DE10301744A1 - Verfahren für die Bestimmung optimaler Bondparameter beim Bonden mit einem Wire Bonder - Google Patents

Verfahren für die Bestimmung optimaler Bondparameter beim Bonden mit einem Wire Bonder

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DE10301744A1
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Juerg Schwizer
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Abstract

Optimale Bondparameter für eine Bondkraft F¶B¶ und eine Ultraschallgröße P und, fakultativ, mindestens einen weiteren Bondparameter eines Wire Bonders lassen sich ermitteln mittels eines Verfahrens mit den folgenden Schritten: DOLLAR A a) Durchführen von mehreren Bondvorgängen, wobei die Bondkraft F¶B¶ und die Ultraschallgröße P und, gegebenenfalls, der mindestens eine weitere Bondparameter in je einem vorbestimmten Bereich in diskreten Schritten variiert werden, wobei während des Bondens für jeden Bondvorgang mittels eines Sensors (1; 16) ein elektrisches Signal S(t) erzeugt wird, das proportional zu einer auf den entsprechenden Anschlusspunkt ausgeübten Scherkraft ist, DOLLAR A b) für jeden Bondvorgang Ermitteln einer Größe G aus den während des Bondvorganges vom Sensor gelieferten elektrischen Signalen, DOLLAR A c) Bestimmung des maximalen Wertes der Größe G und der zugehörigen Werte für die Bondkraft F¶B¶, die Ultraschallgröße P und, gegebenenfalls, den mindestens einen weiteren Bondparameter oder Bestimmung eines globalen Maximums der Größe G und Bestimmung der zugehörigen Werte für die Bondkraft F¶B¶, die Ultraschallgröße P und, gegebenenfalls, den mindestens einen weiteren Bondparameter oder Bestimmung eines Parameterbereichs H, in welchem die Größe G vorbestimmte Kriterien erfüllt, und Bestimmung eines Wertes für die Bondkraft F¶B¶, die Ultraschallgröße P und, gegebenenfalls, den mindestens einen weiteren Bondparameter, die im Parameterbereich H liegen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Bestimmung optimaler Bondparameter beim Bonden mit einem Wire Bonder.
  • Ein Wire Bonder ist eine Maschine, mit der Halbleiterchips nach deren Montage auf einem Substrat verdrahtet werden. Der Wire Bonder weist eine Kapillare auf, die an der Spitze eines Horns eingespannt ist. Die Kapillare dient zum Befestigen des Drahtes auf einem Anschlusspunkt des Halbleiterchips und auf einem Anschlusspunkt des Substrates sowie zur Drahtführung zwischen den beiden Anschlusspunkten. Bei der Herstellung der Drahtverbindung zwischen dem Anschlusspunkt des Halbleiterchips und dem Anschlusspunkt des Substrates wird das aus der Kapillare ragende Drahtende zunächst zu einer Kugel geschmolzen. Anschliessend wird die Drahtkugel auf dem Anschlusspunkt des Halbleiterchips mittels Druck und Ultraschall befestigt. Dabei wird das Horn von einem Ultraschallgeber mit Ultraschall beaufschlagt. Diesen Prozess nennt man Ball-bonding. Dann wird der Draht auf die benötigte Drahtlänge durchgezogen, zu einer Drahtbrücke geformt und auf dem Anschlusspunkt des Substrates verschweisst. Diesen letzten Prozessteil nennt man Wedge-bonding. Nach dem Befestigen des Drahtes auf dem Anschlusspunkt des Substrats wird der Draht abgerissen und der nächste Bondzyklus kann beginnen.
  • Das Ball-bonding wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Um Bondverbindungen von vorbestimmter Qualität zu erzielen, müssen für einen bestimmten Prozess die passenden Werte mehrerer physikalischer und/oder technischer Parameter eruiert werden. Beispiele solcher Parameter sind:
    • - die Bondkraft, das ist die Normalkraft, die die Kapillare während des Bondvorganges auf die Bondkugel bzw. den Anschlusspunkt des Halbleiterchips ausübt,
    • - ein hierin als Ultraschallgrösse P bezeichneter Parameter, der die Beaufschlagung des Ultraschallgebers mit Ultraschall steuert. Die Ultraschallgrösse ist z. B. die Amplitude des Wechselstroms, der durch den Ultraschallgeber des Horns fliesst, oder die Amplitude der Wechselspannung, die an den Ultraschallgeber angelegt wird, oder die Leistung oder eine andere Grösse,
    • - eine hierin als Ultraschallzeit T bezeichnete Zeitdauer, die angibt, wie lange der Ultraschallgeber mit der Ultraschallgrösse P beaufschlagt wird,
    • - die Auftreffgeschwindigkeit der Kapillare auf den Anschlusspunkt,
    • - ein binärer Parameter, der angibt, ob der Ultraschallgeber bereits vor dem Auftreffen der Kapillare auf dem Anschlusspunkt mit der Ultraschallgrösse beaufschlagt wird.
  • Aus der US 3 458 921 ist ein Verfahren für die Bestimmung optimaler Bondparameter bekannt. Bei diesem Verfahren werden mehrere Bondvorgänge durchgeführt, wobei die zu optimierenden Bondparameter in je einem vorbestimmten Bereich in diskreten Schritten variiert werden. Anschliessend werden die Verbindungen einem Scher- oder Pulltest unterworfen und es wird derjenige Bondvorgang ermittelt, der das beste Testresultat ergab.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die einfache Bestimmung optimaler Bondparameter zu entwickeln.
  • Die Erfindung besteht aus den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Optimale Bondparameter für eine Bondkraft FB und eine Ultraschallgrösse P und, fakultativ, mindestens einen weiteren Bondparameter eines Wire Bonders lassen sich erfindungsgemäss ermitteln mittels eines Verfahrens mit den folgenden Schritten:
    • a) Durchführen von mehreren Bondvorgängen, bei denen ein zu einer Kugel geformtes Drahtende auf einen Anschlusspunkt gebondet wird, wobei die Bondkraft FB und die Ultraschallgrösse P und, gegebenenfalls, der mindestens eine weitere Bondparameter in je einem vorbestimmten Bereich in diskreten Schritten variiert werden, wobei während des Bondens für jeden Bondvorgang mittels eines Sensors ein elektrisches Signal erzeugt wird, das proportional zu einer auf den entsprechenden Anschlusspunkt ausgeübten Scherkraft ist,
    • b) für jeden Bondvorgang Ermitteln einer Grösse G aus dem während des Bondvorganges vom Sensor gelieferten elektrischen Signal,
    • c) Bestimmung des maximalen Wertes der Grösse G und der zugehörigen Werte für die Bondkraft FB, die Ultraschallgrösse P und, gegebenenfalls; den mindestens einen weiteren Bondparameter oder Bestimmung eines globalen Maximums der Grösse G und Bestimmung der zugehörigen Werte für die Bondkraft FB, die Ultraschallgrösse P und, gegebenenfalls, den mindestens einen weiteren Bondparameter oder Bestimmung eines Parameterbereichs H, in welchem die Grösse G vorbestimmte Kriterien erfüllt, und Bestimmung eines Wertes für die Bondkraft FB, die Ultraschallgrösse P und, gegebenenfalls, den mindestens einen weiteren Bondparameter, die im Parameterbereich H liegen.
  • Beispiele für die Grösse G sind physikalische Grössen, die von der Scherkraft abhängen, wie z. B. die während des Bondvorganges geleistete Reibearbeit, oder die während des Bondvorganges in die Bildung der intermetallischen Verbindung zwischen dem Golddraht und dem Kontaktbereich gesteckte Energie oder die relative Änderung des Reibungskoeffizienten, oder die maximal auftretende Scherkraft, etc. Unter dem Begriff Scherkraft ist die parallel zur Oberfläche des Anschlusspunktes gerichtete Kraft zu verstehen, die in Folge der Reibung der Drahtkugel auf dem Anschlusspunkt auf den Anschlusspunkt ausgeübt wird. Diese Kraftkomponente wird auch als Tangentialkraft bezeichnet.
  • Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass Qualitätstests wie die üblichen Pull- und Schertests, die auf einem externen Gerät durchgeführt werden, überflüssig werden.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • Fig. 1, 2 einen piezoresistiven Sensor,
  • Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild des Sensors,
  • Fig. 4 Teile eines Wire Bonders,
  • Fig. 5 Wellenformen des Signals des piezoresistiven Sensors während eines Bondprozesses,
  • Fig. 6 aus dem Signal des piezoresistiven Sensors abgeleitete Signale,
  • Fig. 7 eine Messunganordnung mit einem Vibrometer als Sensor.
  • Die Fig. 1 und 2 zeigen in der Aufsicht bzw. im Querschnitt einen in einem Halbleiterchip integrierten Sensor 1, der aus vier piezoresistiven Elementen 2 bis 5 besteht, die elektrisch zu einer Wheatstone Brücke geschaltet sind. Das Ausgangssignal des Sensors 1 entspricht dem Ausgangssignal der Wheatstone Brücke. Der Sensor I besteht vorzugsweise aus n-dotiertem Silizium 6, in dessen einer Oberfläche 7 die piezoresistiven Elemente 2 bis 5 als mäanderförmige Widerstandsbahnen aus p- dotiertem Silizium eingebettet sind. Die Oberfläche 7 des Sensors 1 ist mit einer Isolationsschicht 8 bedeckt. Die piezoresistiven Elemente 2 bis 5 sind ausserhalb eines etwa quadratischen metallischen Kontaktbereiches 9 angeordnet, innerhalb dem die Spitze der Kapillare 11 eines Wire Bonders den zu einer Kugel geschmolzenen Draht auf den Halbleiterchip drückt. Der Bereich, wo die Bondkugel 10 im Idealfall auf den Sensor 1 drückt, ist mit einem gestrichelten kreisförmigen Ring 10' dargestellt. In der Fig. 1 sind die Achsen eines kartesischen Koordinatensystems mit x und y bezeichnet. Die x-Richtung verläuft vorzugsweise parallel zu einer [110] Achse des Siliziumkristalls. Die mäanderförmigen Bahnen der piezoresistiven Elemente 2 bis 5 verlaufen in x-Richtung und sind, in x-Richtung gesehen, links und rechts ausserhalb des Kontaktbereiches 9 angeordnet. Sie dienen zur Erfassung der von der Bondkugel bei Beaufschlagung mit Ultraschall im Sensor 1 in x-Richtung induzierten Scherkraft Fx. Bei der Messung ist der Sensor 1 bezüglich des Wire Bonders so zu orientieren, dass die Schwingungsrichtung der Kapillare 11 möglichst parallel zur x-Richtung verläuft.
  • Die Fig. 3 zeigt das elektrische Schaltbild der aus den vier piezoresistiven Elementen 2 bis 5 gebildeten Wheatstone Brücke. Die vier piezoresistiven Elemente 2 bis 5 sind über gewöhnliche Leiterbahnen aus Aluminium verdrahtet. Die Wheatstone Brücke wird vorzugsweise aus einer Konstantspannungsquelle mit einer Spannung U gespeist. Die Ausgangsspannung UOut = V1 - V2 der Wheatstone Brücke ergibt sich dann zu


    wobei R2 bis R5 die ohmschen Widerstände der piezoresistiven Elemente 2 bis 5 bezeichnen.
  • Die Fig. 4 zeigt schematisch Teile eines Wire Bonders, nämlich ein Horn 12, an dessen Spitze die Kapillare 11 eingespannt ist, einen aus Piezoelementen gebildeten Ultraschallgeber 13 und eine den Ultraschallgeber 13 speisende Energiequelle 14.
  • Im folgenden wird nun das erfindungsgemässe Verfahren für die Bestimmung optimaler Bondparameter für die Bondkraft FB, eine Ultraschallgrösse P und, fakultativ, mindestens eines weiteren Bondparameters im Detail erläutert. Der erste Schritt des Verfahrens besteht darin, dass eine vorbestimmte Anzahl von Bondvorgängen durchgeführt wird, wobei die Bondkraft FB und die Ultraschallgrösse P und gegebenenfalls weitere Bondparameter in einem vorbestimmten Bereich in diskreten Schritten variiert werden. Jeder Bondvorgang wird mittels mindestens einem Sensor überwacht. Das vom Sensor gelieferte Signal wird gespeichert und ausgewertet. Dabei wird aus dem Sensorsignal eine den Bondvorgang charakterisierende Grösse G ermittelt. Die folgenden Beispiele zeigen, wie die während des Bondvorganges geleistete Reibearbeit, die während des Bondvorganges auf den Halbleiterchip übertragene Wärmeenergie, und die relative Änderung des Reibungskoeffizienten ermittelt werden können.
  • Der Einfachheit halber werden im folgenden Beispiel nur die Bondkraft FB in n = 1. .h und die Ultraschallgrösse P in m = 1. .k Schritten variiert. Jedem der n.m Bordvorgänge ist somit eine Bondkraft Fn und eine Ultraschallgrösse Pm, sowie eine zu erfassende Grösse Gn,m zugeordnet. Ein Beispiel für die Ultraschallgrösse P ist die Amplitude des durch den Ultraschallgeber fliessenden Wechselstroms, d. h. dann entspricht jeder Wert Pm einer Amplitude Im. Bei jedem Bondvorgang wird die Kapillare 11 auf einen neuen Kontaktbereich 9 abgesetzt und eine Bondkugel gebondet. Dies erfolgt wie üblich so:
    • 1. Die Kapillare 11 wird auf einen neuen Kontaktbereich 9 aufgesetzt.
    • 2. Die Kapillare 11 wird mit der vorgegebenen Bondkraft Fn beaufschlagt.
    • 3. Sobald die Bondkraft Fn aufgebaut ist, wird der Ultraschallgeber mit einem konstanten Wechselstrom Pm = I(t) = Im.cos(2.π.f.t) mit der vorgegebenen Amplitude Im und der Frequenz f beaufschlagt. Das von einem dem Kontaktbereich 9 zugeordneten Sensor während des Bondvorganges gelieferte Signal wird erfasst und ausgewertet, d. h. es wird für jeden Bondvorgang aus dem vom Sensor gelieferten Signal die charakteristische Grösse Gn,m ermittelt.
  • Im folgenden werden nun verschiedene Beispiele für die charakteristische Grösse Gn,m und deren Berechnung aus dem vom Sensor gelieferten Signal näher beschrieben.
    • Beispiel 1
  • Bei diesem Beispiel ist die Grösse Gn,m die während des Bondvorganges geleistete Reibearbeit Wn,m oder eine dazu proportionale Grösse. Für die Ermittlung von Gn,m wird ein Halbleiterchip benutzt, der eine Vielzahl von Kontaktbereichen 9 mit je einem zugeordneten Sensor gemäss Fig. 1 enthält. Für jeden der n.m Bondvorgänge wird ein anderer Kontaktbereich 9 benutzt. Während eines einzelnen Bondvorgangs wird das von dem dem benutzten Kontaktbereich 9 zugeordneten. Sensor gelieferte Signal UOut(t) erfasst und ausgewertet.
  • Die Fig. 5 zeigt die Wellenform des Signals UOut(t) zu verschiedenen Zeitpunkten während des Bondprozesses. Die horizontale Achse bezeichnet die Zeitachse t. Zu Beginn und am Ende des Bondprozesses ist die Wellenform nahezu sinusförmig (Kurven A und D). In eirer Zwischenphase hingegen tritt eine Abflachung der Wellenform auf (Kurven B und C). Dies ist gleichbedeutend mit dem Auftreten von harmonischen Oberwellen. Ein physikalisches Modell für dieses Verhalten kann dem Artikel "Active test chips for in situ wire bonding process characterisation" entnommen werden, der im Konferenzbericht der Semicon Singapur 2001 anlässlich des "Advanced Packaging Technologies Seminar I" vorgestellt und publiziert wurde. Eine weitere Referenz zu diesem physikalischen Modell ist folgende: J. Schwizer, M. Mayer, D. Bolliger, O. Paul, and H. Baltes, "Thermosonic Ball Bonding: Friction Model Based on Integrated Microsensor Measurements", Konferenzbericht des 24th IEEE/CPMT Intl. Electronic Manufacturing Technology Symposium IEMT'99 in Austin, Texas, Oct. 18-19, 1999, pp. 108-114.
  • Das vom jeweiligen Sensor gelieferte Signal UOut(t) oszilliert mit der Frequenz f des durch den Ultraschallgeber 13 fliessenden Wechselstromes. Die Fig. 6 zeigt schematisch die Umhüllende S(t) des Signals UOut(t) (gestrichelte Linie), die Umhüllende der ersten Flarmonischen A1(t) und die Umhüllende der dritten Harmonischen A3(t) des Signals UOut(t). Das Signal A3(t) ist fünffach vergrössert dargestellt. Wenn der Ultraschall am Zeitpunkt t0 = 0 eingeschaltet wird, dann steigt das Signal S(t) an, durchläuft zum Zeitpunkt t1 ein lokales Maximum M1, zum Zeitpunkt t2 ein lokales Minimum M2 und steigt dann weiter an bis zu einem Zeitpunkt t3 ein globales Maximum M3 erreicht wird. Das lokale Maximum M1 deutet daraufhin, dass nun die Reibung zwischen dem Bonddraht und dem Kontaktbereich einsetzt. Aus diesem Grund tritt nun die dritte Harmonische auf, deren Umhüllende A3(t) zunächst zunimmt, zum Zeitpunkt t4 ein Maximum M4 erreicht, dann wieder abnimmt und schliesslich auf einem etwa konstanten Niveau verharrt. Das Erreichen des konstanten Niveäus deutet darauf hin, dass der Bondvorgang beendet werden kann. Aus dem zeitlichen Verlauf der Signale S(t), A1(t) und A3(t) wird die während des Bondvorganges geleistete Reibearbeit Wn,m ermittelt zu:


    wobei hier der Zeitpunkt ta den Beginn der Reibung; der Zeitpunkt tb das Ende der Reibung und Q(t) die Reibeleistung bezeichnen.
  • Unter Zugrundelegung des in den oben erwähnten Artikeln erläuterten Stick-Slip-Modells lässt sich eine Beziehung zwischen der Reibeleistung Q(t) und den Signalen S(f), A1(t) und A3(t) herleiten. Die Reibeleistung Q(t) kann angenähert dargestellt werden durch

    Q(t) = k.[S2(t).(h-1(t) - 1)] (2)

    wobei die Grösse h(t) eine von dem Verhältnis a3(t) = A3(t)/A1(t) abhängige Grösse und k eine Konstante bezeichnen. Für h(t) wurde die Beziehung

    h(t) = b1.a3 3(t) + b2.a3 2(t) + b3.a3(t) + b0 (3)

    mit den Konstanten b1 = 1.4587, b2 -2.1090, b3 = -2.4655 und b0 = 1.0006 gefunden.
  • Für die Berechnung der Reibearbeit Wn,m gemäss Gleichung (1) müssen nun noch die Zeitpunkte ta und tb bestimmt werden. Wie bereits erwähnt, scheint es aus physikalischer Sicht so zu sein, dass das Verbindungswachstum einsetzt, wenn das Signal des Sensors zum Zeitpunkt t2 das lokale Minimum M2 erreicht. Für den Zeitpunkt ta kann deshalb der Zeitpunkt t2 gewählt werden. Aus einem analogen Grund kann für den Zeitpunkt tb der Zeitpunkt verwendet werden, ab dem das Signal A3(t) annähernd konstant ist. Beim Beispiel in der Fig. 6 fällt dieser Zeitpunkt mit dem Zeitpunkt t3 zusammen. Oder es kann für den Zeitpunkt tb der Zeitpunkt verwendet werden, ab dem das Signal A3(t) kleiner als ein vorbestimmter Betrag des Maximalwertes A3max von A3(t) ist, z. B. ab dem A3(t) < 0.5.A3max oder ab dem A3(t) < 0.25.A3max ist.
  • Es kommt vor, dass das lokale Maximum M1 und das lokale Minimum M2 nicht auftreten, sondern dass sich nur die Steigung des Signals S(t) ändert. Diese Änderungen sind aber ausgeprägt genug, so dass in diesem Fall anstelle des Zeitpunktes t1, an dem sonst das lokale Maximum M1 auftritt, ein äquivalenter Zeitpunkt t10 bestimmt werden kann, an dem der Anstieg des Signals S(t) ziemlich abrupt flacher wird, sowie anstelle des Zeitpunktes t2, an dem sonst das lokale Minimum M2 auftritt, ein äquivalenter Zeitpunkt t20, an dem der Anstieg des Signals S(t) wieder ziemlich abrupt steiler wird. Für den Zeitpunkt ta kann dann der Zeitpunkt t10 gewählt werden.
  • Aus den Gleichungen (1), (2) und (3) lässt sich somit für jeden durch die Indices n und m charakterisierten Bondvorgang eine Grösse Gn,m bestimmen, die mit der Reibearbeit Wn,m, durch die in Gleichung (2) auftretende, noch unbekannte Konstante k verknüpft ist:

    Gn,m Wn,m/k (4)
  • Aus den n.m Reibearbeiten Wn,m lassen sich nun die ganzzahligen Indices n1 und m1 desjenigen Bondvorganges bestimmen, bei dem die Grösse Gn1,m1 maximal ist. Die Indices n1 und m1 geben also an, mit welchen Bondparametern die grösste Reibearbeit erreicht wird. Alternativ kann die Auswertung auch mit üblichen mathematischen Methoden erfolgen, um das globale Maximum einer durch die Grösse Gn,m aufgespannten polynomen Funktion zu bestimmen, wobei dann die Indices n1 und m1 auch nichtganzzahlige Zahlen sein können. In diesem Fall sind anschliessend die zugehörigen optimalen Werte für die Bondkraft FB und für den Parameter P des Ultraschallgebers durch Interpolation zu bestimmen.
  • Bevorzugt werden die optimalen Bondparameter jedoch so bestimmt, dass sich im Produktionsbetrieb auch dann Bondverbindungen mit der geforderten Qualität herstellen lassen, wenn die effektiven Bondparameter in Folge unvermeidlicher Toleranzen von ihren Sollwerten abweichen. Es wird deshalb zunächst für die Bondparameter derjenige Bereich B ermittelt, in dem die Werte Gn,m größer als ein vorbestimmter minimaler Wert G0 sind. Anschliessend werden innerhalb des Bereichs B diejenigen Werte als optimale Bondparameter ausgewählt, die die größtmögliche Robustheit gegenüber toleranzbedingten Abweichungen ergeben.
  • Es ist nun vorteilhaft, aus den Werten Gn,m die entsprechenden Werte für die Scherkraft oder gegebenenfalls die Scherfestigkeit zu ermitteln, die definiert ist als Scherkraft pro Kontaktfläche. Scherkraft und Scherfestigkeit sind allgemein akzeptierte Qualitätsparameter für Ballbond-Verbindungen. Unter der Anhahme, dass die Scherkraft FS, die nötig ist, um die auf den jeweiligen Kontaktbereich 9 gebondete Bondkugel abzuscheren, proportional zu der während des Bondvorganges geleisteten Reibearbeit ist, d. h. unter der Annahme dass FS = α.W gilt, wobei die Grösse α eine Konstante ist und die Grösse W die zur Scherkraft FS zugehörige Reibearbeit bezeichnet, erhält man mit diesem Verfahren also diejenigen Bondparameter, mit denen sich die grösste Scherkraft erreichen lässt.
  • Wenn die optimalen Bondparameter ermittelt worden sind, dann kann mittels eines Schertestes überprüft werden, ob die mit den optimalen Bondparametern gebondeten Bondkugeln die für den entsprechenden Bondprozess geforderte Scherkraft tatsächlich erreichen. Weiter kann die Konstante α mittels eines Schertests bestimmt werden. Wenn die Konstante α einmal bekannt ist, dann kann bei späteren Optimierungsprozessen nicht nur bestimmt werden, welche Bondparameter die maximale Scherkraft ergeben, sondern es kann sogar für die Bondparameter ein Bereich bestimmt werden, innerhalb dessen eine vorbestimmte Scherkraft erreicht wird. Es kann also auch ein Bereich der Grösse G und die zugehörigen Werte für die Bondkraft FB, die Ultraschallgrösse P und, gegebenenfalls, den mindestens einen weiteren Bondparameter bestimmt werden, in welchem Bereich die Grösse G vorbestimmte Kriterien erfüllt.
  • Wenn die optimalen Bondparameter ermittelt worden sind, dann kann aus den vom Sensor gelieferten Signalen auch die für den Bondvorgang nötige Zeitdauer, während der Ultraschall zugeführt werden muss, abgeleitet werden. Die Zufuhr von Ultraschall kann nämlich beendet werden, sobald der Zeitpunkt tb, der wie oben erläutert bestimmt werden kann, erreicht wird.
  • Eine andere Darstellung für die Reibeleistung Q(t) im Intervall [t2, t3] ist

    Q(t) = 4.f.Fx(t).[A0 - kS.Fx(t)] (5)

    wobei f die Frequenz des Ultraschalls, A0 die Amplitude der frei freischwingenden Unterseite der Bondkugel (Ball), Fx die auf den jeweiligen Anschlusspunkt ausgeübte Scherkraft und kS eine die Steifigkeit des Systems "Kapillare - Goldkugel - Kontaktbereich" charakterisierende Konstante bezeichnen, wobei die Steifigkeit invers proportional zu kS ist.
  • Unter der Annähme, dass das Sensorsignal S(t) proportional zur Scherkraft Fx(t) ist, also

    S(t) = Fx(t)/s0 (6)

    ist, wobei die Grösse so eine Konstante ist, kann die in Gleichung (1) angeführte Reibeleistung Q(t) dargestellt werden als

    Q(t) = q1.S(t) + q2.S2(t) (7)

    wobei q1 und q2 Konstanten sind, die gegeben sind durch:

    q1.4.f.A0.s0 (8)

    q2 = -4.f.kS.s0 2 (9)
  • Die Konstante so kann durch eine Eichmessung mit einem Schertestgerät ermittelt werden, indem die vom Schertestgerät beim Abscheren einer auf dem Kontaktbereich des Sensors gebondeten Bondkugel gemessene Scherkraft mit dem vom Sensor simultan gelieferten Signal verglichen wird. Die Amplitude A0 der freischwingenden Unterseite der Bondkugel kann, beispielsweise mit einem Vibrometer, näherungsweise bestimmt werden, indem man die Amplitude der freischwingenden Spitze der Kapillare misst.
  • Die Konstante kS kann aus der Form des gemessenen Signals S(t) bestimmt werden. Die Scherkraft Fx(t) und die Bondkraft Fn sind durch die Gleichung

    Fx(t) = µ(t).Fn (10)

    verknüpft, wobei µ(t) als Reibungskoeffizient bezeichnet wird. Mit zunehmender Stärke der Verbindung zwischen Bondkugel und Kontaktbereich nimmt der Reibungskoeffizient µ(t) zu. Unter der plausiblen Annahme, dass die Geschwindigkeit des Verbindungswachstums, d. h. die Änderungsrate des Reibungskoeffizienten µ(t), nach dem Durchlaufen des lokalen Minimums M2 proportional zur Reibeleistung ist:

    dµ(t)/dt = KB.Q(t) (11)

    wobei die Grösse kB die Proportionalitätskonstante bezeichnet, erhält man aus den Gleichungen (6) bis (11) eine Differentialgleichung für das Sensorsignal S(t) mit der analytischen Lösung


    wobei die Konstanten c1 und c2 gegeben sind durch:

    c1 = 4.f.A0.Fn.kB (13)

    c2 = -4.f.kS.s0.Fn.kB (14)

  • Durch einen Fit des gemessenen Sensorsignals S(t) an die durch Gleichung (12) vorgegebene Funktion Sc(t) im Intervall [t2, t3], oder in einem kleineren Intervall [t2, t3 - r.(t3 - t2)], wobei r ein Faktor zwischen 0 und 1 ist, erhält man die Konstanten kB und kS. Damit kann die Reibearbeit gemäss den Gleichungen (1) und (7)-(9) als absolute Grösse aus dem Sensorsignal S(t) bestimmt werden.
  • Auch wenn bei dieser zweiten Alternative nur die Umhüllende S(t) des Sensorsignals UOut(t) benötigt wird, um die Reibearbeit Wn,m zu bestimmen, so ist es dennoch vorteilhaft, die Umhüllende A1(t) der ersten Harmonischen und/oder die Umhüllende A3(t) der dritten Harmonischen zu benützen, um den Zeitpunkt tb zu bestimmen, der das Ende des Integrationsintervalls gemäss Gleichung (1) bezeichnet.
    • Beispiel 2
  • Bei diesem Beispiel wird als charakteristische Grösse Gn,m die relative Änderung Δµ des Reibungskoeffizienten µ(t) zwischen der Bondkugel und dem Kontaktbereich verwendet. Als Sensor dient der gleiche Sensor wie beim ersten Beispiel. Der Reibungskoeffizient µ(t) ist mit der Umhüllenden S(t) des Ausgangssignals UOut(t) des Sensors verknüpft über die Beziehung:

    S(t) = µ(t).Fn/s0 (15)

    wobei so eine Konstante und Fn die aktuelle Bondkraft bezeichnen. Die Grösse Gn,m kann aus der Umhüllenden S(t) berechnet werden zu:


    wobei die Grösse M1 das erste lokale Maximum, die Grösse M2 das erste lokale Minimum und die Grösse M3 das globale Maximum der Umhüllenden S(t) bezeichnen (siehe Fig. 6). Falls das lokale Maximum M1 und das lokale Minimum M2 nicht auftreten, werden an ihrer Stelle die Werte verwendet, wo die Kurve S(t) jeweils ihre Steilheit abrupt ändert, wie dies bereits beim ersten Beispiel erläutert wurde.
  • Es kann alternativ auch eine der folgenden Beziehungen für die Charakterisierung der relativen Änderung Δµ des Reibungskoeffizienten µ(t) verwendet werden:


    • Beispiel 3
  • Für die Ermittlung der optimalen Bondparameter eignet sich auch das Maximum M3, welches das Sensorsignal S(t) während des Bondvorgangs erreicht:

    Gn,m = max(Sn,m(t)) = M3 (20)
  • Der Wert M3 entspricht gemäß den Gleichungen (10) und (16) dem Maximum der Scherkraft.
  • Für die Ermittlung der Reibearbeiteri Wn,m gemäss dem ersten Beispiel kann anstelle des Sensors gemäss Fig. 1 auch ein externer Sensor verwendet werden, insbesondere ein Vibrometer 16, das Oberflächenschwingungen auf der Basis der Laserdopplervibrometrie berührungslos misst. Ein geeignetes Vibrometer wird z. B. von der Firma Polytec vertrieben. Die Fig. 7 zeigt schematisch den Einsatz des Vibrometers. Der Messkopf 17 des Vibrometers 16 sendet einen Laserstrahl 18 aus, der bevorzugt unter senkrechtem Winkel auf eine Seitenfläche 19 des auf einem Substrat 20 montierten Halbleiterchips 21 auftrifft, dort reflektiert wird und wieder auf den Messkopf 17 des Vibrometers 16 trifft. Der Laserstrahl 18 trifft bevorzugt in der Nähe der oberen Kante der Seitenfläche 19 auf. Die Kontaktbereiche, auf die gebondet wird, sind in der Nähe der Seitenfläche 19 angeordnet, so dass die von der Kapillare auf den Halbleiterchip übertragenen Schwingungen die Seitenfläche 19 zum Schwingen bringen. Das Vibrometer 16 liefert ein qualitativ gleichwertiges Signal wie der Sensor gemäss Fig. 1 und die Auswertung kann deshalb auf die gleiche Weise erfolgen wie beim Beispiel 1.
  • Der Vorteil des Vibrometers liegt darin, dass sich damit die optimalen Bondparameter für jeden beliebigen Halbleiterchip ermitteln lassen, insbesondere von solchen ohne integrierten Sensor. Das Vibrometer kann deshalb auch benutzt werden, um das Bonden während der Produktion laufend zu überwachen, und der Wire Bonder kann eingerichtet werden, einen Alarm abzugeben, wenn die gemessene Grösse G einen vorbestimmten Mindestwert unterschreitet.
  • Es ist weiter möglich, dass am Horn ein piezoelektischer Sensor angebracht wird, insbesondere im Bereich des Befestigungsflansches, mit dem das Horn am Bondkopf des Wire Bonders befestigt wird, wobei der Sensor so ausgelegt sein muss, dass er ein mit der Tangentialkraft Fx korrelierendes Signal Liefert.

Claims (6)

1. Verfahren für die Bestimmung optimaler Bondparameter für eine Bondkraft FB und eine Ultraschallgrösse P und, fakultativ, mindestens einen weiteren Bondparameter eines Wire Bonders für einen Bondprozess, gekennzeichnet durch die Schritte:
a) Durchführen von mehreren Bondvorgängen, bei denen ein zu einer Kugel geformtes Drahtende auf einen Anschlusspunkt gebondet wird, wobei die Bondkraft FB und die Ultraschallgrösse P und, gegebenenfalls, der mindestens eine weitere Bondparameter in je einem vorbestimmten Bereich in diskreten Schritten variiert werden, wobei während des Bondens für jeden Bondvorgang mittels eines Sensors (1; 16) ein elektrisches Signal S(t) erzeugt wird, das proportional zu einer auf den entsprechenden Anschlusspunkt ausgeübten Scherkraft ist,
b) für jeden Bondvorgang Ermitteln einer Grösse G aus dem während des Bondvorganges vom Sensor gelieferten elektrischen Signal S(t),
c) Bestimmung des maximalen Wertes der Grösse G und der zugehörigen Werte für die Bondkraft FB, die Ultraschallgrösse P und, gegebenenfalls, den mindestens einen weiteren Bondparameter oder Bestimmung eines globalen Maximums der Grösse G und Bestimmung der zugehörigen Werte für die Bondkraft FB, die Ultraschallgrösse P und, gegebenenfalls, den mindestens einen weiteren Bondparameter oder Bestimmung eines Parameterbereichs H, in welchem die Grösse G vorbestimmte Kriterien erfüllt, und Bestimmung eines Wertes für die Bondkraft FB, die Ultraschallgrösse P und, gegebenenfalls, den mindestens einen weiteren Bondparameter, die im Parameterbereich H liegen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Bondvorgang auf einen Kontaktbereich (9) eines Halbleiterchips (21) gebondet wird, und dass der Sensor ein im Halbleiterchip integrierter piezoresistiver Sensor ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem vom Sensor gelieferten Signal S(t) eine Reibeleistung Q(t) abgeleitet wird, und dass die Grösse G einer während des Bondvorgangs geleisteten Reibearbeit entspricht.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Bondvorgang auf einen Kontaktbereich (9) eines Halbleiterchips (21) gebondet wird, und dass die Grösse G dem Maximum des Signals S(t) während des Bondvorgangs entspricht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Bondvorgang eine Bondkugel auf einen Kontaktbereich (9) eines Halbleiterchips (21) gebondet wird und dass die Grösse G einer während des Bondvorgangs erfolgten Änderung des Reibungskoeffizienten zwischen der Bondkugel und dem Kontaktbereich entspricht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor ein Vibrometer (16) dient, das einen Laserstrahl (18) auf eine Seitenfläche (19) eines bzw. des Halbleiterchips (21) sendet.
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