DE102021105335A1

DE102021105335A1 - Verfahren und Anordnung zur Qualitätsbestimmung einer Drahtbondverbindung

Info

Publication number: DE102021105335A1
Application number: DE102021105335.8A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Seidl; Josef Sedlmair
Original assignee: F&s Bondtec Semiconductor GmbH
Current assignee: F&s Bondtec Semiconductor GmbH
Priority date: 2021-03-05
Filing date: 2021-03-05
Publication date: 2022-09-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätsbestimmung einer Drahtbondverbindung, bei dem ein Zughaken unter einer Bonddrahtbrücke der Drahtbondverbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Bondpad positioniert und im Eingriff mit dem Bonddraht von den Bondpads weg geführt wird, wobei fortlaufend die Höhe des Zughakens und eine auf den Zughaken wirkende Zugkraft erfasst und ein Höhen- und Zugkraftwert registriert wird, bei denen die Drahtbondverbindung zerstört wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätsbestimmung einer Drahtbondverbindung, bei dem ein Zughaken unter einer Bonddrahtbrücke der Drahtbondverbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Bondpad positioniert und im Eingriff mit dem Bonddraht von den Bondpads weggeführt wird, wobei fortlaufend die Höhe des Zughakens und eine auf dem Zughaken wirkende Zugkraft erfasst und ein Höhen- und Zugkraft-Messwert registriert wird, bei denen die Drahtbondverbindung zerstört wird. Sie betrifft des Weiteren eine Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Entsprechende Verfahren und Anordnungen sind seit langem bekannt und werden in der Praxis routinemäßig angewendet. Sie umfassen typischerweise „manuelle“ Arbeitsschritte, bei denen ein Bediener bestimmte Größen - insbesondere Zielkoordinaten - direkt eingibt bzw. den Zughaken des Testkopfes per Handsteuerung zu seiner Eingriffsposition führt und unter den Bonddraht dreht.
Diese manuellen Verfahrensschritte sind umständlich, können individuellen Bedienfehlern unterliegen und ermöglichen - vor allem - keine reproduzierbaren Aussagen zur Qualität geprüfter Drahtbondverbindungen. Überdies geben sie dem Bediener relativ großen Spielraum bei der Ausführung des Testverfahrens, der es ihm ermöglicht, bekannte Schwachpunkte von Bondverbindungen gewissermaßen aus dem Fokus des Testverfahrens zu rücken und hierdurch mit den numerischen Testergebnissen eine hohe nominelle Qualität von Bondverbindungen zu untermauern, die dann aber im praktischen Einsatz unerwartet Qualitätsprobleme zeigen.
Abhilfe in dieser Hinsicht wird mit der in der DE 10 2010 006 130 B4 vorgeschlagenen Automatisierung des Bondtestverfahrens hinsichtlich einer korrekten Positionierung des Bonddrahtes geschaffen. Gemäß jener Druckschrift wird die Eingriffsposition des Zughakens aufgrund eines Fixierungspunkte des Bonddrahtes auf dem ersten und zweiten Bondpad zeigenden Kamerabildes automatisch bestimmt und selbst tätig angesteuert. Hierdurch wird der nachteilige Einfluss manueller Steuervorgänge bzw. Einstellungen zuverlässig verbunden und eine verlässliche Reproduzierbarkeit der Ergebnisse innerhalb einer Testserie oder auch beim Vergleich verschiedener Testserien erreicht.
Ein wesentlicher Aspekt jener Anordnung besteht im Vorsehen einer Kamera zur Aufnahme von Bildern der Drahtbondverbindung, welche derart ausgebildet und, insbesondere am Zugtestkopf, platziert ist, dass der geometrische Verlauf einer Bonddrahtbrücke der Drahtbondverbindung und die Fixierungspunkte des Bonddrahts auf einem ersten und zweiten Bondpad des elektronischen Bauteils in Kamerabildern erkennbar sind. Des Weiteren umfasst die Anordnung eine Bildverarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung des Kamerabildes und eine Zughaken-Steuereinrichtung zur Positionierung und wahlweise Drehung des Zughakens aufgrund von Ausgangssignalen der Bildverarbeitungseinrichtung.
Bei jenem Verfahren wird der Zughaken derart positioniert, dass ein erster Winkel zwischen der Ebene des ersten Bondpads und dem Eingriffspunkt in einer vorbestimmten Relation zu einem zweiten Winkel zwischen der Ebene des zweiten Bondpads und dem Eingriffspunkt steht.
In einer Variante des bekannten Verfahrens wird eine Winkelstellung des Zughakens in der Eingriffsposition und/oder eine Winkelstellung des Zughakens während eines Senkens in die Eingriffsposition aufgrund eines Kamerabildes automatisch bestimmt und selbsttätig angesteuert. Hierdurch kann dem Testingenieur weitere mühsame Feinarbeit abgenommen werden, und speziell bei der Prüfung von sich über den Umfang einer elektronischen Baugruppe erstreckenden Drahtbondverbindungen, die Stück für Stück eine neue Winkeljustierung erfordern würden, lässt sich der Testablauf auch erheblich beschleunigen.
In einer weiteren Variante des in DE 10 2010 006 130 B offenbarten Verfahrens wird ein Kamerabild und in Zuordnung zu diesem eine daraus bestimmte Eingriffsposition und wahlweise weitere Lagegrößen des Zughakens gespeichert und das gespeicherte Kamerabild später einer vergleichenden Bildverarbeitung mit einem Kamerabild einer aktuell zu prüfenden Drahtbondverbindung unterzogen. Bei Feststellung einer hinreichenden Übereinstimmung der Kamerabilder werden die Eingriffsposition und wahlweise die weiteren Lagegrößen des Zughakens für die aktuelle Drahtbondverbindung gemäß den gespeicherten Werten gesteuert. Hiermit lassen sich in einfacher und schneller Weise Testserien bei mehreren identischen Bauelementanordnungen ausführen, in dem die bei einem ersten Testablauf ermittelten Lagegrößen für die Tests der weiteren Anordnungen übernommen werden. Dies verbessert auch die Vergleichbarkeit der Tests und verhindert manipulative Eingriffe bei einzelnen Tests.
Eine weitere Option bei dem vorbekannten Verfahren besteht darin, dass automatisch ein Kamerabild der Drahtbondverbindung im Moment ihrer Zerstörung, insbesondere gesteuert über die erfassten Höhe- bzw. Zugkraft-Messwerte, bei denen die Drahtbondverbindung zerstört wird, aufgenommen und zur späteren Auswertung in Zuordnung zur zugehörigen Eingriffsposition des jeweiligen Prüfvorgangs gespeichert wird. Während die unmittelbare visuelle Prüfung einer zerstörten Drahtbondverbindung während des Testablaufes mit einer unvermeidlichen Verzögerung des selben einher geht, lassen sich mit dieser Ausgestaltung nachteilige Verzögerungen vermeiden und dennoch alle Möglichkeiten zur Gewinnung verfeinerter Qualitätsaussagen erhalten.
Eine entsprechende, aus der DE 10 2010 006 130 B4 vorbekannte Anordnung umfasst eine Bild- und Koordinatenspeichereinrichtung zur Speicherung aufgenommener Kamerabilder in Zuordnung zu hieraus bestimmten Eingriffspositionen und wahlweise weiteren Lagegrößen des Zughakens. Diese Speichereinrichtung ist insbesondere zur Speicherung einer geordneten Menge von Kamerabildern und zugeordneten Lagegrößen ausgebildet. Sie ist kombiniert mit einer nachgeschalteten Zughaken-Programmberechnungsstufe der Zughaken-Steuereinrichtung, wobei die Bildverarbeitungseinrichtung zur vergleichenden Bildverarbeitung gespeicherter Kamerabilder mit aktuell aufgenommen Kamerabildern und zur Ausgabe eines des Auswertungsergebnis repräsentierenden Signals an die Zughaken-Steuereinrichtung ausgebildet ist.
In den 1 bis 3 werden Anwendungssituationen eines Verfahrens der gattungsgemäßen Art schematisch dargestellt, wobei 1 die Winkel- und Kräfteverhältnisse bei einer symmetrischen Bondverbindung zwischen einem ersten Fixierungspunkt P1 auf einem Halbleiterchip und einem zweiten, nahezu auf gleicher Höhe liegenden Fixierungspunkt P2 auf einem Substrat zeigt, 2 die gleiche Chip/Substrat-Konfiguration bei asymmetrischem Angriff des Kräftezughakens zeigt und 3 (unter Angabe der entsprechenden Berechnungsformeln) eine allgemeine Konfiguration mit ungleich hoch liegenden Fixierungspunkten P1' und P2' darstellt.
Bekanntlich taugen Pullwerte nur dann zur Qualitätsbewertung einer Bondverbindung, wenn sie miteinander vergleichbar sind. Das bezieht sich vor allem auf die Geometrie des Bonddrahtes, die die tatsächliche, am Bond wirksame Kraft unter widrigen Umständen gewaltig gegenüber der an der Drahtbrücke ausgeübten Zugkraft verfälscht. Die elementare Regel aus dem Kräfteparallelogramm besagt, dass nur dann, wenn der Draht die beiden Bondstellen unter einem Neigungswinkel von 30° verlässt, die gemessene Zugkraft gleich der an jeder Bondstelle wirkenden Kraft ist. Nur bei diesem Drahtwinkel misst man also die „wahre“ Zugkraft.
Das Bauteildesign gibt jedoch häufig flache Loops vor, ggfs. mit Winkeln von deutlich unter 30°. Dadurch wird aber die Reißlast einer Bondstelle bereits bei einer deutlich niedrigeren gemessenen Testkraft erreicht, und der Bond wird schlechter dargestellt als er in Wirklichkeit ist.
Dies ist allgemein bekannt, wird aber erstaunlicherweise aber meist weit unterschätzt. Wie sich aus 1 leicht ersehen und aus der Standardformel (Formel 1) für den Fall einer symmetrischen Drahtbrücke ablesen lässt, hängen scheinbare und tatsächliche Zugkräfte über eine Sinusfunktion des Neigungswinkels zusammen. Bei steileren Loops steigen die gemessenen Zugwerte maßvoll, bei flacheren Loops schrumpfen sie - aber bedeutend drastischer, wie sich an der folgenden Tabelle für den Korrekturfaktor ablesen lässt. Hier sind unterschiedliche Loophöhen für einen flachen Bond von 3 mm Länge dargestellt und daraus der Neigungswinkel Θ errechnet. Die am Zughaken gemessene Zugkraft muss dann mit dem Korrekturfaktor multipliziert werden, um die tatsächlich am Bond wirksame Kraft zu erhalten. Bei einem sehr flachen Loop von z.B. 150 µm Höhe würde also eine gemessene Kraft von 3 cN den Bond mit nicht weniger als 15 cN belasten; damit wäre der Bond also fünfmal besser als die Messung erwarten ließe!
Die korrigierten, also normierten Pullwerte machen die Qualitätswerte von unterschiedlichen Schaltungen viel besser vergleichbar und lassen damit auch genauere Rückschlüsse auf Oberflächenqualitäten, Drahteinflüsse u.v.m. zu.
Übrigens sind die geschilderten Zusammenhänge bei Ball-Wedge-Bonds noch wichtiger als bei den in der Abbildung gezeigten Wedge-Wedge-Bonds. Letztere sind bezüglich des Bondfußes symmetrisch, da der Draht ja sowohl beim Source- wie auch beim Destination-Bond flach aufliegt. Beim Ball-Wedge-Bond hingegen steigt der Draht aus dem 1. Bond senkrecht nach oben und liegt nur beim 2. Bond auf der Seite auf. Damit ist die Drahtbrücke von sich aus nicht symmetrisch und verlangt schon im Prinzip eine Messposition etwas außerhalb der Mitte, näher zum 1. Bond hin. Für die genannte Situation bei Dickschichthybriden kommt hier noch erschwerend hinzu, dass der 2. Bond bei Ball-Wedge-Bonds, der sog. Fishtail oder Halbmondbond, in sich schon weniger stabil ist als der erste Bond. Dies ist dem Verfahren geschuldet und verschlimmert sich noch bei Qualitätsmängeln an der Bondstelle des zweiten Bonds, so dass der Anreiz zu manipulierenden Eingriffen noch deutlich ansteigt.
Das vorstehend ausführlich erläuterte vorbekannte Verfahren hat den Nachteil, dass bei rein manueller Durchführung eines Bondtests (Pulltests) die für die Verfahrensdurchführung benötigten Positionen der Bondpads nicht eingegeben werden können und deshalb die benötigten Winkel des Bonddrahtes nicht ohne Weiteres bekannt sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Anordnung der genannten Art anzugeben, welche insbesondere eine zuverlässige korrekte Ermittlung der an den Bondstellen real wirkenden Zugkraft auch dann ermöglichen, wenn die Bondpositionen nicht vorab programmierbar bzw. nicht exakt bekannt sind.
Diese Aufgabe wird in ihrem Verfahrensaspekt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ihrem Vorrichtungsaspekt durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schließt die Überlegung ein, die real an den Bondstellen einer Bondverbindung wirkenden Kräfte unter Nutzung von Bonddrahtwinkeln zu bestimmen, die ausschließlich aus einem seitlich aufgenommenen Kamerabild entnommen und einer Korrektur hinsichtlich des Beobachtungswinkels der Kamera unterzogen werden. Sie schließt somit den Gedanken ein, die realen Zugkräfte ohne Kenntnis der Koordinaten der Bondstellen bzw. deren vorherige Programmierung, auch in einem manuell durchgeführten Testverfahren, ausschließlich aufgrund eines Ausschnitt-Bildes der Bonddrahtbrücke, zu ermitteln.
Insgesamt umfasst das vorgeschlagene Verfahren, dass mittels einer am Bondtestkopf starr seitlich oberhalb des Zughakens fixierten Videokamera laufend der Zughaken und der Abschnitt der Bonddrahtbrücke in dessen Umgebung aufgenommen und die Bildfolge gespeichert wird,
ein erstes Bild aus der Bildfolge extrahiert wird, das im Moment vor der Zerstörung der Bonddrahtbrücke aufgenommen wurde,
aus dem ersten extrahierten Bild die Kamerabild-Winkel bestimmt werden, unter denen der Bonddraht beidseits des Eingriffspunktes des Zughakens bezüglich der Vertikalen verläuft,
aus den Kamerabild-Winkeln anhand des Neigungswinkels der optischen Achse der Videokamera bezüglich der Horizontalen die entsprechenden realen Bonddraht-Winkel ermittelt werden, unter denen der Bonddraht vom Zughaken zum ersten bzw. zweiten, nicht im ersten extrahierten Bild enthaltenen Bondpad verläuft, und
der bei der Zerstörung der Bonddrahtbrücke gemessene Zugkraft-Messwert mit den ermittelten Bonddraht-Winkeln zur Bestimmung der realen Zugkraftwerte am ersten und zweiten Bondpad korrigiert wird.
In einer zweckmäßigen Verfahrensführung ist vorgesehen, dass die Aufnahme der Bildfolge derart mit der Messung der Zugkraft am Zughaken synchronisiert wird, dass jedem Bild ein Zugkraft-Messwert zugeordnet wird, und aus der Bildfolge das erste Bild extrahiert wird, welches demjenigen Bild zeitlich vorangeht, dem ein gegenüber vorher registrierten Zugkraft-Messwerten drastisch verringerter Zugkraft-Messwert zugeordnet ist, der die Zerstörung der Bonddrahtbrücke signalisiert.
Hierbei können insbesondere zu jedem Zeitpunkt bis zur Zerstörung der Bonddrahtbrücke fortlaufend jeweils mindestens die beiden zuletzt aufgenommenen Bilder mit den zugeordneten Zugkraft-Messwerten gespeichert werden und die zugeordneten Zugkraft-Messwerte miteinander verglichen werden und die beim Vergleich ermittelte Abweichung einer Schwellenwertdiskriminierung mit einem vorgegebenen Schwellenwert unterworfen wird.
In einer alternativen Ausführung, hinsichtlich der Auswahl des relevanten Kamerabildes, ist vorgesehen, dass die Aufnahme der Bildfolge derart mit der Messung der Höhe des Zughakens am Zughaken synchronisiert wird, dass jedem Bild ein Höhen-Messwert zugeordnet wird, und aus der Bildfolge das erste Bild extrahiert wird, welches demjenigen Bild zeitlich vorangeht, dem ein gegenüber vorher registrierten Höhen-Messwerten drastisch vergrößerter Höhen-Messwert zugeordnet ist, der die Zerstörung der Bonddrahtbrücke signalisiert. Auch hierbei kann beim Vergleich der Höhen-Messwerte sinnvoll eine Schwellwertdiskriminierung ausgeführt werden.
Einerseits ist es möglich, dass die Höhe des Zughakens jeweils aus der Position des Zughakens in jedem Bild der Bildfolge ermittelt wird und die Feststellung eines drastisch vergrößerten Höhen-Messwertes mittels eines Bildvergleiches der aufeinanderfolgenden Bilder durchgeführt wird.
Alternativ hierzu kann auch die Höhe des Zughakens aus der Höhenposition des Bondtestkopfes in einer vertikalen Schlittenführung bestimmt werden, in der der Bondtestkopf und mit ihm der Zughaken vertikal verschieblich geführt ist.
In einer vorteilhaften Verfahrensführung kann aus den aufgenommenen Kamerabildern noch wertvolle weitere Information hinsichtlich des Ortes des Versagens einer Bondverbindung (Bonddrahtriss oder Ablösen des Bonddrahtes am Bondpad) gewonnen werden. Hierzu ist vorgesehen, dass aus der aufgenommenen Bildfolge in dem oder unmittelbar nach dem Zeitpunkt der Zerstörung der Bonddrahtbrücke ein zweites Bild extrahiert wird und das zweite extrahierte Bild einem Bildvergleich mit dem ersten extrahierten Bild unterzogen wird, um eine Änderung der Position des Zughakens und/oder Änderungen des Winkelverlaufs des Bonddrahtes beidseits des ursprünglichen Eingriffspunktes des Zughakens zu ermitteln.
Zur Durchführung des oben erläuterten Verfahrens wird eine Anordnung vorgeschlagen, mit einem Arbeitstisch zur Fixierung eines elektronischen Bauteils oder mehrerer elektronischer Bauteile, welche/s die zu prüfende Drahtbondverbindung aufweist,
einem Bondtestkopf, der einen mit einer veränderlich einstellbaren Zugkraft vertikal bewegbaren Zughaken sowie eine Messeinrichtung zur fortlaufenden Messung der am Zughaken wirkenden Zugkraft aufweist,
einer starr seitlich oberhalb des Zughakens am Bondtestkopf derart fixierten Videokamera, dass die optische Kameraachse unter einem Kamerabild-Winkel zur Horizontalen eine Vorderansicht des Zughakens und des Verlaufs der Bonddrahtbrücke in dessen Umgebung aufnimmt,
einer Bildspeichereinrichtung zur fortlaufenden Speicherung mehrerer Bilder einer von der Videokamera aufgenommenen Bildfolge,
einer Einzelbild-Auswahleinrichtung zur Auswahl des ersten und wahlweise zweiten extrahierten Bildes aus den gespeicherten Bildern der Bildfolge aufgrund eines Auswahlsignals,
eine Bildverarbeitungseinrichtung zur Bildverarbeitung und Analyse von Kamerabildern mindestens hinsichtlich der Kamerabild-Winkel, die der Bonddraht beidseits des Eingriffspunktes des Zughakens bezüglich der Vertikalen hat,
einer Bonddrahtwinkel-Korrektureinrichtung zur Korrektur der in der Bildverarbeitungseinheit ermittelten Kamerabild-Winkel des Bonddrahtes anhand des Winkels, den die Kameraachse mit der Horizontalen einschließt, und zur Ermittlung der realen Bonddraht-Winkel, und
eine Zugkraft-Korrektureinrichtung zur Korrektur der Zugkraft-Messwerte mit den ermittelten Bonddraht-Winkeln und zur Ausgabe realer Zugkraftwerte am ersten und zweiten Bondpad.
In einer zweckmäßigen Ausführung dieser Anordnung ist vorgesehen, dass die Bildspeichereinrichtung einen Zugkraft-Speicherbereich zur Speicherung von Zugkraft-Messwerten jeweils in Zuordnung zu einem gespeicherten Kamerabild aufweist,
dem Zugkraft-Speicherbereich eine Zugkraft-Vergleichereinrichtung zum Vergleich der aufeinanderfolgenden Bildern zugeordneten Zugkraft-Messwerte zugeordnet ist, und
die Bildauswahleinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie im Ansprechen auf ein von der Zugkraft-Vergleichereinheit ausgegebenes Auswahlsignal ein Bild aus der Bildfolge als erstes extrahiertes Bild auswählt,
wobei insbesondere die Zugkraft-Vergleichereinheit einen Schwellenwertdiskriminator aufweist, der das Auswahlsignal bei Überschreitung eines vorbestimmten Schwellen-Differenzwertes zwischen den aufeinanderfolgenden Bildern zugeordneten Zugkraft-Messwerten erzeugt.
In einer alternativen Ausführung der Anordnung wird vorgeschlagen, dass die Bildspeichereinrichtung einen Höhenwert-Speicherbereich zur Speicherung von Höhen-Messwerten jeweils in Zuordnung zu einem gespeicherten Kamerabild aufweist,
dem Höhenwert-Speicherbereich eine Höhenwert-Vergleichereinrichtung zum Vergleich der aufeinanderfolgenden Bildern zugeordneten Höhen-Messwerte zugeordnet ist, und
die Bildauswahleinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie im Ansprechen auf ein von der Höhenwert-Vergleichereinheit ausgegebenes Auswahlsignal ein Bild aus der Bildfolge als erstes extrahiertes Bild auswählt,
wobei insbesondere die Höhenwert-Vergleichereinheit einen Schwellenwertdiskriminator aufweist, der das Auswahlsignal bei Überschreitung eines vorbestimmten Schwellen-Differenzwertes zwischen den aufeinanderfolgenden Bildern zugeordneten Höhen-Messwerten erzeugt.
Hierbei kann einerseits die Bildverarbeitungseinheit zur Bestimmung der Höhen-Messwerte des Zughakens aus den Kamerabildern ausgebildet sein.
Andererseits kann an einer vertikalen Schlittenführung des Bondtestkopfes, in der der Bondtestkopf und mit ihm der Zughaken vertikal verfahrbar ist, ein Positionssensor angeordnet sein, der fortlaufend Höhen-Messwerte des Zughakens ausgibt,
eine Kamerabild-Positionssensor-Synchronisierungseinheit vorgesehen sein,
die die Signalerfassung des Positionssensors mit der Bildaufnahme durch die Videokamera synchronisiert, und
die vom Positionssensor ausgegebenen Höhen-Messwerte jeweils in Zuordnung zu einem Kamerabild in den Höhenwert-Speicherbereich der Bildspeichereinrichtung eingibt.
Gemäß der weiter oben vorgeschlagenen Verfahrensführung zur Erzielung des Zusatznutzens einer Klassifizierung des Versagens der Bonddrahtverbindung ist bei der vorgeschlagenen Anordnung die Bildverarbeitungseinheit zur vergleichenden Verarbeitung aufeinanderfolgender Bilder der Bildfolge und zur Ermittlung von Änderungen der Höhenposition des Zughakens und/oder des Winkelverlaufs des Bonddrahtes beidseits des Eingriffspunktes des Zughakens und zur Ausgabe von das jeweilige Vergleichsergebnis kennzeichnenden Daten ausgebildet.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren. Von diesen zeigen:

1 bis 3 geometrische Darstellungen zur Verdeutlichung des Bonddrahtverlaufes und der vektoriellen Zugkraftzerlegung bei Pulltest-Verfahren zur Qualitätsbestimmung von Drahtbondverbindungen,
4 ein Funktions-Blockdiagramm einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,
5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,
6 eine schematische Darstellung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes in Art eines Flussdiagramms,
7 und 8 geometrische Darstellungen zur Verdeutlichung einer Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens.

4 zeigt als Funktions-Blockdiagramm eine Qualitätsprüfanordnung 1 zur Prüfung einer Bonddrahtbrücke W zwischen einem ersten Fixierungspunkt P1 auf einem Halbleiterchip C und zweiten Fixierungspunkt P2 auf einem Substrat S. Es wird darauf hingewiesen, dass die Positionskoordinaten der Fixierungspunkte P1 und P2 für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht bekannt sein müssen und bei manueller Verfahrenssteuerung in der Regel auch nicht bekannt sind.
Die Anordnung 1 umfasst einen Zughaken 2, der über eine Positions- und Winkelsteuereinrichtung 3 sowohl in der xy-Ebene als auch in der Höhe zur Einstellung einer Eingriffsposition unter der Bonddrahtbrücke W verfahrbar und drehbar ist. Der Zughaken 2 ist mit einer Kraftmesseinrichtung 4 gekoppelt, die fortlaufend die Zugkraft registriert, die sich aus der durch eine Pull-Einheit 5 bereitgestellten Zugkraft unter dem Einfluss der Drahtverformung ergibt.
Die Bonddrahtbrücke W und deren Fixierungspunkte sowie die Umgebung werden durch eine Kamera 6 beobachtet, deren Kamerabilder einer Bildverarbeitungseinheit 7 zugeführt werden. Die Anbringung und Ausrichtung der Kamera 6 ist in 5 gezeigt und weiter unten beschrieben. Die Bildverarbeitungseinheit 7 wiederum ist ausgangsseitig mit der Zughaken-Steuereinrichtung 3 und des Weiteren (wie auch die Zughaken-Steuereinrichtung selbst) mit einer Bild- und Datenspeichereinrichtung 8 verbunden, in der aufgenommene Kamerabilder der Bonddrahtbrücke in Zuordnung zu weiteren Koordinaten gespeichert werden; s. dazu weiter unten.
Gespeicherte Kamerabilder können zurück in die Bildverarbeitungseinrichtung gelangen, und zwar in einen Bildvergleicherabschnitt 7a derselben, in dem sie miteinander im Sinne der weiter oben beschriebenen Verfahrensdurchführung verglichen werden. Die Bildverarbeitungseinrichtung weist des Weiteren eine Drahthöhen- und Drahtwinkel-Bestimmungsstufe 7b zur Bestimmung der Scheitelpunkthöhe der Bonddrahtbrücke W oder von deren Winkeln in der Umgebung des Eingriffspunktes des Zughakens 2 auf. Des Weiteren umfasst die Bildverarbeitungseinrichtung 7 eine Korrekturstufe 7c zur Korrektur der mit der schräg oberhalb der Bonddrahtbrücke positionierten Kamera 6 aufgenommenen „verfälschten“ Bonddrahtwinkel beidseits des Eingriffspunktes anhand des Beobachtungswinkels der Kamera bezüglich der Horizontalen. Auch die Funktion dieser Komponente ist weiter oben bei der Erläuterung bevorzugter Verfahrensführungen beschrieben.
Die Korrekturstufe 7c ist ausgangsseitig mit einer Zugkraft-Korrektureinrichtung 9 verbunden, der außerdem das Messsignal der Kraftmesseinrichtung 4 zugeführt wird und die deren Messwerte mit den in der Bildverarbeitungseinheit 7 ermittelten Winkeln des Bonddrahts beidseits des Eingriffspunktes des Zughakens korrigiert und reale Zugkraftwerte am ersten und zweiten Bondpad ausgibt.
5 zeigt detaillierter die konstruktive Ausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung 1'. Gleiche oder funktionsgleiche Komponenten wie bei der in 4 gezeigten Vorrichtung sind mit den gleichen Bezugsziffern wie dort bezeichnet und werden hier nicht nochmals erläutert.
Der Pulltester 1' umfasst einen Bondtestkopf 10, der an einer z-Achsen-Schlittenführung 11 geführt ist und an dieser über einen z-Achsen-Motor 12 bewegt wird. An der Schlittenführung sind auch (nicht dargestellte) Positionserfassungsmittel vorgesehen, die die Vertikalposition des Bondtestkopfes 10 und damit auch diejenige des an seinem unteren Ende angebrachten Zughakens 2 erfassen.
Am Bondtestkopf 8 befindet sich ein weiterer Motor 11, mit dem die für die Verfahrensführung erforderliche Rotation des Zughakens 2 um die Längsachse bewirkt wird.
In der Figur ist zu erkennen, dass die Videokamera 6 zur laufenden Beobachtung der Verformung der Bonddrahtbrücke W und der Winkel, die der Bonddraht beidseits des Zughakens 2 mit der Vertikalen einschließt, seitlich oberhalb des Zughakens starr am Bondtestkopf 10 angebracht ist. Die Anbringung ist derart, dass die optische Achse OA der Kamera 6 einen bekannten Winkel mit der Horizontalen einschließt.
Mit dieser Konfiguration wird für die Bestimmung von Höhenwerten des Zughakens nicht auf das Kamerabild zurückgegriffen. Stattdessen wird der Zughaken W zur Bestimmung der Höhenwerte der Fixierungspunkte P1, P2 auf das Substrat S abgesenkt („Touch-Down“) und der zugehörige Höhenwert an der Schlittenführung 9 erfasst, und analog wird bei der Bestimmung der Höhenwerte des Scheitels der Bonddrahtbrücke W auf das durch die Positionssensorik der Schlittenführung 9 ausgegebene Signal zurückgegriffen, das den Höhen-Wert des (zum fraglichen Zeitpunkt mit der Bonddrahtbrücke im Eingriff befindlichen) Zughakens 2 repräsentiert.
6 zeigt, als vereinfachtes Flussdiagramm, eine Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens, bei der miteinander synchronisiert ein Zugtest an einer Bonddrahtbrücke und die fortlaufende Aufnahme und anschließende Auswertung von Bildern des zughaken-nahen Bereiches der Bonddrahtbrücke unter Nutzung von zusammen mit den Bildern gespeicherten Zugkraft-Messwerten erfolgen.
Der Zugtest umfasst gemäß der Figur einen ersten Schritt S1.1 des In-Eingriff-Bringens des Zughakens unter den Scheitelpunkt der Bonddrahtbrücke, einen Schritt S2.1 der Aufbringung einer stetig zunehmenden Zugkraft mit einem sich daraus ergebenden Hochziehen des Scheitelpunktes der Bonddrahtbrücke (was in der Praxis natürlich mehrere Schritte oder einen kontinuierlichen Ablauf umfasst) und schließlich einen Schritt S3.1 der Zerstörung der Bonddrahtbrücke, verbunden mit einem Hochschnellen des Zughakens und einem drastischen Abfall des Zugkraft-Messwertes. Das den Prüfer interessierende Ergebnis des Zugtestes ist die real auf die Bondpads wirkende Zugkraft unmittelbar vor der Zerstörung der Bonddrahtbrücke.
Mit dem Start des Zugtests beginnt in einem Schritt S2.1 die Aufnahme einer Bildfolge von Bildern des Zughakens mit dem zughaken-nahen Bereich der Bonddrahtbrücke und in einem Schritt S2.2 das Speichern der Bildfolge mit den Bildern jeweils zugeordneten aktuellen Zugkraft-Messwerten, gefolgt von einem fortlaufenden Vergleich der jeweils zuletzt aufgenommenen Bilder in einem Schritt S2.3. Dieser fortlaufende Vergleich ergibt zum Zeitpunkt der Zerstörung der Bonddrahtbrücke in einem Schritt S2.4 den Nachweis von deren Zerstörung aufgrund der wesentlich vergrößerten Höhenposition des Zughakens (und ggfs. weiterer Bildmerkmale). Anschließend wird in einem Schritt S2.5 dasjenige Bild der Bildfolge extrahiert, das dem die Zerstörung zeigenden Bild unmittelbar vorangeht.
Die Bild-Auswahl erfolgt also hier ausschließlich aufgrund der Kamerabilder selbst, ohne zusätzliche Auswertung der gespeicherten Zugkraft-Messwerte in dieser Hinsicht. Es ist aber auch eine Verfahrensführung möglich, bei der das für die weitere Auswertung benötigte Bild (extrahierte Bild) anhand eines Vergleiches der Zugkraft-Messwerte gefunden wird.
Anschließend wird in einem Schritt S2.6 der dem extrahierte Bild zugeordnete Zugkraft-Messwert ausgelesen, und parallel werden in einem Schritt S2.7 aus diesem Kamerabild die Bonddraht-Winkel bezüglich der Vertikalen beidseits des Zughakens als Kamerabild-Winkel ermittelt. In einem Schritt S2.9 wird in den Ablauf der Auswertung der Kamerabilder ein Korrekturwert eingegeben, der aus der Winkelposition der Kameraachse bezüglich der Horizontalen ermittelt wurde. Mit diesem Korrekturwert werden in einem Schritt S2.9 aus den Kamerabild-Winkeln die realen Winkel der Bonddraht-Abschnitte beidseits des Zughakens bezüglich der Vertikalen errechnet.
In einem Schritt S2.10 werden die realen Kamerawinkel wiederum als Korrekturgrößen für die Berechnung der an den Bondstellen wirkenden realen Zugkräfte aus dem Zugkraft-Messwert genutzt, und in einem Schritt S2.11 werden die realen Zugkraftwerte ausgegeben.
Im Sinne einer weiter oben beschriebenen bevorzugten Verfahrensführung können, ausgehend vom Schritt S2.4, in einem Schritt S2.12 sowohl die Höhenpositionen des Zughakens als auch die Kamerabild-Winkel beidseits des Zughakens in dem die Zerstörung zeigenden Bild einerseits (das man in diesem Sinne als „zweites extrahiertes Bild“ bezeichnen kann) und dem unmittelbar vorangehenden Bild („erstes extrahiertes Bild“) miteinander verglichen werden. Durch diesen Vergleich lässt sich zumindest grob klassifizieren, welcher Typ der Zerstörung der Bonddrahtverbindung vorliegt; s. dazu weiter unten.
In einer gegenüber 6 modifizierten Verfahrensführung kann vorgesehen sein, dass das für die Ermittlung der Kamerabild-Winkel des Bonddrahtes benötigte Bild (erste extrahierte Bild) aufgrund einer separaten, von der Kamerafunktion unabhängigen Registrierung der Höhe des Zughakens gefunden wird. Auf diese Option wurde weiter oben in Verbindung mit 5 hingewiesen. Hierbei werden den Kamerabildern jeweils extern eingespeiste Höhen-Messwerte zugeordnet und zusammen mit den Bildern gespeichert, und als erstes extrahiertes Bild wird dasjenige definiert, welches einem sprunghaften Anstieg der Höhenposition des Zughakens vorangeht.
7 und 8 zeigen typische Bonddrahtverläufe bei verschiedenen Arten einer Bondbrückenzerstörung, die in der Praxis voneinander unterschieden werden sollen. 7 zeigt das Zerreißen der Bonddrahtbrücke W unmittelbar am Zughaken, also einen Prüf-Fall, bei dem der Bonddraht selbst reißt, während seine stoffschlüssige Verbindung mit den (nicht im Aufnahmebereich der Videokamera liegenden und folglich in den Kamerabildern nicht zu erkennenden) Bondpads noch intakt ist. 8 hingegen zeigt den Fall des Abreißens des Bonddrahts an einem der Bondpads und das „Hinauffliegen“ jenes Teiles W1 der Bonddrahtbrücke W.
Mit der oben erläuterten Vorgehensweise und Anordnung lassen sich durch die vergleichende Auswertung aufeinanderfolgend aufgenommener Kamerabilder der Videokamera 6 beide Fälle des Versagens der Bondverbindung voneinander unterscheiden. Zu den Details der Verfahrensführung und entsprechenden Anordnungskomponenten wird auf die Ausführungen weiter oben verwiesen.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die oben hervorgehobenen Aspekte und das dargestellte Beispiel beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010006130 B4 [0004, 0010]
DE 102010006130 B [0008]

Claims

Verfahren zur Qualitätsbestimmung einer Drahtbondverbindung, bei dem ein Zughaken unter einer Bonddrahtbrücke der Drahtbondverbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Bondpad positioniert und im Eingriff mit dem Bonddraht von den Bondpads weg geführt wird, wobei fortlaufend die Höhe des Zughakens und eine auf den Zughaken wirkende Zugkraft erfasst und ein Höhen- und Zugkraft-Messwert registriert wird, bei denen die Drahtbondverbindung zerstört wird, wobei mittels einer am Bondtestkopf starr seitlich oberhalb des Zughakens fixierten Videokamera laufend der Zughaken und der Abschnitt der Bonddrahtbrücke in dessen Umgebung aufgenommen und die Bildfolge gespeichert wird, ein erstes Bild aus der Bildfolge extrahiert wird, das im Moment vor der Zerstörung der Bonddrahtbrücke aufgenommen wurde, aus dem ersten extrahierten Bild die Kamerabild-Winkel bestimmt werden, unter denen der Bonddraht beidseits des Eingriffspunktes des Zughakens bezüglich der Vertikalen verläuft, aus den Kamerabild-Winkeln anhand des Neigungswinkels der optischen Achse der Videokamera bezüglich der Horizontalen die entsprechenden realen Bonddraht-Winkel ermittelt werden, unter denen der Bonddraht vom Zughaken zum ersten bzw. zweiten, nicht im ersten extrahierten Bild enthaltenen Bondpad verläuft, und der bei der Zerstörung der Bonddrahtbrücke gemessene Zugkraft-Messwert mit den ermittelten Bonddraht-Winkeln zur Bestimmung der realen Zugkraftwerte am ersten und zweiten Bondpad korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aufnahme der Bildfolge derart mit der Messung der Zugkraft am Zughaken synchronisiert wird, dass jedem Bild ein Zugkraft-Messwert zugeordnet wird, und aus der Bildfolge das erste Bild extrahiert wird, welches demjenigen Bild zeitlich vorangeht, dem ein gegenüber vorher registrierten Zugkraft-Messwerten drastisch verringerter Zugkraft-Messwert zugeordnet ist, der die Zerstörung der Bonddrahtbrücke signalisiert.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei zu jedem Zeitpunkt bis zur Zerstörung der Bonddrahtbrücke fortlaufend jeweils mindestens die beiden zuletzt aufgenommenen Bilder mit den zugeordneten Zugkraft-Messwerten gespeichert werden und die zugeordneten Zugkraft-Messwerte miteinander verglichen werden und die beim Vergleich ermittelte Abweichung einer Schwellenwertdiskriminierung mit einem vorgegebenen Schwellenwert unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aufnahme der Bildfolge derart mit der Messung der Höhe des Zughakens am Zughaken synchronisiert wird, dass jedem Bild ein Höhen-Messwert zugeordnet wird, und aus der Bildfolge das erste Bild extrahiert wird, welches demjenigen Bild zeitlich vorangeht, dem ein gegenüber vorher registrierten Höhen-Messwerten drastisch vergrößerter Höhen-Messwert zugeordnet ist, der die Zerstörung der Bonddrahtbrücke signalisiert.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei zu jedem Zeitpunkt bis zur Zerstörung der Bonddrahtbrücke fortlaufend jeweils mindestens die beiden zuletzt aufgenommenen Bilder mit den zugeordneten Höhen-Messwerten gespeichert werden und fortlaufend die zugeordneten Höhen-Messwerte miteinander verglichen werden und die beim Vergleich ermittelte Abweichung einer Schwellenwertdiskriminierung mit einem vorgegebenen Schwellenwert unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Höhe des Zughakens jeweils aus der Position des Zughakens in jedem Bild der Bildfolge ermittelt wird und die Feststellung eines drastisch vergrößerten Höhen-Messwertes mittels eines Bildvergleiches der aufeinanderfolgenden Bilder durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Höhe des Zughakens aus der Höhenposition des Bondtestkopfes in einer vertikalen Schlittenführung bestimmt wird, in der der Bondtestkopf und mit ihm der Zughaken vertikal verschieblich geführt ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei aus der aufgenommenen Bildfolge in dem oder unmittelbar nach dem Zeitpunkt der Zerstörung der Bonddrahtbrücke ein zweites Bild extrahiert wird und das zweite extrahierte Bild einem Bildvergleich mit dem ersten extrahierten Bild unterzogen wird, um eine Änderung der Position des Zughakens und/oder Änderungen des Winkelverlaufs des Bonddrahtes beidseits des ursprünglichen Eingriffspunktes des Zughakens zu ermitteln.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Arbeitstisch zur Fixierung eines elektronischen Bauteils oder mehrerer elektronischer Bauteile, welche/s die zu prüfende Drahtbondverbindung aufweist, einem Bondtestkopf, der einen mit einer veränderlich einstellbaren Zugkraft vertikal bewegbaren Zughaken sowie eine Messeinrichtung zur fortlaufenden Messung der am Zughaken wirkenden Zugkraft aufweist, einer starr seitlich oberhalb des Zughakens am Bondtestkopf derart fixierten Videokamera, dass die optische Kameraachse unter einem Kamerabild-Winkel zur Horizontalen eine Vorderansicht des Zughakens und des Verlaufs der Bonddrahtbrücke in dessen Umgebung aufnimmt, einer Bildspeichereinrichtung zur fortlaufenden Speicherung mehrerer Bilder einer von der Videokamera aufgenommenen Bildfolge, einer Einzelbild-Auswahleinrichtung zur Auswahl des ersten und wahlweise zweiten extrahierten Bildes aus den gespeicherten Bildern der Bildfolge aufgrund eines Auswahlsignals, eine Bildverarbeitungseinrichtung zur Bildverarbeitung und Analyse von Kamerabildern mindestens hinsichtlich der Kamerabild-Winkel, die der Bonddraht beidseits des Eingriffspunktes des Zughakens bezüglich der Vertikalen hat, einer Bonddrahtwinkel-Korrektureinrichtung zur Korrektur der in der Bildverarbeitungseinheit ermittelten Kamerabild-Winkel des Bonddrahtes anhand des Winkels, den die Kameraachse mit der Horizontalen einschließt, und zur Ermittlung der realen Bonddraht-Winkel, und eine Zugkraft-Korrektureinrichtung zur Korrektur der Zugkraft-Messwerte mit den ermittelten Bonddraht-Winkeln und zur Ausgabe realer Zugkraftwerte am ersten und zweiten Bondpad.
Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Bildspeichereinrichtung einen Zugkraft-Speicherbereich zur Speicherung von Zugkraft-Messwerten jeweils in Zuordnung zu einem gespeicherten Kamerabild aufweist, dem Zugkraft-Speicherbereich eine Zugkraft-Vergleichereinrichtung zum Vergleich der aufeinanderfolgenden Bildern zugeordneten Zugkraft-Messwerte zugeordnet ist, und die Bildauswahleinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie im Ansprechen auf ein von der Zugkraft-Vergleichereinheit ausgegebenes Auswahlsignal ein Bild aus der Bildfolge als erstes extrahiertes Bild auswählt, wobei insbesondere die Zugkraft-Vergleichereinheit einen Schwellenwertdiskriminator aufweist, der das Auswahlsignal bei Überschreitung eines vorbestimmten Schwellen-Differenzwertes zwischen den aufeinanderfolgenden Bildern zugeordneten Zugkraft-Messwerten erzeugt.
Anordnung nach Anspruch 10, wobei die Bildspeichereinrichtung einen Höhenwert-Speicherbereich zur Speicherung von Höhen-Messwerten jeweils in Zuordnung zu einem gespeicherten Kamerabild aufweist, dem Höhenwert-Speicherbereich eine Höhenwert-Vergleichereinrichtung zum Vergleich der aufeinanderfolgenden Bildern zugeordneten Höhen-Messwerte zugeordnet ist, und die Bildauswahleinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie im Ansprechen auf ein von der Höhenwert-Vergleichereinheit ausgegebenes Auswahlsignal ein Bild aus der Bildfolge als erstes extrahiertes Bild auswählt, wobei insbesondere die Höhenwert-Vergleichereinheit einen Schwellenwertdiskriminator aufweist, der das Auswahlsignal bei Überschreitung eines vorbestimmten Schwellen-Differenzwertes zwischen den aufeinanderfolgenden Bildern zugeordneten Höhen-Messwerten erzeugt.
Anordnung nach Anspruch 11, wobei die Bildverarbeitungseinheit zur Bestimmung der Höhen-Messwerte des Zughakens aus den Kamerabildern ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 11, wobei an einer vertikalen Schlittenführung des Bondtestkopfes, in der der Bondtestkopf und mit ihm der Zughaken vertikal verfahrbar ist, ein Positionssensor angeordnet ist, der fortlaufend Höhen-Messwerte des Zughakens ausgibt, eine Kamerabild-Positionssensor-Synchronisierungseinheit vorgesehen ist, die die Signalerfassung des Positionssensors mit der Bildaufnahme durch die Videokamera synchronisiert, und die vom Positionssensor ausgegebenen Höhen-Messwerte jeweils in Zuordnung zu einem Kamerabild in den Höhenwert-Speicherbereich der Bildspeichereinrichtung eingegeben werden.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Bildverarbeitungseinheit zur vergleichenden Verarbeitung aufeinanderfolgender Bilder der Bildfolge und zur Ermittlung von Änderungen der Höhenposition des Zughakens und/oder des Winkelverlaufs des Bonddrahtes beidseits des Eingriffspunktes des Zughakens und zur Ausgabe von das jeweilige Vergleichsergebnis kennzeichnenden Daten ausgebildet ist.