DE10349154A1 - 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 Download PDF

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Jonathan Medding
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Abstract

Optimale Bondparameter für eine Bondkraft F¶B¶ und eine Ultraschallgröße P¶B¶ und, fakultativ, mindestens einen weiteren Bondparameter G¶B¶ eines Wire Bonders für das Ball-bonden lassen sich ermitteln mittels eines Verfahrens, bei dem eine vorbestimmte Anzahl Bondzyklen durchgeführt wird, wobei die zu optimierenden Bondparameter in je einem vorbestimmten Bereich variiert werden, wobei bei jedem Bondzyklus n nach der Befestigung der Drahtkugel auf dem Anschlusspunkt (4) des Halbleiterchips (5) folgende Schritte durchgeführt werden: DOLLAR A a) Anlegen einer vorbestimmten Bondkraft F¶B1¶, DOLLAR A b) Bewegen der Kapillare (1) aus der Bondposition in eine vorbestimmte horizontale Richtung, wobei der durch den die Kapillare (1) bewegenden Antrieb fließende Strom I¶B,n¶ überwacht wird, DOLLAR A c) Stoppen der Bewegung der Kapillare (1), sobald der Strom I¶B,n¶ abnimmt, DOLLAR A d) Bestimmen des Maximums des Stromes I¶B,n,max¶(F¶B,n¶, P¶B,n¶, G¶B,n¶) aus dem während der Schritte b) und c) ermittelten Verlauf des Stromes I¶B,n¶(t), DOLLAR A e) Bewegen der Kapillare (1) an die Bondposition, DOLLAR A f) Befestigen der Drahtkugel auf dem Anschlusspunkt (4) des Halbleiterchips (5), DOLLAR A und wobei aus den bei den n Bondzyklen ermittelten Werten I¶B,n,max¶(F¶B,n¶, P¶n¶, G¶n¶) diejenigen Werte der Bondkraft F¶B¶, der Ultraschallgröße P¶B¶ und des gegebenenfalls mindestens einen weiteren Bondparameters G¶B¶ als optimale Bondparameter bestimmt werden, für die der Strom I¶B,n,max¶(F¶B,n¶, P¶n¶, G¶n¶) ein Maximum erreicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Bestimmung optimaler Bondparameter beim Bonden mit einem Wire Bonder der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
  • 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 Drahts auf einem Anschlusspunkt des Halbleiterchips und auf einem Anschlusspunkt des Substrats sowie zur Drahtführung zwischen den beiden Anschlusspunkten.
  • Bei der Herstellung der Drahtverbindung zwischen dem Anschlusspunkt des Halbleiterchips und dem Anschlusspunkt des Substrats 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-bonden. Dann wird der Draht auf die benötigte Drahtlänge durchgezogen, zu einer Drahtbrücke geformt und auf dem Anschlusspunkt des Substrats verschweisst. Diesen letzten Prozessteil nennt man Wedge-bonden. Nach dem Befestigen des Drahts auf dem Anschlusspunkt des Substrats wird der Draht abgerissen und der nächste Bondzyklus kann beginnen.
  • Das Ball-bonden wie auch das Wedge-bonden werden 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 Bondvorgangs 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.
  • Für die Bestimmung der Bondqualität im Sinne einer Qualitätskontrolle wie auch für die Ermittlung optimaler Bondparameter werden heutzutage vor allem zwei Methoden verwendet, nämlich
    • a) ein sogenannter Pull-Test, bei dem die Kraft gemessen wird, bei der der Bond vom Halbleiterchip bzw. vom Substrat abreisst, wenn der Bond in senkrechter Richtung zur Oberfläche des Halbleiterchips bzw. Substrats gezogen wird, und
    • b) ein sogenannter Shear-Test, bei dem die Kraft gemessen wird, bei der der Bond vom Halbleiterchip bzw. vom Substrat abreisst, wenn der Bond mittels eines Werkzeugs parallel zur Oberfläche des Halbleiterchips bzw. Substrats weggedrückt wird.
  • Die Anwender bevorzugen im allgemeinen für Ball Bonds den Shear-Test, da seine Resultate zuverlässiger sind als die Resultate des Pull-Tests.
  • Diese Tests werden normalerweise mit speziell für diese Anwendung entwickelten Geräten durchgeführt. Aus dem Patent US 5 894 981 ist jedoch ein Wire Bonder bekannt, der für die Durchführung eines Pull-Tests eingerichtet ist. Der Pull-Test lässt sich bei diesem Wire Bonder allerdings nur für Wedge Bonds durchführen. Aus dem Patent US 5 591 920 ist ein Wire Bonder bekannt, der für die Durchführung eines Pull-Tests eingerichtet ist, bei dem der maximale Strom gemessen wird, der durch einen die Kapillare auf- und absenkenden Motor fliesst. Dieser Test lässt sich sowohl für Ball Bonds als auch für Wedge Bonds durchführen. Wenn dieser Pull-Test bei einem Wedge Bond durchgeführt wird, dann besteht ein wichtiger Nachteil darin, dass beim Testen nicht wie beim etablierten Pull-Test die Drahtbrücke belastet wird, sondern dass das im letzten Schritt des Bondzyklus abzureissende Drahtstück, der sogenannte tail, belastet wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die einfache Bestimmung optimaler Bondparameter sowohl für das Ball-bonden wie für das Wedge-bonden zu entwickeln.
  • Die Erfindung besteht in den in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Merkmalen.
  • Optimale Bondparameter für eine Bondkraft FB und eine Ultraschallgrösse PB und, fakultativ, mindestens einen weiteren Bondparameter GB eines Wire Bonders für das Ball-bonden lassen sich erfindungsgemäss ermitteln mittels eines Verfahrens mit den folgenden Schritten:
    Durchführen einer Anzahl Bondzyklen von n = 1 bis k, wobei die Bondkraft FB und die Ultraschallgrösse PB und, gegebenenfalls, der mindestens eine weitere Bondparameter GB in je einem vorbestimmten Bereich in diskreten Schritten variiert werden, wobei bei jedem Bondzyklus eine Drahtverbindung zwischen einem Anschlusspunkt eines Halbleiterchips und einem Anschlusspunkt eines Substrats hergestellt wird, indem ein aus einer Kapillare ragendes Drahtende zu einer Kugel geschmolzen und anschliessend die Drahtkugel in einer ersten Bondposition auf dem Anschlusspunkt des Halbleiterchips befestigt wird, dann der Draht auf die benötigte Drahtlänge durchgezogen, zu einer Drahtbrücke geformt und in einer zweiten Bondposition auf dem Anschlusspunkt des Substrats befestigt wird, und wobei bei jedem Bondzyklus n nach der Befestigung der Drahtkugel auf dem Anschlusspunkt des Halbleiterchips folgende Schritte durchgeführt werden:
    • a) Anlegen einer vorbestimmten Bondkraft FB1,
    • b) Bewegen der Kapillare aus der Bondposition in eine vorbestimmte horizontale Richtung, wobei der durch den die Kapillare bewegenden Antrieb fliessende Strom IB,n überwacht wird,
    • c) Stoppen der Bewegung der Kapillare, sobald der Strom IB,n abnimmt,
    • d) Bestimmen des Maximums des Stromes IB,n,max (FB,n, PB,n, GB,n) aus dem während der Schritte b) und c) ermittelten Verlauf des Stromes IB,n (FB,n, PB,n, GB,n, t), wobei die Grössen FB,n, PB,n und GB,n die beim Bondzyklus n eingestellten Werte der Bondkraft FB, der Ultraschallgrösse PB und, gegebenenfalls, des mindestens einen weiteren Bondparameters GB sind, und mit dem Parameter t die Zeit bezeichnet ist,
    • e) Bewegen der Kapillare an die Bondposition,
    • f) Befestigen der Drahtkugel auf dem Anschlusspunkt des Halbleiterchips,

    und wobei aus den bei den n Bondzyklen ermittelten Werten IB,n,max (FB,n, Pn, Gn) diejenigen Werte der Bondkraft FB, der Ultraschallgrösse PB und des gegebenenfalls mindestens einen weiteren Bondparameters GB als optimale Bondparameter bestimmt werden, für die der Strom IB,n,max (FB,n, Pn, Gn) ein Maximum erreicht. Bei dieser Bestimmung können allenfalls übliche Methoden der Statistik wie beispielsweise Interpolation angewendet werden.
  • Die Bondkraft FB1 ist bei allen Schertests die gleiche. Sie wird in der Regel so klein wie möglich eingestellt, damit das Resultat des Schertests nicht durch Reibungskräfte verfälscht wird, die zwischen der Unterseite des Balls und dem Anschlusspunkt wirken. Typischerweise beträgt die Bondkraft FB1 etwa 50mN.
  • Die Schritte e und f können allenfalls entfallen, da sie nur dazu dienen, eine Störung der nachfolgenden Bondzyklen zu vermeiden.
  • Optimale Bondparameter für die Bondkraft FW, die Ultraschallgrösse PW und, fakultativ, den mindestens einen weiteren Bondparameter GW eines Wire Bonders für das Wedge-bonden lassen sich ermitteln mittels eines analogen Verfahrens, das für jeden Bondzyklus andere Werte der Parameter FW, PW und, gegebenenfalls GW vorsieht und bei dem bei jedem Bondzyklus n nach der Befestigung des Drahts auf dem Anschlusspunkt des Substrats folgende Schritte durchgeführt werden:
    • a) Anlegen einer vorbestimmten Bondkraft FW1,
    • b) Bewegen der Kapillare aus der Bondposition in eine vorbestimmte horizontale Richtung, wobei der durch den die Kapillare bewegenden Antrieb fliessende Strom IW,n überwacht wird,
    • c) Stoppen der Bewegung der Kapillare, sobald der Strom IW,n abnimmt,
    • d) Bestimmen des Maximums des Stromes IW,n,max (FW,n, PW,n, GW,n) aus dem während der Schritte b) und c) ermittelten Verlauf des Stromes IW,n,max (FW,n, PW,n, GW,n, t), wobei die Grössen FW,n, PW,n und GW,n die beim Bondzyklus n eingestellten Werte der Bondkraft FW, der Ultraschallgrösse PW und, gegebenenfalls, des mindestens einen weiteren Bondparameters GW sind,
    • e) Bewegen der Kapillare an die Bondposition,
    • f) Befestigen des Drahts auf dem Anschlusspunkt des Substrats,

    und bei dem aus den bei den n Bondzyklen ermittelten Werten IW,n,max (FW,n, PW,n, GW,n) diejenigen Werte der Bondkraft FW, der Ultraschallgrösse PW und des gegebenenfalls mindestens einen weiteren Bond parameters GW als optimale Bondparameter bestimmt werden, für die der Strom IW,n,max (FW,n, PW,n, GW,n) ein Maximum erreicht.
  • Die Bondkraft FW1 ist bei allen Schertests die gleiche und wird in der Regel so klein wie möglich eingestellt.
  • Bei diesem Verfahren wird mit dem Strom IB,n,max bei jedem Bondzyklus ein Wert ermittelt, der proportional zur Schubfliess-Spannung und somit ein Mass für die Scherfestigkeit des Ball-Bonds auf dem Halbleiterchip ist und mit dem Strom IW,n,max ein Wert, der ein Mass für die Scherfestigkeit des Wedge-Bonds auf dem Substrat ist.
  • Es sei hier angemerkt, dass die Zahl der Bondparameter, die variiert werden, beim Ball-Bonden und beim Wedge-Bonden verschieden sein können.
  • Des Weiteren sei hier angemerkt, dass sich das erfindungsgemässe Verfahren für die Implementierung auf Wire Bondern unterschiedlicher Konstruktion eignet. Es gibt Wire Bonder, die einen Antrieb für die Bewegung des Horns mit der Kapillare in einer x-Richtung und einen Antrieb für die Bewegung in einer zur x-Richtung orthogonalen y-Richtung aufweisen. Aus der europäischen Patentanmeldung EP 1098356 ist ein Wire Bonder bekannt mit einem Antrieb für die Bewegung des Horns und der Kapillare in einer vorbestimmten Richtung und einem zweiten Antrieb für eine Drehbewegung des Horns und der Kapillare um eine Drehachse.
  • Die Erfindung lässt sich wie beschrieben für die Ermittlung optimaler Bondparameter benutzen. Die optimalen Bondparameter F1, P1, G1 der Bondkraft F, der Ultraschallgrösse P und weiteren Bondparametern G werden ermittelt, bevor der Produktionsbetrieb aufgenommen wird. (Da die Anzahl der weiteren Bondparameter G in der Regel grösser als 1 ist, steht die Bezeichnung G1 für eine entsprechende Anzahl von Werten). Die Erfindung ermöglicht in modifizierter Form aber zusätzlich eine in situ Überwachung der Bondqualität im Produktionsbetrieb. Dabei werden ausgewählte Bondverbindungen unmittelbar nach ihrer Herstellung bezüglich ihrer Scherfestigkeit geprüft, indem die Kapillare benutzt wird, um die Bondverbindung abzuscheren, wobei das Maximum des durch den Antrieb der Kapillare fliessenden Stroms ermittelt wird. Anschliessend wird ein zweiter Bondvorgang durchgeführt, um den beim Test abgetrennten Ball bzw. Wedge wieder auf dem Anschlusspunkt zu befestigen. Beim Bonden werden der geformte Ball bzw. Wedge verformt, insbesondere flach gedrückt. Wenn die Bondverbindung hergestellt, abgetrennt und nochmals hergestellt wird, dann ist der resultierende Ball bzw. Wedge zu flach und es besteht ein Risiko, dass diese getestete Bondverbindung die geforderte Bondqualität nicht mehr erreicht. Aus diesem Grund werden bei der Herstellung der ersten Bondverbindung Bondparameter benutzt, die eine schwächere Bondverbindung ergeben und die den Ball bzw. Wedge weniger stark verformen. Die Herstellung, Abscherung und erneute Herstellung der Bondverbindung erfolgt daher gemäss den folgenden Verfahrensschritten:
    • – Herstellung einer Bondverbindung auf einem Anschlusspunkt mit vorgegebenen Werten F2, P2, G2 der Bondkraft F, der Ultraschallgrösse P und weiteren Bondparametern G, wobei mindestens einer der Werte F2, P2, G2 kleiner ist als der entsprechende Wert F1, P1, G1.
    • – Durchführung des Tests zur Qualitätskontrolle gemäss den folgenden Schritten: a) Anlegen einer vorbestimmten Bondkraft F3, b) Bewegen der Kapillare aus der Bondposition in einer vorbestimmten Richtung, wobei der durch den die Kapillare bewegenden Antrieb fliessende Strom In(t) im Verlauf der Zeit t überwacht wird, c) Stoppen der Bewegung der Kapillare, sobald der Strom I(t) abnimmt, d) Bestimmen des Maximums des Stroms Imax aus dem während der Schritte b) und c) ermittelten Verlauf des Stroms I(t); und
    • – Herstellung der Bondverbindung auf dem Anschlusspunkt mit den Werten F1, P1, G1.
  • Die Erfindung macht davon Gebrauch, dass das Maximum des Stroms Imax, das für eine mit den Bondparametern F2, P2, G2 hergestellte Bondverbindung ermittelt wurde, stark korreliert ist mit dem Maximum des Stroms Imax, das für eine mit den Bondparametern F1, P1 und G1 hergestellte Bondverbindung ermittelt wurde. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn F2 = F1, G2 = G1 und P2 = α * P1, wobei der Parameter a < 1 ist. Der Parameter a liegt typischerweise im Bereich 0.4 < α < 0.7. Die erste Bondverbindung wird beispielsweise hergestellt mit den Parametern F2 = F1, G2 = G1 und P2 = 0.5 * P1. Damit die Beurteilung der Bondqualität möglich ist, muss natürlich vor der Aufnahme des Produktionsbetriebs bestimmt werden, welchen Wert der Strom Imax nicht unterschreiten darf. Die Einrichtung eines neuen Prozesses erfolgt also so, dass zunächst sowohl für die Ballverbindung als auch für die Wedgeverbindung optimale Bondparameter F1, P1, G1 ermittelt werden gemäss dem oben beschriebenen Verfahren (wobei die Zahl der Bondparameter G1 0 bis n sein kann), dass dann Bondparameter F2, P2, G2 ausgewählt werden und ein zugehöriger minimaler Wert Imax,0 ermittelt wird, den der Strom Imax für eine mit den Bondparametern F2, P2, G2 hergestellte Bondverbindung nicht unterschreiten soll.
  • Im Produktionsbetrieb kann nun die Bondqualität überwacht werden, indem die Bondverbindungen in spezifierten Intervallen oder beim Eintritt vorbestimmter Ereignisse gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren getestet werden. Die ermittelten Testwerte Imax werden in einer Datenbank gespeichert, so dass sie jederzeit analysiert werden können. Vorteilhafterweise wird die Produktion gestoppt und ein Alarm ausgelöst, wenn ein oder mehrere Testwerte Imax kleiner sind als der minimaler Wert Ima x,0.
  • Die Prozesskontrolle kann auch dahingehend erweitert werden, dass der Wire Bonder die Bondparameter F1, P1, G1 selbsttätig modifiziert, wenn ein oder mehrere Testwerte Imax kleiner sind als der minimale Wert Imax,0.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • Es zeigen: 1A bis 1E verschiedene Phasen eines einfachen Bondzyklus,
  • 2A bis 2D verschiedene Momentaufnahmen während der Bestimmung der Scherfestigkeit eines Ball-Bonds, und
  • 3A bis 3D verschiedene Momentaufnahmen während der Bestimmung der Scherfestigkeit eines Wedge-Bonds.
  • Die 1A bis 1E zeigen die verschiedenen Phasen eines einfachen Bondzyklus:
    • A) An der Spitze einer Kapillare 1 wird ein aus der Kapillare 1 herausragendes Ende eines Drahts 2 zu einer Drahtkugel 3 geformt (1A).
    • B) Die Drahtkugel 3 wird auf einen ersten Anschlusspunkt 4 eines Halbleiterchips 5 gebondet (Ball 6) (1 B).
    • C) Die Kapillare 1 wird angehoben und der Draht 2 auf die benötigte Länge ausgezogen (1C).
    • D) Die Kapillare 1 fährt eine vorbestimmte Bahnkurve, wobei der Draht 2 zu einer Drahtbrücke 7 geformt wird.
    • E) Der Draht 2 wird auf einen Anschlusspunkt 8 eines Substrats 9 gebondet (Wedge 10) (1D)
    • F) Die Kapillare 1 wird angehoben, wobei der Draht 2 beim Wedge-Bond 10 abreisst und ein kurzes Stück des Drahts 2 aus der Kapillare 1 herausragt (1E), so dass anschliessend der nächste Bondzyklus durchgeführt werden kann.
  • Dieser Bondzyklus stellt nur eine einfache Variante dar, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung ausreicht. Aus der Fach- und Patentliteratur sind aber eine Vielzahl von Bondzyklen bekannt, bei denen die einzelnen Schritte, insbesondere die Schritte c) und d) weiter verfeinert worden sind. Das Substrat 9 kann selbst auch ein Halbleiterchip sein, beispielsweise in einem Multichip Modul.
  • Für die Bestimmung optimaler Bondparameter für die Bondkraft F, eine Ultraschallgrösse P und, fakultativ, mindestens einen weiteren Bondparameter G eines Wire Bonders für das Ball-bonden wie für das Wedge-Bonden werden eine Anzahl von n = 1 bis k Bondzyklen durchgeführt, wobei die Bondkraft FB bzw. FW, die Ultraschallgrösse PB bzw. PW und, gegebenenfalls, der mindestens eine weitere Bondparameter GB bzw. GW in je einem vorbestimmten Bereich in diskreten Schritten variiert werden. Bei jedem Bondzyklus n werden nach der Befestigung der Drahtkugel 3 auf dem Anschlusspunkt 4 des Halbleiterchips 5, d.h. nach dem Schritt B und vor dem Schritt C, folgende Schritte durchgeführt:
    • B.a) Anlegen einer vorbestimmten Bondkraft FB1,
    • B.b) Bewegen der Kapillare 1 aus der Bondposition in eine vorbestimmte horizontale Richtung, wobei der durch den die Kapillare 1 bewegenden Antrieb fliessende Strom IB,n(t) überwacht wird (t bezeichnet die Zeit),
    • B.c) Stoppen der Bewegung der Kapillare 1, sobald der Strom IB,n(t) abnimmt,
    • B.d) Bestimmen des Maximums des Stromes IB,n,max (FB,n, PB,n, GB,n) aus dem während der Schritte b) und c) ermittelten zeitlichen Verlauf des Stromes IB,n(t), wobei die Grössen FB,n, PB,n und GB,n die beim Bondzyklus n eingestellten Werte der Bondkraft FB, der Ultraschallgrösse PB und, gegebenenfalls, des mindestens einen weiteren Bondparameters GB sind,
    • B.e) Bewegen der Kapillare 1 an die Bondposition,
    • B.f) Befestigen der Drahtkugel 3 auf dem Anschlusspunkt 4 des Halbleiterchips 5.
  • Diese Schritte werden nun anhand der 2A bis 2D näher illustriert. Die Bondposition ist mit einer gestrichelten Linie 11 dargestellt, damit die Lage der Kapillare 1 zur Bondposition ersichtlich ist. Die 2A zeigt die Situation während des Schrittes B, wenn die Drahtkugel 3 auf den Anschlusspunkt 4 des Halbleiterchips 5 gebondet wird, wobei der Ball-Bond 6 entsteht. Das Bonden der Drahtkugel 3 erfolgt mit den Parametern: Bondkraft FB,n, Ultraschall PB,n und gegebenenfalls, des mindestens einen weiteren Bondparameters GB,n. Die Kapillare 1 befindet sich in der Bondposition über dem Anschlusspunkt 4.
  • Die 2B zeigt die Situation während des Schrittes B.b. Das nicht dargestellte Horn, an dessen Spitze die Kapillare 1 eingespannt ist, wird in einer horizontalen Richtung verschoben oder um eine vertikale Achse gedreht. Gleichzeitig wird der Strom I überwacht, der durch den Antrieb fliesst, der das Horn verschiebt bzw. dreht. Die Spitze der Kapillare 1 drückt dabei gegen den auf dem Anschlusspunkt 4 des Halbleiterchips 5 befestigten Ball. Der Ball und der Anschlusspunkt 4 können dabei leicht verformt werden, so dass die Kapillare 1 ein wenig aus der Bondposition wegbewegt wird. Der am Anschlusspunkt 4 haftende Ball hindert nun aber die Kapillare 1 und somit auch das Horn an der Ausführung der gewünschten Bewegung. Die von der Kapillare 1 auf den Ball in horizontaler Richtung ausgeübte Kraft nimmt kontinuierlich zu, bis sich der Ball schliesslich vom Anschlusspunkt 4 löst. Die Kapillare 1 kann nun der Bewegung des Horns folgen, so dass der durch den Antrieb fliessende Strom schnell abfällt, worauf die Bewegung der Kapillare 1 im Schritt B.c sofort gestoppt wird. Diese Situation ist in der 2C gezeigt. Die Kapillare 1 wird später im Schritt B.e in die Bondposition zurückgebracht und im Schritt B.f wird der Ball nochmals auf dem Anschlusspunkt 4 des Halbleiterchips 5 befestigt. Es werden nun zwei Methoden erläutert, wie der Schritt B.b durchgeführt werden kann:
    Gemäss der ersten Methode wird der Wire Bonder angewiesen, die Spitze der Kapillare 1 aus ihrer Bondposition in eine neue Position zu verschieben. Dies erfolgt mittels eines Reglers, der eine Positionsabweichung in einen Befehl für den durch den entsprechenden Antrieb fliessenden Strom 1 umsetzt. Da die Kapillare 1 durch den Ball an der Ausführung der Bewegung zunächst gehindert wird, ändert sich die Ist-Position der Kapillare 1 nicht, so dass die Differenz zwischen der Soll-Position und der Ist-Position bestehen bleibt. Dies führt dazu, dass der Regler den Strom I kontinuierlich erhöht. Der Strom I(t) wird laufend erfasst und als eine Reihe von m Stromwerten I1(t), I2(t+Δt),..., Im+3(t+m*Δt) gespeichert, wobei die Grösse Δt eine vorbestimmte Zeitdauer bezeichnet. Wenn der Stromwert Im+1 kleiner als der vorangegangene Stromwert Im ist, bedeutet dies, dass sich die Kapillare 1 bewegen kann, weil sich der Ball nun vom Anschlusspunkt 4 des Halbleiterchips 5 löst, so dass die Differenz zwischen der Soll-Position und der Ist-Position kleiner wird. Es wird deshalb im Schritt B.d der Wert IB,n,max (FB,n, PB,n, GB,n) = Im gespeichert.
  • Gemäss der zweiten Methode wird der Wire Bonder angewiesen, den durch den Antrieb der Kapillare 1 fliessenden Strom I kontinuierlich zu erhöhen und gleichzeitig die Position des Horns bzw. der Kapillare 1 zu überwachen. Der Strom I wird also in Schritten ΔI laufend erhöht: Im+1=Im+ΔI. Nach jeder Stromerhöhung wird die Position des Horns bzw. der Kapillare 1 überprüft. Sobald sich die Position um mehr als einen vorbestimmten Wert geändert hat, bedeutet dies, dass sich der Ball nun vom Anschlusspunkt 4 des Halbleiterchips 5 löst. Es wird deshalb im Schritt B.d der Wert IB,n,max (FB,n, PB,n, GB,n) = Im gespeichert.
  • Analog werden nach der Befestigung des Drahts 2 auf dem Anschlusspunkt 8 des Substrats 9, d.h. nach dem Schritt E und vor dem Schritt F, folgende Schritte durchgeführt:
    • E.a) Anlegen einer vorbestimmten Bondkraft FW2,
    • E.b) Bewegen der Kapillare 1 aus der Bondposition in eine vorbestimmte horizontale Richtung, wobei der durch den die Kapillare 1 bewegenden Antrieb fliessende Strom IW,n(t) überwacht wird,
    • E.c) Stoppen der Bewegung der Kapillare 1, sobald der Strom IW,n(t) abnimmt,
    • E.d) Bestimmen des Maximums des Stromes IW,n,max (FW,n, PW,n, GW,n) aus dem während der Schritte b) und c) ermittelten Verlauf des Stromes IW,n(t), wobei die Grössen FW,n, PW,n und GW,n die beim Bondzyklus n eingestellten Werte der Bondkraft FW, der Ultraschallgrösse PW und, gegebenenfalls, des mindestens einen weiteren Bondparameters GW sind,
    • E.e) Bewegen der Kapillare 1 an die Bondposition,
    • E.f) Befestigen des Drahts 2 auf dem Anschlusspunkt 8 des Substrats 9.
  • Die 3A bis 3D zeigen vier Momentaufnahmen, die das Wedge-Bonden betreffen. Die 3A zeigt die Situation während des Schrittes E, wenn der Draht 2 auf den Anschlusspunkt 8 des Substrats 9 gebondet wird. Das Bonden des Drahts 2 erfolgt mit den Parametern: Bondkraft FW,n, Ultraschall PW,n und gegebenenfalls, des mindestens einen weiteren Bondparameters GW,n.
  • Die 3B zeigt die Situation während des Schrittes E.b. Das nicht dargestellte Horn, an dessen Spitze die Kapillare 1 eingespannt ist, wird in einer horizontalen Richtung verschoben oder um eine vertikale Achse gedreht. Gleichzeitig wird der Strom I überwacht, der durch den Antrieb fliesst, der das Horn verschiebt bzw. dreht. Die Spitze der Kapillare 1 drückt dabei gegen den auf dem Anschlusspunkt 8 des Substrats 9 als Wedge 10 befestigten Draht 2, der die Kapillare 1 und somit auch das Horn an der Ausführung der gewünschten Bewegung hindert. Die von der Kapillare 1 auf den Wedge 10 in horizontaler Richtung ausgeübte Kraft nimmt kontinuierlich zu, bis sich der Wedge 10 schliesslich vom Anschlusspunkt 8 löst. Die Kapillare 1 kann nun der Bewegung des Horns folgen, so dass der durch den Antrieb fliessende Strom schnell abfällt, worauf die Bewegung der Kapillare 1 im Schritt E.c sofort gestoppt wird. Diese Situation ist in der 3C gezeigt. Die Kapillare 1 wird später im Schritt E.e in die Bondposition zurückgebracht und im Schritt E.f wird der Wedge 10 nochmals auf dem Anschlusspunkt 8 des Substrats 9 befestigt.
  • Nach der Durchführung der n Bondzyklen werden aus den ermittelten Werten IB,n,max (FB,n, Pn, Gn) diejenigen Werte der Bondkraft FB, der Ultraschallgrösse PB und des gegebenenfalls mindestens einen weiteren Bondparameters GB als optimale Bondparameter für das Ball-Bonden bestimmt, für die der Strom IB,n,max (FB,n, Pn, Gn) ein Maximum erreicht. Ebenso werden aus den ermittelten Werten IW,n,max (FW,n, PW,n, GW,n) diejenigen Werte der Bondkraft FW, der Ultraschallgrösse PW und des gegebenenfalls mindestens einen weiteren Bondparameters GW als optimale Bondparameter für das Wedge-Bonden bestimmt, für die der Strom IW,n,max (FW,n, PW,n, GW,n) ein Maximum erreicht.
  • Die Spitze der Kapillare 1 wird während der Schritte B.b bzw. E.b nur wenige Mikrometer, beispielsweise 5 bis 10 Mikrometer, bewegt. Diese Bewegung reicht aus, dass sich der Ball bzw. Wedge löst. Es ist deshalb vorzugsweise vorgesehen, den Schertest abzubrechen, wenn sich die Spitze der Kapillare 1 um mehr als eine vorbestimmte Distanz bewegt hat, ohne dass der durch den Antrieb fliessende Strom abgenommen hat.
  • Die Schritte B.e und B.f sowie E.e und E.f dienen dazu, den losgelösten Ball bzw. Wedge wieder am entsprechenden Anschlusspunkt zu befestigen, damit die nachfolgenden Bondzyklen ohne Störung durchgeführt werden können. Die Schritte B.e und E.e können allenfalls entfallen.

Claims (4)

  1. Verfahren für die Bestimmung optimaler Bondparameter für eine Bondkraft FB und eine Ultraschallgrösse PB und, fakultativ, mindestens einen weiteren Bondparameter GB eines Wire Bonders für einen Bondprozess, wobei für diese Bestimmung eine Anzahl Bondzyklen durchgeführt werden, wobei bei jedem Bondzyklus eine Drahtverbindung zwischen einem Anschlusspunkt (4) eines Halbleiterchips (5) und einem Anschlusspunkt (8) eines Substrats (9) hergestellt wird, indem ein aus einer Kapillare (1) ragendes Drahtende zu einer Kugel (3) geschmolzen und anschliessend die Drahtkugel (3) in einer Bondposition auf dem Anschlusspunkt (4) des Halbleiterchips (5) befestigt wird, dann der Draht (2) auf die benötigte Drahtlänge durchgezogen, zu einer Drahtbrücke geformt und auf dem Anschlusspunkt (8) des Substrats (9) befestigt wird, und wobei die Bondkraft FB, die Ultraschallgrösse PB und, gegebenenfalls, der mindestens eine weitere Bondparameter GB in je einem vorbestimmten Bereich in diskreten Schritten variiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Bondzyklus n nach der Befestigung der Drahtkugel (3) auf dem Anschlusspunkt (4) des Halbleiterchips (5) folgende Schritte durchgeführt werden: a) Anlegen einer vorbestimmten Bondkraft FB1, b) Bewegen der Kapillare (1) aus der Bondposition in einer vorbestimmten Richtung, wobei der durch den die Kapillare (1) bewegenden Antrieb fliessende Strom In(t) im Verlauf der Zeit t überwacht wird, c) Stoppen der Bewegung der Kapillare (1), sobald der Strom In(t) abnimmt, d) Bestimmen des Maximums des Stromes In,max (FB,n, PB,n, GB,n) aus dem während der Schritte b) und c) ermittelten Verlauf des Stromes In(t), wobei die Grössen FB,n, PB,n und GB,n die beim Bondzyklus n eingestellten Werte der Bondkraft FB, der Ultraschallgrösse PB und, gegebenenfalls, des mindestens einen weiteren Bondparameters GB sind, und dass aus den bei den n Bondvorgängen ermittelten Werten In,max (FB,n, PB,n, GB,n) diejenigen Werte der Bondkraft FB, der Ultraschallgrösse PB und des gegebenenfalls mindestens einen weiteren Bondparameters GB als optimale Bondparameter bestimmt werden, für die der Strom In,max (FB,n, PB,n, GB,n) ein Maximum erreicht.
  2. Verfahren für die Bestimmung optimaler Bondparameter für eine Bondkraft FW und eine Ultraschallgrösse PW und, fakultativ, mindestens einen weiteren Bondparameter GW eines Wire Bonders für einen Bondprozess, wobei für diese Bestimmung eine Anzahl Bondzyklen durchgeführt werden, wobei bei jedem Bondzyklus eine Drahtverbindung zwischen einem Anschlusspunkt (4) eines Halbleiterchips (5) und einem Anschlusspunkt (8) eines Substrats (9) hergestellt wird, indem ein aus einer Kapillare (1) ragendes Drahtende zu einer Kugel (3) geschmolzen und anschliessend die Drahtkugel (3) in einer Bondposition auf dem Anschlusspunkt (4) des Halbleiterchips (5) befestigt wird, dann der Draht (2) auf die benötigte Drahtlänge durchgezogen, zu einer Drahtbrücke geformt und auf dem Anschlusspunkt (8) des Substrats (9) befestigt wird, und wobei die Bondkraft FW, die Ultraschallgrösse PW und, gegebenenfalls, der mindestens eine weitere Bondparameter GW in je einem vorbestimmten Bereich in diskreten Schritten variiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Bondzyklus n nach der Befestigung des Drahtes (2) auf dem Anschlusspunkt (8) des Substrats (9) folgende Schritte durchgeführt werden: a) Anlegen einer vorbestimmten Bondkraft FW1, b) Bewegen der Kapillare (1) aus der Bondposition in einer vorbestimmten Richtung, wobei der durch den die Kapillare (1) bewegenden Antrieb fliessende Strom In(t) im Verlauf der Zeit t überwacht wird, c) Stoppen der Bewegung der Kapillare (1), sobald der Strom In(t) abnimmt, d) Bestimmen des Maximums des Stromes In,max (FW,n, PW,n, GW,n) aus dem während der Schritte b) und c) ermittelten Verlauf des Stromes In(t), wobei die Grössen FB,n, PW,n und GW,n die beim Bondzyklus n eingestellten Werte der Bondkraft FW, der Ultraschallgrösse PW und, gegebenenfalls, des mindestens einen weiteren Bondparameters GW sind, und dass aus den bei den n Bondvorgängen ermittelten Werten In,max (FW,n, PW,n, GW,n) diejenigen Werte der Bondkraft FW, der Ultraschallgrösse PW und des gegebenenfalls mindestens einen weiteren Bondparameters GW als optimale Bondparameter bestimmt werden, für die der Strom In,max (FW,n, PW,n, GW,n) ein Maximum erreicht.
  3. Verfahren für die in situ Überwachung der Qualität von Bondverbindungen, die mittels einer einen Draht führenden Kapillare eines Wire Bonders mit vorgegebenen Werten F1, P1, G1 einer Bondkraft F, einer Ultraschallgrösse P und mindestens eines weiteren Bondparameters G hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine zu prüfende, ausgewählte Bondverbindung wie folgt hergestellt wird: – Herstellung einer Bondverbindung mit vorgegebenen Werten F2, P2, G2 der Bondkraft F, der Ultraschallgrösse P und des mindestens einen weiteren Bondparameters G, wobei mindestens einer der Werte F2, P2, G2 kleiner ist als der entsprechende Wert F1, P1, G1; – Durchführung eines Tests gemäss den folgenden Schritten: a) Anlegen einer vorbestimmten Bondkraft F3, b) Bewegen der Kapillare (1) aus der Bondposition in eine vorbestimmten Richtung, wobei der durch den die Kapillare (1) bewegenden Antrieb fliessende Strom In(t) im Verlauf der Zeit t überwacht wird, c) Stoppen der Bewegung der Kapillare (1), sobald der Strom I(t) abnimmt, d) Bestimmen des Maximums des Stroms Imax (F3, P3, G3) aus dem während der Schritte b) und c) ermittelten Verlauf des Stroms I(t); und – Herstellung der Bondverbindung mit den Werten F1, P1, G1.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert P2 kleiner als der Wert P1 ist.
DE10349154A 2002-10-16 2003-10-15 Verfahren für die Bestimmung optimaler Bondparameter beim Bonden mit einem Wire Bonder Withdrawn DE10349154A1 (de)

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