焊接线材与焊线机上的焊接位置之间的焊接的检测方法

摘要

提供一种确定线材与半导体器件的至少一个焊接位置之间的焊接状况的方法。方法包括以下步骤：(a)利用焊线机的焊接工具，将线材的一部分焊接到半导体器件的至少一个焊接位置；以及(b)检测与焊接工具接合并与所述线材的一部分分离的线材的另一部分在预定高度范围中有无接触所述线材的一部分，由此确定所述线材的一部分是否被焊接到所述至少一个焊接位置。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年6月29日提交的美国临时专利申请号62/692,608的权益，所述美国临时专利申请的内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及线弧(wire loop)及其它焊线结构的形成，且更具体地涉及检测焊接线材存在与否的改进方法。

背景技术

在半导体器件的制程和封装中，打线/焊线(wire bonding)(例如，球形焊接、楔形焊接等)继续成为广泛使用的提供封装内的两个位置之间(比如半导体管芯的管芯焊盘与引线框的引线之间)的电互连的方法。更具体地，利用焊线装置(也称为焊线机)，线弧在待要电互连的相应位置之间被形成。

示例性的典型焊线序列(利用球形焊接技术)包括：(1)在从焊接工具延伸出的线材的端部上形成结球(free air ball)；(2)利用结球，在半导体管芯的管芯焊盘上形成第一焊接部；(3)在管芯焊盘和引线框的引线之间，以期望的形状延伸一段长度的线材；(4)将线材针脚式焊接(stitch bonding)到引线框的引线；以及(5)割断线材。在形成(a)线弧的端部与(b)焊接部位(例如，管芯焊盘、引线等)之间的焊接部时，变化类型的焊接能量可被使用，包括例如超声波能量、热超声能量、热压能量等等其它。

与焊线相关的，常会期望的是，确认线材的一部分被恰当地焊接到焊接位置。由库利克和索夫工业公司(Kulicke and Soffa Industries,Inc.)营销的焊线机常利用“BITS”过程(即焊接完整性测试系统)来确认恰当的焊线部已被形成。这类过程的示例性细节公开在国际专利申请公开WO 2009/002345中，该国际专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

因此，将会期望的是，提供确定线材的一部分(例如，线弧的一部分)有无被恰当焊接到焊接位置的改进方法。

发明内容

根据本发明的示例性实施例，提供一种确定线材与半导体器件的至少一个焊接位置之间的焊接状况的方法。方法包括以下步骤：(a)利用焊线机的焊接工具，将线材的一部分焊接到半导体器件的至少一个焊接位置；以及(b)检测与焊接工具接合并与所述线材的一部分分离的线材的另一部分在预定高度范围中有无接触所述线材的一部分，由此确定所述线材的一部分是否被焊接到所述至少一个焊接位置。

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种确定线材与半导体器件的至少一个焊接位置之间的焊接状况的方法。方法包括以下步骤：(a)利用焊线机的焊接工具，将线材的一部分焊接到半导体器件的至少一个焊接位置；以及(b)检测与焊接工具接合并与所述线材的一部分分离的线材的另一部分在未粘结高度范围中有无接触所述线材的一部分。

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种确定线材与半导体器件的至少一个焊接位置之间的焊接状况的方法。方法包括以下步骤：(a)利用焊线机的焊接工具，将线材的一部分焊接到半导体器件的至少一个焊接位置；以及(b)检测与焊接工具接合并与所述线材的一部分分离的线材的另一部分在焊接高度范围中有无接触所述线材的一部分，由此确定所述线材的一部分是否被焊接到所述至少一个焊接位置。

根据本发明的某些示例性方面，不同于“检测与焊接工具接合……的线材的另一部分在焊接高度范围中有无接触所述线材的一部分”，本文中公开的方法可变化该步骤，使得该步骤为“检测与焊接工具接合……的线材的另一部分在焊接高度范围中有无接触所述线材的一部分或者线材的相邻区域”。也就是，会期望的是，不接触线材的实际焊接部分，因为这有可能会损坏下垫的工件(例如半导体管芯)。因而，接触可建立在线材的相邻部分(例如，线弧的悬于工件之上的部分)处。因此，理解的是，“检测与焊接工具接合……的线材的另一部分在焊接高度范围中有无接触所述线材的一部分”的步骤(以及本文中任何类似的语言)还考虑接触所述线材的(邻近焊接部分的)相邻区域。

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种确定线材与半导体器件的至少一个焊接位置之间的焊接状况的方法。方法包括以下步骤：(a)利用焊线机的焊接工具，将线材的一部分焊接到半导体器件的至少一个焊接位置；以及(b)检测与焊接工具接合并与所述线材的一部分分离的线材的另一部分在缺失线材高度范围内有无接触所述线材的一部分，由此确定所述线材的一部分是否被焊接到所述至少一个焊接位置。

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种确定线材与半导体器件的至少一个焊接位置之间的焊接状况的方法。方法包括以下步骤：(a)利用焊线机的焊接工具，将线材的一部分焊接到半导体器件的至少一个焊接位置；(b)检测与焊接工具接合并与所述线材的一部分分离的线材的另一部分在未粘结高度范围中有无接触所述线材的一部分；(c)如果关于步骤(b)与焊接工具接合的线材的另一部分在未粘结高度范围中并未接触所述线材的一部分，则检测与焊接工具接合的所述线材的另一部分在低于未粘结高度范围的焊接高度范围中有无接触所述线材的一部分；以及(d)如果关于步骤(c)与焊接工具接合的线材的另一部分在焊接高度范围中并未接触所述线材的一部分，则检测与焊接工具接合的所述线材的另一部分在低于焊接高度范围的缺失线材高度范围中有无接触焊接位置。

附图说明

当结合附图阅读时，本发明从以下的详细描述中被最佳理解。所要强调的是，根据惯例，附图的各种特征不是按比例绘制的。相反地，为了清楚起见，各种特征的尺寸被任意扩大或缩小。附图中包括以下各图：

图1A是焊线系统的框图，其有助于说明根据本发明的示例性实施例的确定焊接线材与半导体器件的至少一个焊接位置之间的焊接状况的方法；

图1B是图1A的焊线系统的框图，图示出待利用根据本发明的示例性实施例的方法检测的、具有未粘结焊接部分的线弧；

图2A-2H图示根据本发明的示例性实施例的确定焊接线材与多个焊接位置之间的焊接状况的方法；

图3A-3C图示根据本发明的示例性实施例的确定焊接线材与焊接位置之间的焊接状况的方法；

图4A-4B图示根据本发明的另一个示例性实施例的确定在半导体器件的焊接位置处的凸块焊接部(bump bond)的焊接状况的方法；

图5A-5G图示根据本发明的示例性实施例的确定焊接线材与多个焊接位置之间的焊接状况的另一种方法；

图6A-6C图示根据本发明的示例性实施例的确定焊接线材与焊接位置之间的焊接状况的方法的更详细的视图；

图7A-7B图示根据本发明的示例性实施例的确定焊接线材与焊接位置之间的焊接状况的另一种方法的另一更详细的视图；以及

图8A-8C图示根据本发明的示例性实施例的确定焊接线材与焊接位置之间的焊接状况的再一种方法的再一更详细的视图。

具体实施方式

如本文中所使用的，术语“半导体器件”意图指代包括(或配置为在稍后的步骤中包括)半导体芯片或管芯的任何结构。示例性的半导体器件包括裸露的半导体管芯、在基板上的半导体管芯(例如，引线框、PCB、载体、半导体芯片、半导体晶片、BGA基板、半导体元件等)、封装半导体器件、覆晶半导体器件、嵌入在基板中的管芯以及半导体管芯堆叠等其它。

根据本发明的某些示例性实施例，提供确定/检测与电子封装(例如，与基板、与引线框、与半导体管芯等)的焊线连接部的焊接状况的方法。例如，确定有无以下各项的方法：已形成恰当的焊接部(例如，恰当焊接工况)；预期被焊接的线材的一部分不存在(例如，缺失线材工况)；预期被焊接的线材的一部分未焊接(例如，未粘结工况)；等等其它。例如，这样的方法可在生产用焊线系统(例如，焊线机)上实时执行。

根据本发明的某些方法利用与检测系统(例如，库利克和索夫工业有限公司的BITS系统)相关的、在焊接工具的末端处提供的就位的结球，所述检测系统利用检测闭合电路(或者断开电路、或者其它电学工况)来检测预期被焊接到焊接位置的线材的一部分的存在或不存在。

现在参考图1A，根据本发明的示例性实施例，焊线系统100被提供。焊线系统100包括用于支撑工件120的支撑结构102(例如，加热块、砧座等)。在图1A中，工件120包括基板120a和多个堆叠的半导体管芯120b、120c、120d、120e、120f和120g。线弧122已被形成来提供各种焊接位置(例如，焊接焊盘、引线、传导端子或其它焊接位置)之间的电互连。更具体地，线弧122包括：焊接于半导体管芯120g的焊接位置的焊接部分122a；焊接于半导体管芯120f的焊接位置的焊接部分122b；焊接于半导体管芯120e的焊接位置的焊接部分122c；焊接于半导体管芯120d的焊接位置的焊接部分122d；焊接于半导体管芯120c的焊接位置的焊接部分122e；焊接于半导体管芯120b的焊接位置的焊接部分122f；以及焊接于基板120a的焊接位置的焊接部分122g。

焊线系统100还包括焊线工具108(例如，毛细管焊线工具)、线夹106和检测系统110。焊线工具108和线夹106被包括作为焊接头组件104的部分。一段长度的线材112通过线夹106(示出为闭合的)被提供到焊线工具108。结球112a(例如，线材112的一部分)就位于焊线工具108的末端处。在线夹106和检测系统110之间设置有电连接部114。如本领域技术人员将理解的，利用检测系统110，在线夹106处于如图1A中所示的闭合位置中的情况下，当结球112a接触工件120上的线弧122的一部分时，电连续性会被检测到。

例如，检测系统110可检测预定量(例如，非常小量)的电流。这样的检测系统在检测系统为基于DC(即直流)的电路系统时会是特别合宜的。根据另一示例，检测系统可检测预定的电容变化：当就位于焊线工具108中的结球112a与线弧122之间有接触时，将会出现这样的电容变化。这样的检测系统在检测系统/电路为基于AC(即交流)的系统时会是特别合宜的。检测系统/电路可配置成对所检测的电学变化(例如，小量的电流、小的电容变化等)非常敏感，且因此线弧122将倾向于不因与结球112a轻柔接触而变形。

利用本发明的各种方法，有关线弧的一部分(或者线材的其它部分、比如图4A-4B中所示的传导凸块)的焊接状况的实时反馈可被提供到焊线系统。

在图1A中示出的焊线系统100是示例，并且许多变化被考虑。例如，其它类型的线弧(比如，仅包括第一焊接部、第二焊接部和在两者之间的一段长度的线材的简单的线弧(例如，参见以下描述的图3A-3C)也被考虑。此外，还考虑线材的其它部分(不是线弧)，比如传导凸块(例如，参见以下描述的图4A-4B)。仍另外的，在多(点)焊接类型的线弧(这样的线弧122被示出在图1A中)中，传导凸块可被提供在各种焊接部分(比如焊接部分122b-122f)下方(其中，这样的传导凸块也可被称为托脚(stand-off)))。仍另外的，如在图2H中图示的，安全焊接部112a’(例如，利用结球112a形成)可被包括，例如被焊接到最后的焊接部分122g上。

图1B图示出图1A的同一焊线系统(具有相同的附图标记)和同一线弧122。然而，在图1B中，线弧122的线材部分122d未被恰当焊接(其处于未粘结工况下)。本发明的方面可用来检测诸如这种未粘结工况、或者缺失线材工况等的工况。例如，图7A-7B图示出与图1B中线材部分122d未恰当焊接到其关联焊接位置相类似的工况。因此，与图7A-7B相关所描述的方法或者本文中描述的其它方法也可用来检测图1B的线材部分122d的未粘结工况。

具体地，图2A-2G为一系列简图，图示出通过结球112a与线弧122的各个焊接部分122a、122b、122c、122d、122e、122f、122g之间接触、利用检测系统110的电连续性检测。通过这些循序的电学核查，可以检测线弧122的相关部分(即焊接部分122a、122b、122c、122d、122e、122f、122g)与对应的焊接位置(即管芯120g、120f、120e、120d、120c、120b和基板120a上的焊接位置)之间的恰当焊接(或另外的焊接状况)。

图3A-3C是一系列简图，图示出焊线系统100(例如，图1A的同一焊线系统100)上的线弧322(例如，较图1A中所示的线弧122简单的线弧)。线弧322包括第一焊接部322a(焊接部分)、第二焊接部322b(焊接部分)和在两者之间的一段长度的线材322c。如以上针对图1A)所提供的，焊线系统100包括检测系统110、焊接头104(包括焊线工具108和线夹106)组件和用于支撑工件320的支撑结构102(例如，加热块、砧座等)。工件320包括基板320a和半导体管芯320b。如图示的，线弧322已被形成来提供(i)半导体管芯320b的焊接位置与(ii)基板320a的焊接位置之间的电互连。该电互连经由焊接到半导体管芯320b的焊接位置的第一焊接部322a和焊接到基板320a的焊接位置的第二焊接部322b提供。图3B图示出焊线工具108已被移动使得结球112a接触焊接部分322a(即线弧322的第一焊接部)。利用检测系统110感测导电性，以确定第一焊接部322a(也称为焊接部分322a)是否被恰当焊接到半导体管芯320b的焊接位置。图3C图示出焊线工具108已被移动使得结球112a接触第二焊接部322b(也称为焊接部分322b)。利用检测系统110感测导电性，以确定第二焊接部322b是否被恰当焊接到基板320a的焊接位置。通过这些导电性核查，关于线弧的相关部分(即焊接部分322a、322b)有无被恰当焊接到对应焊接位置(即管芯320b和基板320a上的焊接位置)，可作出判断。

图4A-4B是一系列简图，图示出对线材的不是线弧的部分、即对工件420上形成在相应焊接位置处的线材凸块422a、422b(也称为焊接部分422a、422b)的电连续性检测。焊线系统100包括检测系统110、焊接头组件104(包括焊线工具108和线夹106)和用于支撑工件420的支撑结构102(例如，加热块、砧座等)。图4B图示出焊线工具108已被移动使得结球112a接触焊接部分422b(即线材凸块，有时也称为柱凸(stud bump))。利用检测系统110感测导电性，以确定焊接部分422b是否被恰当焊接到工件420(例如，半导体器件、基板、半导体晶片等)的焊接位置。通过该电学核查，关于线材的相关焊接部分(在该情况中，焊接部分422b)有无被恰当焊接到对应焊接位置(即工件420上的焊接位置)，可作出判断。

如在图5A-5G中图示的(其中为简洁起见，焊线系统的包括检测系统110的部分被移除)，不同于接触线弧122的每个预期焊接部分122a、122b、122c、122d、122e、122f、122g(即线弧122的与半导体管芯120g、120f、120e、120d、120c、120b和基板120a的焊接位置的相应焊接部)，不同类型的核查可被考虑。例如，结球112a可循序地(或者按照任何期望的相继顺序)降低至在焊接部分122a、122b、122c、122d、122e、122f、122g的预期位置正上方的、相应的预定阈值高度th

图6A-6C、图7A-7B和图8A-8C图示出相应的详细过程的示例。在图6A-6C、图7A-7B和图8A-8C的每组图中都图示有三个(3)窗口。第一窗口th

具体地，图6B图示出结球112a(通过工具108的运动)通过第一窗口th

图7A-7B图示出相同的窗口(即未粘结检测窗口、恰当焊接窗口和缺失线材窗口)，但在图7A-7B中，线材部分122b未焊接到管芯120f的焊接位置。相反，线材部分122b(即，在该实例中，失效的焊线部122b)处在管芯120f的焊接位置的表面的正上方。因此，在图7B中，接触在第一窗口th

图8A-8C图示出相同的窗口(即未粘结检测窗口、恰当焊接窗口和缺失线材窗口)，但在图8A-8C中，在管芯120f的焊接位置正上方不存在线材部分122b——相反地，所述线材部分缺失(即，在该实例中，缺失焊线部122b)。在图8B-8C之间，结球112a下降到正好高于管芯120f的焊接位置的表面，但没有接触被建立。当结球112a下降到缺失线材窗口的底部而未检测到导电性(参见图8C)时，线材(即线材部分或焊线部122b)缺失被确立。

尽管图6A-6C、图7A-7B和图8A-8C图示出全部的三个高度范围(即未粘结检测窗口、恰当焊接窗口和缺失线材窗口)，但理解的是，根据本发明的方面，这些范围中的任何一个或多个可独立于其它范围被核查。例如，图5A-5G图示出仅在未粘结检测窗口中确定线材部分是否存在的核查。类似地，可仅在恰当焊接窗口中或仅在缺失线材窗口中或在这些窗口的任何组合中针对线材部分的存在情况执行核查。

尽管本文中参考具体实施例图示并描述了本发明，但本发明并不意图限于所示细节。相反地，在权利要求的范围及等同物的范围内且在不偏离本发明的情况下，可在细节上进行各种修改。