TWI505383B - 調整導線鍵合機上超音波鍵合能量的方法 - Google Patents

調整導線鍵合機上超音波鍵合能量的方法 Download PDF

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Description

調整導線鍵合機上超音波鍵合能量的方法
本發明涉及導線鍵合的形成，更具體而言，涉及調整和/或標準化多個導線鍵合機之間的超音波鍵合的改進方法。
此申請主張2012年4月22日提交的美國臨時申請案No.61/636,681的優先權，於此引用並且併入該臨時申請案的全部內容。
在半導體裝置的製程和封裝中，導線鍵合仍然是提供封裝結構內的兩個位置之間(例如，在半導體晶粒的晶粒焊墊與引線框的引線之間)的電性互連的主要方法。更具體地，使用導線鍵合器(也稱為導線鍵合機)，在將要被電性互連的相應位置之間形成導線回路。形成導線回路的主要方法是球鍵合(ball bonding)和楔形鍵合(wedge bonding)。在(a)導線回路的末端與(b)鍵合部位(例如，晶粒焊墊、引線等)之間形成鍵合時，可以使用各種類型的鍵合能量，包括，例如，超音波能量、熱超音波(thermosonic)能量、熱壓能量等。
由於相似的導線鍵合機之間的差異，對相似的導線鍵合機使用或採用相同輸入鍵合參數，可能難以獲得具有大致相同的鍵合特性(例如，剪力強度、拉力強度等)的導線鍵合。例如，每一部機器的超音波傳感器(例如，包括壓電晶體)之間往往具有差異，即使它們名義上是相同 的。因此，即使將相同的能量(例如，電流)施加至各個不同之傳感器，該等傳感器的輸出特性(以及所得到的各個不同之導線鍵合)可能具有顯著的變化。
因此，期望提供在多個相似的導線鍵合機之間形成一致的導線鍵合的改進後的方法。
根據本發明的示例性實施例，提供了一種調整(例如，校準、標準化等)導線鍵合機上的超音波鍵合能量的方法，該方法包括以下步驟：(1)提供無空氣球擠壓與超音波鍵合能量之間的基準關係；(2)確定目標導線鍵合機上的無空氣球擠壓與超音波鍵合能量之間的實際關係；以及(3)調整該目標導線鍵合機的至少一個超音波鍵合能量設定，使得該目標導線鍵合機的該實際關係更接近該基準關係。
100‧‧‧無空氣球
102‧‧‧鍵合頭
104‧‧‧鍵合位置
100a‧‧‧擠壓無空氣球
當結合附圖閱讀以下詳細描述時，根據以下詳細描述，本發明得到了最好的理解。要強調的是，根據通常實踐，附圖的各特徵不是按比例的。相反，為清楚起見，各特徵的尺寸被任意放大或縮小。附圖中包括以下圖：第1圖為圖示出根據本發明的示例性實施例的無空氣球於置於下方之基底的接觸(touchdown)的側視方塊圖；第2圖為圖示出根據本發明的示例性實施例的無空氣球擠壓(squash)與時間的關係的時序圖；第3圖是根據本發明的範例實施例的用於多個導線鍵合機 的擠壓增量與超音波鍵合能量增量的關係的圖示；第4圖是根據本發明的示例性實施例的基準擠壓增量與超音波鍵合能量增量的基準關係的圖示；第5圖是根據本發明的示例性實施例的擠壓增量與超音波鍵合能量增量之間的初始實際關係和校正的實際關係的圖示；第6圖為圖示出根據本發明的示例性實施例的調整目標導線鍵合機上的超音波鍵合能量的方法的流程圖；第7圖為圖示出根據本發明的示例性實施例的調整目標導線鍵合機上的超音波鍵合能量的另一示例性方法的流程圖；以及第8圖為圖示出根據本發明的示例性實施例的測量無空氣球擠壓的方法的流程圖。
如於此使用的，超音波鍵合能量係指導線鍵合機的超音波傳感器所使用的能量。該鍵合能量可用電流控制的能量(例如，以施加至傳感器以實現傳感器的超音波振動並且從而實現鍵合頭(bonding tool)的超音波振動的毫安培的所控制的增量)、電壓控制的能量、電功率控制的能量等等而提供。
在本發明的具體示例性實施例中，係對於超音波鍵合能量的設定進行調整，以提供導線鍵合器的可攜性；也就是說，多個導線鍵合機(例如，該機器可以是相同型號的，或不同型號的)之間具有一致的鍵 合。可調整的示例性超音波鍵合能量設定係包括，但不限於：提供給傳感器的電流的電流設定；提供給傳感器的電壓的電壓設定；提供給傳感器的功率的電功率設定；電流因數設定(例如，基於擠壓的電流因數設定)；電壓因數設定(例如，基於擠壓的電壓因數設定)；功率因數設定(例如，基於擠壓的功率因數設定)；實際關係與基準關係之間的超音波鍵合能量偏移等。如本領域技術人員將理解的，該等因數設定(例如，電流因數設定)可以是施加至實際設定的因數或變數(例如，乘數(multiplier)、偏移等)。因此，在電流因數設定的情況下，該設定可以是施加至待提供給傳感器的實際電流設定的乘數。由於該電流因數設定克服了不同機器(例如，具有相同型號或不同型號的機器)之間的某些差異；因此，該電流因數設定，其對於容許導線鍵合器之使用者使用公共電流輸入來實現大致上相似的導線鍵合來說，可能是有用的。該程序可以涉及超音波鍵合能量設定的手動調整，或可以是完全自動的而無需外部測量(例如，剪力試驗測量、拉力試驗測量等)，由此增加了對於不同機器校準調整的效率(並減少了人力)。
本創新技術量化了無空氣球(FAB)在鍵合力和超音波能量下的擠壓行為。擠壓的速率和量可以利用導線鍵合機的z軸上的高解析度編碼器(或使用其它技術)來測量，並且與施加的超音波能量的為位準成比例。如本領域技術人員將理解的，無空氣球擠壓與導線鍵合的剪力強度之間具有大致的相關性。因此，基於擠壓的調整/校準將大致上把導線鍵合機器之間的剪力強度標準化。
如以下解釋的，在施加超音波能量的時間區段對於擠壓位準進行測量。在一具體範例中，觸及係發生於當無空氣球與鍵合位置發生 物理接觸時；也就是說，在宣告該物理接觸(例如，使用諸如電導率探測的接觸探測系統、使用力探測、使用速度探測，等等)時，可以視為觸及。在宣告接觸後施加鍵合力，並且連結傳感器結構以穩態鍵合力在一位置(例如，導線鍵合機的z軸位置)處釋放。然後，超音波能量施加至無空氣球。在此範例中，在一時間區段(例如一預定時間區段)對於擠壓進行測量；其中，該時間區段開始於施加超音波能量時，並且結束於經歷了該預定時間區段之後。
根據本發明的某些示例性實施例，提供了調整(例如，校準等)多個導線鍵合機之間的超音波能量的方法。例如，某些創新方法將目標導線鍵合機的實際關係(例如，目標導線鍵合機上的無空氣球擠壓與超音波鍵合能量位準之間的相關性)與基準關係(例如，單個(多個)基準導線鍵合機上的無空氣球擠壓與超音波鍵合能量位準之間的預定相關性)進行比較，以及調整目標導線鍵合機的至少一個超音波能量設定，使得調整後的目標關係更接近於該基準關係。此技術使得多個目標導線鍵合機被調整(例如，校準、標準化等)為具有單一基準關係。本創新製程往往具有特別的益處，該特別益處相關於，在例如導線鍵合機的工廠車間(factory floor)處的一系列目標導線鍵合機(其中該等機器可以是相同型號或可以不是相同型號)之間提供具有類似特性的導線球鍵合。
第1圖圖示出鍵合頭102(例如，毛細管)的較低端處與鍵合位置104(例如，半導體晶粒的鍵合焊墊)接觸的無空氣球100在觸及時的側視圖。如本領域技術人員將理解的，可以施加相對低位準的鍵合力，使得可以達到大致上穩定的狀態，其中無空氣球100如第1圖中所示地與鍵 合位置104接觸。然後，施加一位準的超音波鍵合能量(例如，由施加至超音波傳感器的電流所提供)並測量無空氣球100的擠壓。此外，在第1圖中，以虛線圖示出鍵合頭102的向下運動(其導致擠壓)；並且，亦以虛線圖示出從無空氣球100至擠壓無空氣球100a的實際變形。第2圖是用於測量無空氣球擠壓的示例性時序圖。
例如，第2圖是在預定位準的鍵合力(“鍵合力”)和超音波鍵合能量(“超聲鍵合能量”)處，擠壓與時間之關係的簡化時序圖(例如，該時序圖可從示波器獲得)。特別是，y軸圖示出鍵合頭的垂直(在鍵合器z軸上)擠壓移動增量(例如，以z軸編碼器計數該增量)，而x軸圖示出時間的增量(例如，以毫秒為單位)。自時間“零”(x軸最左邊)開始，在時間1期間，示出了鍵合頭102的下降；在此期間，係具有最小鍵合力或沒有鍵合力，並且沒有超音波鍵合能量。位於鍵合頭102的尖端處的無空氣球100，其接觸於位置104(即，無空氣球100的觸及)。存在探測此觸及(“觸及”)的許多方式。例如，此觸及可以感測為閉合電路(completed electrical circuit)。在另一範例中，可以結合無空氣球沿z軸的速度的衰減來感測此觸及。在觸及後(不論該觸及如何被探測)，施加預定位準的鍵合力(“鍵合力”)(例如，相對低位準的鍵合力)，使得z軸位置在時間2期間變得相對穩定。由時間2期間中大致為平的或水平的線來圖示該穩定的z軸位置，於時間2期間中無空氣球100的擠壓量小，或是無空氣球100不擠壓。然後，於預定時間(時間3)(“擠壓”)內施加預定量的超音波鍵合能量(“超音波鍵合能量”)，同時維持鍵合力。在時間3結束時，關閉鍵合力和超音波鍵合能量，並且在時間4期間昇起鍵合頭。在時間3期間，超音波能量的施 加使得鍵合頭向下移動，直至無空氣球100被擠壓。此向下移動的量與無空氣球擠壓的量相關，並且可以通過例如z軸上的高解析度編碼器來對其進行測量。對應於預定鍵合力和預定鍵合能量處的擠壓的資料可以保存到電腦中，其後可用於產生給定導線鍵合機的無空氣球擠壓與超音波鍵合能量的關係/量變曲線。如本領域技術人員將理解的，亦可以設想而得用於測量無空氣球擠壓的其它技術。
無空氣球擠壓與施加的超音波鍵合能量(例如，施加至超音波傳感器的電流)之間的關係往往在超音波鍵合能量的某一範圍內是線性關係一但是如上所述，該關係於變化於不同導線鍵合機之間，從而產生可攜性問題。根據本發明的某些範例實施例，提供了無空氣球擠壓與超音波鍵合能量之間的基準關係。例如，此基準關係可以是期望的或典型的，並且可以通過測量多個相似導線鍵合機的關係，然後從該等多個關係外推而得到該基準關係(例如，對該等多個關係取平均，或對該等多個關係進行其它數學操作來推導出單一基準關係)。
第3圖圖示出多個相似導線鍵合機(例如，相同型號的)的個別的實際關係。更具體地，對於每一個導線鍵合機(例如，每一個導線鍵合機可以是操作於某些可接受規格下的已知機器)推導出其關係。可以通過測量(例如，使用如以上關於第2圖描述的z軸編碼器)超音波能量的多個位準/增量中每一處的z軸無空氣球擠壓來推導該等關係。如本領域技術人員將理解的，在測量無空氣球擠壓的每一個數據點處，可以施加預定鍵合力和預定超音波鍵合能量。可以在預定範圍(例如，導線鍵合機的活動範圍)中遞增地增大預定超音波鍵合能量。在本發明的某些實施例中，預 定鍵合力可以是與該關係相關的靜力，並且在其它實施例中，預定鍵合力可以隨預定超音波鍵合能量一起遞增。所施加的預定鍵合力和預定超音波能量(以獲得用於推導該等關係的各種壓扁測量結果)的範圍將取決於所使用的導線鍵合機、所使用的超音波傳感器的類型、以及各種其它因素。預定超音波鍵合能量的一個示例性範圍為10-100毫安培。在該範例中，施加至超音波傳感器的電流可以由10毫安培遞增至100毫安培(例如，以30個增量而遞增)。也可以使用鍵合力的對應增量。可以在每一個增量處測量無空氣球擠壓，並因而得以提供用於給定導線鍵合機的關係。此程序可以重覆執行於多個相似導線鍵合機。
例如，第3圖圖示出五個不同(但是相似)的導線鍵合機的該等關係(即，以各別的線性關係(即斜率(slope))之形式呈現)。如上所述，該等五個線性關係中的每一個表示超音波鍵合能量的增量(例如，以及鍵合力的增量)處的多個擠壓測量結果。該等五個關係可以用於建立一個單一基準關係。當然，雖然第3圖中示出了五個關係，但是可以使用任何數量的相似導線鍵合機的任何數量的關係來建立期望的基準關係。例如，可以對該等關係之每一者的斜率取平均，來確定一平均斜率一並且該平均斜率可以用作基準關係。
第4圖圖示出一基準關係的範例(例如，期望的基準斜率)。如本領域技術人員將理解的，第4圖中所示的基準關係並非用第3圖的五個關係來推導而得。在任何情況下，在計算得到期望的基準關係後，或已提供期望的基準關係後，期望導線鍵合器之可攜性的多個導線鍵合機的使用者，可以對每個導線鍵合機的各別的實際關係進行調整，使其更緊密地近 似於基準關係。通過使用該調整，每一個調整後的導線鍵合機的輸出可以更緊密地接近基準關係的輸出，由此，以提供使用者於導線鍵合機間的改善的鍵合一致性。
具體地，第5圖圖示出目標導線鍵合機的初始/實際關係(“初始”)。將該關係與第4圖的基準關係(“期望的斜率”)進行比較。調整物件目標導線鍵合機的一個或多個超音波能量設定(例如，待施加至超音波傳感器的電流的電流因數、待施加至超音波傳感器的電壓的電壓因數、實際關係(“初始”)與基準關係(“期望的斜率”)之間的偏移等)，使得目標導線鍵合機的調整後的、或校正後的實際關係(“校正的”)更接近基準關係。因此，第5圖圖示出更接近第4圖的基準關係(“期望的斜率”)的“校正後的”(即，調整後的)關係(即，校正後的關係比初始關係更接近基準關係)。可以使用相同超音波鍵合能量設定(或使用不同或附加超音波鍵合能量設定)如所需地重複調整目標導線鍵合機的實際關係，直至校正後的實際關係在基準關係的預定容許偏差內。
如本領域技術人員所理解的，在用於建立基準關係的導線鍵合機與目標導線鍵合機之間的某些因數期望能保持相同(或大致上類似)。例如，溫度(例如，如由加熱塊提供的)、毛細管類型、導線類型等。
於此描述的調整程序可以重複執行於在工廠中的整組相似的導線鍵合機，例如，使得每一個導線鍵合機被調整為形成具有類似特性的相似導線鍵合。可以例如通過操作員介入來手動執行該程序。然而，可以自動執行該程序。例如，基準關係(以及所關聯的預定容許偏差)可以整合到電腦系統中，由此可以結合存取基準關係的電腦程式或演算法來執 行調整目標關係的程序。在更具體的範例中，基準關係和電腦程式可以包括在每一個待調整的目標導線鍵合機上。
第6圖為圖示出根據本發明的一些示例性實施例的調整導線鍵合機上的超音波鍵合能量的方法的流程圖。在步驟600，提供無空氣球擠壓與超音波鍵合能量之間的基準關係(例如，參見上文中針對第2圖和第3圖的討論)。在步驟602，確定目標導線鍵合機上的超音波鍵合能量與無空氣球擠壓之間的實際關係。在步驟604，在可選步驟中，將目標導線鍵合機的實際關係與基準關係進行比較。然後，在步驟606，調整目標導線鍵合機的至少一個超音波鍵合能量設定，使得目標導線鍵合機的實際關係更接近基準關係。
第7圖為圖示出根據本發明的一些示例性實施例的調整導線鍵合機上的超音波鍵合能量的另一方法的流程圖。在步驟700，提供無空氣球擠壓與超音波鍵合能量之間的基準關係(例如，參見上文中針對第2圖和第3圖的討論)。在步驟702，確定目標導線鍵合機上的超音波鍵合能量與無空氣球擠壓之間的實際關係。在步驟704，將目標導線鍵合機的實際關係與基準關係進行比較。在步驟706，確定目標導線鍵合機的(調整後的)實際關係是否在基準關係的預定容許偏差內。例如，可以使用演算法、曲線符合軟體、及本領域技術人員理解的其它技術來實現該確定。如果答案是肯定的，則進行到步驟708並且完成操作。如果答案是否定的，則進行到步驟710，在此，調整目標導線鍵合機的至少一個超音波鍵合能量設定，使得目標導線鍵合機的調整的關係更接近基準關係。該方法然後返回到步驟706，直至調整後的實際關係在基準關係的預定容許偏差內。需要注意，可 以在迴圈中重複步驟706和710，直至調整後的實際關係在基準關係的預定容許偏差內，並且方法進行到步驟708(操作完成)，或直至步驟706和710重複了預定次數，或達預定時間區段。
第8圖為圖示出測量無空氣球擠壓的示例性方法的流程圖。具體地，第8圖描述了第1-2圖所圖示的程序。在步驟800，降低無空氣球以在鍵合位置(例如，諸如晶粒焊墊的基底)上觸及。在步驟802，施加鍵合力。在步驟804，經過時間T1。然後在步驟806，測量初始Z高度(例如，毛細管的或導線鍵合機的鍵合頭的其它部分的)。自步驟808，施加預定位準的超音波能量(例如，同時保持鍵合力)。在步驟810，經過時間T2。然後，在步驟812，關閉超音波能量和鍵合力。在步驟814，再次測量Z高度(最終Z高度)。在步驟816，確定初始Z高度(在步驟806)與最終Z高度(在步驟814)之間的差以獲得在對應超音波鍵合能量增量處的擠壓。如以上所提供的，可以對許多超音波鍵合能量增量(例如，以及鍵合力增量)重複此程序(或其它擠壓測量程序)，以推導出特定鍵合機的關係。該程序可以用於建立基準關係(其與一個或多個導線鍵合機相關)或與待調整的目標導線鍵合機的實際關係相關。
雖然，于此，無空氣球擠壓與超音波鍵合能量之間的關係(例如，基準或實際關係)以線狀而呈現，並且更具體地，以線性關係的斜率而呈現；然而，該等關係可用其它形式而呈現。例如，該等關係可用曲線、一系列的數、多個數據點、數學運算式、或其它形式而呈現。
可以在各導線鍵合機上的單個位置確定於此描述的擠壓值(例如，用於建立基準關係，用於建立實際導線鍵合機的實際關係等)。相 反的，可以在可能具有變化的影響的基準或目標導線鍵合機上的不同位置完成擠壓的確定(以及所關聯的調整)。例如，可以在四個或更多鍵合方向上進行擠壓的確定(以及所關聯的調整)以克服該變化。
如本領域技術人員將理解的，根據本發明的對超音波鍵合能量設定的調整，其可以期望地例如將目標導線鍵合機的實際關係的斜率改變為更接近基準關係的斜率。在改變實際關係的斜率後(例如，在基準關係的斜率的預定容許偏差內)，可以進一步確定基準關係與調整後的實際關係之間的偏移是否在可接受的容許偏差內。如果兩個關係之間(例如兩條線之間)的偏移不在可接受的容許偏差內，則可以進行另一調整(例如，鍵合力調整)以改變該偏移。
雖然於此參照具體實施例示例和描述了本發明，但是不是意在將本發明限制於所示的細節。而是，可以在專利範圍的等同物的範圍內並且不脫離本發明對細節進行各種修改。

Claims (21)

  1. 一種調整導線鍵合機上的超音波鍵合能量的方法，包括以下步驟：a)提供無空氣球擠壓與超音波鍵合能量之間的一基準關係；b)確定一目標導線鍵合機上的無空氣球擠壓與超音波鍵合能量之間的一實際關係；以及c)調整該目標導線鍵合機的至少一個超音波鍵合能量設定，使得該目標導線鍵合機的該實際關係更接近該基準關係。
  2. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中，複數個基準導線鍵合機用於提供步驟a)中的無空氣球擠壓與超音波鍵合能量之間的該基準關係。
  3. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中，步驟a)的該基準關係有關於該超音波鍵合能量的複數個值中的每一個值處之各別的無空氣球擠壓。
  4. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中，步驟a)的該基準關係有關於複數個導線鍵合機的每一者上的超音波鍵合能量的複數個值中的每一個值處之各別的無空氣球擠壓。
  5. 根據申請專利範圍第4項的方法，其中，經由對該等複數個導線鍵合機的每一者在該超音波鍵合能量的該等複數個 值的每一個值處的該各別的無空氣球擠壓進行平均，以獲得該基準關係。
  6. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中，重複步驟b)和c)，直至該實際關係在該基準關係的一預定容許偏差內。
  7. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中，對複數個附加目標導線鍵合機重複步驟b)和c)。
  8. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中，步驟b)中的該無空氣球擠壓對應於該目標導線鍵合機的一鍵合頭的z軸運動。
  9. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中，使用該目標導線鍵合機的一z軸編碼器來確定步驟b)中的該無空氣球擠壓。
  10. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中，步驟c)的該目標導線鍵合機的該等至少一個超音波鍵合能量設定的該調整是手動調整。
  11. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中，步驟c)的該目標導線鍵合機的該等至少一個超音波鍵合能量設定的該調整是自動調整。
  12. 根據申請專利範圍第11項的方法，其中，在迴圈中執行步驟b)和c)。
  13. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中，使用至少1000個資料點來建立步驟a)的該無空氣球擠壓與該超音波鍵合能量之間的所提供的基準關係。
  14. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中，於步驟c)中所調整的該等至少一個超音波鍵合能量設定是一超音波傳感器的電流因數設定。
  15. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中，於步驟c)中所調整的該等至少一個超音波鍵合能量設定是一超音波傳感器的電壓因數設定。
  16. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中，於步驟c)中所調整的該等至少一個超音波鍵合能量設定是該實際關係與該基準關係之間的偏移。
  17. 根據申請專利範圍第1項的方法，還包括將步驟b)中所確定的該實際關係與步驟a)中所提供的該基準關係進行比較的步驟。
  18. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中，該目標導線鍵合機的該實際關係大致上是線性關係，並且其中，步驟c)的該等至少一個超音波鍵合能量設定的該調整導致該目標導線鍵合機的該實際關係的斜率的改變。
  19. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中，該實際關係和該基準關係大致上是線性關係。
  20. 根據申請專利範圍第19項的方法，其中，步驟c)的該等至少一個超音波鍵合能量設定的該調整導致該目標導線鍵合機的該實際關係的斜率的改變。
  21. 根據申請專利範圍第20項的方法，還包括步驟d)，於步驟d)中，確定(i)步驟c)之後的該實際關係與(ii)該基準關係之間的偏移是否在一預定容許偏差內。
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