DE2620600C2 - Positionierungsvorrichtung zur Positionierung eines Werkstücks relativ zu einem Bondkopf - Google Patents

Description

a) die Sollposition der Lage eines Bondkopfes (1) in dem ihm gegenüber ortsfesten Koordinatensystem (X, Y) entspricht

b) der ausgewählte Punkt (P, Q) des Werkstücks (4) ein Bondpunkt des Leitermusters ist, an welchem mittels des Bondkopfes (1) ein Bonddraht zu befestigen ist,

c) das verschiedene optische Verhalten der das Leitermuster bildenden Materialien eine unterschiedliche Infrarotemission ist,

d) der Detektor (6) ein infrarotempfindliches Detektorelement (24) enthält, das bei der Abtastung des Leitermusters ein der unterschiedlichen Infrarotemission längs der Abtastlinie entsprechendes Ausgangssignal (PN) erzeugt,

e) die Signalverarbeitungsschaltung (7) ein mit dem Ausgangssignal (PN) beaufschlagtes Differenzierglied (41) enthält und ferner ein Flipflop (42) aufweist, das durch das Ausgangssignal des Differenzierglieds (41) gesetzt und durch ein Bezugssignal (RHP) zurückgesetzt wird, wobei das Bezugssignal (BHP) zu einem Zeitpunkt erzeugt wird, zu dem die optische Abtastung durch den Detektor (6) gerade die Sollposition erreicht,

f) die Signalverarbeitungsschaltung (7) ferner einen Impulse hoher Folgefrequenz erzeugenden Oszillator (44) sowie ein UND-Glied (43) enthält, welches bei gesetztem Flipflop (42) die Impulse des Oszillators auf den Zähleingang eines Zählers (45) durchläßt,

g) der Zähler (45) auf einen Zählwert voreinstellbar ist, welcher auf der Abtastlinie dem Abstand zwischen dem Bondpunkt (P, Q) und einer Trennlinie des Leitermusters zwischen zwei der das Leitermuster bildenden Materialien entspricht, und dieser Zählwert durch jeden Impuls am Zähleingang des Zählers (45) verringerbar ist,

h) dem Zähler (45) ein Digital/Analog-Wandler (46) zur Speisung des Servomechanismus (5; 8, 9) mit einem Analogsignal nachgeschaltet ist.

Die Erfindung betrifft eine Positionierungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Herkömmliche Drahtbondvorrichtungen (mit Bonden wird üblicherweise das Festheften beispielsweise von Draht auf einer Fläche bezeichnet) werden gewöhnlich manuell betätigt Die Bedienungsperson prüft das Werkstück, meistens ein Halbleiterchip, an welchem Drähte anzubonden sind, mit bloßem Auge oder mit einem Mikroskop, positioniert das Werkstück unterhalb eines Bondkopfes und bringt diesen auf das Werkstück nieder, um den Bondvorgang auszuführen. Wenn Drähte an Elektroden, die ein sehr feines Leitermuster bilden, anzubonden sind, dann ist es schwierig oder unmöglich, die Positionierung des Werkstücks mit bloßem Auge auszuführen. Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit ist aus der DE-OS 23 52 113 eine Vorrichtimg bekannt mittels der das Bonden halbautomatisch durchgeführt werden kann. Die Relativbewegung zwischen dem Werkstück (HaIbleiterchip) und dem Bondkopf erfolgt bei dieser bekannten Vorrichtung automatisch nach einem vorgegebenen Programm, welches darauf beruht, daß die einzelnen Bondpunkte, das heißt die Stellen des Werkstücks, an denen Drähte angebondet werden sollen, in ihrer Lage relativ zueinander festgelegt sind. Bevor jedoch die programmgesteuerte Bewegung eingeleitet werden kann, muß bei der bekannten Vorrichtung das Werkstück in eine ganz bestimmte Ausgangstage gebracht werden, auf der das Programm basiert. Diese anfängliche Einstellung erfolgt manuell mit Hilfe eines Stereomikroskops. Es liegt auf der Hand, daß die Genauigkeit der nachfolgenden, programmgesteuerten Positionierung im wesentlichen von der Genauigkeit dieser anfänglichen Einstellung abhängt, so daß sich ein Fehler bei dieser anfänglichen manuellen Positionierung auf alle nachfolgenden automatischen Positionierungen auswirkt.

Aus der US-PS 30 38 369 ist eine Positionierungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs bekannt. In der Druckschrift ist beschrieben, daß diese Positionierungsvorrichtung zur Erleichterung der genauen Einstellung beim Anbringen von Leitungsdrähten an die Elektroden eines Transistors verwendet werden kann. Bei dieser bekannten Positionierungsvorrichtung ist das Werkstück auf einem Arbeitstisch angeordnet, so daß es in einer Ebene verschoben und gedreht werden kann. Mit Hilfe einer Lichtquelle, deren Lichtspektrum einen starken Rotanteil und einen starken Blauanteil enthält wird das Werkstück bestrahlt, das ein Leistermuster aus zwei parallelen Elektrodenstreifen aufweist deren Reflexionsvermögen von dem des angrenzenden Halbleitermaterials verschieden ist. Die von den Elektrodenstreifen reflektierten Lichtanteile gelangen durch eine virbrierende Streifenlochmaske und werden dann von einem dichroitischen Spiegel in zwei Lichtstrahlen aufgeteilt. Einer von diesen gelangt durch ein Rotfilter zu einer ersten Fotovervielfacherröhre, der andere durch ein Blaufilter zu einer zweiten Fotovervielfacherröhre. Die elektrischen Ausgangssignale der Fotovervielfacherröhren gelangen auf Phasenvergleichsschaltungen, die die Antriebseinrichtung für den Arbeitstisch so lange steuern, bis sich die beiden Elektrodenstreifen in einer Sollposition befinden.
Die bekannte Positionierungsvorrichtung ist auf den Einsatz bei bestimmten Leitermustern, nämlich in Form paralleler Streifen beschränkt. Ferner ist eine Lichtquelle mit einem bestimmten Spektrum erforderlich, und es werden zwei Fotodetektoreinrichtungen benötigt, was

den Aufwand und damit die Kosten für die bekannte Vorrichtung erhöht

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Positionierungsvorrichtung der angegebenen Gattung zu schaffen, die zur vollautomatischen Drahtbondung geeignet ist, relativ einfach aufgebaut ist und universell für beliebige Formen des Leitermusters auf dem Werkstück (Halbleiterchip) verwendbar ist

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst

Die Positionierungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist in weitem Umfang einsetzbar, da ihre Funktion nicht von bestimmten Leitermusterformen abhängt Da die unterschiedliche Infrarotemission der das Leitermuster bildenden Materialien ausgenutzt wird, benötigt man keinerlei zusätzliche Lichtquelle. Gegenüber der erläuterten bekannten Positionierungsvorrichtung besteht ein weiterer Vorteil auch darin, daß lediglich eine relativ einfache Detektoreinrichtung für die optische Abtastung benötigt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 eine Ausführungsform eines Detektors,

F i g. 3A bis 3F eine Darstellung eines Leitermusters, Ausgangssignale des Detektors, die sich bei der optischen Abtastung dieses Leitermusters ergeben, und die Bahn des Bondkopfes relativ zum Leitermuster,

F i g. 4 schematisch ein Blockschaltbild der Signalverarbeitungsschaltung zur Bewegung des Arbeitstisches mit dem Werkstück in -Y-Richtung und

Fig.5A bis 5F den Verlauf von Signalen, die an verschiedenen Punkten der in F i g. 4 gezeigten Schaltung auftreten.

Wie F i g. 1 zeigt, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Bondkopfteil 3, einen Arbeitstisch 5, einen Detektor 6 und eine Signalverarbeitungsschaltung 7 auf. Der Bondkopfteil 3 umfaßt einen Bondkopf 1, welcher den Bondvorgang unter Verwendung dünner Drähte ausführt, und einen Mechanismus 2 zur Auf- und Abbewegung des Bondkopfs 1. Das Werkstück 4, an welchem die Bondung durchgeführt werden soll, ist auf dem Arbeitstisch 5 angeordnet, der sich in einer horizontalen Ebene bewegt. Der Detektor 6 stellt vom Werkstück 4 abgestrahlte Infrarotstrahlen fest. Die Signalverarbeitungsschaltung 7 steuert den Arbeitstisch

5 nach Maßgabe des Ausgangssignals PN des Detektors

6 (vgl. auch F i g. 4 und F i g. 5).

Bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform befindet sich der Bondkopfteil 3 in einer festen Position, wobei der Bondkopf 1 während des Bondvorgangs Auf- und Abbewegungen ausführt. Der Arbeitstisch 5 wird bewegt, um ein zu bondendes Werkstück 4 unter den Bondkopf 1 zu verschieben. Hierzu kann der Arbeitstisch 5 mitteis Servomotoren 8 und 9 unabhängig längs zweier rechtwinklig zueinander stehender Richtungen bewegt werden.

Auf dem Werkstück 4 ist ein Leitermuster gebildet, um das Werkstück 4 mit äußeren Leitungen zu verbinden. Das heißt, im Fall eines Halbleiterchips soll ein vorbestimmter Punkt P, Q des auf dem Chip gebildeten Leitermusters durch die Drahtbondung mit einem vorbestimmten Punkt eines äußeren Leiterrahmens oder mit einem Anschluß verbunden werden (vgl. F ig. 3A).

Erfindungsgemäß wird das Leitermuster anhand von Infrarotstrahlen festgestellt die vom Werkstück 4 ausgesendet werden. Entsprechend dem Stefan-Boltzmannschen Gesetz senden alle Körper Strahlung aus, wobei im Spezialfall des schwarzen Körpers die Energie dieser Strahlung über alle Wellenlängen integriert pro Flächen- und Zeiteinheit proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur der Oberfläche des Körpers ist Bei realen Körpern hängt die abgestrahlte Strahlungsleistung stark von Material und Oberflächenzustand ab. Beispielsweise weisen Silicium und Siliciumdioxid, die in einem Halbleiterbauelement verwendet werden, eine große Abstrahlung auf, während Geld, Aluminium usw, die ebenfalls bei Halbleiterbauelementen verwendet werden, eine sehr kleine Abstrahlung haben. Bei einer relativ niedrigen Temperatur (niedriger als 400⁰C), bei welcher ein Halbleiterbauelement behandelt wird, liegt die abgestrahlte Energie im Infrarotbereich. Wenn der Halbleiterchip auf einem Rahmen befestigt ist und wenn die Oberflächentemperaturen des Halbleiterchips und des Rahmens nahezu gleich sind, senden deshalb die Silicium- oder Siliciumdioxidteile des Chips starke Infrarotstrahlung aus, während das das Leitermuster oder den Rahmen bildende Gold oder Aluminium nur eine schwache Infrarotstrahlung aussendet

F i g. 2 zeigt ein Beispiel des Detektors 6 der in F i g. 1 gezeigten Vorrichtung. Dieser Detektor 6 nutzt die unterschiedliche Infrarotemissionsrate der Materialien aus. Gemäß F i g. 2 werden die vom Werkstück 4 abgestrahlte Infrarotstrahlen durch eine aus zwei reflektierenden Spiegeln zusammengesetzte Objektivlinse 22 vergrößert. Diese Infrarotstrahlen werden dann von einem Schwingspiegel 23 reflektiert, um schließlich ein infrarotempfindliches Detektorelement 24 zu erreichen.

Dieses Detektorelement 24 ist in einer Brennebene der Objektivlinse 22, in der das Werkstück 4 vergrößert abgebildet wird, angeordnet. Das Detektorelement 24 ist mit einem kleinen Fenster versehen, das geeignete Abmessungen hat, um lediglich solche Infrarotstrahlungen zu empfangen, die durch den kleinen Teil der Objektivlinse 22 gelangen. Durch Schwingenlassen des Schwingspiegels 23 um eine Achse, die senkrecht zur Lichtachse der Objektivlinse 22 und zur Lichtachse X des Detektorelements 24 ist, kann das Detektorelement 24 die Oberfläche des Werkstücks längs der ^-Richtung parallel zur Lichtachse χ abtasten. Bezüglich der V-Richtung kann eine gleiche Abtastung der Werkstückoberfläche wie die der .Y-Achse durchgeführt werden.

F i g. 3A zeigt einen Transistor-Chip, auf dem Leitermuster 32 und 33 aus Aluminium gebildet sind und einen Emitter und eine Basis auf einem Siliciumsubstrat 31 kontaktieren. Das Siliciumsubstrat 31 ist auf einem mit Gold plattiertem Metallrahmen 34 befestigt. Pfeile χ und /zeigen die Abtastrichtungen. Punkte Pund Q sind die Drahtbondstellen, an denen der Verbindungsdraht zum Verbinden des Leitermusters mit einem äußeren Rahmen angebondet werden soll.

Wenn die Auflösung des Detektorelementes 24 hinreichend gut ist, ergibt sich als Ausgangssignal des Detektorelements 24, wenn entlang der x-Richtung über die Punkte X\ bis Xt, abgetastet wird, der in Fig.3B gezeigte Verlauf. Wie Fig.3B zeigt, existiert die höchste Ausstrahlung von Infrarotstrahlen im Siliciumteil zwischen X\ und X₂ bzw. zwischen X3 und A₄. Die niedrigste Ausstrahlung besteht im Goldteil. In demjenigen Teil, in welchem Aluminium und Silicium nebenein-

ander bestehen, tritt eine Infrarotstrahlen-Emission auf, die in der Mitte zwischen derjenigen des Aluminiumteils und derjenigen des Siliciumteils liegt.

F i g. 3C zeigt das Ausgangssignal des Detektorelements 24 bei Abtastung entlang der ^-Richtung über die Punkte X\ bis X\. F i g. 3E zeigt das Ausgangssignal bei Abtastung entlang der y-Richtung durch die Punkte Y'\ bis V4, und Fig.3D zeigt das Ausgangssignal bei Abtastung entlang der y-Richtung durch die Punkte Y\ bis W Die Abtastung durch die Punkte Y\ bis Ya verläuft dabei durch den gesuchten Bondpunkt P. Wie die Fig.3B bis 3E zeigen, existiert im Halbleiterchip mit einem Leitermuster, wie es in F i g. 3A gezeigt ist, das zu verbindende Leitermuster im Bereich niedriger Abstrahlung, der sich zwischen den beiden Zonen hoher Abstrahlung befindet.

Die Position auf dem Leitermuster, über welcher sich der Bondkopf 1 befindet, d. h., die relative Lage zwischen dem Leitermuster und dem Bondkopf (bzw. dessen Projektion auf das Leitermuster), wird festgestellt durch Erzeugung eines Bezugsimpulses BHP, wenn die Abtastung unter dem Bondkopf hindurchgeht, und durch Vergleich der Zeitlage dieses Bei.ugsimpulses BHPm'it dem festgestellten Ausgangssignal PN. Das der relativen Position zwischen dem Bondkopf und dem Bondpunkt P, Q auf dem Leitermuster entsprechende Signal DSPW erhält man von der Signalverarbeitungsschaltung (F i g. 4, F i g. 5).

Bei dem Beispiel des in Fig.3A gezeigten Leitermusters ist der Bondpunkt P auf der Abtastlinie längs der x-Richtung im Abstand 1 vom Ende X2 des Leitermusters plaziert, und auf der Abtastlinie längs der y-Richtung im Mittelpunkt des Leitermusters. Deshalb wird bezüglich der Abtastlinie längs der ^-Richtung die Bewegung des Arbeitstisches 5 in der Richtung χ so gesteuert, daß der Bezugsimpuls BHP, der die Position des Bondkopfes 1 angibt, in derjenigen Position erzeugt wird, welche dem Abstand 1 vom Ende des Leitermusters entspricht, und zwar ohne Rücksicht auf die Position des Arbeitstischs in der y-Richtung (im Bereich Y₂ < y < Y₃). Die gestrichelte Linie 2-2' in Fig.3F zeigt den Ort des entlang der x- Richtung gesteuerten Bondkopfes 1.

Hinsichtlich der Abtastlinie entlang der y-Richtung wird die Bewegung der Arbeitstisches in der Richtung y so gesteuert, daß der Bezugsimpuls BHP, der die Position des Bondkopfes anzeigt, in der Mitte der Leitermusterzone erzeugt wird, und zwar ohne Rücksicht auf die Position des Arbeitstisches 5 in der x-Richtung (im Bereich X₂ < χ < X₃). Die gestrichelte Linie !-!' in Fig,3F zeigt den Ort des entlang der y-Richtung gesteuerten Bondkopfes 1.

Wenn die Positionssteuerung gleichzeitig bezüglich der .γ- und der y-Richtung durchgeführt wird, wird der Bondkopf 1 am Schnittpunkt der Linien 1-1' und 2-2' angehalten, der die vorbestimmte Bedingung bezüglich der x- und der y-Richtung erfüllt Es gibt keinen anderen Punkt als diesen Schnittpunkt, der die vorbestimmte Bedingung erfüllt

Bezüglich des Bondpunktes Q wird die Steuerungsbedingung analog dazu so bestimmt daß der Bondkopf 1 in der x-Richtung in einem Abstand 1 vom rechten Anfang der Leitermusterzone und in der y-Richtung in der Mitte des Leitermusters positioniert ist Damit ist die Bedingung für den Punkt Q ähnlich der Bedingung für den Punkt P.

F i g. 4 zeigt die Signalverarbeitungsschaltung 7 zum Positionieren des Arbeitstisches 5 längs der X-Richtung.

Die F i g. 5A bis 5F zeigen Signale, die in verschiedenen Teilen der in F i g. 4 gezeigten Schaltung auftreten.

Wie zuvor erwähnt, steht der Bondpunkt P hinsichtlich der Positionierung längs der x-Richtung im konstanten Abstand / vom Ende X2 des Leitermusters. Wenn der Abstand zwischen der Position des Bondkopfes und dem Ende des Leitermusters erhalten worden ist, wird die Positionierung des Werktisches in der x-Richtung deshalb so ausgeführt, daß die Differenz zwischen diesen Abständen Null wird.

In den F i g. 4 und 5 ist PN das Ausgangssignal des Detektorelements 24; ein Signal SCW stellt die Abtastbreite dar, das heißt den Bereich, der mit dem Schwingspiegel 23 beobachtet werden kann; und das Signal BHP ist der Bezugsimpuls der die Position des Bondkopfes (und damit die Sollposition des Bondpunkts) anzeigt. Wenn das Ausgangssignal PN des Detektorelements 24 in die Signalverarbeitungsschaltung 7 gegeben wird, wird es durch ein Differenzierglied 41 differenziert Von diesem differenzierten Signal werden nur die negativen Impulse weiter ausgewertet, die das Signal DP bilden (vgl. F i g. 5D). Das negative Signal DP setzt ein Flipflop 42, so daß ein UND-Glied 43 geöffnet wird. In diesem Zustand werden in einem Oszillator 44 erzeugte Hochfrequenzimpulse von dem UND-Glied 43 durchgelassen, so daß sie als Signal DSP auf einen Substraktionsanschluß eines voreingestellten Zählers 45 gelangen, der auf den vorbestimmten Wert entsprechend dem Abstand /gesetzt ist. Vom Zählstand des voreingestellten Zählers 45 wird jedesmal ein Zählwert subtrahiert, wenn vom Oszillator 44 ein Impuls geliefert wird. Da die Position des Bondkopfes festgelegt ist, erscheint der Bezugsimpuls BHP zu einer vorbestimmten Zeit ta nach Beginn der Abtastung.

Dieser Bezugsimpuls BHP stellt das Flipflop 42 zurück, so daß das UND-Glied 43 in den Sperr-Zustand versetzt und die Zulieferung der Hochfrequenzimpulse vom Oszillator 44 unterbunden wird. Deshalb wird der gezählte Wert, welcher dem Abstand zwischen der festen Position des Bondkopfes 1 und dem Bondpunkt P, Q entspricht, im voreingestellten Zähler 45 gespeichert. Dieser gespeicherte Wert wird auf einen Digital/Analog-Wandler 46 gegeben, in welchem das Ausgangssignal des voreingestellten Zählers 45 in eine Analogspannung umgewandelt wird. Die Analogspannung wird einer Motorsteuerschaltung 47 zugeführt, und der Motor 8 wird so gesteuert, daß sich der Arbeitstisch 5 entlang der x-Achsenrichtung verschiebt. Dieser Steuervorgang wird fortgesetzt, bis der Bondpunkt P, Q genau unter den Bondkopf 1 gebracht ist Eine ähnliche Steuerung wird hinsichtlich der Bewegung des Arbeitstisches 5 in der y-Richtung durchgeführt.

Vorstehende Erläuterung betrifft eine automatische Drahtbondung für einen Transistorchip; dieses Prinzip ist jedoch auch anwendbar auf äußere Anschlüsse des Leiterrahmens oder des den Chip aufnehmenden Bodens, und ist ebenfalls anwendbar auf Drahtbondung für integrierte Schaltungen, Hybridschaltungen oder gedruckte Schaltungen.

Bei dem voranstehend erläuterten Ausführungsbeispiel sind das Detektorelement 24 und der Bondkopfteil 3 fest angeordnet, während der Arbeitstisch 5 mit dem auf ihm befindlichen Werkstück 4 demgegenüber verschiebbar ist Da es allein auf die relative Bewegung zwischen diesen Teilen ankommt, könnten auch das Werkstück auf einem festen Arbeitstisch angeordnet und der Bondteil 3 wie das Detektorelement 24 demgegenüber beweglich sein.

Außerdem ist gemäß obiger Erläuterung ein mechanisch-optisches Abtastsystem verwendet, um die Leitermusterzone zu erkennen. Es kann jedoch ein elektronisch-optisches Abtastsystem benutzt werden, das eine Bildaufnahmeröhre mit hoher Empfindlichkeit im infraroten Strahlungsbereich verwendet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Positionierungsvorrichtung zur Positionierung eines Werkstücks (4), insbesondere eines Halbleiterchips, innerhalb eines ebenen Koordinatensystems derart, daß ein ausgewählter Punkt (P, Q) des Werkstücks (4) eine Sollposition im Koordinatensystem erreicht,

   wobei das Werkstück (4) ein Leitermuster aus mindestens zwei sich optisch verschieden verhaltenden Materialien aufweist,

   mit einem das Leitermuster längs wenigstens einer der Koordinatenachsen optisch abtastenden Detektor (6),

   einer vom elektrischen Ausgangssignal (PN) des Detektors (6) gespeisten Signalverarbeitungsschaltung (7) und einem von der Signalverarbeitungssch&ltung (7) gesteuerten Servomechanismus (5; 8,9) zum Bewegen des Werkstücks (4) relativ zu dem Koordinatensystem, dadurch gekennzeichnet, daß