DE4131565A1 - Verfahren zur optimierung des schweissprozesses bei bondverfahren - Google Patents

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.