200529397 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一種用於利用在商業中已知爲球形-引線 接合器（Ball-Wire Bonder)的引線接合器（Wire Bonder)來 產生楔形-楔形（wedge-wedge)引線連接的方法。 【先前技術】 引線接合器是一種將被安裝在基板上的半導體晶片進 行引線接合的機器。在商業中，存在兩種不同類型的引線 接合器，一種爲球形-楔形引線接合器，簡稱爲球形引線-接合器，另一種爲楔形-楔形引線接合器，簡稱爲楔形-引 線接合器。 球形-引線接合器具有一個被夾到操縱桿（horn)的頂端 的毛細管（capillary)。毛細管將引線連接到半導體晶片的連 接點上和基板上的連接點上，以及引導這兩個連接點之間 的引線。在產生半導體晶片上的連接點和基板上的連接點 之間的引線連接時，伸出毛細管的引線的末端被首先熔化 成球。然後，這個球被藉由壓力和超音波連接到半導體晶 片上的連接點。藉由這種方式，來自超音波轉換器的超音 波被施加到操縱桿上。這個過程稱爲球接合。然後，引線 被拉到所需的長度，形成引線環並焊入（熱壓縮接合）基板 上的連接點。這個最後的子過程稱爲楔形接合。在將引線 連接到基板上的連接點上之後，引線被剝離且可以開始下 一輪的接合。 楔形-引線接合器具有引線引導和連接工具，其將引線 200529397 連接到半導體晶片上的連接點和基板上的對應連接點。在 產生半導體晶片上的連接點和基板上的連接點之間的引線 · 連接時，引線引導和連接工具所提供的引線的末端被藉由 壓力和超音波連接到基板上的連接點。然後，引線被拉到 · 所需的長度，形成引線環並焊入基板上的連接點。這兩個 子過程稱爲模形接合。在將引線連接到基板上的連接點上 之後’引線被剝離或切斷且可以開始下一輪的接合。一般 而言，楔形-楔形連接進行這樣的引線連接；在兩個連接點 上，通常在較高的溫度下，從毛細管伸出的對應引線被經 鲁 由壓力和超音波接入對應的連接點，而沒有前面所述的熔 化爲球。 楔形-引線接合器的接合頭與球形-引線接合器的接合 頭之間有本質的不同’因爲對於楔形-楔形接合過程，將被 連接到第一連接點上的引線的末端總是呈將進行的引線連 接的方向。因此，對於楔形-引線接合器，操縱桿必須可旋 轉地安置在垂直軸上，其中在操縱桿的頂端固定引線引導 和連接工具。楔形-引線接合器的接合頭必須使引線引導和 ® 連接工具的移動具有總共五個自由度，而球形-引線接合器 的接合頭只需使毛細管的移動具有總共三個自由度。 【發明內容】 本發明是基於這樣的發現而作出的：在產生第二楔形 連接之後進行引線的剝離時，球形引線接合器也能夠用於 產生楔形-楔形引線連接，使得伸出毛細管的引線指向待進 行的下一引線連接的方向。 -6- 200529397 因此，根據本發明，提供了以如下的方式對球形_引線 接合器進行安排爲了藉由剝離引線來完成楔形-楔形引線 連接的產生和準備伸出毛細管的引線以產生下一楔形-楔 形引線連接’在將引線連接到第二連接點之後，進行下述 的步驟： -計算水平面上的二維向量V，其從毛細管的在待進行的 下一楔形-楔形引線連接的第一連接點上的所需作用點 指向毛細管的在待進行的下一楔形-楔形引線連接的第 二連接點上的所需作用點，以及 -在將引線連接到第二連接點上之後，將毛細管沿著由向 量V與垂直線所形成的平面中的行進路徑移動。在將引 線連接到第二連接點上時’像通常那樣產生預定斷開點 ，其中引線將在到達行進路徑的末端時剝離。 基本上，毛細管的行進路徑包括四個連續的行進移動 a) 將毛細管升高預定的距離△ ; b) 以向量v所限定的方向，將毛細管在水平方向上移 動預定的距離△ w 1 ; c) 將毛細管降低預定的距離△ z2 ;以及 d) 以向量v所限定的方向，將毛細管在水平方向上移 動預定的距離△ w2。距離△ W2形成的尺寸使得引線剝離。 在進行步驟a、b和c中毛細管的移動時引線夾張開且 在引線被剝離之前將引線與向量v的方向對準。引線在預 定的斷開點上剝離，使得引線從毛細管伸出，其被與向量 200529397 V的方向對準。 步驟a、b和c中毛細管的移動爲水平或垂直移動。這 些移動也可以互相疊加，以避免突然的停止以及毛細管的 相關振盪，其具有使毛細管的行進時間變短的優點。 如上所述，球形-引線接合器的接合頭具有這樣的毛細 管，其引導引線並且使毛細管的移動具有三個自由度，即 座標的笛卡爾系統的X、y和Z方向上的移動。滿足這些需 求但是在設計上基本不同的不同接合頭在專利EP 3 1 7 7 8 7 、US 5 3 3 0 0 8 9 或 US 64 607 5 1 中有描述。 本發明的基本原理也可以用於這樣的應用··藉由首先 將引線連接到基板上、然後連接到半導體晶片上的方式來 產生引線連接。對於這些應用，通常需要經由必須先前被 施加到半導體晶片上的附加引線材料來補強引線與半導體 晶片之間的連接。在球形連接被首先施加到半導體晶片上 的連接點且不形成引線連接而立即剝離引線的情況中，採 用上述的應用。在商業中’所產生的球形連接被稱爲”凸起 (bump)"或”球形凸起"。然後’產生球形-楔形引線連接，其 中伸出毛細管的引線被熔化爲球且被連接到基板上的連接 點’然後拉出所需的引線長度，經由這種方式，形成引線 環和引線被連接到凸起上，作爲楔形接合。這種引線連接 的特徵在於其具有位於兩個末端的，，球”或”凸起”。在商業 中’追種方法已知爲球形-凸起，反向·環（BaHimp-Reverse-Loop)方法。本發明簡化了對於這種類型應用的引線連接的 產生’其中本發明使伸出毛細管的引線首先被連接到施加 200529397 在半導體晶片上的凸起上，作爲楔形連接，然後被拉出所 需的引線長度，藉由這種方式立即形成引線環並將引線連 接到基板上的連接點上，作爲楔形連接。從而，進行兩種 不同的程序。 對於第一種程序’半導體晶片上的所有連接點都首先 以已知的方法設置凸起。然後，設置半導體晶片與基板之 間的引線環，作爲如上所述的楔形-楔形連接。 對於第二種程序，從開始到結束依次完整地產生一個 引線連接。這種引線連接的產生的特徵在於以下的步驟： 將伸出毛細管的引線熔化爲球（”球的形成”）， 計算水平面上的二維向量V，其從毛細管在半導體晶 片的連接點上的所需作用點指向毛細管在基板的連接點上 的所需作用點， 球的形成通過以下方式： -將球連接到半導體晶片上的連接點，以及 -將毛細管沿著由向量V與垂直線所形成的平面中的行進 路徑移動，從而在行進路徑的末端剝離引線。在此，行 進路徑也包括如第一示例所描述的a到d的行進移動。 凸起被連接到半導體晶片上的連接點且伸出毛細管的引 線指向將產生的引線連接的方向。 .將毛細管移回到剛產生的凸起上， -將伸出毛細管的引線連接到凸起上，從而建立楔形連接 ， -將引線拉出所需長度，從而，像通常那樣，引線形成環 200529397 ’且將引線連接到基板上的連接點上，作爲楔形連接。 【實施方式】 第1 Η示出理解本發明所必需的引線接合器的若干部 分的示意性側視圖。球形-引線接合器包括接合頭2，該接 合頭2以及操縱桿3可藉由兩個驅動器在水平Xy平面1中 移動’其中在操縱桿3的頂端夾有毛細管4。毛細管4具 有縱向鑽孔，藉由該鑽孔饋送引線5。操縱桿3能夠藉由 第三驅動器繞水平軸6旋轉。因此，這三個驅動器使毛細 管4的頂端的移動從一個位置a移動到任一位置B。根據 迨種設計’毛細管4的自由度的數目n總共爲η == 3。此外 ’電極1 2被連接到接合頭2上，藉由該電極，可以將伸出 毛細管的引線熔化爲球。對這種電極的細節描述在台灣專 利申請TW 200404026和1222388中有示例。 第2圖不出具有若干安裝在基板7上的半導體晶片8 的基板7的示意性平面圖。基板7也可以爲半導體晶片。 每個半導體晶片8具有預定數目的連接點9 · 1、9.2等，每 個連接點藉由引線連接1 0 . 1、1 0 · 2等與基板7上的對應的 連接點1 1 · 1、1 1 .2等進行電連接。 現在根據第3圖和第4 Α圖至第4Ε圖對根據本發明的 方法進行詳細的描述。第3圖示出了被第2圖的虛線包圍 的部分。第3圖的左側所示出的引線連接丨〇 · 1已進行到這 樣的程度：藉由球形-引線接合器的毛細管4，引線環已從 半導體晶片8上的第一連接點9. 1延伸到基板7上的對應 的第二連接點1 1 . 1，且末端被焊入兩個連接點9 ·丨和丨i工 -10- 200529397 。但是，從毛細管4中出來的引線5還未與引線連接1 0.1 分開。下一步要做的是產生兩個連接點9.2和1 1.2之間的 引線連接1 〇 · 2。因此，向量v = (v x，v y，v z)的兩個分量v x和 vy確定爲位於水平xy平面中，且從第一連接點9.2指向第 二連接點11 · 2 :向量v連接各個連接點9.2和1 1.2上的毛 細管4的所需作用點。一般而言，兩個連接點9 · 2和1 1 .2 位於不同的z高度，向量v的z分量Vz不重要。因此，兩 個分量vx和〃7限定了位於水平xy平面中的二維向量Vl。 當第一連接點9.2上的毛細管4的所需作用點的座標用（X i， yi，ζ!)指定且第二連接點11.2上的毛細管4的所需作用點 的座標用（x2, y2, z2)指定時，則這導致向量Vl爲 yzn)的結果。同樣示出了從實際還未完成的引線連接10.1 的連接點1 1.1出來的向量v2。向量與向量平行且示 出毛細管4所經過的水平xy平面1中的行進方向，其將在 下面的步驟描述。 第4A圖至第4E圖示出連續瞬態圖中的第二連接點1 1 · 1 、引線5和毛細管4，其示出引線5與引線連接10.1的分 離。引線5的分離使得：在剝離之後，伸出毛細管4的引 線的末端與向量V i或V 2平行。附圖示出與向量v 2平行的 垂直平面中的垂直部分。箭頭表示毛細管4的行進方向。 第4 A圖示出在將引線5連接到第二連接點1 1 · 1之後 緊接的狀況。進行下述的步驟： -毛細管4被升高預定的距離ΛΖι。這個狀況在第4B圖中 示出。 -11- 200529397 -毛細管4被以向量v2所限定的方向在水平方向上移動預 定的距離△ Wl。這個狀況在第4C圖中示出。 -毛細管4被降低預定的距離△ Z2。這個狀況在第4D圖中 示。一般而言，距離△ z2小於距離△ z !，因此，在毛細 管4的後面的行進移動中，引線5沒有與半導體晶片8 摩擦或只與其產生小摩擦。 -毛細管4再次被以向量V2所限定的方向在水平方向上移 動預定的距離△ w2。距離△ W2形成的尺寸使得引線剝離 。第4E圖示出在剝離引線5之後的狀況。 毛細管4在水平方向上移動距離△ w i和毛細管4在後 來降低距離△ z2具有這樣的效果：伸出毛細管4的引線的 末端在水平方向上遠離毛細管4的頂端突起。在向量v i的 方向上的行進方向具有這樣的效果：引線的末端爲將進行 的下一引線連接的方向。 剝離引線5的過程步驟具有這樣的效果：伸出毛細管 4的引線的末端與向量v i平行。毛細管4現在被移動到將 進行的下一引線連接10.2第一連接點9.2且引線5被連接 到連接點9 · 2上。引線5的連接通過預定接合力和超音波 被施加到毛細管4上來完成。由於引線的末端先前沒有形 成球，所以引線5與連接點9.2之間的連接爲楔形連接。 引線現在以通常的方式被拉出所需的長度，形成引線環且 連接到第二連接點1 1 · 2上。同時或者在後來，對將進行的 下一引線連接1〇·3計算向量Vl且根據上述的過程步驟剝離 引線。 -12- 200529397 在完成半導體晶片與基板之間的最末引線連接時，對 下一半導體晶片與基板之間將進行的第一引線連接確定向 量V。經由這種方式，所有的半導體晶片可以容易地藉由 楔形-楔形連接接合。 只存在一個問題，在開始產生時，伸出毛細管的引線 的末端沒有指向與將進行的第一引線連接對應的向量v i的 方向。這個問題可以經由以下的方式解決：或者對於引線 連接’引線的末端形成爲球且引線被連接爲球形連接，或 者引線被連接到基板上的合適位置上，根據本發明的過程 步驟對將進行的第一引線連接計算向量v i和剝離引線。伸 出毛細管的引線的末端現在指向向量v i的方向且第一引線 連接能夠產生爲楔形-楔形連接。 本發明的一個重要優點在於省去了引線球的形成，這 整體來說縮短了循環時間。另一個優點是所產生的楔形-楔 形連接的環筒度小於球形-楔形連接。 第5 A圖示出根據上面基於第4A圖至第4E圖所述的 方法、毛細管4(第4A圖）在向量Vl和垂直線（g[] z方向）所 形成的平面中所經過的行進路徑1 3，其在將引線5連接到 第二連接點1 1 · 1上直到引線5被剝離之後。這個行進路徑 包括兩個垂直和兩個水平的移動，其距離由八^、 △ Ζ2和△ W2限定。根據本發明的方法也可以將毛細管4的 行進移動進行稍微的修改，其特別被最佳化爲在行進移動 期間消除停止的效果。在第5B圖至第5E圖示出四個示例 。對於第5B圖中的示例，將水平方向上的移動距離△ w i -13- 200529397 、毛細管4升局的距離△ z !和毛細管4降低的距離△ z 2疊 加··毛細管4的行進路徑1 3爲鋸齒形。對於第5 C圖的示 例’將毛細管4降低的距離△ z：2與水平方向上的移動距離 △ w!疊加：毛細管4的行進路徑1 3部分爲弓形。此外， 爲了盡可能防止在毛細管4的突然停止時，毛細管4出現 不能避免的振盪以及獲得較短的循環時間，可以藉由丐开多 部分來平滑行進路徑1 3中的剩下的轉角點。第5 B圖和第 5 C圖的不例中所不的行進路徑1 3被修改爲如第5 D圖和第 5 E圖所示。至少在毛細管4完全經過行進路徑1 3時，引 線5被剝離引線連接1 0 · 1 (第2圖）。 本發明的第二實施例涉及這樣的應用：第2圖所示的 半導體晶片8上的連接點9 · 1、9 · 2等以及基板7上的連接 點1 1 · 1、1 1 . 2等之間的引線連接1 〇 · 1、1 〇 · 2等被藉由以 "凸起"的形式施加到半導體晶片8上的連接點9 · 1、9 · 2等 上的附加引線材料而補強。對於這個實施例，引線連接被 一個接一個地產生：首先，’’凸起’'，更確切地說爲所謂的” 球凸起’’被施加到半導體晶片8上的連接點，然後，毛細管 4以將進行的引線連接的方向移動，直到引線5被剝離， 然後毛細管4移回到凸起上’然後進行從凸起到基板7上 的連接點的楔形-楔形引線連接。現在參照第7A圖到第7F 圖對第6圖所不的引線連接1 0 · 2的產生進行描述，其中第 7A圖至第7F圖示出與引線連接10.2的方向對準的垂直面 的垂直部分，即由向量v 1和垂直線所形成的平面。第7 A 圖至第7F圖還示出引線夾1 4的張開或閉合的狀況。固定 -14- 200529397 基準軸1 7用於示出向量V !的方向上的毛細管4的各水平 位置。 第7A圖示出在伸出毛細管4的引線被熔化爲球且連接 到半導體晶片8上的第一連接點9 · 2之後且在引線5被剝 離之前的狀況。在連接時，熔化的球被壓平。引線5仍然 與被壓平的球1 5連接，但是已預形成預定斷開點1 6，在 預定斷開點1 6上引線5將被剝離。毛細管4現在被升高至 所謂的尾部高度，使得在後來剝離引線5之後，伸出毛細 管4的引線5 (所謂的”尾部’’）具有預定的長度。這種狀況如 第7 Β圖所示。毛細管4被同時向側邊和向上移動，較佳的 是沿著以預定斷開點1 6爲中心的弓形，從而這種行進移動 的水平分量指向將進行的引線連接1〇·2的方向。毛細管4 所經過的軌跡路徑如元件符號1 8所示。這個方向經由第一 連接點9.2和第二連接點1 1 · 2上的毛細管4的所需作用點 之間的連接線來限定。這個連接線對應於如第2圖所示的 引線連接1 〇 · 2，作爲向量ν i。當沿著以預定斷開點1 6爲 中心的弓形進行移動時，預定斷開點1 6未變形且引線5還 未剝離。這個狀況如第7 C圖所示。引線夾1 4現在被閉合 且毛細管4進一步遠離第一連接點9 · 1移動，較佳的是沿 著連接預定斷開點1 6和毛細管4的開口的線移動。由於引 線夾1 4被閉合，所以引線5在預定斷開點1 6上被剝離。 ’·球凸起’’的形成現在完成了，且伸出毛細管4的引線與將 進行的引線連接1 〇· 1的方向對準。這個狀況如第7D圖所 示。毛細管4現在移回到”球凸起"（第7 E圖）上且被降低 -15- 200529397 (第7 F圖），且伸出毛細管4的引線藉由壓力和超音波連接 到”球凸起’’上。然後，以通常的方式完成引線連接1 〇 . 2， 其中引線5被拉出預定的長度’像通常那樣形成爲引線環 並連接到第二連接點，作爲楔形連接。 本發明的基本優點在於： -環高度Η(第6圖）小於球形-楔形引線連接。 -楔形-楔形引線連接的產生無需所謂的反向移動，其是球 形-楔形引線連接所需的，以預形成引線環，使引線連接 具有所需的彎曲。經由這種方式，連接點9 · 1、9 · 2等的 空間需求降低了，這提供了連接點9· 1與相鄰設置的半 導體晶片1 9之間的最小距離Α小於當從連接點9.1、9.2 等開始必須進行球形連接時的距離要小的優點，這對於” 層疊的晶片”應用更是如此。 -接合周期所需的時間小於球形-凸起-反向-環方法，由於 對於每個引線連接，引線被熔化爲球只需一次而不是兩 次。 雖然已示出和描述了本發明的實施例和應用，但是對 於可從本公開中獲益的本發明的技術人員來說顯而易見， 在不脫離本發明的範圍的情況下，可以進行多種修改，而 不是上述的實施例。因此，本發明只受所附的申請專利範 圍及其等同物所限制。 【圖式簡單說明】 附圖合倂入本文件中並作爲本文件的一部分，附圖示 出了本發明的一個或多個實施例，且與詳細的說明一起解 -16- 200529397 釋本發明的原理和實現。附圖沒有刻度比例。在附圖中： 第1圖示意性地示出一球形-引線接合器； 第2圖爲示出具有若干半導體晶片的基板的示意性平 面圖； 第3圖爲第2圖的剖面圖； 第4A圖至第4E圖示出引線的剝離和引線的末端形成 下一楔形連接所需的形狀的連續瞬態圖； 第5A圖至第5E圖示出毛細管的不同行進路徑；
% 6圖不出一^完成的引線連接，以及 第7A圖至第7F圖示出用於產生如第6圖所示的引線 連接的毛細管的不同行進路徑。 主要元件符號說明
1 平面 2 接合頭 3 操縱桿 4 毛細管 5 引線 6 水平軸 7 基板 8 半導體晶片 9.1,··· 連接點 10.1,·.. 引線連接 11.1,... 連接點 12 電極 -17- 200529397
12 電極 13 行進路徑 14 引線夾 15 球 16 預定斷開點 17 基準軸 18 軌跡路徑 19 半導體晶片
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