用于对引线键合机上的引线直径变化进行补偿的方法和系统

摘要

一种调整引线键合机上的无空气球形成参数的方法，包括以下步骤：(a)提供参考无空气球接触高度；(b)测量引线键合机上的至少一个无空气球的受检无空气球接触高度；以及(c)如果所述受检无空气球接触高度与所述参考无空气球接触高度之间的差大于预定容限水平，则至少部分基于所述差来调整所述引线键合机上的无空气球形成参数。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年6月29日提交的美国临时申请No.61/666,114的 优先权，通过引用将其内容并入本文。

技术领域

本发明涉及引线键合的形成，更具体而言，涉及例如在改变引线键合 机上的引线卷轴时对引线键合工艺做出调整的改善方法。

背景技术

在半导体器件的工艺和封装中，引线键合一直是在封装内的两个位置 之间（例如，在半导体管芯的管芯焊盘与引线框架的引线之间）提供电互 连的主要方法。

在球形键合中，通过向引线尾端施加电流（例如，瞬间放电），由从键 合工具（例如，毛细管劈刀）的尖端（tip）延伸的引线尾端形成无空气球。 随后将所述无空气球设置于毛细管劈刀尖端，并且毛细管劈刀移动到要形 成引线环的第一键合的键合位置。毛细管劈刀将无空气球挤压（通常利用 超声波能量）到第一键合位置（例如，半导体管芯的管芯焊盘），以形成球 形键合（即，第一键合）。一段引线（即，引线环）从球形键合延伸到第二 键合位置（例如，引线框架的引线）。毛细管劈刀随后用于将引线焊接到第 二键合位置（通常利用超声波能量），以形成针脚式键合（即，第二键合）。 随后将引线供应（通过毛细管劈刀馈送所述引线供应的一端）与第二键合 分离。因此，在第一键合位置与第二键合位置之间形成引线环。

由于具有相同标称尺寸的键合引线直径的变化（例如，从一个引线卷 轴到下一个引线卷轴的实际直径的变化），可能难以获得具有基本均匀特性 （例如，挤压（squash）、焊球尺寸等）的引线键合。因此，希望提供不管 引线直径如何变化，也可以形成一致的引线键合等的改善方法。

发明内容

根据本发明的示例实施例，一种调整引线键合机上的无空气球形成参 数的方法包括步骤：(a)提供参考无空气球接触高度；(b)测量引线键合机 上至少一个无空气球的受检（subject）无空气球接触高度；以及(c)如果所 述受检无空气球接触高度与参考无空气球接触高度之间的差大于预定容限 水平，则至少部分基于所述差来调整所述引线键合机上的无空气球形成参 数。

根据本发明的另一示例实施例，一种调整引线键合机上的无空气球形 成参数的方法包括步骤：a)提供参考无空气球键合挤压；b)测量引线键合 机上至少一个无空气球的受检无空气球键合挤压；以及c)如果所述受检无 空气球键合挤压与参考无空气球键合挤压之间的差大于预定容限水平，则 至少部分基于所述差来调整所述引线键合机上的无空气球形成参数。

根据本发明的再一示例实施例，一种调整引线键合机上的无空气球形 成参数的方法包括步骤：a)提供参考键合力值；b)在所述引线键合机上的 受检引线键合形成期间测量所述受检引线键合的受检键合力值；以及c)如 果所述受检键合力值与参考键合力值之间的差大于预定容限水平，则至少 部分基于所述差来调整所述引线键合机的无空气球形成参数。

根据本发明的再一示例实施例，一种调整引线键合机上的无空气球形 成参数的方法包括步骤：a)提供参考拉力测试特性值；b)测量引线键合机 上至少一个键合的引线部分的受检拉力测试特性值；以及c)如果所述受检 拉力测试特性值与参考拉力测试特性值之间的差大于预定容限水平，则基 于所述差，来调整引线键合机上的无空气球的无空气球形成参数。

根据本发明的再一示例实施例，一种调整引线键合机上的无空气球形 成参数的方法包括步骤：a)提供与参考引线的直径相关的参考引线尺寸； b)测量与引线键合机上至少一个受检引线的直径相关的受检引线尺寸值；以 及c)如果至少一个受检引线尺寸与参考引线尺寸之间的差大于预定容限 水平，则至少部分基于所述差来调整所述引线键合机的无空气球形成参数。

根据本发明的再一示例实施例，一种调整引线键合机上的无空气球形 成参数的方法包括步骤：a)提供参考超声换能器能量特性值；b)在引线键 合机上的至少一个超声球形键合的形成期间确定超声换能器能量特性值； 以及c)如果所述受检超声换能器能量特性值与参考超声换能器能量特性 值之间的差大于预定容限水平，则至少部分基于所述差来调整所述引线键 合机上的无空气球形成参数。

附图说明

当结合附图阅读以下的详细说明时能够更好地理解本发明。要强调的 是，按照惯例，附图的各个特征不是按比例绘制的。相反地，为了清楚， 任意放大或缩小了各个特征的尺寸。包括在附图中的是以下各图：

图1A是示出了根据本发明的示例实施例的调整引线键合机上的无空 气球形成参数的方法的流程图；

图1B-1E是示出了根据本发明的示例实施例的键合无空气球的形成， 以及参考无空气球和实际无空气球的接触高度的方块侧视图；

图2A是示出了根据本发明的示例实施例的调整引线键合机上的无空 气球形成参数的另一方法的流程图；

图2B-2C是示出了根据本发明的示例实施例的键合无空气球的形成的 方块侧视图；

图3是示出了根据本发明的示例实施例的调整引线键合机上的无空气 球形成参数的再一方法的流程图；

图4A是示出了根据本发明的示例实施例的调整引线键合机上的无空 气球形成参数的再一方法的流程图；

图4B-4D是示出了根据本发明的示例实施例的拉力测试的方块侧视 图；

图5是示出了根据本发明的示例实施例的调整引线键合机上的无空气 球形成参数的再一方法的流程图；以及

图6是示出了根据本发明的示例实施例的调整引线键合机上的无空气 球形成参数的再一方法的流程图。

具体实施方式

本文使用的术语“无空气球形成参数”指的是影响无空气球的形成的 参数，例如：其间施加电能（例如，来自电子点火设备的）的时间长度； 所施加的功率的量（例如，通过控制电流和/或电压等控制的）；无空气形成 期间在EFO与引线尾端之间的距离；从键合工具尖端延伸的引线尾端的长 度等。

为了提供一致的球形键合，希望获得在预定容差内具有一致特性（例 如，诸如接触高度之类的特性）的无空气球（即，FAB）。形成一致的无空 气球的一个挑战在于发现键合引线（设置在引线卷轴上）的标称直径发生 变化。来自标称直径的这种变化，不论是偏小还是偏大的，都可能导致许 多问题。例如，超过标称直径的引线可能导致尺寸过大的无空气球，从而 增大在相邻键合之间发生短路的可能性。

根据本发明的某些示例实施例，提供了调整（例如，校准、归一化等） 在引线键合机上引线卷轴改变处的无空气球形成参数的方法。

本发明监控（例如，测量、确定等）与引线键合机上引线的直径相关 的各种特性，以调整至少一个无空气球形成参数，从而补偿引线直径中的 变化。这些特性中与引线的直径相关的一些特性还涉及无空气球的键合或 键合工艺，例如，球形键合形成期间的接触高度、无空气球挤压、键合形 成期间施加的力、键合形成期间超声换能器能量特性等等。其他示例性引 线直径特性包括键合引线的直径、键合引线的拉力测试值等等。

因为键合引线的实际直径的变化（当一个线轴上的引线应与另一线轴 上的引线相同时），与引线的直径相关的这些特性也发生改变。可以在无空 气球键合（即，球形键合）的键合形成期间获得某些特性。例如，这种特 性可以包括：（1）所键合的无空气球的接触高度（例如，参见图1A-1E）； （2）所键合的无空气球的挤压（例如，参见图2A-2C）；（3）在形成与无 空气球的键合期间的力（例如，参见图3），（4）在形成与无空气球的键合 期间的超声换能器能量特性（例如，参见图6）等。可以与无空气球键合或 者无空气球键合工艺无关地获得某些其他特性。例如，这种其他特性可以 包括：（5）在形成键合之后的引线键合的拉力/张力测试值（例如，参见图 4A-4D）；以及（6）键合引线的直径（例如，参见图5）等。这6（六）个 特性全部都是与引线的直径相关的特性的示例，并且将在本文中对其加以 论述。

图1A-1E示出了根据本发明示例实施例的使用接触高度（例如，当无 空气球首次接触导电键合表面时键合工具的高度）作为选定的特性来补偿 引线卷轴改变时引线的直径的改变的方法。图1A是闭环流程图，图1B-1E 是图1A的示例方法的方块侧视图。在图1A的步骤100处，改变引线键合 机上的引线卷轴。在步骤102处，形成无空气球，在步骤104处，键合工 具（具有设置的无空气球）降低至接触高度（例如，在无空气球首次接触 键合位置时在键合位置之上的键合工具尖端的最低部分高度）。在步骤106 处，确定无空气球接触高度值是否在参考无空气球接触高度值的预定容限 水平之内。如果答案为“是”，则方法进行至步骤108并且操作完成。如果 答案为“否”，则方法进行至步骤110，并且至少部分基于实际的无空气球 接触高度值与参考无空气球接触高度值之间的差，来调整无空气球形成参 数。方法随后返回至步骤102，在此形成后续的无空气球，然后至步骤104 和106（如有必要，则返回步骤110），直至在步骤106处获得“是”。

为了确定“接触高度”值是否在预定容限内，期望相对于一些参考位 置来测量接触高度。图1B-1E示出了相对于如图1B所示的衬底140的上表 面来测量接触高度的示例技术。然而，应该理解，可以相对于任何预期的 参考位置来测量接触高度。图1B是在“毛细管劈刀高度校准”时（与衬底 140的顶面一致的平面）键合工具134（例如，毛细管劈刀134）接触下面 的衬底140（例如，键合位置140等）的方块侧视图。这可以用于确立/校 准毛细管劈刀134相对于衬底140的位置和垂直高度移动。在图1C中，将 毛细管劈刀134放置在电子点火（EFO）设备136附近，参考引线130（具 有直径132）从毛细管劈刀134的尖端处的中心孔延伸出来。电火花138从 EFO136传送到参考引线130，以熔化参考引线130的下部，并且形成参考 无空气球（例如，如图1D所示的参考无空气球139a）。

图1D示出了容纳在毛细管劈刀134的尖端之内并且以“参考接触高度” 142a接触衬底140的（具有直径132a的引线130a的）参考无空气球139a。 这个“接触高度”可以是无空气球139a的底部首次触碰或接触下表面（例 如，引线键合机上衬底140的上表面等）时毛细管劈刀134的尖端的高度。 例如，可以使用电气连续性来检测无空气球139a的这种接触，以检测无空 气球139a与键合位置140之间的接触。本领域技术人员将意识到，图1B 示出了与参考无空气球139a的露出部分（不是参考无空气球139a的整个直 径，因为一部分球139a容纳在毛细管劈刀134的尖端内）相关的参考接触 高度142a。因此，确立了参考接触高度。当然，可以以各种方式来确立参 考接触高度。在一个示例中，可以测量若干个参考无空气球（如图1D中的）， 其中这种测量可以共同用于推导出参考接触高度。在另一示例中，在不进 行图1D所示的测量的情况下，可以选择已知的参考接触高度。在再一示例 中，可以使用标称引线尺寸/直径来确定（例如，计算等）参考接触高度。

在改变了引线卷轴后（例如，步骤100），图1E示出了由实际引线130b 形成的实际无空气球139b的“实际接触高度”142b（例如，步骤102和104）。 如图所示，实际接触高度142b低于/小于参考接触高度142a（例如，步骤 106）。因此，引线130b的实际直径132b小于参考引线130a的参考直径132a。 如果参考直径132a与实际直径132b之间的接触高度差大于预定容限水平 （例如，步骤106），则至少部分基于这个差来调整无空气球形成参数（例 如，步骤110）。随后可以形成后续的无空气球（例如步骤102），直至接触 高度差小于预定容限水平，操作完成（例如，步骤108）。

图2A-2C示出了使用键合挤压作为所选择的特性以补偿改变引线卷轴 时引线直径的预定变化的方法。图2A是闭环流程图，图2B-2C是示出图 2A的示例方法的方块侧视图。在步骤200处，改变引线键合机上的引线卷 轴。在步骤202处，形成无空气球（可以容纳在毛细管劈刀尖端中），在步 骤204处，利用键合力将毛细管劈刀降低至衬底，以形成与无空气球的键 合。在步骤206处，确定无空气球的挤压（其可以是用于多个键合的平均 挤压值），在步骤208处，确定无空气球挤压是否在参考无空气球挤压的预 定容限水平内。如果答案为“是”，则方法进行至步骤210，并且操作完成。 如果答案为“否”，则方法进行至步骤212，在此至少部分基于（平均）无 空气球挤压与参考无空气球挤压之间的差，来调整无空气球形成参数。方 法随后返回步骤202，在此形成后续的无空气球，并且方法可以继续从步骤 202到步骤212的循环，直至在步骤208处获得“是”。

图2B示出了在与衬底240（例如，键合位置240）首次接触（例如， 向下触碰）时从具有直径232的引线230形成的无空气球239的侧视图（例 如步骤202），所述无空气球239确立了毛细管劈刀234在衬底240的上表 面之上的距离242。如图2C所示，毛细管劈刀234利用键合力（有可能是 超声能量）继续向下，直至在键合位置240处形成无空气球键合244（例如， 球形键合244）（例如，步骤204）。球形键合244具有键合挤压248，所述 键合挤压248可以被计算为（1）在向下触碰时毛细管劈刀234距焊盘240 的上表面252的距离242（例如，参见图2B），与（2）在形成球形键合244 之后毛细管劈刀234距焊盘240的上表面252的距离250（例如，步骤206） 之间的差。键合挤压248与引线230的直径232相关。

如果键合挤压248在参考无空气球键合挤压的预定容限水平内（步骤 208处的答案为“是”），则操作完成（例如，步骤210）。然而，如果键合 挤压248不在参考无空气球键合挤压的预定容限水平内（步骤208处的答 案为“否”），则至少部分基于无空气球挤压和参考无空气球挤压之间的差 来调整无空气球形成参数（例如，步骤212）。随后，使用经调整的无空气 球形成参数形成后续的无空气球（例如，步骤202），方法可以继续如上所 述地循环，直至后续的无空气球挤压248与参考无空气球挤压之间的差在 预定容限水平内（例如，步骤208处的答案为“是”）。

图3是示出使用键合力值（例如，单个力值、键合力分布等）作为所 选择的特性的方法的闭环流程图。在步骤300，改变引线键合机上的引线卷 轴。在步骤302处，形成无空气球。在步骤304处，确定受检力值（例如， 在球形键合形成期间使用的受检键合力值）。在步骤306处，确定受检力值 是否在参考力值的预定容限水平内。如果答案为“是”，则方法进行至步骤 308，操作完成。如果答案为“否”，则方法进行至步骤310，在此至少部分 基于在受影响的力值与参考力值之间的差来调整无空气球形成参数。方法 可以随后返回至步骤302，直至在步骤306处实现“是”。本领域技术人员应 该意识到，例如可以使用在引线键合器的键合头上的力传感器来测量键合 力值。

图4A-4D示出了使用键合引线的拉力/张力测试作为所选择的与引线直 径相关的特性的方法。参考图4A，在步骤400处，改变引线键合机上的引 线卷轴。在步骤402处，使用无空气球形成受检键合，在步骤404处，在 打开线夹的情况下将毛细管劈刀升高以保持一部分引线与受检键合连续。 在步骤406处，通过关闭线夹并且随后升高毛细管劈刀以便将所述一部分 引线与受检键合拉掉来进行拉力/张力测试。在步骤408处，随后确定受检 拉力/张力测试值是否在期望的参考拉力/张力测试值的预定容限水平内。如 果答案为“是”，则方法进行至步骤410，操作完成。如果答案为“否”，则方 法进行至步骤412，在此至少部分基于受检拉力/张力测试值与参考拉力/张 力测试值之间的差来调整无空气球形成参数。随后可以进行进一步的操作。

图4B示出了在改变引线卷轴（例如，步骤400）之后使用通过线夹450 的引线430，键合工具434（例如，毛细管劈刀434）键合无空气球433， 以在键合位置440（例如，半导体管芯442的键合焊盘440）上形成受检键 合444（例如，步骤402）的侧视图。在图4B中，关闭线夹450（但也可 以是打开的），利用键合力将毛细管劈刀434向下移动以在焊盘440的上表 面上键合无空气球键合444（参见图4C）（例如，步骤402）。在图4C中， 如箭头452所示的在线夹450打开的情况下升高毛细管劈刀434，以便保持 一部分引线430与键合444连续（例如，步骤404）。随后，如图4D所示， 通过关闭线夹450，并进一步如箭头454所示的升高毛细管劈刀434来进行 拉力测试，以便将引线430从受检键合444拉掉（从而分离）（例如，步骤 406）。在分离期间，测量引线的张力强度（例如，拉力/张力测试值）。这个 拉力/张力测试值与引线430的直径相关。确定受检拉力/张力测试值是否在 参考拉力/张力测试值的预定容差水平内（例如，步骤408）。如果答案为 “是”，操作完成（例如，步骤410）。如果答案为“否”，则至少部分基于 受检拉力/张力测试值与参考拉力/张力测试值之间的差来调整无空气球形 成参数（例如，步骤412）。

图5是示出了使用引线直径（例如，引线尺寸）作为所选择的特性的 方法的流程图。在步骤500处，改变引线键合机上的引线卷轴。在步骤502 处，确定（例如，测量）新引线的直径。随后，在步骤504处，确定新引 线直径是否在参考引线直径的预定容差内。如果答案为“是”，则方法进行 至步骤506，操作完成。如果答案为“否”，则方法进行至步骤508，至少 部分基于新引线直径与参考引线直径之间的差来调整无空气球形成参数。 可以使用例如包括基于照相机的光学检查系统的任何预期的技术来确定引 线直径。

图6是示出使用超声换能器能量特性（例如，所见到的换能器的阻抗， 施加至换能器的电压，施加至换能器的电流等）作为所选择的特性的方法 的流程图。在步骤600处，改变引线键合机上的引线卷轴。在步骤602处， 形成无空气球，在步骤604处，利用键合力将键合工具降低至衬底，以形 成与无空气球的球形键合。在步骤606处，确定球形键合形成期间受检超 声换能器能量特性值。受检特性可以是与单个键合相关的单个值（例如， 阻抗、电压和/或电流的单个值），或者可以从多个值得到。在步骤608处， 确定受检超声换能器能量特性值是否在参考超声换能器能量特性值的预定 容限水平内。如果答案为“是”，则方法进行至步骤610，操作完成。如果 答案为“否”，则方法进行至步骤612，至少部分基于受检超声换能器能量 特性值与参考超声换能器能量特性值之间的差来调整无空气球形成参数。 方法随后返回步骤602，在此形成后续的无空气球，随后至步骤604和608 （如有必要，则返回步骤612），直至在步骤608处获得“是”。

参考超声换能器能量特性值的示例包括阻抗值、电流值或电压值。例 如，如果换能器运行于恒定电流模式，则可以将电压认为是超声换能器能 量特性值。可以在球形键合形成期间测量电压（例如，在球形键合形成期 间的单个时间点，或者使用在全部或部分无空气球形成期间的电压分布）， 或者可以确定多个电压值（例如，用于多个球形键合）。在任何情况下，确 定电压值（使用单个电压值或多个电压值），并将其与参考电压值进行比较。

在另一示例中，如果换能器运行于恒定电压模式，则可以将电流认为 是超声换能器能量特性值。可以在球形键合形成期间测量电流（例如，在 球形键合形成期间的单个时间点，或者使用在全部或部分球形键合形成期 间的电流分布），或者可以确定多个电流值（例如，用于多个球形键合）。 在任何情况下，确定电流值（使用单个电流值或多个值），并且将其与参考 电流值进行比较。

在再一示例中，换能器的阻抗可以被用作超声换能器能量特性值。可 以使用电流和电压来确定这个阻抗（例如，根据运行模式固定电压和电流 中的一个，并测量另一个）。

应注意，本文公开的方法不限于何时改变引线键合机的引线卷轴。例 如，这种方法可以用于：（1）单个引线卷轴内；（2）在已经改变两个或多 个引线卷轴之后；（3）在引线键合机启动时；（4）在预定数量的引线键合 后；等等。此外，可以采用对线轴上的引线直径的周期性或连续的检查， 以确定是否在预定容限水平内。

本领域技术人员应该意识到，本文公开和要求保护的方法可以在引线 键合器的键合区域执行，或者可以在远离可键合区域的引线键合器的不同 区域执行。

本文公开或要求保护的各种方法可以用于闭环方式，直至特性的受检 （实际）值在特性的参考值的预定容限内。然而，这种闭环处理也可以基 于超时特征（例如，在过去预定时间之后等）、在预定数量的迭代之后等而 终止。

如上所述，本文考虑的某些特性可以与引线键合器上的z轴（即，竖 直轴）位置相关。例如，在接触高度检测方法（参见图1A-1E）和无空气 球挤压检测方法（参见图2A-2C）期间需要确定z轴位置。本领域技术人 员应该意识到，可以结合这种检测方法使用z轴编码器。通常，携带键合 工具的键合头可以包括z轴编码器，以准确地确定键合工具在z轴上的移动。

根据本发明每一个示例实施例，可以测量、计算或如所期望的以其他 方式确定参考特性（例如，图1A中的接触高度，图2A中的挤压值，图3 中的力值，图4中的拉力/张力值，图5中的引线直径和图6中的超声换能 器能量特性值）。此外，根据本发明的每一个示例性实施例，如果确定使用 测量的值（直接地或通过计算），可以如所期望的从单次测量或多次测量得 到参考特性和受检/实际特性（例如，图1A中的接触高度，图2A中的挤压 值，图3中的力值，图4中的拉力/张力值，图5中的引线直径和图6中的 超声换能器能量特性值）。

尽管以预定顺序主要相对于某些示例性方法步骤来描述了本发明，但 是本发明不限于此。在本发明的范围内，可以重新排列或省略某些步骤， 或者可以增加额外的步骤。

尽管在这里参考特定实施例示出和描述了本发明，但是本发明不旨在 限于所示的细节。相反地，在权利要求等价物的范围和界限内并且在不偏 离本发明的情况下，可以对细节做出许多修改。