絲焊器的校準方法
2023-10-31 16:25:07 1
專利名稱：絲焊器的校準方法
技術領域：
本發明涉及絲焊器的校準方法。
球焊可受到各種因素的影響。為了獲得預定質量的焊接，對於專門的工序必須確定多個物理和/或技術參數的最佳值。這些參數的例子為焊接力，它是在焊接過程中由毛細管施加在球珠或半導體晶片的連接點上的力；或交變電流的幅值，通過它超聲波換能器對角臂提供超聲波。
在焊接期間，毛細管經常地磨損，它必需被新的毛細管替換。當更換毛細管時，通常毛細管頂端的振蕩性能改變，因為每個毛細管的特性有些不同及被不同地夾持在角臂上。因此，在每個毛細管更換後，必需重校準絲焊器的具體參數，由超聲波換能器對角臂提供的交變電流的幅值必需適應新的條件。
由歐洲專利EP 498 936公知了一種校準角臂振蕩幅值的方法。通過該方法，測量角臂頂端在空氣中自由振蕩的幅值及重新規定由超聲波換能器對角臂提供的交變電流的幅值，以使得角臂頂端在空氣中的振蕩呈現預定值。
由歐洲專利申請EP 953 398公知了一種校準絲焊器參數的方法，通過該方法毛細管的頂端或由毛細管頂端引導的焊球接觸到測試晶片的連接點。該測試晶片包括集成在連接點區域中的傳感器，傳感器的信號用來作校準。譬如預計用測量溫度的傳感器來校準超聲波的功率。
由文章「使用現場壓敏電阻微傳感器分析超聲波絲焊」公知了在焊接期間能夠記錄在矽片中產生的機械應力的壓敏電阻傳感器，它被發表在於2001年6月10-14日在慕尼黑召開的關於「Transducers』01Eurosensor XV」會議的會刊上。
本發明的另一在於，在批量生產中在一個絲焊器上得到的最佳參數可發送到另一絲焊器。本發明也提供了對該目的的解決方案及以簡單及可靠方式支持參數從一個絲焊器轉移到另一絲焊器。
根據本發明所述目的將藉助一種方法來解決，其中藉助集成在半導體晶片中的傳感器首先確定第一絲焊器的第一參考值及使用同一傳感器或相同類型傳感器在譬如毛細管被更換後來重新校準第一絲焊器或藉助參考該參考值來校準另一絲焊器。
每個絲焊器具有一個被夾持在一個角臂上的毛細管。由超聲波換能器對角臂提供超聲波，其中藉助參數P控制超聲波換能器。及根據以下步驟確定參考值URefa1)將無導線或線球的毛細管放置在傳感器的接觸區上，b1)將焊接力FC施加到毛細管上，該焊接力足夠地大，以使得在下個步驟中毛細管不會在傳感器1的表面上前、後滑動，c1)對超聲波換能器提供預定的參數值P1，及一旦進入穩態獲得傳感器信號的幅值U1，及d1)將傳感器信號的值U1作為參考值URef存儲。重新校準第一絲焊器，例如當毛細管更換後，或將校準另一絲焊器，這時根據以下步驟來確定校正係數γa2)將無導線或線球的毛細管放置在同一傳感器或同一類型的不同傳感器的接觸區上，b2)將相同的焊接力Fc施加到毛細管上，及c2)在參數P的控制下操作超聲波換能器，及d2)確定校正係數γ，以使得當參數P的用值P2＝γ*P1操作超聲波換能器時傳感器信號幅值為值URef。
因此，如果以此方法校準的絲焊器的超聲波換能器在焊接生產中被用參數P的值P2＝γ*P1操作時，就可保證在與第一絲焊器的半導體晶片相同的物理處理條件下在參考值URef確定的緊後面對半導體晶片進行導線連接。
根據一個優選實施例，在步驟c2)中，參數值P1被提供給超聲波換能器及在達到穩態後獲得傳感器信號的幅值U；及在步驟d2)中，校正係數γ被確定為γ＝URef/U。
根據另一實施例，在步驟c2)中，參數值P1被改變直到傳感器信號的幅值為值URef及在此狀態下參數P的值被表示為P2。校正係數γ則被確定為γ＝P2/P1。
以此方法來校準的參數P例如是流過超聲波換能器的電流或供給超聲波換能器的電壓。
具體實施例方式
圖1及2表示集成在半導體晶片中的傳感器1的平面圖及橫截面圖，該晶片包括4個壓敏電阻元件2至5，它們被電連接成惠斯登電橋。傳感器1的輸出信號相應於惠斯登電橋的輸出信號。該傳感器最好由n摻雜的矽6組成，壓敏電阻元件2至5埋入在矽表面7中作為p摻雜的矽作成的波狀電阻路徑。傳感器1的表面7上覆蓋著傳統的鈍化層8。壓敏電阻元件2至5被布置在近似方的接觸區9的外部，當超聲波功率校準時一個絲焊器的毛細管10的頂端在該接觸區內壓在半導體晶片上。毛細管10頂端理想地壓在傳感器1上的區域用虛線圓環10』表示。在圖1中，笛卡兒坐標系的軸用X及Y表示。X方向最好平行於矽晶體軸[110]延伸。壓敏電阻元件2至5的波狀路徑沿X方向延伸，及從X方向看，被布置於接觸區9的左面及右面。它們用於檢測機械應力，該應力是當對毛細管10提供超聲波時在傳感器1中X方向上引起的剪切力FX。在校準時，傳感器1相對絲焊器定向，以使得毛細管10的振蕩方向儘可能平行於X方向地延伸。
圖3表示由4個壓敏電阻元件2至5形成的惠斯登電橋的電路圖。這4個壓敏電阻元件2至5通過鋁作的通用導體連接。該惠斯登電橋最好由來自恆定電壓源的電壓U供電。惠斯登電橋的輸出電壓UOut＝V1-V2則由下式產生Uout=R2R4-R3R5(R3+R4)*(R2+R5)U---(1)]]>式中R2至R5表示壓敏電阻元件2至5的歐姆電阻。
傳感器1適用於絲焊器的超聲波換能器的校準，或更確切地，適用於控制超聲波換能器的參數的校準。圖4表示絲焊器各部分的概圖，即包括角臂17，由壓敏電阻元件組成的超聲波換能器18及供給超聲波換能器18的能源19。當根據以上導言部分所述步驟藉助絲焊器對半導體晶片焊接導線時，對於專門的產品，即對於半導體晶片及襯底的專門組合必需優化各個焊接參數。在文獻中，甚至在專利文獻中已經廣泛地描述了球焊的無數細節。以下球焊過程的簡單例子用來理解本發明。在毛細管頂端形成線球後，使毛細管降低直到該線球衝擊到半導體晶片上的接觸點上及直到毛細管用預定力、即所謂焊接力FB將線球壓到接觸點上為止。然後，對毛細管供給超聲波一個預定的焊接時間τ。接著，再次抬起毛細管及形成導線環。毛細管被夾持在角臂17的頂端。當焊接時，藉助超聲波換能器18對角臂17提供超聲波。在此情況下，恆定的交流電流或恆定的交流電壓或恆定的能量從能源19供給到超聲波換能器18。在該例中，對超聲波換能器18供給交流電流I＝IT*sin(ωt)，其中IT表示幅值，ω表示頻率及t表示時間。因此，在該例中，施加給超聲波換能器18的參數P是由能源19提供的交流電流I。
在一個新的產品開始接線前，對於用於新產品的焊接力FB、交流電流幅值IT及焊接時間τ的合適參數將首先被確定。
使用第一毛細管進行這些參數的確定，及對這些參數找到的最佳值用FB1，IT1及τ表示。在這些參數被確定後，根據以下步驟確定參考值URef1.將無導線或線球的毛細管放置在傳感器1的接觸區9上。該毛細管應儘可能靠近接觸區9的中間放置。
2.將焊接力FC施加到毛細管上，該焊接力足夠地大，以使得在下個步驟3中毛細管不會在傳感器1的表面上前、後滑動。1N的焊接力被證明是可靠的。
3.將具有值IT1的恆定交流電流幅值供給超聲波換能器。這時一直等待到瞬態響應結束及達到穩態。該穩態的特徵是傳感器信號UOut(t)的幅值U0不再改變。
4.在穩態時出現的傳感器信號UOut(t)的幅值U0被作為參考值URef存儲URef＝U0(2)然後將導線再穿到毛細管中及用前面找到的焊接力的值FB1、流過超聲波換能器的交流電流的幅值IT1及焊接時間τ來開始焊接生產。
在毛細管更換或角臂更換或甚至當生產期間重校準後，對於流過超聲波換能器的交流電流的幅值IT總是確定一個新值IT2。這例如可根據以下步驟確定一個校正係數γ來進行1.再次地將無導線或線球的新毛細管放置在傳感器1上並儘可能靠近接觸區9的中間。
2.將焊接力FC施加到毛細管上。
3.將具有值IT1的恆定交流電流幅值供給超聲波換能器。這時一直等待到瞬態響應結束及達到穩態。在該穩態中產生的傳感器信號的幅值UOut(t)作為值U被獲得。
4.確定校正係數γ，有γ＝URef/U。
接著，可重新開始焊接生產，由此恆定交流電流供給超聲波換能器，該交流電流的幅值由式IT2＝γ*IT1給出。
該同樣的方法適用於從參考絲焊器向另一絲焊器轉移參數。將參考絲焊器的參數URef及IT1以及另外的過程參數如焊接力作為參考值存儲在另一絲焊器中。然後，藉助根據上述步驟的校準確定係數γ。現在可重新開始焊接生產，其中對超聲波換能器供給恆定交流電流，該交流電流幅值由式IT2＝γ*IT1給出。
根據本發明的方法的確定因素是在校準期間毛細管10不在傳感器1上前後地滑動。但是，在供給超聲波時，毛細管10在傳感器1上施加剪切力，它由壓敏電阻元件2至5轉換成電信號。圖5表示作為時間t的函數的惠斯登電橋振蕩輸出信號UOut(t)的幅值(A)(包絡線絕對值)，在毛細管10未滑動的情況下為實線及在毛細管10突然開始滑動時為虛線。超聲波在時間t1上供給超聲波換能器。毛細管開始振蕩及振蕩幅值持續增加。如果該毛細管不滑動，則在瞬變響應時幅值持續增加，直到瞬變響應結束為止。這時幅值A具有恆定值U0。另一方面，如果焊接力相對超聲波幅值過低，則毛細管10突然開始滑動。在傳感器1中產生的剪切力FX不再增加。幅值A的曲線具有一個折點16，同時在瞬變響應結束前幅值A(虛線)保持恆定水平。
以此方式確定的惠斯登電橋的輸出信號UOut的值U0相對於供給超聲波換能器的交流電流的幅值IT很線性。溫度依賴性也很低，當各個校準程序期間溫度恆定保持在約±5℃上時便可滿足。此外該校準可在生產中進行焊接時的溫度上進行。這具有其優點，即在更換毛細管時不會損失有價值的時間，因為絲焊器不需要被冷卻及再加熱到處理溫度。
此外，因為傳感器之間的區別足夠小，不一定總是使用相同傳感器。甚至當傳感器固定安裝在每個絲焊器上時這也允許參數轉移。
這裡必需指出，對於參數P的重新校準，在該例中流過超聲波換能器的交流電流的幅值的重新校準，可使用稍微修改的程序，通過該程序可直接重新規定流過超聲波換能器的交流電流的幅值IT2。在此情況下，上述方法的步驟a2及b2首先被執行。然後在步驟c2中，對超聲波換能器提供恆定交流電流，它的幅值為值IT1。這時一直等待到瞬態響應結束及達到穩態。現在，在步驟d2中幅值IT1被改變直到傳感器信號UOut(t)的幅值具有值URef為止。幅值IT2的相應值被存儲。校正係數則為γ＝IT2/IT1。
然後，可重新開始焊接生產，其中對超聲波換能器供給的恆定交流電流，其幅值由新確定的值IT2給出，從而IT2＝γ*IT1。
圖6表示一個傳感器1的平面圖，它包括用於測量在X方向產生的剪切力FX的4個壓敏電阻元件2至5及包括用於測量在Y方向產生的剪切力FY的4個壓敏電阻元件11至14。4個壓敏電阻元件2至5電連接成第一惠斯登電橋，它的輸出信號表示為UOut，x(t)。4個壓敏電阻元件11至14電連接成第二惠斯登電橋，它的輸出信號表示為UOut，y(t)。通過傳感器1可確定參考值URef，而不必需使毛細管10的振蕩方向對準平行於傳感器1的X方向。一旦瞬態響應結束及達到穩態，參考值URef將由輸出信號UOut，x(t)及UOut，y(t)的幅值U0，x及U0，y如下地確定URef=U0,x2+U0,y2---(3)]]>接觸區9的尺寸典型為80μm*80μm，而毛細管10的頂端直徑約為20μm至30μm。
輸出信號UOut，x(t)及UOut，y(t)的幅值依賴於毛細管10壓到接觸區9的位置。為了增加校準精確度，因此建議將毛細管10放在接觸區9的不同位置上及基於在這些位置上獲得的測量值確定參考值URef及校正係數γ，例如如下所述在圖6中，毛細管10的各中間接觸點15概要表示為，它由一對坐標(xi，k，yi，k)表示，其中下標i，k在該例中例如各有5個不同的值。兩個接觸點15之間的距離典型在5μm至10μm之間。根據上述方法所測量的各幅值U0，x(xi，k，yi，k)及-需要的話-U0，y(xi，k，yi，k)各來自一個鞍形區域。現在，該鞍形函數U0，x的鞍部坐標(xS，x，yS，x)及值U0，x(xS，x，yS，x)以及-需要的話-該鞍形函數U0，y的鞍部坐標(xS，y，yS，y)及值U0，y(xS，y，yS，y)通過數學被確定，及最後分別根據式(2)及(3)計算參考值URef。
在供給超聲波換能器的是恆定交流電壓而非恆定交流電流的情況下，類似地進行校準，其中用電壓來取代電流。
權利要求
1.藉助集成在半導體晶片中的傳感器(1)校準一個或多個絲焊器的方法，其中每個絲焊器具有一個被夾持在一個角臂上的毛細管(10)，其中由超聲波換能器對角臂提供超聲波，藉助參數P控制超聲波換能器及藉助第一絲焊器根據以下步驟確定參考值URefa1)將無導線或線球的毛細管(10)放置在傳感器(1)的接觸區(9)上，b1)將焊接力施加到毛細管(10)上，該焊接力足夠地大，以使得在下個步驟中毛細管(10)不會在傳感器(1)的接觸區(9)上前、後滑動，c1)對超聲波換能器提供預定的參數值P1，及一旦進入穩態獲得傳感器信號的幅值U1，及d1)將傳感器信號的值U1作為參考值URef存儲，及其中例如當毛細管更換後使絲焊器的參數P重新校準，或校準另一絲焊器的參數P以便在焊接生產中用參數P的值P2＝γ*P1操作超聲波換能器，其中γ為校正係數，它根據以下步驟來確定a2)再次地將無導線或線球的毛細管(10)放置在同一傳感器(1)或同一類型的不同傳感器(1)的接觸區(9)上，b2)將相同的焊接力施加到毛細管(10)上，及c2)在參數P的控制下操作超聲波換能器，及d2)確定校正係數γ，以使得當值P2＝γ*P1提供給超聲波換能器時傳感器信號幅值為值URef。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於在步驟c2)中，參數值P1被提供給超聲波換能器及一旦進入穩態就獲得傳感器信號的幅值U；及在步驟d2)中，校正係數γ被確定為γ＝URef/U。
3.根據權利要求1的方法，其特徵在於在步驟c2)中，參數P的值被改變直到傳感器信號的幅值為值URef及校正係數γ被確定為γ＝P2/P1。
4.根據權利要求1至3中一項的方法，其特徵在於毛細管(10)被放置在傳感器(1)的接觸區(9)的多個位置上；及基於在這些位置上獲得的測量值確定參考值URef及校正係數γ。
5.根據權利要求1至4中一項的方法，其特徵在於參數P是流過超聲波換能器的交流電流。
6.根據權利要求1至5中一項的方法，其特徵在於傳感器(1)包括壓敏電阻元件(2，3，4，5)。
7.根據權利要求6的方法，其特徵在於傳感器(1)包括第一壓敏電阻元件(2，3，4，5)，用於測量第一方向上產生的剪切力，及包括第二壓敏電阻元件(11，12，13，14)，用於測量第二方向上產生的剪切力；及由第一壓敏電阻元件與第二壓敏電阻元件所輸出信號用於確定參考值URef及校正係數γ。
全文摘要
本發明涉及絲焊器的校準方法，其中絲焊器具有一個被夾持在一個角臂上的毛細管(10)。超聲波換能器對角臂提供超聲波，其中藉助參數P控制超聲波換能器。為了校準參數P，使用了集成在半導體晶片上的壓敏電阻傳感器(1)。將毛細管(10)放置在半導體晶片上及對其施加焊接力。然後對超聲波換能器提供參數P的值P
文檔編號B23K20/10GK1413791SQ0212241
公開日2003年4月30日 申請日期2002年6月6日 優先權日2001年10月26日
發明者麥可·梅耶, 喬吉·斯切威爾 申請人:Esec貿易公司