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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Messung der Amplitude
einer frei schwingenden Kapillare eines Wire Bonders der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Art.
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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-bonden. 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-bonden. Nach dem Befestigen
des Drahtes auf dem Anschlusspunkt des Substrats wird der Draht
abgerissen und der nächste
Bondzyklus kann beginnen.
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Aus
dem europäischen
Patent
EP 498 936 B1 sind
ein Verfahren und eine Einrichtung bekannt, um die Amplitude der
freischwingenden Kapillare zu messen. Der Messwert wird benutzt
für die
Kalibrierung des Ultraschallgebers. Die Messung der Schwingungsamplitude
der Kapillare erfolgt mittels einer Lichtschranke.
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Aus
der japanischen Patentanmeldung 10-209 199 sind ein Verfahren und
eine Einrichtung bekannt, um die Amplitude der frei schwingenden
Kapillare zu messen, bei denen für
die Lichtschranke ein Laserstrahl benutzt wird.
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Versuche
haben gezeigt, dass die Messung mit der bekannten Technik keine
reproduzierbaren Resultate liefert, wenn die Amplitude der Spitze
der frei schwingenden Kapillare gemessen werden soll.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Einrichtung
für die
Messung der Amplitude der Spitze einer frei schwingenden Kapillare
zu entwickeln.
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Die
genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale des Anspruchs
1.
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Einrichtung für die Messung
der Amplitude der Spitze einer frei schwindenden Kapillare, gemäss der von
der Anmelderin eingereichten europäischen Patentanmeldung
EP 1340582 . Das in dieser
Patentanmeldung beschriebene Verfahren basiert auf der Abschattung
des Lichtstrahls durch die Kapillare, wobei die Schwingungen der
Kapillare die Intensität
des durchgelassenen Lichtstrahls modulieren. Die Intensität des durchgelassenen
Lichtstrahls wird mittels eines Lichtempfängers gemessen. Die Schwingungsrichtung
der Kapillare in der Ebene ist in der Regel nicht bekannt. Es ist
in der Regel aber so, dass die Schwingungen der Kapillare hauptsächlich in
Richtung der Längsachse
des Horns verlaufen. Mit dem Messprinzip der Abschattung eines Lichtstrahles kann
nur die Komponente der Amplitude der Schwingungen der Kapillare
gemessen werden, die senkrecht zur Richtung des Lichtstrahles verläuft. Die Messeinrichtung
umfasst eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahls mit einem
in einem Arbeitsbereich der Einrichtung gut definierten Durchmesser. Der
wirksame Durchmesser des Lichtstrahls in der Messebene ist kleiner
als der Durchmesser der Kapillare an der zu messenden Stelle.
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Es
gibt leider eine Vielzahl von unerwünschten Effekten wie z.B. Verschmutzungen
der Kapillare, Beugung an der Kapillare, graduelle Oberflächenvariationen
der Kapillare, Asymmetrien des Lichtstrahls, usw., die eine reproduzierbare
Messung erschweren, wenn nicht besondere Massnahmen getroffen werden.
Gemäss
dem in der oben zitierten Patentanmeldung beschriebenen Verfahren
wird eine Vielzahl von Messungen durchgeführt und die erhaltenen Messwerte
werden gemittelt. In einem ersten Schritt wird die Kapillare bezüglich des
Lichtstrahls justiert. Anschliessend wird die Komponente Ay der Schwingungen der Kapillare, die senkrecht
zur Richtung des Lichtstrahls verläuft, gemäss den folgenden Schritten
ermittelt:
- a) Plazieren der Kapillare auf der
einen Seite des Lichtstrahls, ohne dass sie den Lichtstrahl abschattet,
und Beaufschlagen des Horns mit Ultraschall;
- b) Bewegung der Kapillare in einer vorgegebenen Anzahl von n
Schritten entlang einer vorbestimmten Richtung w in den Lichtstrahl
hinein oder vollständig
durch den Lichtstrahl hindurch, bis sie sich auf der anderen Seite
des Lichtstrahls befindet, wobei bei jedem der i = 1 bis n Schritte
der Gleichspannungsanteil UDC(yi)
und der Wechselspannungsanteil UAC(yi) des Ausgangssignals UP(yi)des Lichtempfängers sowie eine Koordinate yi ermittelt werden, wobei die Koordinate
yi die Position der Kapillare in Bezug auf
eine senkrecht zum Lichtstrahl verlaufende Koordinatenachse y bezeichnet
und wobei die zu messende Komponente Ay in
Richtung der Koordinatenachse y verläuft;
- c) Berechnung von Empfindlichkeitswerten Si(yi) als Ableitung des Gleichspannungsanteils
UDC(yi) nach der
Koordinatenachse y zu
- d) Auswahl von wenigstens vier Messpunkten und für jeden
dieser mindestens vier Messpunkte Berechnung eines Wertes Ay,i zu
- e) Berechnung der Komponente Ay als
Mittelwert aus den Werten Ay,i.
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Vorteilhaft
erfolgt die Berechnung der Komponente Ay unter
Anwendung statistischer Methoden. Insbesondere ist es von Vorteil,
die im Schritt c berechneten Empfindlichkeitswerte Si(yi) noch zu glätten, beispielsweise durch
Mittelung mit benachbarten Messpunkten. Vorteilhaft ist es auch,
die Messwerte UDC(yi)
und UAC(yi) zu glätten. Vorteilhaft
ist es weiter, nicht nur vier Messpunkte, sondern möglichst
viele Messpunkte zu berücksichtigen.
Ein mögliches
Kriterium für
die Auswahl der Messpunkte ist z.B., dass deren Empfindlichkeitswert
Si einen vorbestimmten Minimalwert überschreitet.
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Die
vorliegende Erfindung besteht darin, für die Erzeugung des Lichtstrahls
zwei koaxial angeordnete Lochblenden zu verwenden, die zwischen
dem Lichtsender und dem Lichtempfänger angeordnet sind. Die erfindungsgemässe Messeinrichtung
umfasst daher im einfachsten Fall nur noch drei Komponenten, nämlich den
Lichtsender, einen Körper
mit einem Kanal, dessen beide Seitenwände je eine Bohrung enthalten,
die auf einer gemeinsamen Achse liegen, und den Lichtempfänger. Diese
Achse verläuft transversal
zur Längsachse
des Kanals. Vom Lichtsender ausgestrahltes Licht gelangt durch die
eine Bohrung in den Kanal und durch die zweite Bohrung hindurch
auf den Lichtempfänger.
Die beiden mit den Bohrungen versehenen Seitenwände des Kanals bilden die beiden
koaxial angeordneten Lochblenden. Für die Messung der Schwingungsamplitude
der Kapillare wird die Kapillare in Längsrichtung des Kanals gemäss dem oben
beschriebenen Verfahren durch den durch die beiden Lochblenden definierten
Lichtstrahl hindurch bewegt. Als Lichtsender kann eine herkömmliche
Leuchtdiode oder eine Laserdiode verwendet werden. Die Seitenwände des
Kanals verlaufen im Bereich der Bohrungen parallel zueinander und
sind dann nach oben aufgeweitet, damit einerseits der Abstand zwischen
dem Lichtsender und dem Lichtempfänger möglichst klein ist und damit
andererseits die Kapillare zwischen den Seitenwänden Platz hat und die Seitenwände nicht
berührt.
Das Ausgangssignal des Lichtempfängers
wird von einer elektronischen Schaltung verstärkt. Da das Ausgangssignal
des Lichtempfängers
sehr schwach ist, ist es nötig,
die elektronische Schaltung gegen elektrische Felder abzuschirmen,
beispielsweise mittels eines Faraday Käfigs.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
umfasst die Messeinrichtung eine weitere Komponente, nämlich einen
zwischen der zweiten Bohrung und dem Lichtempfänger angeordneten Lichtleiter.
Als Lichtleiter kann ein herkömmlicher
Lichtleiter aus Kunststoff oder Glas verwendet werden. Diese Ausführungsform
hat den Vorteil, dass die elektronische Schaltung nicht direkt bei
der Messeinrichtung platziert werden muss.
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Die
beiden koaxial angeordneten Lochblenden definieren einen Lichtstrahl,
dessen für
die Messung wirksamer Durchmesser im gesamten Messbereich konstant
ist und gleich dem Durchmesser der Lochblenden bzw. der sie bildenden
Bohrungen ist. Ein wichtiger Vorteil der Erfindung liegt darin,
dass die Messeinrichtung ohne zusätzliche optische Elemente,
insbesondere ohne Linsen, auskommt und daher kostengünstig herstellbar
ist. Unter dem für
die Messung wirksamen Durchmesser des Lichtstrahls ist derjenige
Bereich des Lichtstrahls zu verstehen, dessen Abdeckung durch die
Kapillare eine Verkleinerung der vom Lichtempfänger gemessenen Intensität bewirkt.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Messeinrichtung zur Messung der Amplitude der Schwingungen der Spitze
einer Kapillare,
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2 eine
erste Ausführungsform
der Messeinrichtung, und
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3 eine
zweite Ausführungsform
der Messeinrichtung.
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Die 1 zeigt
schematisch und in Aufsicht eine Kapillare 1, die an der
Spitze eines von einem Ultraschallgeber 2 mit Ultraschall
beaufschlagbaren Horns 3 eingespannt ist, und eine Messeinrichtung zur
Messung der Amplitude der Schwingungen der Spitze der Kapillare 1.
Mit x, y und z sind die Koordinatenachsen eines kartesischen Koordinatensystems
bezeichnet, wobei die z-Koordinatenachse senkrecht zur Zeichenebene
verläuft.
Das Horn 3 ist an einem Bondkopf 4 eines Wire
Bonders befestigt. Der Bondkopf 4 ermöglicht die Bewegung der Spitze der
Kapillare 1 in allen drei Koordinatenrichtungen. Die Messeinrichtung
umfasst eine Lichtquelle 5 zur Erzeugung eines Lichtstrahls 6 mit
einem definierten Durchmesser. Die Lichtquelle 5 besteht
aus einer Leuchtdiode 7 und einer ersten Lochblende 8,
die den von der Leuchtdiode 7 ausgesandten Lichtkegel 9 in
den Lichtstrahl 6 transformiert. Die Einrichtung umfasst
weiter eine zweite Lochblende 10 und einen Lichtempfänger 11.
Die beiden Lochblenden 8 und 10 definieren den
Durchmesser des Lichtstrahls 6: Der für die Messung wirksame Durchmesser
des Lichtstrahls 6 ist gleich dem Durchmesser der beiden Lochblenden 8, 10.
Der Durchmesser der Spitze der Kapillare 1 beträgt je nach
Kapillarentyp etwa 50 μm bis
150 μm.
Der Durchmesser des Lichtstrahls 6 ist bevorzugt kleiner
als der Durchmesser der Kapillare 1 an der zu messenden
Stelle. Im Beispiel beträgt
der Durchmesser der Lochblenden 8 und 10 und somit des
Lichtstrahls 6 etwa 40 μm.
Der Durchmesser des Lichtstrahls 6 kann aber auch so gross
wie der Durchmesser der Kapillare 1 an der zu messenden Stelle
oder etwas grösser
sein, wobei dann allerdings im Verlauf der Messung keine vollständige Abschattung
des Lichtstrahls 6 erfolgt. Das Ausgangssignal des Lichtempfängers 11 wird
von einer elektronischen Schaltung 12 verstärkt. Die
elektronische Schaltung 12 ist vorzugsweise in einem Gehäuse aus Metall
untergebracht, um die elektronische Schaltung 12 gegenüber äusseren
elektrischen Feldern abzuschirmen.
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Wie
aus der 1 ersichtlich ist, verläuft der Lichtstrahl 6 in
x-Richtung. Die Längsachse
des Horns 3 verläuft
in y-Richtung. Für
eine Einzelmessung der Amplitude der Schwingungen der Spitze der Kapillare 1 wird
die Spitze der Kapillare 1 im Prinzip so im Lichtstrahl 6 positioniert,
dass sie einen Teil des Lichtstrahls 6 abschattet. Wenn
der Ultraschallgeber 2 eingeschaltet ist, schwingt die
Spitze der Kapillare 1 in der xy-Ebene. Die y-Komponente
Ay dieser Schwingungen bewirkt eine Änderung
der Abschattung des Lichtstrahls 6, welche vom Lichtempfänger 11 detektiert
wird, während
die x-Komponente
Ax dieser Schwingungen die Abschattung nicht ändert. Bevorzugt
wird aber nicht eine Einzelmessung durchgeführt, sondern es wird das oben
beschriebene Verfahren angewandt, bei dem die mit Ultraschall beaufschlagte
Kapillare 1 von der einen Seite durch den Lichtstrahl 6 hindurch
auf die andere Seite bewegt wird.
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Die 2 zeigt
in perspektivischer Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel der Messeinrichtung. Die
Messeeinrichtung umfasst den Lichtsender, einen Körper 13 mit
einem Kanal 14, dessen beide Seitenwände 15 und 16 je
eine Bohrung 17 bzw. 18 enthalten, die auf einer
gemeinsamen Achse 19 liegen, und den Lichtempfänger 11.
Diese 19 Achse verläuft transversal
zur Längsachse
des Kanals 14. Als Lichtsender dient eine herkömmliche
Leuchtdiode 7 oder Laserdiode. Von der Leuchtdiode 7 ausgestrahltes Licht
gelangt durch die eine Bohrung 17 in den Kanal 14 und
durch die zweite Bohrung 18 hindurch auf den Lichtempfänger 11.
Die beiden mit der Bohrung 17 bzw. 18 versehenen
Seitenwände 15 und 16 des
Kanals 14 bilden die beiden koaxial angeordneten Lochblenden 8 und 10.
Der Durchmesser der Lochblenden 8 und 10 ist daher
gleich dem Durchmesser der Bohrungen 17 und 18.
Für die
Messung der Schwingungsamplitude der Kapillare 1 wird die
Kapillare 1 in Längsrichtung 20 des
Kanals 14 gemäss
dem oben beschriebenen Verfahren durch den durch die beiden Lochblenden 8 und 10 definierten
Lichtstrahl 6 hindurch bewegt. Die Seitenwände 15 und 16 des
Kanals 14 verlaufen im Bereich der Bohrungen 17 und 18 parallel
zueinander und sind dann nach oben aufgeweitet, damit einerseits
der Abstand zwischen der Leuchtdiode 7 und dem Lichtempfänger 11 möglichst klein
ist und damit andererseits die Kapillare 1 zwischen den
Seitenwänden 15 und 16 Platz
hat und die Seitenwände 15 und 16 nicht
berührt.
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Die 3 zeigt
in perspektivischer Ansicht ein zweites Ausführungsbeispiel der Messeinrichtung.
Das zweite Ausführungsbeispiel
entspricht weitgehend dem ersten Ausführungsbeispiel, aber mit dem
Unterschied, dass zwischen der zweiten Lochblende 10 und
dem Lichtempfänger 11 ein
Lichtleiter 21 angeordnet ist. Der Lichtleiter 21 besteht
aus dem lichtleitenden Kern und einem Mantel 22. Dieses Ausführungsbeispiel
bietet den Vorteil, dass die elektronische Schaltung 12 (2)
an einem geeigneten Ort im Wire Bonder platziert werden kann, wo
zudem ihre elektrische Abschirmung problemlos möglich ist.
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Bei
allen Ausführungsbeispielen
ist der Durchmesser D der in den Seitenwänden 15 und 16 angebrachten
koaxialen Bohrungen 17 und 18, und somit der Lochblenden 8 und 10,
vergleichbar dem Durchmesser der Spitze der Kapillare 1,
damit der Lichtstrahl 6 im Verlaufe der Messung möglichst
vollständig
abgedeckt wird. Der Durchmesser D ist also typischerweise kleiner
als 150 μm.
Der Durchmesser D beträgt
beispielsweise 100 μm,
er kann aber auch für
eine extrem dünne
Kapillare 1 nur noch 40 μm
betragen. Weil der Durchmesser des Lichtstrahls 6 zwischen
den beiden Lochblenden 8 und 10 konstant ist, ist
das Ergebnis der Messungen unabhängig
vom genauen Wert der x-Koordinate der Kapillarenspitze.
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Die
erfindungsgemässe
Messeinrichtung kann entweder fest auf dem Wire Bonder installiert sein
oder als selbstständige
Messeinrichtung ausgebildet sein, die für eine Messung der Schwingungsamplitude
der Kapillare nur vorübergehend
auf dem Wire Bonder installiert wird. Wenn die Schwingungsrichtung
der Kapillare 1 nicht mit der Längsrichtung des Horns 3 (1)
zusammenfällt,
dann kann die Amplitude der Schwingungen der Kapillare 1 durch zwei
Messungen ermittelt werden, bei denen die Messeinrichtung um 90° zueinander
verdreht ist. Es werden dann nacheinander die Komponente Ax und die Komponente Ay der
Amplitude A der Schwingungen der Kapillare 1 bestimmt und
daraus die Amplitude A berechnet.