WO1993005917A1 - Verfahren zur optimierung des schweissprozesses bei ultraschallbondverfahren - Google Patents

Verfahren zur optimierung des schweissprozesses bei ultraschallbondverfahren Download PDF

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K20/10—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding
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    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R43/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors
    • H01R43/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors for soldered or welded connections
    • H01R43/0207—Ultrasonic-, H.F.-, cold- or impact welding

Definitions

  • the present invention relates to a method for
  • thermosonic bonding Production of electronic components, in particular by means of ultrasonic bonding, thermosonic bonding or thermocompression bonding on thermosonic bonding machines and single-point TAB bonding (SPTAB).
  • Patent specification DD 45217 proposes a program-controlled temporal course of the ultrasonic energy input in such a way that the mechanical vibration amplitude of the sonotrode is not kept stable at a preselectable constant value during the entire welding process, but rather by a preselectable temporal value
  • the course is controlled in a targeted, variable manner, preferably with a decreasing characteristic.
  • bonding an improvement in wire, foil, ribbon and lead bonding or the like, hereinafter referred to as bonding, is used by more or less certain correlations during the welding process between measurable quantities and the quality of the welds can. It has long been known here to detect a possible drop in the HF generator output voltage and to use it to switch off the welding energy. A further possibility is described in the patent specification DD 83 289 that the drop in the mechanical oscillation amplitude of the oscillating head is monitored via a piezoelectric sensor and a switch-off S igna l is obtained at the end of the welding process.
  • a number of other methods for solving the problem of process reliability and the quality of the weld are concerned with signals which can be derived once from the welding process as a measure of the quality of the welded joint. It is proposed in the patent DE 23 16 598 to evaluate an indentation that occurs during the time course of the HF generator output voltage or the suddenly increasing electrical contact resistance between the sonotrode and the upper welding component as a sign of the completion of the welding point and to end the energy input. From the patent DE 3233 629 it is apparent that the adhesive force with which the sonotrode is connected to the upper welding component as a process side effect during the welding process is determined. After the end of the energy input while the sonotrode is being lifted up, the adhesive force can be measured as a necessary detaching force on the sonotrode.
  • a method is also known from DD 219 338 in which the usual ultrasonic energy is clocked by a lower frequency, as a result of which an intermittent mode of operation of the ultrasonic oscillating head is achieved.
  • the influence of successive energy pulses on the structure of the respective machined weld site can be determined by evaluating successive decay times of this oscillating head, so that the current welding process can be controlled with this measurement information.
  • the object of the invention is to create a method for optimizing the welding process to achieve bonds with high and constant quality, which can be achieved without ßer technical changes to the bonding machines can be used without complex software measures and enables effective control of the process parameters.
  • the method according to the invention is based on the fact that, in order to optimize the welding process in the case of bonding processes to achieve bonds with high and constant quality, the ultrasonic vibration behavior in the welding process is recorded and subjected to an evaluation.
  • the evaluation results are used for optimizing control of the welding parameters of the bonds.
  • valleys and heights appear in different numbers and at different intervals on the envelope of the mechanical amplitude curve.
  • the number of these valleys and heights as well as their time interval is correlated with the quality of the finished bond, i.e. with sweat resistance.
  • the unsteady vibration behavior after dosed sound energy jumps is used as a suitable substitute parameter for automatic welding process control in order to achieve optimal bond results.
  • the possibly occurring ' distortions of the curve shape serve the ultrasonic vibrations gene on the bonding tool for the detection of faults in the connection formation.
  • the process parameters mechanical vibration amplitude and / or static contact pressure and / or duration of the welding process are used to optimize the welding process or the error message in the event of poor connection kinetics.
  • the optimization is always carried out in the procedural sequence of the production of the welded connections, but not always for the welded connection which supplies the values for the optimization.
  • thermosonic bonder consisting of an ultrasound oscillating head, ultrasound generator, electromechanical energy converter, amplitude transformer with sonotrode and mechanical-electrical transducer, and a heating unit for thermosonic bonding.
  • the complete ultrasonic oscillation course in the welding process is recorded by means of an oscillograph during the continuous energy input.
  • the mechanical amplitude curve shows a number of valleys which, for example, fluctuate between two and twelve valleys in a particular bond batch.
  • the shape of the valleys has a sawtooth-like course.
  • the heights can also be recorded.
  • the distance between two valleys and / or between two heights is recorded.
  • the process parameters mechanical vibration amplitude and / or static contact pressure of the oscillating head and / or duration of the welding process are changed such that a number of valleys and heights does not exceed six ⁇ represents.
  • the oscillograms were recorded using time-lapse films. It is of course also possible to determine the course of the ultrasonic vibration in the welding process by means of electronic or optical recording media.
  • the evaluation of the detected vibration behavior can be carried out visually or electronically, the electronic evaluation advantageously being carried out by a microcomputer.
  • the optimizing control for the welding process in bonding processes can be carried out manually or, preferably, automatically.
  • Another exemplary embodiment relates to the utilization and evaluation of transient vibration states after metered sound energy jumps.
  • transient vibration states for example, the quantity and shape of the variable on / off
  • connection kinetics of the bond point that is formed are considered to be irreparably disturbed, so that an error message must be output.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Optimierung des Schweißprozesses zur Erzielung von Bondungen (USB, TSB, TCB, SPTAB o.ä. einschließlich Makroschweißungen) mit hoher und gleichbleibender Güte beschrieben, bei welchem der Ultraschall-Schwingungsverlauf im Schweißprozeß erfaßt und einer Auswertung unterzogen wird. Die Auswertungsergebnisse werden zur optimierenden Steuerung der Schweißparameter und zur Gütekontrolle der Bondungen verwendet. Die Anzahl der Täler und Höhen der Hüllkurve des mechanischen Amplitudenverlaufes im Schweißprozeß sowie deren zeitlicher Abstand voneinander wird zur optimierenden Steuerung herangezogen. Aus instationären Schwingungszuständen nach dosierten Schallenergiesprüngen wird eine Prozeßführungsgröße zur individuellen Prozeßenergiedosierung für jede Bondung gewonnen. Der Oberwellengehalt der Ultraschallschwingungen am Bondwerkzeug dient zur zerstörungsfreien Gütekontrolle jeder Bondstelle.

Description

Verfahren zur Opt imi erung des Schwe i ßprozesses be i Ul trascha l l bondverfahren .
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Optimierung des Schweißprozesses bei Bondverfahren zur Erzielung von Bondungen, wie beispielsweise Wed- ge-, Ball-, Ösen-, Rillen-, Single-Point-Bondungen o. a. mit hoher und gleichbleibender Güte und findet Anwendung insbesondere in der Mikroelektronik bei der
Herstellung elektronischer Bauelemente, insbesondere mittels des Ultraschallbondens, Thermosonic-Bondens oder Thermokompressions-Bondens auf Thermosonic -Bond¬ maschinen sowie Single-Point TAB-Bondens ( SPTAB ) .
Es ist bekannt, zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von Draht- und Bändchenbondungen o.a. bei der Herstellung elektronischer Bauelemente die Einflußfaktoren, wel¬ che sich auf die Güte der Schweißverbindung auswir- ken, zu überwachen und konstant zu halten. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, daß sie "aufgrund der Vielzahl der möglichenObjektiven und subjektiven Einflußfaktoren sehr aufwendig und ferti¬ gungstechnisch nur sehr schwer umsetzbar ist.
In der Patentschrift DD 45217 wird ein programmge¬ steuerter zeitlicher Verlauf des Ultraschallenergie¬ eintrages in der Form vorgeschlagen, daß die mechani¬ sche Schwingungsamplitude der Sonotrode während des gesamten Schweißprozesses nicht auf einem vorwählba¬ ren konstanten Wert stabil gehalten wird, sondern durch einen vorwählbaren zeitlichen Verlauf gezielt, variabel, vorzugsweise mit abfallender Charakteri¬ stik, gesteuert wird.
Trotz einer zu erwartenden Erhöhung der Verfahrens- Zuverlässigkeit, vor allem bei empfindlichen Schwei߬ komponenten, macht sich nachteilig bemerkbar, daß die Schwingamplitudensteuerung relativ starr ist und die Schweißzeit konstant vorgegeben werden muß.
Es ist weiter bekannt, daß eine Verbesserung des Draht-, Folie-, Bändchens- und Lead-Bondens o.a., nachfolgend kurz Bonden genannt, durch mehr oder we- niger gesicherte Korrelationen während des Schwei߬ prozesses zwischen meßtechnisch erfaßbaren Größen und der Schweißstellengüte genutzt werden kann. Am läng¬ sten vorbekannt ist hier, .einen möglichen Abfall der HF-Generatorausgangsspannung zu erfassen und zur Ab- Schaltung der Schweißenergie zu benutzen. Als eine weitere Möglichkeit wird in der Patentschrift DD 83 289 beschrieben, daß über einen piezoelektrischen Sensor der Abfall der mechanischen Schwingungsampli¬ tude des Schwingkopfes überwacht und ein Abschalt- Signal zur Beendigung des Schweißprozesses gewonnen wird.
Bekannt ist auch, eine Frequenzverwerfung der Ultra- schallarbeitsfrequenz auszunutzen, welche sich durch geringfügige Verlagerung der Eigenresonanzfrequenz des Schwingkopfes ergeben kann.
Weiter ist bekannt, den sinkenden elektrischen Über- gangswiderstand zwischen oberer und unterer Schwei߬ komponente und den Deformationsgrad der oberen Schweißkomponente als Ersatzmeßgröße zur Signalisie¬ rung der Schweißgüte zu bewerten.
Der sich durch die Korrelation zwischen den vorge¬ schlagenen Ersatzmeßgrößen und der Schweißgüte erge¬ bende Nachteil besteht darin, daß bei vielen Schwei߬ aufgaben und Bondmaschinen der beschriebene Zusammen¬ hang durch eine Vielzahl störender Einflußgrößen so stark vermindert wird, daß er zur Erfüllung der Güte¬ sicherung praktisch nicht verwendbar ist.
Eine Anzahl weiterer Methoden zur Lösung des Problems der Verfahrenszuverlässigkeit und der Schweißgüte befaßt sich mit einmalig aus dem Schweißprozeß ab¬ leitbaren Signalen als Maß für die Güte der Schwei߬ verbindung. So wird in der Patentschrift DE 23 16 598 vorgeschlagen, eine auftretende Einkerbung während des zeitlichen Verlaufes der HF-Generatorausgangs- Spannung oder den plötzlich ansteigenden elektrischen Übergangswiderstand zwischen Sonotrode und oberer Schweißkomponente als Zeichen für die Fertigstellung der Schweißstelle zu werten und den Energieeintrag zu beenden. Aus der Patentschrift DE 3233 629 geht hervor, daß die Haftkraft bestimmt wird, mit der die Sonotrode während des Schweißprozesses mit der oberen Schwei߬ komponente als Prozeßnebenwirkung verbunden ist. Die Haftkraft läßt sich nach Beendigung des Energieein¬ trages während des Anhebens der Sonotrode als notwen¬ dige Ablösekraft an der Sonotrode messen. Der bekann¬ te Nachteil dieses Haftens oder Klebens der Sonotro¬ de, der gewöhnlich durch die Wahl eines zur Schweiß- aufgäbe passenden Sonotrodenwerkstoffs oder das Aus¬ lösen eines sogenannten Nachimpulses minimiert wird, läßt keinen eindeutigen Schluß auf die erreichte SchweißStellengüte zu.
Auch ist aus der DD 219 338 ein Verfahren bekannt, bei welchem die übliche Ultraschallenergie durch eine niedrigere Frequenz getaktet wird, wodurch eine in¬ termittierende Arbeitsweise des Ultraschallschwing¬ kopfes erreicht wird. Durch die Auswertung zeitlich aufeinanderfolgender Ausschwingzeiten dieses Schwing¬ kopfes läßt sich der Einfluß aufeinanderfolgender Energiepulse auf den Aufbau der jeweiligen bearbeite¬ ten Schweißstelle erfassen, so daß mit dieser Meßin¬ formation der laufende Schweißvorgang gesteuert wer- den kann.
Diese Lösung hat den Nachteil, daß technische Verän¬ derungen an den zur Zeit eingesetzten Bondern"vor¬ genommen werden müssen.
Ausgehend von den Nachteilen der bekannten techni¬ schen Lösungen liegt der Erfindung die Aufgabe zu¬ grunde, ein Verfahren zur Optimierung des Schweißpro¬ zesses zur Erzielung von Bondungen mit hoher und gleichbleibender Güte zu schaffen, welches ohne grö- ßere technische Änderungen an den Bondmaschinen und ohne aufwendige softwaremäßige Maßnahmen anwendbar ist und eine effektive Steuerung der Prozeßparameter ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 im Zusammen¬ wirken mit den ausgestaltenden Merkmalen der Unter¬ ansprüche gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert hierbei dar¬ auf, daß zur Optimierung des Schweißprozesses bei - Bondverf hren zur Erzielung von Bondungen mit hoher und gleichbleibender Güte das Ultraschall-Schwin- gungsverhalten im Schweißprozeß erfaßt und einer Aus¬ wertung unterzogen wird.
Die Auswerteergebnisse werden zur optimierenden Steu¬ erung der Schweißparameter der Bondungen verwendet.
Während des Schweißprozesses treten an der Hüllkurve des mechanischen Amplitudenverlaufes Täler und Höhen in unterschiedlicher Zahl und mit unterschiedlichem zeitlichen Abstand auf. Die Anzahl dieser Täler und Höhen sowie ihr zeitlicher Abstand ist korreliert mit der Güte der fertigen Bondung, d.h. mit der Schwei߬ festigkeit.
Das instationäre Schwingverhalten nach dosierten Schallenergiesprüngen wird als zweckmäßige Ersatzme߬ größe zur automatischen Schweißprozeßführung zur Er¬ zielung optimaler Bondresultate benutzt.
Andererseits dienen die gegebenenfalls auftretenden' Verzerrungen der Kurvenform der Ultraschallschwingun- gen am Bondwerkzeug der Erkennung von Störungen der Verbindungsbildung.
Nach Auswertung der erfaßten Werte erfolgt über die Steuerung der Prozeßparameter mechanische Schwin¬ gungsamplitude und/oder statischer Anpreßdruck und/- oder Zeitdauer des Schweißprozesses die Optimierung des Schweißprozesses bzw. die Fehlermeldung bei schlechter Verbindungskinetik.
Die Optimierung erfolgt stets im verfahrenstechni¬ schen Ablauf der Herstellung der Schweißverbindungen, allerdings nicht immer für die Schweißverbindung, welche die Werte zur Optimierung liefert.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von zwei Aus¬ führungsbeispielen näher erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird an einem üblichen Ultraschall- oder Thermosonic-Bonder, bestehend aus Ultraschallschwingkopf, Ultraschallgenerator, elek- tromechanische Energiewandler, Amplitudentransforma¬ tor mit Sonotrode und mechanisch-elektrischem Me߬ wandler sowie Heizeinheit beim Thermosonic-Bonden angewandt.
Mittels eines Oszillographen wird der vollständige Ultraschall-Schwingungsverlauf im Schweißprozeß wäh¬ rend der kontinuierlichen Energieeintragung erfaßt.
Im mechanischen Amplitudenverlauf zeigt sich eine Anzahl von Tälern, die beispielsweise bei einer be¬ stimmten Bondcharge zwischen zwei und zwölf Tälern schwankt. Die Form der Täler hat einen sägezahnähnlichen Ver¬ lauf.
Selbstverständlich können alternativ oder zusätzlich auch die Höhen erfaßt werden.
Gleichzeitig oder zusätzlich zur Erfassung der Anzahl von Tälern oder Höhen wird der Abstand zwischen zwei Tälern und/oder zwischen zwei Höhen erfaßt.
Die Korrelation zwischen der Anzahl der sichtbaren Täler und der erzielten Schweißfestigkeit wurde expe¬ rimentell ermittelt.
Zwischen zwei und sechs auftretenden Tälern können gleiche und hohe Festigkeiten erzielt werden, während bei einer größeren Anzahl der Täler als sechs die Schweißfestigkeit vermindert ist.
Wird eine größere Anzahl der Täler oder Höhen als sechs festgestellt, werden die Prozeßparameter mecha¬ nische Schwingungsamplitude und/oder statischer An¬ preßdruck des Schwingkopfes und/oder Zeitdauer des Schweißprozesses derart verändert, daß eine Anzahl von Tälern und Höhen nicht größer als sechs sich ein¬ stellt.
Analog wird mit dem zeitlichen Abstand zwischen zwei Tälern und Höhen verfahren.
Im vorliegenden Ausführungsbespiel wurde die Auf¬ zeichnung der Oszillogramme mittels Zeitrafferfilmen vorgenommen. Es ist selbstverständlich ebenfalls möglich, die Er¬ fassung des Ultraschallschwingungsverlaufes im Schweißprozeß durch elektronische oder durch optische Aufzeichnungsträger vorzunehmen.
Die Auswertung des erfaßten Schwingungsverhaltens kann visuell oder elektronisch erfolgen, wobei die elektronische Auswertung zweckmäßigerweise durch ei¬ nen Mikrorechner erfolgt.
10
Die optimierende Steuerung für den Schweißprozeß bei Bondverfahren kann manuell oder vorzugsweise automa¬ tisch erfolgen.
15 Ein anderes Ausführungsbeispiel betrifft die Ausnut¬ zung und Auswertung von instationären Schwingungszu¬ ständen nach dosierten Schallenergiesprüngen. Bei instationären Schwingungszuständen können beispiels¬ weise die Quantität und Form der variablen An-, Aus-
20 . und/oder Einschwingvorgänge meßtechnisch erfaßt und über Mikrorechner ausgewertet werden mit dem Ziel, eine individuelle Schallenergiedosierung für jede Bondstelle durch eine automatische adaptive Prozeß- führung zu realisieren. Die Prozeßführungsgröße kor-
25. reliert mit dem Verbindungszuwachs der Bondstelle'.
Dadurch wird der allgemeine Mangel eines starr vor¬ programmierten Schallenergieeintrages überwunden, der in der Bondpraxis zu erheblichen Streuungen der Bond- 30 gute führen kann. Der Bondprozeß wird zum optimalen Zeitpunkt beendet.
Zusätzlich hat sich als sinnvoll erwiesen, während des Schweißprozesses die Kurvenform der Ultraschall- 5 Schwingungen direkt am Bondwerkzeug zu charakterisie- 5 ren, um daraus ein Signal zur Gütekontrolle der sich aufbauenden Bondstelle abzuleiten.
Oberhalb eines bestimmten Oberwellengehaltes als Maß der Verzerrungen der harmonischen Schwingungen gilt die Verbindungskinetik der sich bildenden Bondstelle als irreparabel gestört, so daß eine Fehlermeldung ausgegeben werden muß.

Claims

Paten ansprüche
1. Verfahren zur Optimierung des Schweißprozesses bei Bondverfahren, wie USB, TSB, TCB auf TS-Bon- dem, SPTAB o.a. einschließlich Makroschweißun- gen zur Erzielung von Bondungen mit hoher und gleichbleibender Güte, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der gesamte Ultraschall-Schwingungsverlauf einschließlich der instationären Zustände und der Kurvenform im Schweißprozeß erfaßt und einer Auswertung unterzogen wird und die Auswertungs- ergebnisse zur optimierenden Steuerung der Schweißparameter des Prozesses und zur zerstö- rungsfreien on-Line-Gütekontrolle der Bondungen verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Anzahl der Täler und/oder Höhen der Hüllkurve des mechanischen Amplitudenverlaufes im Schweißprozeß erfaßt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der zeitliche Abstand zwischen den Tälern und/oder Höhen der Hüllkurve des mechani¬ schen Amplitudenverlaufes im Schweißprozeß er¬ faßt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Erfassung des Ultraschall- Schwingungsverlaufes im Schweißprozeß durch Auf¬ zeichnung von Oszillogrammen erfolgt. M
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Aufzeichnung der Oszillogramme mit¬ tels Zeitrafferfilmen erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 4 und 5, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Auswertung des erfaßten Schwingungsverlaufes visuell erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Erfassung des Ultraschall- .
Schwingungsverlaufes im Schweißprozeß durch elektronische oder optische Aufzeichnungsträger erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, 4 und 7, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Auswertung des erfaßten Ultraschall-Schwingungsverlaufes im Schweißpro¬ zeß elektronisch erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Auswertung des erfaßten Ultra¬ schall-Schwingungsverlaufes im Schweißprozeß durch einen Mikrorechner erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, daß instationäres Schwingungsverhalten, beispielsweise Quantität und Form der An-, Aus- und/oder Einschwingvorgänge bei dosierten Schallenergiesprüngen jeglicher Größe und Form, im Schweißprozeß erfaßt und zur Prozeßführung ausgewertet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 und 10, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Kurvenform der Ultra- schallschwingungen am Bondwerkzeug zum Zwecke ΛZ, der Überwachung auf Kurvenverzerrungen im Schweißprozeß erfaßt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 und 11, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Kurvenform der Ultra¬ schallschwingungen am Bondwerkzeug durch eine Echtzeit-Frequenzanalyse während des Schweißpro¬ zesses ausgewertet und daraus ein Gut/Schlecht- Signal abgeleitet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1, 6 und 8 bis 12, da¬ durch gekennzeichnet, daß mit den Auswerteergeb¬ nissen die Prozeßparameter mechanische Schwin¬ gungsamplitude und/oder statischer Anpreßdruck des Schwingkopfes und/oder Zeitdauer des
Schweißprozesses gesteuert werden.
14. Verfahren nach Anspruch 1 und 13, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die optimierende Steuerung manuell oder automatisch erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich¬ net, daß bei Ableitung eines Schlec t-Signales eine Fehlermeldung erfolgt.
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