KR20030066348A - 와이어본더의 보정을 위한 방법 - Google Patents

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KR20030066348A
KR20030066348A KR10-2003-0004771A KR20030004771A KR20030066348A KR 20030066348 A KR20030066348 A KR 20030066348A KR 20030004771 A KR20030004771 A KR 20030004771A KR 20030066348 A KR20030066348 A KR 20030066348A
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ultrasonic transducer
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KR10-2003-0004771A
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Inventor
미카엘 마이어
마르틴 멜처
Original Assignee
에섹 트레이딩 에스에이
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Abstract

와이어본더에 의한 와이어 접합시에, 최적의 접합 결과가 모세관 교체 후에 달성될 수 있도록 하기 위해서는, 제 1 모세관으로부터 제 2 모세관으로 교체한 후에, 모세관을 안내하는 호온에 초음파를 가하는 초음파 변환기는 파라미터 P2로 제어되며, 이것은 P2= g(k1, k2) * P1또는 P2= g(k1, k2, A1, A2) * P1, 또는 P2= g(k1, k2, A1, A2, H1, H2) * P1으로서 모세관 교체 전의 파라미터 P1으로부터 유래되는데,여기서 k1및 k2는 굽힘 강도에 대한 추정값을 나타내고, 양 A1및 A2는 자유 진동하는 모세관의 진폭들을 나타내며, 그리고 H1및 H2는 제 1 또는 제 2의 모세관의 길이 방향의 드릴 구멍의 최소 직경을 나타내고, 그리고 여기서 함수 g는 미리 정해진 함수이다.

Description

와이어본더의 보정을 위한 방법{METHOD FOR THE CALIBRATION OF A WIRE BONDER}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 명명된 형태의 와이어본더의 보정(calibration)을 위한 방법에 관한 것이다.
외이어 본더는 반도체 칩들이 기판 상에 장착된 후에 이들에 와이어 접속들을 만드는 기계이다. 상기 와이어본더는 호온(horn)의 팁(tip)에 고정되는 모세관을 구비한다. 상기 모세관은 2개의 접속점들 사이에서 상기 와이어를 안내하는 역할을 할 뿐만 아니라, 반도체 칩 상의 접속점으로, 그리고 기판 상의 접속점으로 와이어를 고착시키는 역할을 한다. 상기 반도체 칩 상의 접속점 및 기판 상의 접속점 사이에서 와이어 접속을 만들 때, 상기 모세관으로부터 돌출되는 와이어의 단부는 우선 볼(ball)로 용융된다. 그 후에, 상기 와이어 볼은 압력 또는 초음파에 의해 반도체 칩 상의 접속점으로 고착된다. 이렇게 함에 있어서, 초음파는 초음파 변환기(ultrasonic transducer)로부터 상기 호온에 가해진다. 상기 공정은 볼 본딩(ball bonding)으로서 알려져 있다. 상기 와이어는 그 다음에 요구되는 길이로 잡아 당겨지고, 와이어 루프로 형성되며, 기판 상의 접속점에 용접된다. 이러한 최후 공정은 웨지 본딩(wedge bonding)으로서 공지되어 있다. 상기 와이어를 기판 상의 접속점에 고착시킨 후에, 상기 와이어는 잡아 떼어지며, 다음 접합 싸이클이 시작될 수 있다.
상기 볼 본딩은 다양한 요소에 의해 영향을 받는다. 미리 결정된 품질의 접합 접속들을 얻기 위하여, 몇몇 물리적 및/또는 기술적 파라미터들의 적정한 값이 특수한 공정에 대해 결정되어야 한다. 이러한 파라미터들의 예는 접합력, 즉 모세관이 접합 공정 동안 반도체 칩의 볼 또는 접속점 상에 작용하는 힘, 또는 호온의 초음파 변환기에 인가되는 교류 전류의 진폭이다.
당해 기술 분야에서 "피치(pitch)"로 알려진, 반도체 칩들 상의 접속점들 사이의 거리들은 점점 더 짧아지고 있다. 오늘날, 정밀 피치 분야(Fine Fitch field)에서는, 이미 단지 50 ㎛의 피치에 도달하였다. 이것은 모세관이 이미 접합된 와이어와 접촉하기 않도록 이것의 팁 영역에서의 모세관의 치수(dimensions)도 역시 점점 더 작아지고 있음을 의미한다. 점점 더 작아지는 상기 모세관의 팁의 치수로 인해, 상기 모세관의 기계적 특성에 대한 피할 수 없는 제조 오차의 영향은 더 커지게 된다. 접합으로, 상기 모세관이 소모되고, 따라서 때때로 이것은 새로운 모세관으로 교체되어야 한다. 오늘날, 정밀 피치 분야에서조차도 모든 모세관 교체 후에 시간이 소비되는 작업으로 상기 와이어본더를 재보정해야 할 필요가 없는 신뢰성있는 접합을 달성하기 위하여, 상기 모세관들은 엄격한 기하학적 표준에 따라 선정되어야 한다.
본 발명의 목적은 대량 생산에 있어서, 반도체 칩들이 모세관 교체 전후에 동일한 공정 조건하에서 와이어 연결되는 것을 보증하는 와이어본더의 보정을 위한 방법을 개발하는 것이다.
대량 생산에 있어서 지정되는 또 다른 과제는 하나의 와이어본더 상에서 획득된 최적의 파라미터들을 또 다른 와이어본더로 전달하는 것이다. 본 발명은 또한 상기 과제에 대한 해결 방안을 제시하여야 하며, 간단하고 강인한 방법으로 와이어본더로부터 와이어본더로의 수령 전달을 지원하여야 한다.
도 1 및 도 2는 4개의 피에조 저항 소자를 포함하는 반도체 칩 내에 집적된 센서의 도면,
도 3은 4개의 피에조 저항 소자의 전기 회로도,
도 4는 또 다른 피에조 저항 센서의 도면, 및
도 5는 모세관의 단면도이다.
지정된 상기 과제들은 창구항 1, 청구항 3 및 청구항 5에 기재된 특징부에 의해 해결된다.
각각의 와이어본더는 호온에 고정되는 모세관을 구비한다. 초음파는 초음파 변환기에 의해 호온으로 가해지는데, 여기서 상기 초음파 변환기는 파라미터 P에 의해 제어된다. 상기 파라미터 P는 초음파 변환기를 통해 흐르는 전류인것이 바람직하다. 그러나 상기 파라미터 P는 또한 초음파 변환기에 인가된 교류 전압의 진폭또는 전력 또는 초음파 변환기를 제어하는 또 다른 양일 수도 있다.
일반적으로, 모든 모세관은 다소 상이한 특성을 가지며 또한 호온 상으로 약간 상이하게 고정되므로, 모세관 교체시에 있어서, 모세관 팁의 진동 거동(oscillating behaviour)은 변화한다. 지정된 상기 과제의 시도되는 목적은 모세관 또는 접합 공정 상에 근본적인 영향을 갖는 호온 및 모세관에 의해 형성되는 진동 시스템의 기본적인 지배적인 양을 측정하고, 새로운 모세관의 기계적인 특성에 따라 모세관 교체 후에 와이어본더의 적절한 접합 파라미터들을 재설정하여 얻은 지식을 사용하며, 단지 이후의 새로운 모세관으로 생산을 시작하는 데 있다.
본 발명은 모세관 팁의 기계적 특성이 모세관이 볼 접합부(ball bond) 상에 가하는 초음파력에 강한 영향을 미친다는 지식을 기초로 한다. 이것의 팁 영역에서의 모세관의 치수가 점점 더 작아지고 있으므로, 피할 수 없는 제조 오차는 또한 모세관으로부터 모세관으로 강도에 있어서의 증가하는 변동을 유발한다. 본 발명은 이러한 강도에 있어서의 변동을 보상하는 방법에 관한 해결 방안을 제공한다.
접합 동안, 미리 정해진 접합력이 모세관에 가해진다. 상기 모세관의 팁은 따라서 모세관 및 기판의 접속점 사이에 고정되는 볼 접합부를 수직 방향으로 내리 누른다. 초음파가 상기 호온에 가해지면, 초음파 정상파(stationary ultrasonic waves)가 호온에서 그리고 모세관에서 형성된다. 상기 모세관이 볼 접합부를 내리 누르므로, 그것의 팁은 자유 진동될 수 없다. 상기 모세관의 팁은 따라서 볼 접합부 상에 수평 방향으로 향하는 힘, 소위 접선력 FT를 가한다. 상기 접선력 FT는 모세관의 팁에 대한 호온의 팁의 편차 AH(t)의 함수이며, 여기서 파라미터 t는 시간을 나타낸다. 상기 접선력 FT는 교번력(alternating force) FT(t) = FT0* cos(ωt)이며, 이것은 초음파의 진동수 ω로 진동한다.
상기 모세관의 팁에 대한 모세관의 고정점에서의 호온의 진동의 진폭 AH는 통상적으로 0.1 ㎛ 내지 4 ㎛이며, 따라서 통상적으로 11 밀리미터의 모세관 길이에 관해 작다. 상기 진폭 AH는 또한 모세관의 가장 얇은 부분, 즉 모세관의 팁에서의 가늘어지는 부분의 길이에 관해서도 작다. 상기 모세관은 따라서 거의 스프링처럼 동작한다, 즉 접선력 FT의 진폭 FT0는 양호한 근사에서, 모세관의 팁에 관한 모세관의 고정점에서의 호온의 진동의 진폭 AH에 비례한다:
FT0= k * AH(1)
여기서 양 k는 모세관의 기계적 특성에 의존하는 상수를 나타낸다: 상기 상수 k는 모세관의 굽힘 강도의 크기이다. 상기 접선력의 진폭 FT0는 따라서 2개의 양, 즉 초음파 변환기에 의해 제어되는 진폭 AH, 및 모세관의 굽힘 강도에 의존한다.
지정된 과제의 해결 방안은 이제 각각의 모세관의 굽힘 강도를 측정하고, 그리고 각각의 모세관 교체 후에, 초음파 변환기를 제어하는 파라미터 P를 각각의 모세관에 의해 볼 접합부 상에 작용하는 접선력이 모세관 교체 전후에 동등하게 크게되도록 상기 측정된 모세관의 굽힘 강도에 적합시키는 데 있다.
새로운 제품을 접합하기 위해 설정하는 경우에, 접합력, 초음파 변환기의 제어를 위한 파라미터 P 등과 같은 다양한 파라미터들에 대한 최적값들이 우선 결정되어야 한다. 이하, 초음파 변환기의 제어를 위한 파라미터 P가 모세관 교체 후에 재설정되는 방법을 설명한다. 파라미터 P는 예를 들어, 초음파 변환기에 인가되는 교류 전류 I의 진폭 I0이다. 진폭 AH및 교류 전류의 진폭 I0사이에는 선형 관계가 존재한다: AH= α* I0, 여기서 양 α는 와이어본더에 의존하는 상수로, 예를 들어, 유럽 특허 EP 498 936에 주어진 방법에 따른 보정에 의해 결정될 수 있다. 호온에서의 모세관의 고정이 양 AH에 전혀 영향을 미치지 않거나, 또는 단지 미소한 영향을 미친다는 선행 조건하에서, 접선력의 진폭 FT0는 따라서
FT0= k * AH= k * α* I0(2)
가 된다.
호온에서의 모세관의 고정의 영향을 별도로 하고, 와이어본더에 의해 생성되는 접선력 FT의 진폭은 따라서 제 1 모세관으로부터의 교체 전후에 동일하며, 이것의 굽힘 강도는 값 k1에 의해 특징지워지고, 제 2 모세관에 대해서, 이것의 굽힘 강도는 값 k2에 의해 와이어본더가 상기 모세관의 교체 후에 작동되는 때에 값
P2= I0,2= k1/k2* I0,1= k1/k2* P1(3)
으로 특징지워진다.
이러한 보정에 있어서, 단지 관계 k1/k2만이 다루어지므로, 이것은 상기 굽힘 강도가 절대적인 것이 아니라, 단지 비례 상수가 알려지는 한 충분하다.
방정식 (1)로부터, 각각의 모세관의 굽힘 강도는 별도로 하고, 모세관의 팁에 대한 모세관의 고정점에서의 호온의 진동의 진폭 AH는 따라서 볼 접합부 상에 작용하는 접선력에 또한 영향을 미친다. 모세관의 팁으로부터 고정마다 변화하는 호온 상의 고정점까지의 거리 L 뿐만 아니라, 또한 각각의 모세관의 고정의 영향을 보정하기 위하여, 초음파 변환기를 통해 흐르는 교류 전류의 진폭은 또한 진폭 AH에 따라 보정되는 것이 바람직하다. 따라서, 이러한 경우에 있어서, 한편으로는 제 1 모세관에 대하여 굽힘 강도 k1이 결정되고, 다른 한편으로는 호온의 진동의 진폭 AH1이 제 1 모세관의 팁에 관하여 측정된다. 유사하게, 제 2 모세관에 대하여, 굽힘 강도 k2및 상응하는 진폭 AH2가 결정된다. 모세관 교체 후에,
P2= I0,2= k1/k2* AH1/AH2* I0,1= k1/k2* AH1/AH2* P1(4)
에 의해 주어지는 파라미터 P2는 그 다음에 초음파 변환기에 가해진다. 접합 공정 동안, 볼 접합부는 접합점 상에서 비교적 빨리 앞뒤로 슬라이드되기 시작하므로, 접합 공정 동안의 진폭 AH의 측정은 비교적 어렵다. 그러나, 진폭 AH대신에, 모세관이 공중에서 자유 진동하는 동안에, 호온 상의 고정점 아래 영역에서의 모세관의 진폭 AC, 또는 모세관의 팁의 진폭 AS가 사용될 수 있다. 파라미터 P2에 대하여, 이 때
P2= k1/k2* AC1/AC2* P1또는 (5)
P2= k1/k2* AS1/AS2* P1(6)
을 얻어지는데, 여기서 양 AC1및 AS1은 모세관 교체 전의 상응하는 진폭을 나타내며, 양 AC2및 AS2는 모세관 교체 후의 상응하는 진폭을 나타낸다. 물론 이러한 진폭들의 측정은 모세관에 있어서 동일 위치에서 행해지는 것이 중요하다. 자유 진동하는 모세관의 진폭을 측정하기 위한 방법은 유럽 특허 EP 498 936으로부터, 그리고 일본 특허 출원 JP 10-209199로부터 공지된다. 그러나, 이러한 문서들은 모세관의 진동이 호온의 길이 방향에 평행하게 행해진다고 가정한다. 이것은 그러나 다음의 경우인 것은 아니다: 길이 방향에 직교하는 수평 방향으로의 모세관의 진동의 진폭은 호온의 길이 방향에 평행한 모세관의 진동의 진폭의 30％에 달할 수 있다. 따라서, 상기 측정에 있어서, 단지 그것의 성분이 아닌, 모세관의 진동의 실제 진폭이 측정되는 것이 준수되어야 한다.
진폭들 AH1, AC1또는 AS1중 하나가 진폭 A(W1)으로서 측정되면, 본 발명은 또한 제 1 와이어본더 W1으로부터 제 2 와이어본더 W2로의 수령 전달을 위해 사용될 수 있다. 사용된 모세관들의 굽힘 강도 k1및 k2가 상술한 비와 같이 결정된다. 또한, 제 1 와이어본더 W1상에서, 파라미터 P의 미리 정해진 값 P0가 초음파 변환기에 가해지는 때에, 모세관의 진폭 A(W1)이 결정된다. 상기 값 P(W1)은 설정된 접합 공정에 있어서 제 1 와이어본더 W1의 초음파 변환기에 가해지는 파라미터 P의 값을 나타낸다. 제 2 와이어본더 W2상에서, 파라미터 P의 값 P0가 제 2 와이어본더의 초음파 변환기에 가해지는 때에, 상응하는 진폭 AH2, AC2또는 AS2는 모세관의 진폭 A(W2)로서 결정된다. 상기 제 2 와이어본더 W2는 따라서 P(W2) = k1/k2* A(W1)/A(W2) * P(W1)에 의해 주어지는 파리미터 P의 값 P(W2)로 작동된다. 상기 값 P(W1)은 설정된 접합 공정에 있어서 제 1 와이어본더 W1의 초음파 변환기에 가해지는 파라미터 P의 값을 나타낸다.
지금까지 또 다른 기하학적 양, 즉 팁 영역에서 와이어를 안내하는 모세관의 길이 방향 드릴 구멍의 직경이 상기 접선력 상에 영향을 미친다는 점은 공지되어 왔다. 상기 모세관의 길이 방향 드릴 구멍은 본 발명에 대해 부적절한 이유로 배출구에서 외부로 넓어지는 하부 영역에서 일정한 직경 H를 갖는다. 접합시에, 내측에 위치되는 일부가 아니라 단지 길이 방향의 드릴 구멍의 외측에 위치되는 볼 접합부의 일부가 변형되므로, 상기 볼 접합부의 변형된 부분의 일부는 길이 방향의 드릴 구멍의 직경 H가 증가함에 따라 감소된다. 따라서, 모세관의 교체 후에,
P2= k1/k2* A1/A2* H1 2/H2 2* P1(7)
에 의해 주어지는 파라미터 P2를 초음파 변환기에 적용하는 것이 유리하며, 여기서 k1은 모세관 교체 전의 굽힘 강도를 나타내고, A1은 모세관 교체 전의 자유 진동하는 모세관의 상술한 진폭들 AH1, AC1또는 AS1중 하나를 나타내며, 그리고 H1은 모세관 교체 전의 모세관의 길이 방향의 드릴 구멍의 직경을 나타내고, 그리고 k2, A2및 H2는 모세관 교체 후의 상응하는 값들을 나타낸다.
상술한 보정 인자들은 실제에서 입증되어 왔다. 그러나, 보정 인자들이 더 일반적인 의존성을 가지는 경우도 또한 있으며, 따라서 모델에 따라
P2= g(k1, k2) * P1(8), 또는
P2= g(k1, k2, A1, A2) * P1(9), 또는
P2= g(k1, k2, A1, A2, H1, H2) * P1(10)
에 의해 주어지는 파라미터 P2가 초음파 변환기에 가해진다. 이하, 상이한 방법들이 첨부 도면을 참조하여 설명되며, 이것으로 굽힘 강도 또는 굽힘 강도에 대한 추정값이 측정 수단에 의해 결정되거나, 또는 모세관 및 물질 파라미터들의 개개적으로 측정된 기하학적 데이터에 기초하여 수학적으로 결정된다.
측정에 의해 굽힘 강도를 결정하기 위한 일 실시예는 피에조 저항 센서(piezo-resistive sensor)로 초음파의 적용시 모세관에 의해 생성되는 접선력을 측정하는 데 있다. 이러한 목적을 위해 적절한 피에조 저항 센서는 "원래 위치의 피에조 저항 마이크로센서에 의한 초음파 와이어 접합의 해석(Analysis ofultrasonic wire bonding by in-situ piezoresistive microsensors)"이라는 논문으로부터 공지되는데, 이것은 2001년 6월 10일부터 14일까지 뮌헨에서 개최된 "변환기'01 유로센서 XV(Transducers'01 Eurosensors XV)" 회의의 회의록에서 공개된다.
도 1 및 도 2는 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)로 전기적으로 연결된 4개의 피에조 저항 소자들(2 내지 5)을 포함하는 반도체 칩 내로 집적되는 센서(1)의 평면도 및 단면도를 도시한다. 상기 센서(1)의 출력 신호는 휘트스톤 브리지의 출력 신호에 상응한다. 상기 센서(1)는 n-도핑된(n-doped) 실리콘(6)으로 이루어지는 것이 바람직한데, 이것의 일표면(7)에는 피에조 저항 소자들(2 내지 5)이 p-도핑된(p-doped) 실리콘의 직사각형파 형상의 저항 경로로서 끼워 넣어진다. 상기 센서(1)의 표면(7)은 통상적인 표면 안정화층(8; passivation layer)으로 덮혀진다. 상기 피에조 저항 소자들(2 내지 5)은 예를 들어, 정사각형의 접촉 영역(9)의 외부에 배열되는데, 이것 내에서 와이어본더의 모세관의(10)의 팁이 초음파 전력 보정시에 반도체 칩 상으로 내리누른다. 모세관(10)의 팁이 이상적인 경우에 상기 센서(1) 상으로 내리누르는 영역은 점선의 원형 링(10')으로 표시된다. 도 1에서 카테시안 좌표계의 축들은 x 및 y로 표시된다. x방향은 실리콘 결정의 일[110]축에 평행하게 연장되는 것이 바람직하다. 상기 피에조 저항 소자들(2 내지 5)의 직사각형파 형상의 경로들은 x방향으로 연장되며, x방향으로 볼 때 상기 접촉 영역(9) 외부의 좌우에 배열된다. 이들은 초음파의 적용시에 x방향으로 상기 센서(1) 내의 모세관(10)에 의해 유도되는 전단력 Fx에 의해 발생되는 기계적인 응력을 감지하는 역할을 한다. 측정에 있어서, 상기 센서(1)는 와이어본더에 관하여 향해져야 하며, 따라서 모세관(10)의 진동 방향은 가능한 한 x방향에 평행하게 연장된다.
도 3은 4개의 피에조 저항 소자들(2 내지 5)로부터 형성되는 휘트스톤 브리지의 전기 회로 다이아그램을 도시한다. 상기 4개의 피에조 저항 소자들(2 내지 5)은 알루미늄으로 만들어진 종래의 인쇄된 도체를 통해 감겨진다. 상기 휘트스톤 브리지는 일정 전압 공급원으로부터 전압 U를 공급받는 것이 바람직하다. 상기 휘트스톤 브리지의 출력 전압 UOut= V1- V2는 따라서
(11)
이며, 여기서 R2내지 R5는 피에조 저항 소자들(2 내지 5)의 옴 저항을 나타낸다.
상기 모세관의 굽힘 강도는 이제, 와이어본더에 의해 이하의 방법에 따라 결정된다.
1. 와이어가 없거나, 또는 와이어 볼(wire ball)이 없는 모세관은 센서(1)의 접촉 영역(9) 상으로 위치된다. 상기 모세관은 가능한 한 상기 접촉 영역(9)의 중앙에 위치되어야 한다.
2. 상기 모세관이 다음 단계 3에서 센서(1)의 표면 상에서 앞뒤로 슬라이드되지 않도록 충분히 큰 접합력 FC가 상기 모세관에 가해진다. 1N의 접합력이 충분한 것으로 입증되었다.
3. 파라미터 P의 미라 정해진 값, 예를 들어 연속적인 생산 공정에 있어서 사용되는 값은 초음파 변환기에 가해진다. 이제 최초 응답이 완료되고 정지 상태가 얻어질 때까지 기다린다. 이러한 정지 상태는 센서 신호 UOut(t)의 진폭 U0가 더 이상 변화하지 않는 것으로 특징지워진다. 상기 진폭 U0는 기준값 URef로서 구해진다:
URef= U0(12)
4. 상기 모세관이 센서(1)로부터 들어올려지고, 그리고 상기 모세관이 공중에서 자유 진동하는 동안, 상술한 진폭들 AC또는 AS중 하나가 진폭 A로서 결정된다.
5. 상기 모세관의 굽힘 강도 k가 그 다음에
k = URef/A (13)
로서 결정된다.
따라서, 상기 방법에 있어서, 모세관에 의해 볼 접합부 상으로 작용하는 접선력은 센서(1)에 의해 측정되는 전단력에 비례한다. 그러나, 상기 모세관의 굽힘 강도를 위해 상기 방법으로 결정되는 값 k는 절대값으로서 모세관의 굽힘 강도를 특징지우는 것이 아니라, 단지 상대값, 즉 비례 상수로서 특징지워진다. 또한, 굽힘 강도에 대한 정확한 값 대신에, 추정값이 굽힘 강도를 위해 결정된다고 말할 수 있다. 추정값이라는 용어에 의해, 굽힘 강도에 대한 값은 절대적으로 정확한 값이 아니라, 단지 비례 상수로 알려진 추정값인 것이 의미된다.
도 4는 센서(1)가 모세관의 진동 방향에 대해 정렬되어야 할 필요없이 기준값 URef가 결정될 수 있는 그러한 센서(1)의 평면도를 도시한다. 상기 센서(1)는 x방향으로 유도되는 전단력 Fx의 측정을 위한 4개의 피에조 저항 소자들(2 내지 5), 및 y방향으로 유도되는 전단력 Fy의 측정을 위한 4개의 피에조 저항 소자들(11 내지 14)을 포함한다. 상기 4개의 피에조 저항 소자들(2 내지 5)은 제 1 휘트스톤 브리지로서 전기적으로 연결되며, 이것의 출력 신호는 UOut,x(t)로서 표시된다. 상기 4개의 피에조 저항 소자들(11 내지 14)은 제 2 휘트스톤 브리지로서 전기적으로 연결되며, 이것의 출력 신호는 UOut,y(t)로서 표시된다. 상기 센서(1)에 있어서, 기준량 URef는 모세관(10)의 진동 방향이 센서(1)의 x방향에 평행하게 배열될 필요없이 결정될 수 있다. 최초 응답이 완료되고 정지 상태가 얻어지자마자, 상기 기준량 URef가
(14)
로서, 출력 신호들 UOut,x(t) 및 UOut,y(t)의 진폭들 U0,x및 U0,y로부터 결정된다.
상기 모세관(10)의 팁의 직경은 대략 50㎛ 내지 150㎛에 달하는 반면에, 상기 접촉 영역(9)의 치수는 전형적으로 80㎛ * 80㎛에 달한다.
출력 신호들 UOut,x및 UOut,y의 진폭들은 모세관(10)이 접촉 영역(9) 상으로 내리누르는 위치에 의존한다. 따라서, 보정의 정확도를 증가시키기 위하여,모세관(10)이 접촉 영역(9) 상에서 상이한 위치들 상에 위치되는 것, 및 기준량 URef및 상기 위치들에서 획득된 상기 측정값들에 기초하는 보정 인자 γ를, 예를 들어 다음과 같이 결정하는 것이 제안된다:
도 4에는 모세관(10)의 중간 배치점들(15)이 개략적으로 도시되며, 이것의 각각에 좌표쌍(xi,k, yi,k)가 지정되는데, 여기서 실시예에서의 지수 i 및 k는 각각 5개의 상이한 값들을 취한다. 2개의 배치점들(15) 사이의 거리는 전형적으로 5㎛ 내지 10㎛에 달한다. 상술한 방법들 중 하나에 따라 측정되는 상기 진폭들 U0,x(xi,k, yi,k), 및 필요한 경우에 U0,y(xi,k, yi,k) 각각은 안착점(saddle)을 갖는 영역을 형성한다. 이제, 함수 U0,x의 안착점의 좌표(xS,x, yS,x) 및 그 다음에 값 U0,x(xS,x, yS,x) 뿐만 아니라, 필요한 경우에는 함수 U0,y의 안착점의 좌표(xS,y, yS,y) 및 그 다음에 값 U0,y(xS,y, yS,y)이 수학적으로 결정되며, 결국 기준값 URef가 방정식 (12) 또는 (14)에 따라 산출된다.
다른 가능성은 접합을 위해 사용되는 초음파 주파수에서의 모세관 재료의 내부 마찰을 위한 탄성, 밀도 및 댐핑 계수의 모듈러스와 같은 재료 파라미터들의 고려하에서, 시뮬레이션 프로그램에 의해, 모세관의 굽힘 강도에 관한 기하학적 데이터를 측정하고, 이들로부터 굽힘 강도 또는 굽힘 강도에 대한 추정값을 산출하는 데 있다. 이하, 모세관의 굽힘 강도에 대한 추정값이 도 5에 도시된 모세관의 실시예를 사용하여 어떻게 결정될 수 있는지를 상세히 설명한다.
도 5는 와이어본더의 호온(16)에 고정되는 모세관(10)의 단면도를 도시한다. 초음파가 초음파 변환기(17)로부터 호온(16)으로 가해진다. 일반적으로, 상기 초음파 변환기(17)는 압전 세라믹(piezo-electric ceramics)으로 구성된다. 상기 초음파 변환기(17)는 교류 전류 I = I0* cos(ωt)로 제공되는 것이 바람직하며, 이것의 주파수 ω는 모세관 및 호온에 의해 형성되는 진동 시스템의 고유 주파수에 상응하고, 이것의 진폭 I0는 접합 공정에 적합되어진다.
도면에서, L은 호온 상의 고정점으로부터 모세관의 팁(18)의 거리를 나타내는데, 이것은 각각의 고정마다 100㎛까지 전형적으로 변화된다.
상기 모세관(10)은 도시되지 않은 접합 와이어의 수용을 위한 출구쪽으로 가늘어지는 길이 방향의 드릴 구멍(20)을 구비하는 장타원형 몸체(19)를 포함한다. 상기 몸체(19)는 1개 또는 도시된 바와 같이 2개의 테이퍼링 단계(21 및 22)로 모세관(10)의 팁(18) 쪽으로 가늘어진다. 상기 몸체(19)는 따라서 축(23) 및 2개의 테이퍼링 단계(21 및 22)를 포함한다. 종래 기술에서, 상기 제 2 테이퍼링 단계(22)는 일반적으로 "병목(bottle neck)으로 칭해진다. 상기 모세관(10)의 벽 두께는 상기 병목 영역에서 최소가 되는데, 이것은 병목 영역에서의 모세관(10)의 기하학적 외형의 진동이 자연히 굽힘 강도에 대해 가장 강한 영향을 미치는 이유이다. 따라서 외부 치수에서의 변동은 길이 방향의 드릴 구멍(20)의 내부 치수에서의 변동보다 굽힘 강도 상에 더 큰 영향을 미친다. 상기 모세관(10)의 굽힘 강도에 대한 비교적 양호한 추정값은 따라서 단지 병목의 외부 치수만이 고려되는 때에 이미결정될 수 있다. 또한, 상기 모세관(10)이 많은 경우에 있어서 그것의 길이 방향의 축(24)에 대해 회전 가능하게 대칭적이라는 가정은 굽힘 강도를 결정하는 데 있어서 정당하고 충분히 정확하다는 것이 입증되었다.
상기 실시예에서, 상기 병목의 외부 기하학적 형상은 회전 가능하게 대칭적이며 사다리꼴이라고 가정된다. 따라서 이것은 3개의 길이들 a, b 및 c에 의해 특징지워진다. 상기 3개의 길이들 a, b 및 c는 예를 들어, 광학적으로 적절한 측정 방법으로 결정된다. 상기 축(23)의 기하학적 형상 및 제 1 테이퍼링 단계(21)는 양호한 근사에서 굽힘 강도에 대한 이 2개 부분에서의 진동의 영향이 미미하므로, 상수로서 가정된다. 상기 길이 방향의 드릴 구멍(20)의 기하학적 형상도 또한 굽힘 강도에 대한 그것의 영향이 외부 기하학적 형상의 영향보다 훨신 더 작기 때문에, 상수로서 가정된다.
상기 굽힘 강도 kB는 모세관(10)의 팁(18)을 x방향으로 표시되는 방향으로 그것의 길이 방향의 축(24)에 직교하도록, 전형적으로 1㎛ 내지 2㎛의 미리 정해진 거리 x0만큼 편향시키기 위해 필요한 힘 F에 의해 정의된다:
F = -kB* x0.
상기 거리 x0는 모세관(10)의 팁에 대한 모세관(10)의 고정점에서의 호온(16)의 진동의 진폭에 상응한다.
상기 굽힘 강도 kB는 접합 동안 사용되는 초음파의 진동수에서 모세관 재료의 내부 마찰에 대한 탄성률 E, 밀도 ρ및 댐핑 계수 γ(ω)의 모듈러스와 같은 모세관(10)의 재료 파라미터들의 고려하에서 결정된다. 이것은 예를 들어 유한 요소법(the method of finite elements)에 따른 시뮬레이션 프로그램에 의해 행해지는데, 이것은 적어도 제 2 테이퍼링 단계(22), 즉 병목의 외부 기하학적 형상을 고려하는데, 실시예에서 모세관의 제 2 테이퍼링 단계(22)는 단면적으로 회전 가능하게 대칭적이며 사다리꼴인 것으로 가정되며, 이에 따라 탄성률 E, 밀도 ρ및 댐핑 계수 γ(ω)의 재료 파라미터 모듈러스들 뿐만 아니라, 3개의 기하학적 파라미터들 a, b 및 c가 가정된다. 길이 방향의 드릴 구멍(20)의 기하학적 형상은 상수로서 가정된다. 모세관(20)의 팁(18)에서의 이것의 출구의 기하학적 형상은 상수로서 가정되거나, 또는 각각의 모세관(10)에 대해 개별적으로 측정되고, 시뮬레이션을 위해 고려된다.
상기 시뮬레이션 프로그램의 도움으로 추정값 k를 결정하는 때에, 제 1 테이퍼링 단계(21) 및 축(23)의 기하학적 형상이 또한 고려되는 것이 바람직하지만, 대개 이러한 기하학적 형상은 상기 부분들이 제 2 테이퍼링 단계(22) 보다 훨씬 더 강성적이기 때문에 상수로서 추정된다. 이러한 방법으로 결정되는 굽힘 강도 kB에 대한 값은 실제 굽힘 강도를 나타내는 것이 아니라, 추정값 k를 나타낸다.
시뮬레이션에 있어서, 동적 모델이 사용되는 것이 바람직한데, 이것에 있어서 경계 가장자리(25)는 x방향으로의 진동에 대해 자극된다. 또한 상기 경계 가장자리(25)의 편차에 의해 유도되는 토크가 또한 고려되는 것이 바람직하다. 그러나정적 모델이 사용될 수도 있는데, 이것에 있어서 경계 가장자리(25)는 x방향으로 전형적으로 2㎛의 거리만큼 x방향으로 편향된다. 정적 모델 뿐만 아니라 동적 모델을 사용하는 경우에, 모세관의 팁(18)에서 x방향으로 향하는 힘이 산출된다. 상기 시뮬레이션은 따라서 모세관의 팁으로부터 경계 가장자리(25)에 의해 표현되는 호온(16) 상의 고정점에 이르기까지의 모세관의 기계적 특성이 고려된다.
상이한 기하학적 형상을 갖는 모세관들이 또한 시판되고 있다. 이러한 경우에, 시뮬레이션 프로그램에 의하여 굽힘 강도를 수학적으로 결정하기 위하여, 모세관의 팁의 기하학적 형상은 각각의 모세관에 대한 시뮬레이션을 위해 측정되는 적절한 파라미터들에 의해 기술된다.
도 5로부터, 제 2 테이퍼링 단계(22)의 하부 영역에서, 모세관(10)의 길이 방향의 드릴 구멍(20)은 일정한 직경 H를 갖는데, 이것은 본 발명에 대해 부적절한 이유로 출구에서 외부로 확장된다. 상기 직경 H가 각각의 모세관에 대해 개개적으로 결정되는 때에, 초음파 파라미터 P는 상술한 바와 같이 방정식 (7)에 따라 모세관의 교체 후에 적합되어질 수 있다.
따라서, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 와이어본더의 보정을 위한 방법은 대량 생산에 있어서, 반도체 칩들이 모세관 교체 전후에 동일한 공정 조건하에서 와이어 연결되는 것을 보증할 수 있으며, 용이하고 강인한 방법으로 하나의 와이어본더 상에서 획득된 최적의 파라미터들을 또 다른 와이어본더로 전달할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 제 1 또는 제 2 모세관이 초음파 변환기로부터 초음파가 가해지는 호온의 팁 상으로 고정되며, 제 1 모세관으로 작동시에 상기 초음파 변환기는 파라미터 P의 값 P1으로 제어되고 제 2 모세관으로 작동시에 상기 초음파 변환기는 파라미터 P의 값 P2로 제어되는, 제 1 모세관으로부터 제 2 모세관으로의 교체 후에 와이어본더의 보정을 위한 방법에 있어서,
    추정값 k1은 제 1 모세관의 굽힘 강도에 대해 결정되며 추정값 k2는 제 2 모세관의 굽힘 강도에 대해 결정되고, 상기 값 P2는 P2= g(k1, k2) * P1으로 설정되며 여기서 g(k1, k2)는 상기 2개의 추정값 k1및 k2의 미리 결정된 함수인 것을 특징으로 하는, 와이어본더의 보정을 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 함수 g(k1, k2)는 g(k1, k2) = k1/k2로 주어지는 것을 특징으로 하는, 와이어본더의 보정을 위한 방법.
  3. 제 1 또는 제 2 모세관이 초음파 변환기로부터 초음파가 가해지는 호온의 팁 상으로 고정되며, 제 1 모세관으로 작동시에 상기 초음파 변환기는 파라미터 P의값 P1으로 제어되고 제 2 모세관으로 작동시에 상기 초음파 변환기는 파라미터 P의 값 P2로 제어되는, 제 1 모세관으로부터 제 2 모세관으로의 교체 후에 와이어본더의 보정을 위한 방법에 있어서,
    추정값 k1은 제 1 모세관의 굽힘 강도에 대해 결정되며 추정값 k2는 제 2 모세관의 굽힘 강도에 대해 결정되고, 상기 제 1 모세관의 팁의 진동의 진폭 A1은 파라미터 P의 미리 정해진 값 P0가 초음파 변환기에 가해지는 때에 결정되며, 상기 제 2 모세관의 팁의 진동의 진폭 A2는 파라미터 P의 미리 결정된 값 P0가 초음파 변환기에 가해지는 때에 결정되고, 상기 값 P2는 P2= g(k1, k2, A1, A2) * P1으로 설정되며 여기서 g(k1, k2, A1, A2)는 상기 2개의 추정값 k1및 k2, 및 측정된 진폭 A1및 A2의 미리 정해진 함수인 것을 특징으로 하는, 와이어본더의 보정을 위한 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 함수 g(k1, k2, A1, A2)는 g(k1, k2, A1, A2) = k1/k2* A1/A2으로 주어지는 것을 특징으로 하는, 와이어본더의 보정을 위한 방법.
  5. 제 1 또는 제 2 모세관이 초음파 변환기로부터 초음파가 가해지는 호온의 팁 상으로 고정되며, 제 1 모세관으로 작동시에 상기 초음파 변환기는 파라미터 P의값 P1으로 제어되고 제 2 모세관으로 작동시에 상기 초음파 변환기는 파라미터 P의 값 P2로 제어되며, 제 1 및 제 2 모세관은 길이 방향의 드릴 구멍을 구비하고, 출구쪽으로 향하는 이것의 측부는 소정의 거리에 걸쳐 일정한 직경 H1또는 H2를 갖는, 제 1 모세관으로부터 제 2 모세관으로의 교체 후에 와이어본더의 보정을 위한 방법에 있어서,
    추정값 k1은 제 1 모세관의 굽힘 강도에 대해 결정되며 추정값 k2는 제 2 모세관의 굽힘 강도에 대해 측정되고, 상기 제 1 모세관의 팁의 진동의 진폭 A1은 파라미터 P의 미리 정해진 값 P0가 초음파 변환기에 가해지는 때에 결정되며, 상기 제 2 모세관의 팁의 진동의 진폭 A2는 파라미터 P의 미리 정해진 값 P0가 초음파 변환기에 가해지는 때에 결정되고, 상기 제 1 모세관의 직경 H1및 제 2 모세관의 직경 H2가 측정되며, 상기 값 P2는 P2= g(k1, k2, A1, A2, H1, H2) * P1으로 설정되며 여기서 g(k1, k2, A1, A2, H1, H2)는 상기 2개의 추정값 k1및 k2, 측정된 진폭 A1및 A2, 및 측정된 직경 H1및 H2의 미리 정해진 함수인 것을 특징으로 하는, 와이어본더의 보정을 위한 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 함수 g(k1, k2, A1, A2, H1, H2)는 g(k1, k2, A1, A2, H1, H2) = k1/k2* A1/A2* H1 2/H2 2인 것을 특징으로 하는, 와이어본더의 보정을 위한 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 상기 각각의 모세관의 팁의 외부 기하학적 형상은 추정값 k1및 k2를 결정하기 위해 측정되는 것을 특징으로 하는, 와이어본더의 보정을 위한 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추정값 k1및 k2는 피에조 저항 센서의 도움으로 결정되는 것을 특징으로 하는, 와이어본더의 보정을 위한 방법.
KR10-2003-0004771A 2002-02-01 2003-01-24 와이어본더의 보정을 위한 방법 KR20030066348A (ko)

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