DE102005044048B4

DE102005044048B4 - Wire Bonder

Info

Publication number: DE102005044048B4
Application number: DE102005044048A
Authority: DE
Inventors: Martin Melzer
Original assignee: Unaxis International Trading AG
Current assignee: Besi Switzerland AG
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2025-09-16
Also published as: US7353976B2; CN1770413A; TWI294324B; TW200615069A; US20060076390A1; KR20060051690A; CN100437957C; DE102005044048A1

Abstract

Wire Bonder, mit einem Bondkopf (1) und einer auf dem Bondkopf (1) angeordneten Wippe (8), die um eine horizontale Achse drehbar ist, und mit einem Horn (9), das einen Flansch (18) für die Befestigung des Horns (9) an der Wippe (8) aufweist und in dem eine Kapillare (10) eingespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Bondkopf (1) mindestens ein Sensor (22) befestigt ist, der mindestens ein Ausgangssignal liefert, das vorbestimmte Schwingungen des Bondkopfs (1) repräsentiert, dass zwischen dem Horn (9) und der Wippe (8) mindestens ein Aktuator (13; 14; 15) angeordnet ist, der eine Bewegung des Horns (9) relativ zur Wippe (8) ermöglicht, und dass eine Steuereinrichtung (26) aus dem mindestens einen Ausgangssignal des mindestens einen Sensors (22) ein Steuersignal für den mindestens einen Aktuator (13; 14; 15) berechnet und den mindestens einen Aktuator (13; 14; 15) ansteuert, um Schwingungen des Horns (9) zu eliminieren oder mindestens zu reduzieren.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wire Bonder der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Ein Wire Bonder ist ein Automat, mit dem Halbleiterchips nach deren Montage auf einem Substrat unter Einwirkung von Druck, Ultraschall und Wärme verdrahtet werden. Der Wire Bonder weist eine Kapillare auf, die an der Spitze eines Horns eingespannt ist. Die Kapillare dient zum Befestigen des Drahtes auf einem Anschlusspunkt des Halbleiterchips und auf einem Anschlusspunkt des Substrates sowie zur Drahtführung zwischen den beiden Anschlusspunkten. Die Bewegung der Kapillare im Raum erfolgt mittels eines Bondkopfs, der in der horizontalen xy-Ebene bewegbar ist, und einer auf dem Bondkopf montierten Wippe, an der das Horn montiert ist und die die Bewegung in der vertikalen z-Richtung ermöglicht.
Bei der Herstellung der Drahtverbindungen werden der Bondkopf und die Wippe ausserordentlich stark beschleunigt und abgebremst. Diese starken Beschleunigungen führen dazu, dass die Spitze des Horns, wo die Kapillare eingespannt ist, und damit auch die Kapillare in unerwünschte Schwingungen versetzt werden. Die Kapillare kann erst dann auf den Anschlusspunkt abgesetzt werden, wenn die Schwingungen auf ein unbedeutendes Mass abgeklungen sind. Dies bedingt Wartezeiten, die den Bondzyklus verlängern.

Aus der DE 37 01 652 C2 ist ein Wire Bonder bekannt, bei dem zur kontinuierlichen Überwachung der Bondkraft und der Ultraschallamplitude die verstärkten Ausgangssignale eines ersten Sensors zur Messung der Bondkraft und eines zweiten Sensors zur Messung der Ultraschallamplitude ein Auswertegerät beaufschlagen. An der Ober- und Unterseite des Bondarms sind den ersten Sensor bildende Dehnungsmessstreifen angebracht, die die vertikale Verbiegung des Bondarms, die der Bondkraft proportional ist, messen. Seitlich am Bondarm ist ein den zweiten Sensor bildender piezoelektrischer Sensor angebracht. Das verstärkte Ausgangssignal des zweiten Sensors wird frequenzmässig in mehrere Anteile zerlegt, die ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz des Ultraschallgenerators entsprechen und die einzelnen frequenzmässig zerlegten Teile werden in eine Gleichspannung verwandelt und ihre momentanen Amplituden zum Zeitpunkt des Bondens gespeichert.

Aus der DE 41 31 565 C2 ist ein Verfahren zur Optimierung des Schweissprozesses beim Drahtbonden bekannt, bei dem der gesamte Ultraschall-Schwingungsverlauf einschliesslich der instationären Zustände und der Kurvenform erfasst und einer Auswertung unterzogen wird. Die Auswertungsergebnisse werden zur optimierten Steuerung der Schweissparameter des Prozesses und zur zerstörungsfreien fortlaufenden Kontrolle der Bondungen verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schwingungen der Spitze des Horns zu eliminieren oder mindestens zu reduzieren.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Ein Wire Bonder enthält zwei Antriebe für die Bewegung eines Bondkopfs in zwei räumlichen Richtungen. Der Bondkopf umfasst eine auf dem Bondkopf angeordnete Wippe, die um eine horizontale Achse drehbar ist. An der Wippe ist ein Horn angeflanscht, in dem eine Kapillare eingespannt ist. Erfindungsgemäss ist am Bondkopf mindestens ein Sensor befestigt, der mindestens ein Ausgangssignal liefert, das vorbestimmte Schwingungen des Bondkopfs repräsentiert, beispielsweise in vertikaler Richtung gerichtete Schwingungen, und zwischen dem Flansch und der Wippe ist mindestens ein Aktuator angeordnet, der eine Bewegung des Horns relativ zur Wippe ermöglicht. Eine Steuereinrichtung berechnet aus dem mindestens einen Ausgangssignal des mindestens einen Sensors ein Steuersignal für den mindestens einen Aktuator und steuert den mindestens einen Aktuator an, um Schwingungen des Horns zu eliminieren oder mindestens zu reduzieren. Der mindestens eine Sensor ist bevorzugt auf der Wippe angeordnet. Der mindestens eine Sensor ist bevorzugt ein Beschleunigungssensor. Als Aktuator eignet sich insbesondere ein piezoelektrisches Element. Die Anzahl der Aktuatoren beträgt vorzugsweise drei, um die Spitze der am Horn eingespannten Kapillare in drei Raumrichtungen bewegen zu können.

Die zusätzlichen Aktuatoren müssen nur das Horn bewegen, das eine im Vergleich zum Bondkopf sehr geringe Masse aufweist. Die Aktuatoren ermöglichen deshalb wesentlich schnellere Bewegungen des Horns, als dies durch den Bondkopf möglich ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 den Bondkopf eines Wire Bonders,
2 eine Kippbewegung des Bondkopfs,
3, 4 eine Wippe, an der das Horn befestigt ist, wobei die Position des Horns relativ zur Wippe mit Hilfe von drei Aktuatoren veränderbar ist,
5 ein Beispiel, wenn das Horn relativ zur Wippe verschwenkt ist,
6 ein Signalschema, und
7 die Wippe mit dem Horn, wobei die Position des Horns relativ zur Wippe mit Hilfe eines Aktuators veränderbar ist.
Die 1 zeigt schematisch in perspektivischer Ansicht den Bondkopf 1 eines Wire Bonders. Bei diesem Beispiel ist der Bondkopf 1 ein rotativer Bondkopf, der gemäss dem US Patent US 6460751 konstruiert ist und aus einem Schlitten 2 und einem auf dem Schlitten 2 gelagerten, um eine vertikale Achse 3 drehbaren Drehträger 4 besteht. Der Wire Bonder enthält eine horizontal ausgerichtete Gleitplatte 5, einen ersten Antrieb 6 und ein Lagerelement 7 für die Bewegung des Schlittens 2 entlang einer als y-Achse bezeichneten linearen Achse. Auf dem Drehträger 4 ist eine um eine horizontale Achse drehbare Wippe 8 gelagert, an der ein Horn 9 befestigt ist, an dessen Spitze eine einen Draht führende Kapillare 10 eingespannt ist. Auf dem Schlitten 2 ist ein zweiter Antrieb 11 montiert, der den Drehträger 4 um die vertikale Achse 3 dreht. Der Drehträger 4 ist bezüglich der y-Achse um einen Winkel θ von etwa ±15° drehbar. Auf dem Drehträger 4 ist ein dritter, nicht sichtbarer Antrieb montiert, der die Wippe 8 um die horizontale Achse dreht. An dem der Kapillare 10 gegenüberliegenden Ende des Horns 9 ist ein nicht sichtbarer Ultraschallgeber befestigt, der das Horn 9 mit Ultraschall beaufschlagt.
Der Bondkopf 1 kann auf unzählige Arten schwingen, wobei sich die Schwingungen konstruktiv nicht oder nur mit unverhältnismässig grossem Aufwand eliminieren lassen. Im folgenden wird ein einfaches Beispiel vorgestellt für eine Schwingung des Bondkopfs 1, die auftreten kann und unerwünschte Schwingungen des Horns 9 bewirkt. Der Schlitten 2 ist auf der Gleitplatte 5 mittels Luft gelagert, ebenso ist der Drehträger 4 auf dem Schlitten 2 mittels Luft gelagert. Die Steifigkeit der Luftlager ist begrenzt. Infolgedessen kommt es dazu, dass bei grosser Beschleunigung das Luftlager so stark belastet wird, dass sich die Dimensionen des Luftspalts im Luftlager vorübergehend verändern. Diese Veränderungen übertragen sich auf die Spitze der Kapillare 10. Die 2 illustriert dies – in starker Überzeichnung – exemplarisch für den Fall, wenn der mit hoher Geschwindigkeit in y-Richtung bewegte Schlitten 2 plötzlich stark abgebremst wird. Bei der Abbremsung kann es beispielsweise vorkommen, dass der Bondkopf 1 nach vorne kippt. Wenn die bei der Abbremsung auftretende Beschleunigung wieder abnimmt, kippt der Bondkopf 1 wieder zurück und der Luftspalt 12 wird wieder gleichförmig. Diese Kippbewegung ist von Auge nicht wahrnehmbar. Die Belastung des Luftlagers führt meistens nicht nur zu einer einfachen Kippbewegung, sondern zu aufeinanderfolgenden Kippbewegungen (hin und zurück) mit abklingender Amplitude, d.h. zu Schwingungen des Schlittens 2. In diesem Fall sind die Schwingungen in z-Richtung, d.h. in vertikaler Richtung gerichtet. Ebenso treten Schwingungen des Drehträgers 4 auf, wenn der Drehträger 4 stark beschleunigt wird. Die Schwingungen des Schlittens 2 und des Drehträgers 4 übertragen sich auf das Horn 9. Unerwünschte Schwingungen treten auch auf, wenn ein anderes Lager als ein Luftlager eingesetzt ist.
Um die Schwingungen des Horns 9 zu eliminieren, sind erfindungsgemäss zusätzliche Aktuatoren vorgesehen, die sehr schnell sehr kleine Wege stellen können. Diese Aktuatoren sind möglichst nahe bei der Kapillare 10 platziert. Die 3 und 4 zeigen in seitlicher Ansicht bzw. in Aufsicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem drei Aktuatoren 13, 14 und 15 zwischen dem Horn 9 und der Wippe 8 eingesetzt sind. In der 4 ist die Wippe 8 mit gestrichelter Linie dargestellt, da die Wippe 8 die Sicht auf die andern Teile verdecken würde. Das Horn 9 enthält einen Flansch 18, um das Horn 9 an der Wippe 8 zu befestigen. Eine besonders geeignete Ausführung des Flansches 18 ist im europäischen Patent EP 934794 beschrieben. Die drei Aktuatoren 13, 14 und 15 sind zwischen zwei Platten 19 und 20 eingespannt. Die Platte 19 ist an der Wippe 8 befestigt. Die Platte 20 ist am Flansch 18 befestigt. Jeder der drei Aktuatoren 13, 14 und 15 kann kleine Stellbewegungen im Bereich von wenigen Mikrometern ausführen, die parallel zur Längsachse 21 des Horns 9 gerichtet sind. Die drei Aktuatoren 13, 14 und 15 ermöglichen somit Verschwenkungen der Platte 20 relativ zur Platte 19 um zwei Achsen sowie Änderungen des Abstands zwischen den beiden Platten 19 und 20. Die Spitze der Kapillare 10 kann somit in drei Raumrichtungen um je wenige Mikrometer oder sogar um bis zu 10 bis 20 Mikrometer bewegt werden. Die Funktion der Platte 19 kann auch von der Wippe 8 übernommen werden. In diesem Fall entfällt die Platte 19. An der Wippe 8 ist ein Sensor 22 befestigt, dessen Aufgabe später erläutert wird.
Die drei Aktuatoren 13, 14 und 15 ermöglichen, wenn sie mit dem gleichen Steuersignal beaufschlagt werden, eine Verschiebung der Platte 20 in y-Richtung. Die beiden Aktuatoren 13 und 14 ermöglichen eine Schwenkbewegung der Platte 20 um die vertikale z-Achse 23, wenn sie mit einem entgegengesetzten Steuersignal beaufschlagt werden. Der Aktuator 15 ermöglicht eine Schwenkbewegung der Platte 20 um eine horizontal verlaufende, orthogonal zur y-Achse gerichtete Achse 24. Die 5 illustriert den Fall, dass die drei Aktuatoren 13, 14 und 15 so mit einem Steuersignal angesteuert sind, dass die Platte 20 um die Achse 24 verschwenkt ist. Die Spitze der Kapillare 10 erfährt dadurch eine Bewegung um die Distanzen –Δy und –Δz. Wird dem Schwenksignal für die drei Aktuatoren 13, 14 und 15 zudem ein Stellsignal überlagert, das die Platte 20 um die Distanz +Δy verschiebt, dann resultiert insgesamt eine Bewegung der Spitze der Kapillare 10 um die Distanz –Δz.
Die drei Aktuatoren 13, 14 und 15 haben wie erwähnt die Aufgabe, Schwingungen der Spitze der Kapillare 10 zu eliminieren bzw. zu kompensieren, wenn der Bondkopf 1 beschleunigt oder abgebremst wird. Die drei Aktuatoren 13, 14 und 15 sind bevorzugt piezoelektrische Aktuatoren, an die eine elektrische Spannung angelegt wird, die eine Verlängerung oder Verkürzung des Aktuators bewirkt. Die beiden Platten 19 und 20 sind, fakultativ, unter Zugspannung aneinander befestigt, beispielsweise über Zugfedern 27, so dass die drei Aktuatoren 13, 14 und 15 vorgespannt sind. Um die Schwingungen der Spitze der Kapillare 10 zu erfassen, ist mindestens ein Sensor vorgesehen, dessen Ausgangssignal (oder Ausgangssignale) einer Steuereinrichtung zugeführt wird, die Steuersignale für die drei Aktuatoren 13, 14 und 15 erzeugt.
Der Idealfall wäre, wenn der Sensor direkt am Horn 9 platziert werden könnte oder die Schwingungen der Spitze des Horns 9 direkt messen könnte. Solche Lösungen sind technisch sehr aufwendig. Eine alternative Lösung besteht deshalb darin, den mindestens einen Sensor auf dem Bondkopf 1 zu befestigen, die Schwingungen des Bondkopfs 1 zu ermitteln und daraus Steuersignale für die drei Aktuatoren 13, 14 und 15 zu berechnen.
Die anhand der 2 illustrierte Schwingung des Schlittens 2 des Bondkopfs 1 führt zu Schwingungen der Spitze der Kapillare 10, die sich insbesondere als in z-Richtung gerichtete Schwingungen manifestieren. Um diese Schwingungen zu kompensieren, ist der Sensor 22 bevorzugt an der Wippe 8 des Bondkopfs 1 befestigt und misst direkt oder indirekt die Änderung der Lage eines Referenzpunktes 25 (3) bezüglich der z-Richtung oder eine damit korrigierte Grösse. Da die Wippe 8 im Drehträger 4 und der Drehträger 4 im Schlitten 2 des Bondkopfs 1 gelagert ist, übertragen sich die Schwingungen des Schlittens 2 auch auf die Wippe 8. Die Kippbewegung des Schlittens 2 ist gering und liegt dort, wo sie am stärksten ist, typischerweise im Bereich von 0.1 bis 2 Mikrometern. Die Messung derart geringer Positionsänderungen ist technisch sehr aufwendig. Einfacher ist eine Messung der auftretenden Beschleunigungen. Aus diesem Grund ist der Sensor 22 bevorzugt ein Beschleunigungssensor, der die in z-Richtung auftretende Beschleunigung des Referenzpunktes 25 misst. Das Ausgangssignal des Sensors 22 wird einer Steuereinrichtung 26 zugeführt, die daraus für jeden der drei Aktuatoren 13, 14 und 15 ein Steuersignal berechnet und die Aktuatoren 13, 14 und 15 ansteuert. Die Steuersignale sind so berechnet, dass die von der Wippe 8 auf die Spitze des Horns 9 bzw. die Spitze der Kapillare 10 übertragenen Schwingungen kompensiert werden.
Unter der Voraussetzung, dass das Horn 9 starr mit der Wippe 8 verbunden sind, lassen sich die Schwingungen der Wippe 8 direkt in Schwingungen der Spitze der Kapillare 10 umrechnen. Wenn das Horn 9 nicht völlig starr, sondern in einem vorbestimmten Mass elastisch mit der Wippe 8 verbunden ist, dann müssen die Schwingungen der Spitze der Kapillare 10 unter Berücksichtigung der Elastizität der Verbindung aus den Schwingungen der Wippe 8 berechnet werden.
Da auch der Drehträger 4 beim Drehen stark beschleunigt und abgebremst wird, ist es vorteilhaft, einen Beschleunigungssensor zu verwenden, der auch Beschleunigungen quer zur y-Achse oder sogar Beschleunigungen in allen drei Raumrichtungen misst. Die Ausgangssignale des Sensors 22 werden der Steuereinrichtung 26 zugeführt, die daraus drei Steuersignale für die drei Aktuatoren 13, 14 und 15 berechnet und die Aktuatoren 13, 14 und 15 ansteuert. Die 6 zeigt ein Schema für den Signalverlauf, bei dem der Sensor 22 drei Beschleunigungssignale für die drei kartesischen Raumrichtungen x', y' und z' liefert. Die Bezeichnungen x', y' und z' bedeuten, dass das Koordinatensystem an die Wippe 8 gebunden ist und die Bewegungen der Wippe 8 deshalb mitmacht. Die Stellbewegungen der drei Aktuatoren 13, 14 und 15 sind mit den Bewegungen des Schlittens 2 (1), des Drehträgers 4 und der Wippe 8 abzustimmen. Die Steuereinrichtung 26 wird deshalb vom Wire Bonder auch mit Informationen versorgt über den Bewegungsablauf des Schlittens 2, des Drehträgers 4 und der Wippe 8. Solche Informationen stammen beispielsweise von Positionsreglern 28, 29 und 30, die die Bewegung und Position des Schlittens 2, des Drehträgers 4 bzw. der Wippe 8 steuern und regeln, und/oder von der Software 31, die den Bondzyklus steuert. Diese Informationen dienen insbesondere zur Festlegung des Zeitpunkts, ab dem die Steuereinrichtung 26 die vom Sensor 22 gelieferten Beschleunigungssignale auswerten und Stellbewegungen der drei Aktuatoren 13, 14 und 15 erzeugen soll. Die Steuersignale für die drei Aktuatoren 13, 14 und 15 werden aus den Ausgangssignalen des Sensors 22 laufend neu ermittelt, so dass die Steuersignale den Schwingungsvorgang der Spitze der Kapillare 10 wirksam kompensieren.
Die 7 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem die z-Position der Spitze des Horns 9 bzw. der Kapillare 10 mittels des einzigen Aktuators 15 relativ zur Wippe 8 veränderbar ist. Die horizontale Drehachse der Wippe 8 ist mit dem Bezugszeichen 33 bezeichnet. Der Flansch 18 des Horns 9 ist an der Wippe 8 befestigt. An der Wippe 8 ist zudem eine Platte 20 befestigt, auf der der Aktuator 15 montiert ist. Das Horn 9 enthält einen zweiten Flansch 32, der am Aktuator 15 befestigt ist. Der Aktuator 15 ermöglicht Stellbewegungen, die in z-Richtung gerichtet sind. Der Sensor 22 misst die in z-Richtung gerichteten Beschleunigungen der Wippe 8, die Steuereinrichtung 26 berechnet daraus laufend ein Korrektursignal, um die von der Wippe 8 via den Flansch 18 auf das Horn 9 übertragenen, in z-Richtung gerichteten Schwingungen zu kompensieren, und steuert den Aktuator 15 entsprechend an, so dass an der Spitze der Kapillare 10 keine oder zumindest stark reduzierte Schwingungen auftreten.
Die Erfindung ist nicht auf den in dieser Anmeldung beschriebenen Bondkopf beschränkt. Sie lässt sich bei einem beliebigen Bondkopf eines beliebigen Wire Bonders einsetzen.

Claims

Wire Bonder, mit einem Bondkopf (1) und einer auf dem Bondkopf (1) angeordneten Wippe (8), die um eine horizontale Achse drehbar ist, und mit einem Horn (9), das einen Flansch (18) für die Befestigung des Horns (9) an der Wippe (8) aufweist und in dem eine Kapillare (10) eingespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Bondkopf (1) mindestens ein Sensor (22) befestigt ist, der mindestens ein Ausgangssignal liefert, das vorbestimmte Schwingungen des Bondkopfs (1) repräsentiert, dass zwischen dem Horn (9) und der Wippe (8) mindestens ein Aktuator (13; 14; 15) angeordnet ist, der eine Bewegung des Horns (9) relativ zur Wippe (8) ermöglicht, und dass eine Steuereinrichtung (26) aus dem mindestens einen Ausgangssignal des mindestens einen Sensors (22) ein Steuersignal für den mindestens einen Aktuator (13; 14; 15) berechnet und den mindestens einen Aktuator (13; 14; 15) ansteuert, um Schwingungen des Horns (9) zu eliminieren oder mindestens zu reduzieren.
Wire Bonder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (22) auf der Wippe (8) angeordnet ist.
Wire Bonder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (22) ein Beschleunigungssensor ist.
Wire Bonder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Aktuatoren (13; 14; 15) drei beträgt.