DE4131565A1 - Verfahren zur optimierung des schweissprozesses bei bondverfahren - Google Patents
Verfahren zur optimierung des schweissprozesses bei bondverfahrenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Optimierung des Schweißprozesses bei Bondverfahren
zur Erzielung von Bondungen, wie beispielsweise Wed
ge-, Ball-, Ösen-, Rillen-, Single-Point-Bondungen
o. ä. mit hoher und gleichbleibender Güte und findet
Anwendung insbesondere in der Mikroelektronik bei der
Herstellung elektronischer Bauelemente, insbesondere
mittels des Ultraschallbondens, Thermosonic-Bondens
oder Thermokompressions-Bondens auf Thermosonic-Bond
maschinen sowie Single-Point TAB-Bondens (SPTAB).
Es ist bekannt, zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von
Draht- und Bändchenbondungen o. ä. bei der Herstellung
elektronischer Bauelemente die Einflußfaktoren, wel
che sich auf die Güte der Schweißverbindung auswir
ken, zu überwachen und konstant zu halten.
Der Nachteil dieser Methode besteht darin, daß sie
aufgrund der Vielzahl der möglichen objektiven und
subjektiven Einflußfaktoren sehr aufwendig und ferti
gungstechnisch nur sehr schwer umsetzbar ist.
ln der Patentschrift DD 45 217 wird ein programmge
steuerter zeitlicher Verlauf des Ultraschallenergie
eintrages in der Form vorgeschlagen, daß die mechani
sche Schwingungsamplitude der Sonotrode während des
gesamten Schweißprozesses nicht auf einem vorwählba
ren konstanten Wert stabil gehalten wird, sondern
durch einen vorwählbaren zeitlichen Verlauf gezielt
variabel, vorzugsweise mit abfallender Charakteri
stik, gesteuert wird.
Trotz einer zu erwartenden Erhöhung der Verfahrens
zuverlässigkeit, vor allem bei empfindlichen Schweiß
komponenten, macht sich nachteilig bemerkbar, daß die
Schwingamplitudensteuerung relativ starr ist und die
Schweißzeit konstant vorgegeben werden muß.
Es ist weiter bekannt, daß eine Verbesserung des
Draht-, Folie-, Bändchens- und Lead-Bondens o. ä.,
nachfolgend kurz Bonden genannt, durch mehr oder we
niger gesicherte Korrelationen während des Schweiß
prozesses zwischen meßtechnisch erfaßbaren Größen und
der Schweißstellengüte genutzt werden kann. Am läng
sten vorbekannt ist hier, einen möglichen Abfall der
HF-Generatorausgangsspannung zu erfassen und zur Ab
schaltung der Schweißenergie zu benutzen. Als eine
weitere Möglichkeit wird in der Patentschrift DD 83 289
beschrieben, daß über einen piezoelektrischen
Sensor der Abfall der mechanischen Schwingungsampli
tude des Schwingkopfes überwacht und ein Abschalt
signal zur Beendigung des Schweißprozesses gewonnen
wird.
Bekannt ist auch, eine Frequenzverwerfung der Ultra
schallarbeitsfrequenz auszunutzen, welche sich durch
geringfügige Verlagerung der Eigenresonanzfrequenz
des Schwingkopfes ergeben kann.
Weiter ist bekannt, den sinkenden elektrischen Über
gangswiderstand zwischen oberer und unterer Schweiß
komponente und den Deformationsgrad der oberen
Schweißkomponente als Ersatzmeßgröße zur Signalisie
rung der Schweißgüte zu bewerten.
Der sich durch die Korrelation zwischen den vorge
schlagenen Ersatzmeßgrößen und der Schweißgüte erge
bende Nachteil besteht darin, daß bei vielen Schweiß
aufgaben und Bondmaschinen der beschriebene Zusammen
hang durch eine Vielzahl störender Einflußgrößen so
stark vermindert wird, daß er zur Erfüllung der Güte
sicherung praktisch nicht verwendbar ist.
Eine Anzahl weiterer Methoden zur Lösung des Problems
der Verfahrenszuverlässigkeit und der Schweißgüte
befaßt sich mit einmalig aus dem Schweißprozeß ab
leitbaren Signalen als Maß für die Güte der Schweiß
verbindung. So wird in der Patentschrift DE 23 16 598
vorgeschlagen, eine auftretende Einkerbung während
des zeitlichen Verlaufes der HF-Generatorausgangs
spannung oder den plötzlich ansteigenden elektrischen
Übergangswiderstand zwischen Sonotrode und oberer
Schweißkomponente als Zeichen für die Fertigstellung
der Schweißstelle zu werten und den Energieeintrag zu
beenden.
Aus der Patentschrift DE 32 33 629 geht hervor, daß
die Haftkraft bestimmt wird, mit der die Sonotrode
während des Schweißprozesses mit der oberen Schweiß
komponente als Prozeßnebenwirkung verbunden ist. Die
Haftkraft läßt sich nach Beendigung des Energieein
trages während des Anhebens der Sonotrode als notwen
dige Ablösekraft an der Sonotrode messen. Der bekann
te Nachteil dieses Haftens oder Klebens der Sonotro
de, der gewöhnlich durch die Wahl eines zur Schweiß
aufgabe passenden Sonotrodenwerkstoffs oder das Aus
lösen eines sogenannten Nachimpulses minimiert wird,
läßt keinen eindeutigen Schluß auf die erreichte
Schweißstellengüte zu.
Auch ist aus der DD 2 19 338 ein Verfahren bekannt,
bei welchem die übliche Ultraschallenergie durch eine
niedrigere Frequenz getaktet wird, wodurch eine in
termittierende Arbeitsweise des Ultraschallschwing
kopfes erreicht wird. Durch die Auswertung zeitlich
aufeinanderfolgender Ausschwingzeiten dieses Schwing
kopfes läßt sich der Einfluß aufeinanderfolgender
Energiepulse auf den Aufbau der jeweiligen bearbeite
ten Schweißstelle erfassen, so daß mit dieser Meßin
formation der laufende Schweißvorgang gesteuert wer
den kann.
Diese Lösung hat den Nachteil, daß technische Verän
derungen an den zur Zeit eingesetzten Bondern vor
genommen werden müssen.
Ausgehend von den Nachteilen der bekannten techni
schen Lösungen liegt der Erfindung die Aufgabe zu
grunde, ein Verfahren zur Optimierung des Schweißpro
zesses zur Erzielung von Bondungen mit hoher und
gleichbleibender Güte zu schaffen, welches ohne grö
ßere technische Änderungen an den Bondmaschinen und
ohne aufwendige softwaremäßige Maßnahmen anwendbar
ist und eine effektive Steuerung der Prozeßparameter
ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 im Zusammen
wirken mit den ausgestaltenden Merkmalen der Unter
ansprüche gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert hierbei dar
auf, daß zur Optimierung des Schweißprozesses bei
Bondverfahren zur Erzielung von Bondungen mit hoher
und gleichbleibender Güte das Ultraschall-Schwin
gungsverhalten im Schweißprozeß erfaßt und einer Aus
wertung unterzogen wird.
Die Auswerteergebnisse werden zur optimierenden Steu
erung der Schweißparameter der Bondungen verwendet.
Während des Schweißprozesses treten an der Hüllkurve
des mechanischen Amplitudenverlaufes Täler und Höhen
in unterschiedlicher Zahl und mit unterschiedlichem
zeitlichen Abstand auf. Die Anzahl dieser Täler und
Höhen sowie ihr zeitlicher Abstand ist korreliert mit
der Güte der fertigen Bondung, d. h. mit der Schweiß
festigkeit.
Das instationäre Schwingverhalten nach dosierten
Schallenergiesprüngen wird als zweckmäßige Ersatzmeß
größe zur automatischen Schweißprozeßführung zur Er
zielung optimaler Bondresultate benutzt.
Andererseits dienen die gegebenenfalls auftretenden
Verzerrungen der Kurvenform der Ultraschallschwingun
gen am Bondwerkzeug der Erkennung von Störungen der
Verbindungsbildung.
Nach Auswertung der erfaßten Werte erfolgt über die
Steuerung der Prozeßparameter mechanische Schwin
gungsamplitude und/oder statischer Anpreßdruck und/
oder Zeitdauer des Schweißprozesses die Optimierung
des Schweißprozesses bzw. die Fehlermeldung bei
schlechter Verbindungskinetik.
Die Optimierung erfolgt stets im verfahrenstechni
schen Ablauf der Herstellung der Schweißverbindungen,
allerdings nicht immer für die Schweißverbindung,
welche die Werte zur Optimierung liefert.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von zwei Aus
führungsbeispielen näher erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird an einem üblichen
Ultraschall- oder Thermosonic-Bonder, bestehend aus
Ultraschallschwingkopf, Ultraschallgenerator, elek
tromechanischem Energiewandler, Amplitudentransforma
tor mit Sonotrode und mechanisch-elektrischem Meß
wandler sowie Heizeinheit beim Thermosonic-Bonden
angewandt.
Mittels eines Oszillographen wird der vollständige
Ultraschall-Schwingungsverlauf im Schweißprozeß wäh
rend der kontinuierlichen Energieeintragung erfaßt.
Im mechanischen Amplitudenverlauf zeigt sich eine
Anzahl von Tälern, die beispielsweise bei einer be
stimmten Bondcharge zwischen zwei und zwölf Tälern
schwankt.
Die Form der Täler hat einen sägezahnähnlichen Ver
lauf.
Selbstverständlich können alternativ oder zusätzlich
auch die Höhen erfaßt werden.
Gleichzeitig oder zusätzlich zur Erfassung der Anzahl
von Tälern oder Höhen wird der Abstand zwischen zwei
Tälern und/oder zwischen zwei Höhen erfaßt.
Die Korrelation zwischen der Anzahl der sichtbaren
Täler und der erzielten Schweißfestigkeit wurde expe
rimentell ermittelt.
Zwischen zwei und sechs auftretenden Tälern können
gleiche und hohe Festigkeiten erzielt werden, während
bei einer größeren Anzahl der Täler als sechs die
Schweißfestigkeit vermindert ist.
Wird eine größere Anzahl der Täler oder Höhen als
sechs festgestellt, werden die Prozeßparameter mecha
nische Schwingungsamplitude und/oder statischer An
preßdruck des Schwingkopfes und/oder Zeitdauer des
Schweißprozesses derart verändert, daß eine Anzahl
von Tälern und Höhen nicht größer als sechs sich ein
stellt.
Analog wird mit dem zeitlichen Abstand zwischen zwei
Tälern und Höhen verfahren.
Im vorliegenden Ausführungsbespiel wurde die Auf
zeichnung der Oszillogramme mittels Zeitrafferfilmen
vorgenommen.
Es ist selbstverständlich ebenfalls möglich, die Er
fassung des Ultraschallschwingungsverlaufes im
Schweißprozeß durch elektronische oder durch optische
Aufzeichnungsträger vorzunehmen.
Die Auswertung des erfaßten Schwingungsverhaltens
kann visuell oder elektronisch erfolgen, wobei die
elektronische Auswertung zweckmäßigerweise durch ei
nen Mikrorechner erfolgt.
Die optimierende Steuerung für den Schweißprozeß bei
Bondverfahren kann manuell oder vorzugsweise automa
tisch erfolgen.
Ein anderes Ausführungsbeispiel betrifft die Ausnut
zung und Auswertung von instationären Schwingungszu
ständen nach dosierten Schallenergiesprüngen. Bei
instationären Schwingungszuständen können beispiels
weise die Quantität und Form der variablen An-, Aus
und/oder Einschwingvorgänge meßtechnisch erfaßt und
über Mikrorechner ausgewertet werden mit dem Ziel,
eine individuelle Schallenergiedosierung für jede
Bondstelle durch eine automatische adaptive Prozeß
führung zu realisieren. Die Prozeßführungsgröße kor
reliert mit dem Verbindungszuwachs der Bondstelle.
Dadurch wird der allgemeine Mangel eines starr vor
programmierten Schallenergieeintrages überwunden, der
in der Bondpraxis zu erheblichen Streuungen der Bond
güte führen kann. Der Bondprozeß wird zum optimalen
Zeitpunkt beendet.
Zusätzlich hat sich als sinnvoll erwiesen, während
des Schweißprozesses die Kurvenform der Ultraschall
schwingungen direkt am Bondwerkzeug zu charakterisie
ren, um daraus ein Signal zur Gütekontrolle der sich
aufbauenden Bondstelle abzuleiten.
Oberhalb eines bestimmten Oberwellengehaltes als Maß
der Verzerrungen der harmonischen Schwingungen gilt
die Verbindungskinetik der sich bildenden Bondstelle
als irreparabel gestört, so daß eine Fehlermeldung
ausgegeben werden muß.
Claims (15)
1. Verfahren zur Optimierung des Schweißprozesses
bei Bondverfahren, wie USB, TSB, TCB auf TS-Bon
dern, SPTAB o. ä. einschließlich Makroschweißun
gen zur Erzielung von Bondungen mit hoher und
gleichbleibender Güte,
dadurch gekennzeichnet,
daß der gesamte Ultraschall-Schwingungsverlauf
einschließlich der instationären Zustände und
der Kurvenform im Schweißprozeß erfaßt und einer
Auswertung unterzogen wird und die Auswertungs
ergebnisse zur optimierenden Steuerung der
Schweißparameter des Prozesses und zur zerstö
rungsfreien on-Line-Gütekontrolle der Bondungen
verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Anzahl der Täler und/oder Höhen der
Hüllkurve des mechanischen Amplitudenverlaufes
im Schweißprozeß erfaßt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der zeitliche Abstand zwischen den
Tälern und/oder Höhen der Hüllkurve des mechani
schen Amplitudenverlaufes im Schweißprozeß er
faßt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Erfassung des Ultraschall-
Schwingungsverlaufes im Schweißprozeß durch Auf
zeichnung von Oszillogrammen erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß die Aufzeichnung der Oszillogramme mit
tels Zeitrafferfilmen erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 4 und 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Auswertung des erfaßten
Schwingungsverlaufes visuell erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Erfassung des Ultraschall-
Schwingungsverlaufes im Schweißprozeß durch
elektronische oder optische Aufzeichnungsträger
erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, 4 und 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Auswertung des erfaßten
Ultraschall-Schwingungsverlaufes im Schweißpro
zeß elektronisch erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich
net, daß die Auswertung des erfaßten Ultra
schall-Schwingungsverlaufes im Schweißprozeß
durch einen Mikrorechner erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß instationäres Schwingungsverhalten,
beispielsweise Quantität und Form der An-, Aus
und/oder Einschwingvorgänge bei dosierten
Schallenergiesprüngen jeglicher Größe und Form,
im Schweißprozeß erfaßt und zur Prozeßführung
ausgewertet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 und 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Kurvenform der Ultra
schallschwingungen am Bondwerkzeug zum Zwecke
der Überwachung auf Kurvenverzerrungen im
Schweißprozeß erfaßt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 und 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Kurvenform der Ultra
schallschwingungen am Bondwerkzeug durch eine
Echtzeit-Frequenzanalyse während des Schweißpro
zesses ausgewertet und daraus ein Gut/Schlecht-
Signal abgeleitet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1, 6 und 8 bis 12, da
durch gekennzeichnet, daß mit den Auswerteergeb
nissen die Prozeßparameter mechanische Schwin
gungsamplitude und/oder statischer Anpreßdruck
des Schwingkopfes und/oder Zeitdauer des
Schweißprozesses gesteuert werden.
14. Verfahren nach Anspruch 1 und 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß die optimierende Steuerung
manuell oder automatisch erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich
net, daß bei Ableitung eines Schlecht-Signales
eine Fehlermeldung erfolgt.
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