TW584719B - Method and device for measuring the amplitude of a freely oscillating capillary of a wire bonder - Google Patents

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Description

584719 玖、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、內容、實施方式及圖式簡單說明） (一） 發明所屬之技術領域 本發明涉及一種用於測量打線機（wire bonder)的細管 (capillary)自由振盪振幅的方法和裝置。這種打線機的類 型如申請專利範圍第1項的前序部分所述。 (二） 先前技術 打線機是用於在半導體芯片安裝在基板上之後對其進行 布線的機器。打線機具有一個細管，被夾緊在角錐（horn) 的尖端。細管用來將引線（wire)固定到半導體芯片上的連 接點，及基板上的連接點，並且引導兩個連接點之間的引 線。在產生半導體芯片和基片上的連接點之間的引線連接 時，從細管伸出的引線末端首先被熔化成球狀。然後，通 過壓力和超音波將引線球固定到半導體芯片的連接點上。 在此過程中，對角錐施加由超音波轉換器發出的超音波。 适個過程叫做球連接（b a 11 b ο n d i n g )。然後引線被拉伸到要 求的長度，形成一個回路，並被焊接到基板的連接點上。 這個過程的最後一部分叫做楔連接（w e d g e b ο n d i n g )。在將引 線固定到基板的連接點上之後，截斷引線，可以開始下一 個連接製程。 由歐洲專利E P 4 9 8 9 3 6 B 1已知一種用於測量細管自由振 盪振幅的方法和裝置。測量値用來校準超音波轉換器。採 用光阻障（light barrier)來測量細管振盪的振幅。 由日本專利1 0 - 2 0 9 1 9 9已知一種採用鐳射光束作爲光阻 障來測量自由振盪細管振幅的方法和裝置。 584719 實驗表明採用已知技術來測量自由振盪細管尖端振幅無 法產生可再現的結果。 (三）發明內容 本發明的目的即在於提供一種用於測量自由振盪細管尖 端振幅的方法和裝置。 本發明包括申請專利範圍第1項中的技術特徵。具有優 點的設計由附屬申請專利範圍項中得到。
由於細管的振盪改變了通過它的光束強度，與本發明相 一致的方法乃是基於借助於細管的光束遮蔽法（shading)。 允許通過的光束強度通過光接收器（opto-receiver)來測量 。通常並不知道平面內細管振動的方向。然而通常細管的 振動主要沿著角錐的縱軸方向。通過光束遮蔽法測量原則 ，只有細管振動振幅的垂直於光束方向的分量能夠才被測 量。不幸的是當不採取特殊措施時有很多不良效應會妨礙 到重複測量，例如細管的污染、在細管上產生的衍射、細 管表面的逐層變化、光束的不對稱等。本發明可以進行大 量測量並對獲得的測量數據求平均。首先，細管針對光束 進行調整。然後，根據以下步驟決定與光束方向垂直的細 管振動分量Ay。 a)將細管放置在光束的一側且不阻擋光束，並對角錐施 加超音波。 b )沿著預定方向w分決定數値η個步驟將細管移入光束 ，或者完全通過光束直到它位於光束的另一側。其中，在 從i = 1到η的每一步中，除座標系y i外，光接收器的輸出 584719 信號Up(yi)的直流電壓部分uDC(yi)和交流電壓部分UAC(yi) 均可被決定’其中座標系y i標明了細管相對於垂直於光束 的座標軸y的位置，待測的A y分量沿著座標軸y的方向。· c) 靈敏度値Si(yi)的計算是直流部分uDC(yi)關於座標軸y 的導數，Si(yi)^^c〇〇。 dy d) 選擇至少四個測量點，對這裡的每個靈敏度都要選擇至 少四個測量點對於其中每個測量點計算Ay」値， e)計算Ay，i的平均値Ay分量。
Ay分量可以通過統計學方法很方便地計算。這對平滑步 驟c中計算出來的靈敏度値Si(yi)尤其有益，例如可通過對 相鄰測量點求平均來實現。這對於平滑UDC(yi)和UAC(yi)的 測量値也是有益的。不僅考慮四次測量，而是考慮盡可能 多的測量更加有利。例如，選擇測量次數的一個可能標準 是靈敏度値S i超出一個預定的最小値。 (四）實施方式 第1圖顯示了細管1和用於測量細管尖端自由振盪振幅的測 量裝置的平面圖，細管1夾在施加了從超音波轉換器2發出 的超音波的角錐3的尖端上。直角座標系的座標用X、y和z 標記，其中z座標與附圖平面垂直。角錐3固定在打線機的 接合器頭4(bondhead)上。接合器頭4使細管1的尖端可以在 全部三個座標軸方向上移動。測量裝置包括可在工作區域內產 生具有準確直徑的光束6的光源5。光源最好包括鍾射二極體 7和將鐳射二極體7發出的光錐9轉換成光束6的第一光學裝 584719
置8(optical assembly)。在本實施例中，第一光學裝置8包括 兩個透鏡；第一透鏡10將由鐳射二極體發出的光錐9匯聚成 平行光11 ;第二透鏡1 2把光線再聚焦，使得光束6的直徑在 第二透鏡1 2的聚焦平面1 3處達到最小。同時，聚焦平面1 3 是測量細管1振幅的測量平面。此外，本裝置包括一個光接 收器1 4和將光束6映像到光接收器1 4上的第二光學裝置！ 5 。光學裝置1 5包括兩個透鏡；第一透鏡1 6將經過測量平面 後再次發散的光束6匯聚成平行光1 7 ;第二透鏡1 8將平行光 17匯聚到光接收器14上。細管10尖端的直徑大約在50μηι 到1 50μπι之間。光束6在測量平面內的有效値徑小於細管1 在被測量點的直徑。在本實施例中，光束6的直徑達到大約 2 1 μηι 〇 如第1圖中所示，光束6沿著X方向。角錐3的縱軸19沿 y方向伸展。爲了測量細管1的尖端振盪的振幅，細管1的尖
端位於透鏡1 2的聚焦平面1 3並遮住光束6的一部分。當打 開超音波轉換器2時，細管1的尖端在xy平面內振動。振動 的y 分量Ay引起光束6陰影（shading)的變化，該變化可 被光接收器1 4探測到，而振動的x分量Ax並不改變陰影。 本測量裝置具有兩個卓越特點。一方面，光接收器1 4相對 於光束6傾斜了 一個預定角度φ，使得光束6在光接收器1 4 表面反射的部分不會反射回細管甚至鐳射二極體7而是無干 擾的離開了測量裝置。一個1 -2。傾斜角度φ已足夠了。這樣 光束6並不是以90°角照射到光接收器14上。另一方面，兩 光學器件8和15中的任何一個最好分別包括遮蔽板（shield)20 584719 和21，以遮蔽散射光（stray light)。 第2圖顯不了細管1的尖端和光束6。光束6的直徑D L小 於細管1尖端的直徑Dc。 爲了能夠可靠地測量細管1尖端振盪振幅，在本方法的第 一部分必須相對於光束6對細管1的z向高度進行校準。步 驟如下： 1 .將細管1設置在光束的一側，使之不會遮擋光束。此外， 細管1應當在Z方向上足夠低，以至少在下一步驟中它將完 全覆蓋光束。 φ 2 ·沿y方向逐步移動細管1通過光束，直至到達光束的另一 側。之後，從光接收器發出的信號中確定光束大致照射在細 管中央的位置y〇。位置y〇在第3圖中被給出。
3 ·將細管1置於位置y〇，之後將其在z方向上升高，直至光 接收器的輸出信號達到預定値，此預定値通常約爲細管不遮 蔽光束時信號値的5 %。這個位置在第4圖中被給出；下文將 稱之爲z〇。 在本方法的第二部分，現通過以下步驟決定細管1尖端振 盪振幅A的分量Ay : a) 將細管1設置在位置z 〇並在y方向上位於光束6的一側 ，以不遮蔽光束6。通過超音波轉換器2將超音波加在角錐3 上。 b) 在y方向上分η個步驟將細管1移動使之通過光束6，直 至位於光束6的另一側。光接收器1 4的輸出信號Up包括一 個直流電壓部分UDC和一個交流電壓部分UAC : -10- 584719
Up = Udc + Uac (1) 直流電壓部分U D c來自於光束6未被細管1遮蔽的部分 。交流電壓部分UAC來自於光束6由於細管1尖端的振盪 而被調製的部分。在每個從i= 1到η的步驟中，光接收器 14輸出信號Up(yi)的兩個部分UDC(yi)和UAC(yi)以及相應 的y座標y i都被決定和保存下來。 相鄰座標yi和yi + 1之間的距離通常爲Ιμιη。 交流電壓部分UAC與細管1尖端振盪的y分量Ay的關係
UAc=S(y)*A dU DC {y I、 dy
A (2) 其中密度S(y)由直流電壓部分UDC相對於y座標的導數 得到。 a)現在，對於每個測量步驟i，求尋由測量値 dy uDC(yi)計算而得，並保存爲密度Si(yi): dU DC(y 丨)
Si(yi) dy (3) b )依據等式（3 )，現在可以計算每一個測量點i的振幅
A (4) c)通過求平均，可以根據等式（4)從値AyJ中計算出細管 1尖端振盪振幅A的y分量Ay的平均値。 爲了根據以上方法步驟c和d計算y分量Ay的平均値，最 好不考慮所有測量點而是僅僅考慮那些靈敏度S超出預定 最小値的測量點。即當細管1移入光束6和其再次移出的 時候，也即如第5和6圖中所示的當細管1僅僅部分遮蔽 584719 了光束6的時候。這樣，僅僅那些從物理角度來說實際上 提供了有用測量値的測量點被選中。在細管1幾乎全部遮 蔽光束6的區域，其振動對測量信號沒有貢獻。此外，採 用統計學中的常用方法是有好處的。這對於通過平滑求得 的靈敏度S i (y i)尤其有益。平滑過程可以通過例如求三個相鄰 測量値的平均値或者通過擬合到（f i t)預定的函數來完成。平滑 測量値UDC(yi)和UAC(yi)並且在等式（3)和/或（4)中採用相 應的平滑値也是有益的。最好忽略任何反常的數値。 第7到1 1圖顯示了直流電壓部分UDC(yi)、由其計算的靈 敏度Si(yi)以及靈敏度Si(yi)的平滑値Sg(yi)，交流電壓部分 UAC(y i)和由交流電壓部分UAC(yi)和平滑靈敏度Sg(yi)計算 的振幅Ay,i ;平滑靈敏度Sg(yi)作爲y座標yi的函數。第7圖 中，用示意圖表示了細管1相對於光束6的位置，其中箭頭 代表細管1的運動方向。在第1 1圖中，只計算和顯示了那些 相應的靈敏度Si(yi)大於預定最小値的振幅AyJ。這些振幅Ay，i 的平均値在步驟d中被決定，以獲得唯一的細管1尖端振盪 振幅A的分量Ay的値。在本實施例中，對於分量Ay，値 A y，i n = 1 · 3 3 1 μ m 土 0 · 0 3 3 μ m來自於當細管移入光束6時的測量點 ’値Ay，out=1.334pm 土 0·040μπι來自於當細管移出光束6時的 測量點。因此八^^和Ay,的値基本上相等；合在一起，分 量的取値爲 Αγ= 1.3 3 2 μπι±0.0 3 7 μπι。 實際上讓細管完全通過光束6是有意義的，這樣，通過記 錄盡可能多的測量點，在每個測量點的精確度提高了。然而 僅僅將細管部分移入光束6也是可行的。 -12- 584719 第12圖顯示了具有成預定夾角Θ的兩個光束22和23的一 種測量裝置，其中兩個光束分別由光源5和5 1分別產生，強 度分別由光接收器1 4和1 41測量。通過本測量裝置可以測量 到細管1振盪振幅Α的兩個分量A i和Α 2。分量A !代表振幅 A在xy平面內垂直於第一個光束22的分量，分量A2代表 振幅A在xy平面內垂直於第二個光束23的分量。分量A! 和A 2之中每一個都可以採用上文所述方法決定，之後可以 應用常規數學結合實際的幾何圖形來計算振幅A。通過基 於第1圖闡述的例子，細管1的移動軸垂直於光束6的方 向。在根據第1 2圖的例子中，可以選擇細管1分別垂直於 光束2 2或2 3的方向移動以測量分量A 1和A 2。然而細管1 的移動也可以沿著一個預定的方向w。在這種情況下，座 標y i代表了分別垂直於光束2 2和2 3的方向的移動的分量 。因此在每個例子中座標y i都代表細管1相對於與相應光 束22或23垂直的方向上的位置。對於兩個光束22和23 都標示出了方向y。 根據第1和1 2圖的測量裝置可以被永久安裝在打線機上 ，以至於細管振動的振幅可以被隨時測量。 第13圖示了適合作爲移動單元（portable unit)用於不同 的打線機的測量裝置。本測量裝置包括一個平台24，其上 牢固的安裝了兩個所謂的鎖定（snap-on)聚焦裝置25和26 。第一光纖2 7將光源5和第一鎖定聚焦裝置2 5連接在一 起，第二光纖2 8將第二鎖定聚焦裝置2 6和光接收器1 4 連接在一起。第一鎖定聚焦裝置2 5的任務是將從光纖2 7 -13- 584719 傳導過來的光轉換成聚焦於測量平面的光束6。第二鎖定 聚焦裝置2 6的任務是將通過細管的光束6的光注入第二光 纖28之中。 打線機的超音波轉換器2 (第1圖、第1 2圖及第1 3圖） 由一個參數P控制。參數P可以是，比如，通過超音波轉 換器的電流或者加在超音波轉換器上的電壓。通常參數P 和振幅A呈線性關係： A = γ * P (5) 因此，細管1尖端振盪的振幅Α的分量A y的測量或者振 幅A的測量可以決定常量γ。在打線機的生產運作中，常 量γ可以在每次細管改變之後通過測量重新決定並用於生 產。 (五）圖式簡單說明 下面將參照附圖對本發明的實施例作更詳盡的說明。 第1圖基於光束遮蔽法測量自由振盪的細管尖端振幅 的測量裝置。 第2 - 6圖細管尖端相對於光束的不同位置。 第7- 1 1圖 不同圖表。 第1 2、1 3圖其它的測量裝置。 主要部分之代表符號說明 1 細管 2 超音波轉換器 3 角錐 4 接合器頭 -14- 584719 5 光 源 6 光 束 7 鐳 射 二 極 體 8 光 學 裝 置 9 光 錐 10 透 鏡 11 平 行 光 12 透 鏡 13 聚 焦 平 面 14 光 接 收 器 15 光 學 裝 置 16 透 鏡 17 平 行 光 18 透 鏡 19 縱 軸 20 遮 蔽 板 2 1 遮 蔽 板 22 光 束 2 3 光 束 2 4 平 台 2 5 鎖 定 聚 焦 裝 置 26 鎖 定 聚 焦 裝 置 2 7 光 纖 2 8 光 纖
-15-

Claims (1)

  1. 584719 拾、申請專利範圍 1 . 一種用於測量一細管（1 )的尖端振盪振幅的一 Ay分量之 方法，細管夾在施加了由一超音波轉換器（2 )發出的超音 波的角錐（3 )上，其中該測量方法基於被該細管（1 )遮蔽的 一光束（6)的陰影，且其中該光束（6)的強度由一光接收器 (1 4 )測量，其特徵在於以下步驟： 將該細管（1 )設置在該光束（6 )的一側，使其不遮蔽光 束（6 )，對該角錐（3 )施加超音波； 分預定η個步驟沿著預定方向移動該細管（1 )，或者沿 預定方向完全通過該光束（6)，其中，在從i=l到η的每 個步驟中，光接收器（1 4 )的輸出信號的直流電壓部分 U D c ( y i)和交流電壓部分U a c ( y i)以及座標y i都可以被決 定，其中座標yi代表細管（1)相對於垂直於光束（6)的座標 軸y的位置，以及其中待測分量Ay沿著座標軸y的方向； 計算靈敏度値Si(yi)，它是直流電壓部分UDC(yi)相對於 座標軸y的導數，Si(yi)=巧.⑻；及 ay 選擇至少四個測量點，並對這至少四個測量點之中每 一個計算値Ayj，其中Ay，j = ; 由値AyJ計算其平均値分量Ay。 2.如申請專利範圍第1項之方法，其中靈敏度値Si(yi)被平 滑處理。 3 .如申請專利範圍第1項之方法，其中決定細管（1 )振盪振 幅的兩個不同分量。 4 .如申請專利範圍第2項之方法，其中決定細管（1 )振盪振 -16- 584719 幅的兩個不同分量。 5 . —種用於測量一細管（1 )尖端振盪振幅的一分量A y之裝 置，細管夾在施加了一由超音波轉換器（2 )發出的超音波 的角錐（3 )上，其中測量是基於被該細管（1 )遮蔽的一光束 (6 )的陰影，並且其中該光束（6 )的強度通過一光接收器 (1 4 )測量，其特徵爲光束（6 )以一個不同於9 0°的角度照 射在該光接收器（1 4 )上。 -17-
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