連接導線的方法及裝置的製作方法

2023-05-17 12:55:51 1

專利名稱：連接導線的方法及裝置的製作方法
背景技術：
本發明涉及一種連接導線的方法及裝置，特別涉及一種將導線連接到半導體器件上的方法及裝置。
多種電路都要利用安裝在電路板的半導體器件。半導體器件的製作過程包括線路的焊接過程，通過它來把半導體晶片安裝在引線框架或基板上。電路中含有形成於晶片外側的引線，或者形成於基板上的電極極板由例如鋁或金的金屬導線焊接。
典型地，在這種導線焊接過程中，抽出金屬導線給導線焊接器(導線焊接裝置)的焊接工具區，並在壓力下將其與半導體晶片的焊接底座焊接。在超聲型導線焊接器中，對該焊接工具施加超聲振動。把導線和焊接工具一起壓向晶片焊接底座，從而將導線焊接在一起。
傳統的導線焊接器中，在把金屬導線與半導體晶片相連時，要預設焊接時間。然後給工具和導線施加超聲波和壓力並保持一段預設的焊接時間。所述的預設時間需考慮到焊接區的焊接特性而確定，以保證導線最多地擴散並附加一安全時間空白段。
但是，在實際焊接金屬導線時完全焊接所需的時間長度可能與取決於各個底座焊接特性的分布的預設時間不同。由此，即使已經焊接好，焊接過程也仍將繼續到預設時間結束。所以，對半導體晶片所施加的不必要振動和壓力將引起開裂或破損，進而破壞其內部性能。
作為上述問題的一個例子，功率控制單元等特別是例如電驅動機車中的發電機或其他電動機或發生器的旋轉裝置中存在這樣的問題。為了縮短導線長度以減小電阻來改善半導體器件的性能並獲得更高的製作效率和更高的安裝密度，便把半導體器件作為裸片安裝在電極圖案和基板的電路圖案上。在用前述傳統方式進行上述的裸片焊接時，不必要的振動和壓力問題將更為嚴重，從而加重了上述的開裂和損壞缺陷。
因此，本發明的一個目的在於提供一種能夠在不考慮焊接區的焊接特性的情況下，以最佳和最短的時間把金屬導線與半導體晶片焊接起來的導線焊接方法和裝置。
發明概述本發明的第一個特徵體現在一種同時利用超聲振動而將金屬導線與一器件進行壓力焊接的導線焊接方法中。該方法包括以下步驟在金屬導線和器件間加壓，同時施加振動；檢測金屬導線與該器件之間的焊接程度；檢測到焊接狀態完成時，停止施加產生超聲振動和壓力。
本發明的另一個特徵體現在一種具有把金屬導線壓向器件的工具的導線焊接裝置。一個振動器給所述的工具施加超聲振動。一個振蕩器給振動器提供能量，一控制部控制該振蕩器的輸出。一加壓裝置給所述工具施加壓力。一焊接檢測器檢測該金屬導線與器件間的焊接程度，並通知控制區結束焊接。
附圖簡介

圖1是根據本發明所構造和進行操作的焊接裝置的部分側面立視圖，其中含有用橫截面圖示意的焊接部件區；圖2A和2B是兩種可替換方式的示意圖，其中在實施本發明時可以確定焊接是否完成；圖3是施加了本發明所檢測電路的鋁基板的頂視圖；圖4是與圖3部分相似的頂視圖，但它示意了安裝在所述鋁基板上的晶片和其他部件；圖5是圖4所示結構的側面立視圖；圖6是與本發明所檢測電路一起使用的電動機車的電動機控制單元的頂視圖；圖7是所述電動機控制單元的側面立視圖；圖8是所述電動機控制單元的端面立視圖；圖9是與圖6部分相似的頂視圖，但其中去除了封裝化合物且用實線示意其中的所含部件；圖10是與圖7部分相似的側面立視圖，但其中去除了封裝化合物且用實線示意其中的所含部件；圖11是與圖8部分相似的端面立視圖，但其中去除了封裝化合物且用實線示意其中的所含部件。
詳細描述現在結合附圖進行詳細描述。通常用附圖標記11來表示根據本發明所構建和進行操作的導線焊接裝置。該裝置包括一個把導線13送給工件的工具12，所述工件常用附圖標記14表示，且它具有特殊的結構，這將在後面結合圖3-11進行描述。所述的工件12是現有技術中常用的任何類型，對於在本發明所屬領域中工作的技術人員來說，沒有必要對其作詳細的描述。
所述的工具12與一個振動器15相連，該振動器15也可以是本領域中的常用類型。振動器15由超聲波振蕩器16驅動，給該振動器15、工具12和導線13提供超聲振動。而且所述的發生器16的結構也可以是該領域中所用的任何類型。
一個提供負載的線性電動機17為與振動器15整體固接的工具12施加壓力。電動機17同樣可以是用於此目的常用類型。所述的工具12、導線13、振動器15和線性負載電動機17都位於Z-軸電動機18的縱向位置，所述的Z軸電動機用於在Z方向上(縱向)驅動工具12。一個Z軸解碼器19用於檢測被Z軸電動機18所驅動的工具12的位置。上述的這些組件都可以是所屬領域中的常用類型。
一個壓力傳感器21用於檢測在焊接過程中因壓力所引起的工具12和導線13的減壓量。最後，該裝置還包括一個用於控制本發明的焊接或連接過程的控制部22。
如上所述，圖1示意了一種焊接裝置，它與工件14對準，特別是位於把導線13焊接到將與之相接的元件上的位置。如前所述，在上述裝置中進行焊接操作的特殊工件14將結合附圖3-11在以後更詳細地描述。但是，它包括一個基板31，並在其上以下述的方式安裝半導體器件39。由鋁或金製成的金屬導線13將與半導體晶片39上所形成的連接底座23相接。
用工具的尖頭把金屬導線13壓向半導體晶片39的連接底座23進行焊接。在把金屬導線13焊接到連接底座23上之後，把工具12移到基板31上形成的電極(未示出)上同時拔出金屬導線13。這樣導線13就被焊接到電極上。上述的焊接完成後剪掉該金屬導線13。重複上述的步驟，以同樣的方式用金屬導線13連接基板上的電極和半導體晶片39上的電極(連接底座23)。
在把工具12壓向連接底座23而焊接金屬導線13時，已位於X和Y方向的工具12在Z軸由電動機18的帶動下被帶到指定的位置，並用負載線性電動機17給工具施加預定的壓力。用載荷電池(未示出)檢測所施加的壓力，並根據控制部22中的微機存儲器中所存儲的程序進行控制。
控制部22根據預設程序給超聲波振蕩器16施加驅動信號A，且通過振動器15把超聲振動施加給工具12，該信號來源於超聲波振蕩器16的輸出信號B。振動所需負載的改變取決於焊接狀態。對於超聲波振蕩器16的輸出信號B而言，控制部22把驅動信號A傳送給超聲波振蕩器16，使得輸出信號B相應於工具12尖端處金屬導線13的焊接狀態而改變。與該輸出信號B相同的信號反饋給控制部22，作為用於監測輸出的輸出檢測信號C。根據所述的輸出檢測信號C確定對超聲波振蕩器16的驅動控制。
輸出檢測信號C與連接底座23上連接區中的金屬導線13的焊接狀態對應。所以，如果檢測到輸出檢測信號C，就可以檢測焊接的完成情況。現結合圖2A和2B所述的方式進行。這些圖中的每一個都是用圖1所示的導線焊接裝置進行焊接操作的過程中施加給半導體晶片的信號波示意圖。
在曲線圖(2A)(2B)中，曲線「a」表示由圖1中的壓力傳感器21檢測到的工具的減壓量，曲線「b」表示驅動信號(超聲波輸出信號)B，它從控制部22輸出，成為了一個反饋信號。可以看到，是在t0時由負載線性電動機17施加壓力的。在上述壓力作用下，減壓量「a」增加。
在t1時超聲波振蕩器16開始工作，且在該過程中超聲波輸出信號A將隨著通常的執行情況上升，這與已有技術中相同。超聲波輸出信號A響應於導線連接區的連接狀態而逐漸增加。
在t2時，導線連接區達到完成連接的狀態，此時導線連接區的焊接已完成。可以發現，這已反映在超聲波信號中。如圖2A所示，超聲波輸出信號A迅速上升，然後成為約為恆定輸出電壓的曲線。超聲波輸出信號中的這種變化可能會更大，或者幾乎不會出現，這取決於例如工具12的設置情況。根據該實施例和圖2A所示的曲線圖，工具、振動器等的安裝情況或其他焊接條件可以事先調節，使得在超聲波輸出信號中的波形出現突變。
在曲線圖2B所示的情形中，即使在導線連接區已被焊接完，超聲波輸出波形也沒有出現例如上升這樣的變化。但是在曲線圖2A和2B所示的任一種情形中，在導線連接區的焊接完成時，超聲波輸出信號b的波形基本不變，到t2後變平。
所以，在任一種情形中，在焊接導線和連接完成之後，在時間t3停止驅動超聲波振蕩器16，以停止對工具施加超聲振動。而且，停止驅動負載線性電動機17以停止施加壓力。從而，半導體晶片的連接底座的連接操作結束。
所以，本發明中，在t2時停止施加超聲振動和壓力，此時檢測到同時進行焊接完成和結束連接底座上的連接操作。這可以通過檢測同時進行超聲波輸出信號波中出現的突變來實現，如曲線圖2A所示。這可以通過設定操作程序來做，而且最好這樣來設定，即在檢測上述突變的同時或在判明上述突變轉入平直狀態後的短時間內停止連接。另一種情況如圖2B所示，在t2後波形變成平直，即在t2時波形不再上升，所以如果檢測該平直的波形，則可以確定連接區中的焊接結束，從而停止連接操作。
參見圖3-11，其中示意了可用前面已經描述過的裝置和方法進行焊接的特殊類型的工件，其中示意了這樣一種實施例，其中含有被安裝器件的基板可用作驅動電動機車的電動機控制單元。
如圖3-5所示，工件14由鋁基板31上形成的銅傳導圖案(未示出)構成，其上塗覆了一層阻焊劑32。通過刻制阻焊劑32，形成構成電動機控制電路組成區的二極體臺階狀圖案33和FET臺階狀圖案34。在鋁基板31上的三個位置形成控制電路的輸出端35a，35b和35c，且每個輸出端都各有兩個輸出端孔36。在鋁基板31的四個角上設置用於固定殼體的安裝孔37，這將在後面結合圖6-11進行描述。另外，在基板上還設有形成該驅動電路另一部件的柵電阻38。
把二極體39焊接在各二極體臺階狀圖案33中，把FET 41焊接在各FET臺階狀圖案34中。用樹脂42分別封裝或密封每個二極體39。如前所述，可用已經描述的方法和裝置進行所有這些半導體器件39和41的連接。
用樹脂43沿著連接器44封裝每個FET 41。可以選擇其線性膨脹係數約為(15-30)×10-6/℃的市售可得的液體密封材料或樹脂來作為密封這些二極體39和FET 41的封裝材料。例如，其線生膨脹係數約為和15×10-6/℃和22×10-6/℃的密封材料分別約為銅和鋁的線性膨脹係數，在市場上可以很容易獲得。
現參見圖6-11，這些附圖示意了如何構造一個加入了圖3-5的工作的鋁基板31的整個電動機控制單元。通常用附圖標記45表示該電動機控制單元，它含有一個位於殼體46內、由前面結合圖3-5所示的鋁基板31所構成的驅動控制電路。
殼體46由鋁或鋁合金金屬材料擠壓而成。該殼體46是兩端開口的圓柱狀。從它的外圓周表面伸出多個平行排列的突起47，該突起47增大了殼體46的表面積，從而增強了熱輻射，也使得殼體46的剛性和強度增加。
在所述的鋁基板31上還安裝有構成驅動控制電路的其他元件，例如電介質電容器48，所述的驅動控制電路構成驅動控制電路(圖9)。而且，端部連接板49a，49b和49c與前述的輸出端35a，35b和35(36)c連接。控制電路的每條信號線都經由電纜51和耦合器52與開關和其他機車側上的驅動或控制部件相連。輸出端53穿過前述的輸出端孔37，從鋁基板31的下表面伸出。上述的鋁基板31和置於其上的電學元件都盛裝在殼體46內且用樹脂54進行封裝或密封。
如上所述，在確定焊接結束時，檢測每個連接區的焊接狀態並立即停止施加超聲振動和壓力，使得所做的連接在最短時間內結束，而不需要在完成焊接後再施加不必要的超聲振動和壓力，也不管各個連接底座焊接特性的分布情況，這常常是與每個焊接區相對應的。儘管前述的實施例中，把超聲波振蕩器輸出的輸出電壓反饋電路用作檢測連接區中焊接完成的檢測手段，並由所測得的信號波形來確定連接狀態，但是本發明不限於此，例如可以通過檢測用雷射束照射連接區時、連接區所反射的光來確定連接狀態的變化。
當然，所屬領域中的普通技術人員可以容易理解，前面的描述只是方法和裝置的優選實施例，並且可以在不偏離本發明精神和由所附權利要求書所限定範圍的情況下作各種修改和變化。
權利要求
1.一種在進行壓力焊接的同時施加超聲振動而連接金屬導線與器件的導線連接方法，所述的方法包括以下步驟在所述金屬導線和器件間施加壓力，同時施加振動力；檢測所述金屬導線和器件間的連接程度；和相應於檢測到所進行的連接狀態完成而停止施加所述的超聲振動和壓力。
2.一種如權利要求1所述的導線連接方法，其中所述的器件含有一個半導體晶片，所述的金屬導線被焊接到所述半導體晶片上的連接底座上。
3.一種如權利要求2所述的導線連接方法，其中在焊接所述金屬導線時，把所述的半導體晶片安裝到一個基板上。
4.一種如權利要求1所述的導線連接方法，其中所述的超聲振動由一個振蕩器產生。
5.一種如權利要求4所述的導線連接方法，其中由來自所述振動器的反饋信號確定連接狀態。
6.一種如權利要求5所述的導線連接方法，其中由所述反饋信號波的突變來確定連接的完成。
7.一種如權利要求6所述的導線連接方法，其中所述器件含有一個半導體晶片，且把所述的金屬導線焊接到所述半導體晶片上的連接底座上。
8.一種如權利要求7所述的導線連接方法，其中在焊接金屬導線時把所述的半導體晶片安裝在一基板上。
9.一種如權利要求5所述的導線連接方法，其中，由所述反饋信號波中不發生顯著變化來確定連接的完成。
10.一種如權利要求9所述的導線連接方法，其中，所述器件含有一個半導體晶片，且把所述的金屬導線焊接到所述半導體晶片上的連接底座上。
11.一種如權利要求10所述的導線連接方法，其中，在焊接所述金屬導線時把所述半導體晶片安裝在一基板上。
12.一種導線連接裝置，包括一個用於支承金屬導線並把它壓向一器件的工具；一個用於給所述工具施加超聲振動的振動器；一個給所述振動器提供能量的振蕩器；一個用於控制所述振蕩器的輸出的控制部；一個用於給所述工具施加壓力的壓力裝置；一個用於檢測所述金屬導線與器件間的連接程度的連接檢測器，並提示所述控制部何時中止焊接過程。
13.一種如權利要求12所述的導線連接裝置，其中所述的連接檢測器通過檢測來自振蕩器OLE-LINK1的反饋信號波形的突變來檢測焊接的完成。
14.一種如權利要求12所述的導線連接裝置，其中所述的連接檢測器通過檢測來自振蕩器的反饋信號波形中沒有發生顯著的變化來檢測焊接的完成。
全文摘要
本發明涉及對每個連接區的焊接狀態進行檢測的方法和裝置,其中當確定焊接完成時就立即停止施加超聲振動和壓力。這使得在最短時間內完成連接,而不需要在焊接完成後施加不必要的超聲振動和壓力,也不管各個連接底座的焊接特性的分布,這常是與每個導線連接區相對應的。
文檔編號H01R43/02GK1388613SQ0214135
公開日2003年1月1日 申請日期2002年5月28日 優先權日2001年5月30日
發明者荒木千博 申請人:株式會社萌利克