TW560022B - Method for the calibration of a wire bonder - Google Patents

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capillary
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Michael Mayer
Jurg Schwizer
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Esec Trading Sa
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Description

560022 五、 發明說明 ( 1 : ) 技 術 領 域 本 發 明 涉 及 打 線 機 校 準 之 方 法 〇 背 景 技 術 打 線 機 是 一 種 用 來 當 半 導 體 晶 片 被 安 裝 在 基 板 上 以 後 進 行 導 線 連 接 的 機 器 〇 打 線 機 具 有 一 個 被 挾 持在 -- 個 角 臂 頂 端 的 毛 細 管 〇 該 毛 細 管 用 於 將 導 線 固 定 到 半 導 體 晶 片 的 連 接 點 上 及 基 板 的 連 接 點 上 並 在 兩 個 連 接 點 之 間 引 導 導 線 〇 在 半 導 am 體 晶 片 的 連 接 點 及 基 板 的 連 接 點 之 間 進 行 導 線 連 接 時 伸 出 毛 細 管 的 導 線 端 部 首 先 被 熔 化 成球 珠 〇 妖 J \ \\ 後 借 助 壓 力 及 超 ：gl 波 使球珠 固 定 到 半 導 體 晶 片 的 連 接 點 上 〇 在 此 情 況 下 超 士ru 賢 波從 超 聲 波 換 能 器 施 加 到 角 臂 〇 該 工 藝 被 公 知 爲 球 形 接 合 〇 接 著 導 線 被 拉 出 到 所 需 長 度 ， 形 成 導 線 環 倂 被 焊 到 基 板 的 連 接 點 上 〇 最 後 的 製 程 被 稱 爲 楔 形 接 合 〇 在 導 線 被 固 定 到 基 板 的 連 接 點 上 後 導 線 被 割 分 及 可 開 始 下 個 接 合 周 期 0 球 形 接 合 可 受 到 各 種 因 素 的 影 響 〇 爲 了 獲 得 預 定 質 量 的 接 合 ， 對 於 專 門 的 製 程 必 須 確 定 多 個 物 理 和 /或技術參 數 的 最 佳 値 〇 追 & 參 數 的 例 子 爲 ; 接 合 力 ， 它 是 在 接 合 過 程 中 由 毛 細 管 施 加 在 球 珠 或 半 導 體 晶 片 的 連 接 點 上 的 力 J 或 交 變 電 流 的 振 幅 値 通 過 它 超 聲 波 換 能 器 對 角 臂 提 供 超 聲 波 0 在 接 合 期 間 9 毛 細 管 經 常 地 磨 損 ， 它 必 需 被 新 的 毛 細 管 替 換 〇 當 更 換 毛 細 管 時 j 通 常 毛 細 管 頂 端 的 振 盪 性 能 改 變 因 爲 每 個 毛 細 管 的 特性 有 些 不 同 及 被 不 同 地 挾 持 在 角 臂 上 〇 因 此 y 在 每 個 毛 細 3- 管 更 換 後 必 需 重 校 準 打 560022 五、發明說明（2) 線機的具體參數，由超聲波換能器對角臂提供的交變電 流的振幅値必需適應新的條件。 由歐洲專利EP 498 93 6可知一種校準角臂振盪振幅値 的方法。通過該方法，測量角臂頂端在空氣中自由振盪 的振幅値及重新規定由超聲波換能器對角臂提供的交變 電流的振幅値，以使得角臂頂端在空氣中的振盪呈現預 定値。 由歐洲專利申請EP 9 5 3 3 9 8得知了一種校準打線機參 數的方法，通過該方法毛細管的頂端或由毛細管頂端引 導的焊球接觸到測試晶片的連接點。該測試晶片包括集 成在連接點區域中的感測器，感測器的信號用來作校準 。譬如預計用測量溫度的感測器來校準超聲波的功率。 論文〃使用現場壓敏電阻微感測器分析超聲波打絲接 合〃得知了在接合期間能夠記錄在矽片中產生的機械應 力的壓敏電阻感測器，它被發表在於200 1年6月10-14 曰在慕尼黑召開的關於"Transducers 01 Eurosensor XV” 會議的會刊上。 發明內容 本發明的目的是開發一種校準打線機的方法，它能保 證：在批量生產中，毛細管更換前後半導體晶片在相同 的工藝條件下被打線接合。 本發明的另一目的在於，在批量生產中在一個打線機 上得到的最佳參數可發送到另一打線機。本發明也提供 了對該目的的解決方案及以簡單及可靠方式支持參數從 560022 五、發明說明（3 ) 一個打線機轉移到另一打線機。 根據本發明所述目的將借助一種方法來解決，其中借 助集成在半導體晶片中的感測器首先確定第一打線機的 第一參考値及使用同一感測器或相同類型感測器在譬如 毛細管被更換後來重新校準第一打線機或借助參考値來 校準另一打線機。 每個打線機具有一個被挾持在一個角臂上的毛細管。 由超聲波換能器對角臂提供超聲波，其中借助參數P控 制超聲波換能器。及根據以下步驟確定參考値uRef: a 1)將無導線或線球的毛細管放置在感測器的接觸區上， bl)將接合力Fc施加到毛細管上，該接合力足夠地大， 以使得在下個步驟中毛細管不會在感測器1的表面上前 、後滑動， cl)對超聲波換能器提供預定的參數値Pi，及一旦進入 穩態獲得感測器信號的振幅値，及 dl)將感測器信號的値ΙΛ作爲參考値 U R e f存儲。 重新校準第一打線機，例如當毛細管更換後，或將校準 另一打線機，這時根據以下步驟來確定校正係數T : a2)將無導線或線球的毛細管放置在同一感測器或同一類 型的不同感測器的接觸區上， b2)將相同的接合力Fc施加到毛細管上，及 〇2)在參數P的控制下操作超聲波換能器，及 d2)確定校正係數r，以使得當參數P的用値P2= y ncPi 操作超聲波換能器時感測器信號振幅値爲値URef。 560022 五、發明說明（4) 因此，如果以此方法校準的打線機的超聲波換能器在 接合生產中被用參數p的値p2二r *Pi操作時，就可保 證在與第一打線機的半導體晶片相同的物理處理條件下 在參考値uRef確定的緊後面對半導體晶片進行導線連 接。 . 根據一個優選實施例，在步驟c2)中，參數値Pi被提 供給超聲波換能器及在達到穩態後獲得感測器信號的振 幅値u ;及在步驟d2)中，校正係數r被確定爲uRef /U 〇 根據另一實施例，在步驟C2)中，參數値Pi被改變直 到感測器信號的振幅値爲値uRef及在此狀態下參數p的 値被表示爲P2。校正係數7則被確定爲T = P2/Pl。 以此方法來校準的參數P例如是流過超聲波換能器的 電流或供給超聲波換能器的電壓。 附圖說明 以下將根據附圖對本發明作更詳細的描述。附圖爲： 第1、2圖示出了集成在半導體晶片上包括4個壓敏 電阻元件的感測器， 第3圖示出了 4個電敏電阻元件的電路， 第4圖示出了打線機的元件， 第5圖示出了感測器的輸出信號，及 第6圖示出了另一感測器。 具體實施方式 第1及2圖表示集成在半導體晶片中的感測器1的平 560022 五、 發明說明 ( 5； ) 面 圖 及 橫 截 面 圖 該 晶 片包括4個壓敏電阻元件2至5 它 們 被 電 連 接 成 惠 斯 通（Wheatston)電橋。感測器1的 輸 出 信 號 相 應 於 惠 斯 通 電橋的輸出信號。該感測器最好 由 η 摻 雜 的 矽 6 組 成 壓敏電阻元件2至5埋入在矽表 面 7 中 作 爲 Ρ 摻 雜 的 矽作成的波狀電阻路徑。感測器1 的 表 面 7 上 覆 蓋 著 傳 統 的鈍化層8。壓敏電阻元件2至 5被 布 置 在: 近 似 方 的 接) 獨區9的外部，當超聲波功率校 準 時 —^ 個 打 線 機 的 毛 細 管10的頂端在該接觸區內壓在 半 導 體 晶 片 上 〇 毛 細 管 1 0頂端理想地壓在感測器1上 的 域 用 虛 線 圓 環 1 〕’表示。在第1圖中，笛卡兒座標 系 的 軸 用 X 及 Y 表 示 〇 X方向最好平行於矽晶體軸[Π 0] 延伸 0 壓 敏 電 阻 元 件 2 至5的波狀路徑沿X方向延伸， 及 從 X 方 向 看 被 布 置 於接觸區9的左面及右面。它們 用 於 檢 測 機 械 應 力 該 應力是當對毛細管1 〇提供超聲 波 時 在 感 測 器 1 中 X 方 向上引起的剪切力Fx。在校準時 ， 感 測 器 1 相 對 打 線 機 定向，以使得毛細管1 〇的振盪 方 向 儘 可 能 平行 於 X 方 向地延伸。 第 3 圖 表 示 由 4 個 壓 敏電阻元件2至5形成的惠斯通 電 橋 的 電 路 圖 〇 追 4 個 壓敏電阻元件2至5通過鋁作的 通 用 導 體 連 接 〇 該 惠 斯 通電橋最好由來自恆定電壓源的 電 壓 U 供 電 〇 惠 斯 通 電 橋的輸出電壓U〇ut二V1-V2則由 下 式 產 生 ; h Γ - R 丨2及4 一及3 及5 TJ ( 1 ^ Out (足+ r4)*(r2+r5) -7- 560022 五、發明說明（6) 式中r2至r5表示壓敏電阻元件2至5的歐姆電阻。 感測器1適用於打線機的超聲波換能器的校準，或更 確切地，適用於控制超聲波換能器的參數的校準。第4 圖表示打線機各部分的槪圖，即包括角臂1 7，由壓敏電 阻元件組成的超聲波換能器1 8及供給超聲波換能器1 8 的能源1 9。當根據以上導言部分所述步驟借助打線機對 半導體晶片接合導線時，對於專門的產品，即對於半導 體晶片及基板的專門組合必需優化各個接合參數。在論 文中，甚至在專利文獻中已經廣泛地描述了球形接合的 無數細節。以下球形接合製程的簡單例子用來理解本發 明。在毛細管頂端形成線球後，使毛細管降低直到該線 球沖擊到半導體晶片上的接觸點上及直到毛細管用預定 力、即所謂接合力FB將線球壓到接觸點上爲止。然後 ，對毛細管供給超聲波一個預定的接合時間r。接著， 再次抬起毛細管及形成導線環。毛細管被挾持在角臂1 7 的頂端。當接合時，借助超聲波換能器1 8對角臂1 7提 供超聲波。在此情況下，恆定的交流電流或恆定的交流 電壓或恆定的能量從能源1 9供給到超聲波換能器1 8。 在該例中，對超聲波換能器18供給交流電流1= IT* siii( ω t)，其中It表示振幅値，ω表示頻率及t表示時間。 因此，在該例中，施加給超聲波換能器1 8的參數P是 由能源1 9提供的交流電流I。 在一個新的產品開始接線前，對於用於新產品的接合 力FB、交流電流振幅値Ιτ及接合時間r的合適參數將 560022 五、發明說明（7) 首先被確定。 使用第一毛細管進行這些參數的確定，及對該些參數 找到的最佳値用FB1、IT1及r表示。在這些參數被確定 後，根據以下步驟確定參考値URef : 1 ·將無導線或線球的毛細管放置在感測器1的接觸區9 上。該毛細管應盡可能靠近接觸區9的中間放置。 2.將接合力Fc施加到毛細管上，該接合力足夠地大， 以使得在下個步驟3中毛細管不會在感測器1的表面 上前、後滑動。1 N的接合力被證明是可靠的。 3 .將具有値IT1的恆定交流電流振幅値供給超聲波換能 器。這時一直等待到瞬態響應結束及達到穩態。該穩 態的特徵是感測器信號U0ut(t)的振幅値UG不再改 變〇 4·在穩態時出現的感測器信號U0ut(t)的振幅値U〇被値 爲參考値URef存儲： URef = U〇 然後將導線再穿到毛細管中及用前面找到接合力的値 FB1、流過超聲波換能器的交流電流的振幅値IT1及接合 時間r來開始接合生產。 在毛細管更換或角臂更換或甚至當生產期間重校準後 ，對於流過超聲波換能器的交流電流的振幅値It總是確 定一個新値IT2。這例如可根據以下步驟確定一個校正 係數7來進行： 1 ·再次地將無導線或線球的新毛細管放置在感測器1上 560022 五、發明說明（8) 並盡可能靠近接觸區9的中間。 2.將接合力Fc施加到毛細管上。 3 ·將具有値IT1的恆定交流電流振幅値供給超聲波換能 器。這時一直等待到瞬態響應結束及達到穩態。在該 穩態中產生的感測器信號的振幅値U0ut(t)作爲値U被 獲得。 4.確定校正係數r，有uRef/u。 接著，可重新開始接合生產，由此恆定交流電流供給 超聲波換能器，該交流電流的振幅値由式It2 = r * Ιτ 1給 出。 該同樣的方法適用於從參考打線機向另一打線機轉移 參數。將參考打線機的參數URef及IT1以及另外的過程 參數如接合力作爲參考値存儲在另一打線機中。然後， 借助根據上述步驟的校準確定係數7。現在可重新開始 接合生產，其中對超聲波換能器供給恆定交流電流，該 交流電流振幅値由式I τ 2 = 7 * 1T 1給出。 根據本發明的方法的確定因素是在校準期間毛細管1 0 不在感測器1上前後地滑動。但是，在供給超聲波時， 毛細管1 〇在感測器1上施加剪切力，它由壓敏電阻元 件2至5轉換成電信號。第5圖表示作爲時間t的函數 的惠斯通電橋振盪輸出信號U0ut(t)的振幅値（A)(包絡 線絕對値），在毛細管1 0未滑動的情況下爲實線及在 毛細管1 〇突然開始滑動時爲虛線。超聲波在時間h上 供給超聲波換能器。毛細管開始振盪及振盪振幅値持續 -10- 560022 五、發明說明（9) 增加。如果該毛細管不滑動，則在瞬變響應時振幅値持 續增加，直到瞬變響應結束爲止。這時振幅値A具有恆 定値U 〇。另一方面，如果接合力相對超聲波振幅値過低 ，則毛細管1 〇突然開始滑動。在感測器1中產生的剪 切力Fx不再增加。振幅値A的曲線具有一個折點1 6， 同時在瞬變響應結束前振幅値A(虛線）保持恆定水平。 以此方式確定的惠斯通電橋的輸出信號U0ut的値U〇 相對於供給超聲波換能器的交流電流的振幅値Ιτ很線性 。溫度依賴性也很低，當各個校準程序期間溫度恆定保 持在約±5 °C上時便可滿足。此外該校準可在生產中進行 接合時的溫度上進行。這具有其優點，即在更換毛細管 時不會損失有價値的時間，因爲打線機不需要被冷卻及 再加熱到處理溫度。 此外，因爲感測器之間的區別足夠小，不一定總是使 用相同感測器。甚至當感測器固定安裝在每個打線機上 時這也允許參數轉移。 這裡必需指出，對於參數P的重新校準，在該例中流 過超聲波換能器的交流電流的振幅値的重新校準，可使 用稍微修改的程序，通過該程序可直接重新規定流過超 聲波換能器的交流電流的振幅値IT2。在此情況下，上 述方法的步驟a2及b2首先被執行。然後在步驟C2中， 對超聲波換能器提供恆定交流電流，它的振幅値爲値 IT1。這時一直等待到瞬態響應結束及達到穩態。現在， 在步驟d2中振幅値IT1被改變直到感測器信號U0ut(t)的振 -11- 560022 五、發明說明（1〇) 幅値具有値uRef爲止。振幅値IT2的相應値被存儲。校 正系統則爲 7 = Ιτ2/Ιτ 1 然後，可重新開始接合生產，其中對超聲波換能器供 給的恆定交流電流，其振幅値由新確定的値ΙΤ2給出， 從而 Ιτ2 = 7 *Ιτι。 第6圖表示一個感測器1的平面圖，它包括用於測量 在X方向產生的剪切力Fx的4個壓敏電阻元件2至5 及包括用於測量在Y方向產生的剪切力FY的4個壓敏 電阻元件11至14。4個壓敏電阻元件2至5電連接成 第一惠斯通電橋，它的輸出信號表示爲U0ut，x(t)。4個 壓敏電阻元件1 1至1 4電連接成第二惠斯通電橋，它的 輸出信號表示爲U0ut，y(t)。通過感測器1可確定參考値 URef，而不必需使毛細管1 0的振盪方向對準平行於感測 器1的X方向。一旦瞬態響應結束及達到穩態，參考値 URef將由輸出信號U0ut,x⑴及U0ut,y⑴的振幅値UQ，X& U 〇，y如下地確定： U^j = (3) 接觸區9的尺寸典型爲80//m*80//m，而毛細管10 的頂端直徑約爲20 // m至30 // m。 輸出信號U0ut，x(t)及U0ut，y(t)的振幅値依賴於毛細管 1 0壓到接觸區9的位置。爲了增加校準精確度，因此建 議將毛細管1 〇放在接觸區9的不同位置上及基於在這些 位置上獲得的測量値確定參考値URef及校正係數r，例 -12- 560022 五、發明說明（11) 如如下所述： 在第6圖中，毛細管1 0的各中間接觸點1 5槪要表示 爲，它由一對座標（Xi，k，yi,k)表示，其中下標i，k在該例 中例如各有5個不同的値。兩個接觸點1 5之間的距離 典型在5 // m至1 0 // m之間。根據上述方法所測量的各 振幅値U〇，x(Xi,k，yi,k)及-需要的話-U0，y(xi,k，yi，k)各來自 一個鞍形區域。現在，該鞍形函數UG，X的鞍部坐標 (XS，x，yS，y)及値UG，x(Xs，x，ys，y)以及一需要的話一該鞍形函 數U〇,y的鞍部座標（xs，y,ys,y)及値1；0,以\8^]1〇通過數 學被確定，及最後分別根據式（2)及（3)計算參考値URef。 在供給超聲波換能器的是恆定交流電壓而非恆定交流 電流的情況下，類似地進行校準，其中用電壓來取代電流。 符號說明 1…感測器 2-5…壓敏電阻元件 6…η摻雜矽 7…表面 8…鈍化層 9…接觸區 10…毛細管 1 0’…圓環 U-14…壓敏電阻元件 1 5…接觸點 16…折點 -13- 560022 五、發明說明（12) 17…角臂 18…超聲波換能器 19…能源 A…振幅 -14-

Claims (1)

  1. 560022 六、申請專利範圍 1 · 一種借助集成在半導體晶片中的感測器（1)校準一 個或多個打線機的方法，由此每個打線機具有一個被 挾持在一個角臂上的毛細管（1 0)，由超聲波換能器對 角臂提供超聲波，借助參數P控制超聲波換能器及借 助第一打線機根據以下步驟確定參考値URef : a 1)將無導線或線球的毛細管（1 0 )放置在感測器（1 )的 接觸區（9)上； bl)將接合力施加到毛細管（10)上，該接合力足夠地 大，以使得在下個步驟中毛細管（1 〇)不會在感測器（1 ) 的接觸區（9)上前、後滑動·， c 1)對超聲波換能器提供預定的參數値P !，及一旦進 入穩態獲得感測器信號的振幅値U i ;及 dl)將感測器信號的値U!作爲參考値URef存儲， 由此例如當毛細管更換後使打線機的參數P重新 校準，或校準另一打線機的參數P以便在接合生產 中用參數p的値P2二r *Pi操作超聲波換能器，其中 T爲校正係數，它根據以下步驟來確定： a2)再次地將無導線或線球的毛細管（10)放置在同一 感測器（1)或同一類型的不同感測器（1)的接觸區（9) 上； b2)將相同的接合力施加到毛細管（10)上；及 c2)在參數P的控制下操作超聲波換能器；及 d2)確定校正係數7 ，以使得當値p2二r *Ρι提供給 超聲波換能器時感測器信號振幅値爲値uRef。 -15- 560022
    中請專利範圍 2·如申請專利範圍第1項的方法，其中在步驟C2)中， 參數値P i被提供給超聲波換能器及一旦進入穩態就 獲得感測器信號的振幅値U ;及在步驟d2)中，校正 係數r被確定爲r= uRef/u。 3·如申請專利範圍第1項的方法，其中在步驟C2)中， #數P的値被改變直到感測器信號的振幅値爲値 uRef及校正係數r被確定爲r二P2/P!。 4 ·如申請專利範圍第1項的方法，其中參數p是流過 超聲波換能器的交流電流或施加於超聲波換能器的 交流電壓。 5 ·如申請專利範圍第2項的方法，其中參數P是流過 超聲波換能器的交流電流或施加於超聲波換能器的 交流電壓。 6 ·如申請專利範圍第3項的方法，其中參數P是流過 超聲波換能器的交流電流或施加於超聲波換能器的 交流電壓。 7·如申請專利範圍第1項的方法，其中感測器（1 )包括 壓敏電阻元件（2,3,4,5)。 8 ·如申請專利範圍第2項的方法，其中感測器（1 )包括 壓敏電阻元件（2,3,4,5)。 9.如申請專利範圍第3項的方法，其中感測器（1)包括 壓敏電阻元件（2，3，4，5 )。 1 0 ·如申請專利範圍第4項的方法，其中感測器（1 )包 括壓敏電阻元件（2,3,4,5) ° -16 - 560022 六、申請專利範圍 1 1 .如申請專利範圍第5項的方法，其中感測器（1 )包 括壓敏電阻元件（2,3,4,5)。 12.如申請專利範圍第7項的方法，其中感測器（1)包括 第一壓敏電阻元件（2，3，4，5 )，用於測量第一方向上產 生的剪切力，及包括第二壓敏電阻元件 (11,12，13，14)，用於測量第二方向上產生的剪切力； 及由第一壓敏電阻元件與第二壓敏電阻元件所輸出 信號用於確定參考値URef及校正係數7。 -17-
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