweißzeit die Schallanregung ab und liefert der Motorsteuerung 7 ein Signal, welches über den Motor 6 ein Abheben des Werkzeuges zur Folge hat. Dieses Signal wird durch die Steuerschaltung 15 verzögert. Die Steuerschaltung 15 liefert gleichzeitig das Signal zur Steuerung des Meßvorganges.The signal of the decay reaches via the coupling piece 3, which realizes the connection between transducer 1 and proboscis 4 to the sensor 2. The resulting electrical signal is supplied via the Umpedanzwandler 8 and the precision rectifier with integrator 9 to the analog-to-digital converter 10. The digital word generated in the analog-to-digital converter is loaded via the input / output module 11 into the computer 12 and processed there. The result of the numerical calculation, the time constant of the decay process, is displayed on the monitor 13. To detect the decay process, the cancellation of the mechanical contact between the welding tool 5 and the parts to be joined after completion of the sound excitation is delayed. The level-time control 14 switches off the sound excitation at the end of the welding time and supplies the motor control 7 with a signal which has the effect of lifting off the tool via the motor 6. This signal is delayed by the control circuit 15. The control circuit 15 simultaneously supplies the signal for controlling the measuring process.

Als Qualitätsmerkmal der Schweißstelle wird die Drahtdeformation angesehen. Mit wachsender Drahtdeformation nimmt bei konstanten Prozeßparametern die Zeitkonstante zu. Eine Änderung der Drahtdeformation vom 1.2- auf den 1.5fachen Wert des Drahtdurchmessers ruft eine Vergrößerung der Zeitkonstante von 0.68ms auf 0.78ms hervor.As a quality feature of the weld wire deformation is considered. With increasing wire deformation, the time constant increases with constant process parameters. Changing the wire deformation from 1.2 to 1.5 times the wire diameter causes the time constant to increase from 0.68ms to 0.78ms.

Claims

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Invention claims:

1. A method for quality control in Ultraschallkontaktierverfahren, characterized in that a vibration characteristic characterizing output in the form of a damped vibration of a mounted on or near the vibration system sensor measured at the end of the sound excitation, then rectified and digitized and processed in a computer, said By the time constant of the exponential decay function a statement about the quality of the executed welded joint is obtained by using a correlation between time constant and bondability of the sample system.

2. The method according to claim 1, characterized in that the output signal is obtained after completion of the vibration excitation by delaying the cancellation of the mechanical coupling between the welding tool and joining part.

3. The method according to claim 1 to 2, characterized in that the time constant of the measured output signal by means of the method of exponential approximation in the computer is calculated numerically.

4. Apparatus for carrying out the method according to claim 1 to 3, characterized in that on or in the vicinity of the vibration system (1,3,4,5), a sensor (2) is mounted, via an impedance transformer (8), a Precision rectifier with integrator (9) and an analog-to-digital converter (10) with a computer (11,12,13) is connected.

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the sensor (2) is a piezoelectric crystal.

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