對引線鍵合機的超聲換能器中的恆壓源進行校準的方法

2023-08-10 07:18:36

專利名稱：對引線鍵合機的超聲換能器中的恆壓源進行校準的方法
技術領域：
本發明涉及到引線鍵合機的超聲換能器的能量施加，更具體而言，涉及向超聲換 能器施加恆定電壓的改善方法。
背景技術：
在處理和封裝半導體器件時，引線鍵合繼續成為在封裝內的兩個位置之間(例如 在半導體管芯的管芯焊盤與導線框的導線之間)提供電互連的主要方法。更具體而言，使 用引線鍵合器(也被稱為引線鍵合機)在將電互連的各個位置之間形成引線環。示例性的傳統引線鍵合序列包括(1)在從鍵合工具延伸的引線端部上形成金屬 熔球(free air ball) ； (2)使用所述金屬熔球在半導體管芯的管芯焊盤上形成第一鍵合；在所述管芯焊盤和導線框的導線之間以期望的形狀延伸引線的長度；(4)將引線針腳 式鍵合到導線框的導線；(5)切斷引線。在(a)引線環的端部與(b)鍵合位置(例如，管芯 焊盤、導線等等)之間形成鍵合時，可以使用各種類型的鍵合能量，例如包括超聲能量、熱 超聲能量、熱壓縮能量等等。本領域的普通技術人員都了解，這些能量源不是按照相互排它的方式施加。例如， 熱超聲能量通常涉及熱量(例如來自熱量塊)和超聲能量(例如來自超聲換能器)的施加。 在結合引線鍵合使用超聲能量時，通常存在兩種形式的超聲輸出控制恆流控制模式，其中 施加到換能器的電流保持恆定(或者保持為預定的電流分布曲線)而可以改變電壓；以及 恆壓控制模式，其中施加到換能器的電壓保持恆定(或者保持為預定的電壓分布曲線)而 可以改變電流。在一些應用中，也使用恆功率模式。許多早期的引線鍵合器平臺在電流的開環控制中使用恆壓模式(即，無論系統的 阻抗如何變化，所施加的電壓處於恆定電平)。後來的引線鍵合器平臺採用恆流控制模式， 其允許更多的閉環控制。即，可以將電流反饋到控制板，從而調節電壓以保持期望的電流。本領域的普通技術人員都了解，恆流控制模式的優點在於其能夠在一個引線鍵合 系統/機和另一個引線鍵合系統/機之間實現「可移植性」(portability)。S卩，換能器的 位移(並且因此劈刀(capillary))與系統的電流成比例。因此，為了對於具有不同阻抗值 的系統實現類似的鍵合結果(例如，球直徑、球剪切力等等)，向換能器提供相同電流通常 產生可接受的結果。恆流模式的一個缺點在於，在換能器的諧振頻率接近鍵合部件(例如， 第一鍵合管芯焊盤、導線框的第二鍵合導線)的諧振頻率時，系統的阻抗可能明顯改變(例 如，阻抗會明顯增加)。在恆流控制模式中，系統將試圖通過改變電壓輸出(例如，電壓將 顯著增加以導致阻抗的顯著增加)調節該阻抗變化。例如，這會導致投入到鍵合的總體能 量的增加，這又可能在鍵合中產生不一致(例如，在擠壓鍵合上方、第二鍵合短尾不一致等 相比而言，恆壓控制模式在存在諧振問題時期望限制到鍵合的能量輸出，並且因 而，鍵合結果傾向於更加一致。不幸的是，恆壓控制模式的缺點是通常缺乏可移植性。由於 系統的阻抗不相同(例如，由 換能器的機械差異、換能器與安裝結構之間的耦合差異、換能器與劈刀之間的安裝差異等等)，系統與系統之間的阻抗能夠變化很大(例如一個系統 阻抗可以是20歐姆，而另一個系統阻抗可以是50歐姆)。因而，在使用恆壓控制模式時，與 具有較高阻抗的系統相比，具有較低阻抗的系統將不期望地導致施加到鍵合的更多能量。這樣，在傳統的恆流和恆壓控制模式中都存在明顯的局限。因而，期望提供向引線 鍵合機的超聲換能器施加恆定電壓的改善方法。

發明內容
根據本發明的示例性實施例，提供一種對恆壓模式中的引線鍵合機的超聲換能器 中的電壓進行校準的方法。所述方法包括(1)確定與所述超聲換能器的操作相關聯的阻 抗值；以及(2)基於所確定的阻抗值建立調節的電壓電平以用於所述恆壓模式中的所述超 聲換能器。本發明的方法還可以實施為裝置(例如，作為引線鍵合機的智能的一部分)，或者 實施為計算機可讀載體(例如，結合引線鍵合機使用的計算機可讀載體)上的電腦程式 指令。根據本發明的另一實施例，提供一種引線鍵合系統。所述引線鍵合系統包括超聲 換能器和控制器。所述控制器用於(1)確定與所述超聲換能器的操作相關聯的阻抗值，並 且(2)基於所確定的阻抗值建立調節的電壓電平以用於所述恆壓模式中的所述超聲換能
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當結合附圖閱讀下面的詳細描述時，能夠更好地理解本發明。應該強調，根據通用 實踐，附圖中的各種特徵部件不是按照比例繪製。相反地，為了清楚起見，故意放大或者縮 小各種特徵部件的尺寸。附圖中包括如下各圖圖1是根據本發明的示例性實施例的引線鍵合機的換能器以及相關部件的立體 圖；圖2是根據本發明的示例性實施例用於理解確定與超聲換能器的操作相關聯的 阻抗值的方法的方框電路圖；圖3是根據本發明的示例性實施例用於理解對恆壓模式中的引線鍵合機的超聲 換能器中的電壓進行校準的方法的方框電路圖；圖4是根據本發明示例性實施例說明對恆壓模式中的引線鍵合機的超聲換能器 中的電壓進行校準的方法的流程圖；圖5是根據本發明示例性實施例說明對恆壓模式中的引線鍵合機的超聲換能器 中的電壓進行校準的另一方法的流程圖；以及圖6是根據本發明示例性實施例說明確定與超聲換能器的操作相關聯的阻抗值 的方法的流程圖。
具體實施例方式根據本發明的某些示例性實施例，使用恆壓控制模式向引線鍵合系統的超聲換能 器提供能量。在某些應用中，例如由於恆壓模式傾向於對差的導線管腳鉗位以及導線管腳諧振條件等其它潛在問題不太敏感，優選恆定電壓。為了克服傳統恆壓控制模式的可移植 性問題，可以將超聲換能器的阻抗(和/或與超聲換能器的操作相關聯的阻抗)用來歸一 化電壓的幅度輸出。通過使用這裡描述的改善的恆壓模式，能夠實現多個優點，例如包括在具有易受 諧振影響的導線管腳的應用上改善的第二鍵合，同時仍然保持機器到機器之間的可移植性 並且補償由於磨損和時間效應導致的系統阻抗變化。如這裡所使用的，術語「控制器」旨在被寬泛地定義為包括許多功能中的一個或者 多個的引線鍵合系統/機的一部分，例如用於向超聲換能器傳輸的信號生成、所生成的信 號的信號放大、機器軟體功能性、控制板部件、邏輯等等。因而，很清楚，術語控制器並非旨 在局限於引線鍵合系統的任何具體部件。在本申請中，描述了與超聲換能器的操作相關聯的阻抗。本領域的普通技術人員 都了解，與超聲換能器的操作相關聯的阻抗是在換能器可以操作的頻率處的阻抗值。這通 常在超聲換能器的諧振頻率處或者附近(本領域的普通技術人員都了解，超聲換能器可以 具有多個諧振頻率)。與超聲換能器的操作相關聯的阻抗可以涉及來自換能器本身的阻抗 分量，來自換能器的安裝的阻抗等等。圖1是超聲換能器100的立體圖。換能器100包括用於將換能器100安裝到引線 鍵合機的鍵合頭的安裝凸緣102a和102b。將壓電晶體104設置在由換能器100限定的腔 中，其中晶體104經由向電極106a和106b施加電能而向換能器100提供超聲能量。將該 超聲能量傳輸到在引線鍵合、柱球焊工藝(stud bumping)等中使用的鍵合工具108。圖2是根據本發明的示例性實施例用於理解確定與超聲換能器的操作相關聯的 阻抗值的方法的方框電路圖。更具體而言，為了發現超聲系統的諧振頻率(並且因此確 定與超聲系統的操作相關聯的阻抗值)，控制器204包括信號發生器200和放大器202。 信號發生器200產生正弦輸出信號，在包括超聲換能器的諧振頻率的大頻率範圍上掃頻 (sweep)該正弦輸出信號。通過放大器202放大該正弦輸出信號，然後將該放大的信號發 送到換能器206。將反饋信號(例如，與流經換能器的信號的電壓和電流相關的反饋信號) 發送到控制器204。控制器204在頻率掃頻期間維持恆定電壓。在該過程期間，控制器204 監視該反饋信號以確定該信號的頻率何時達到超聲系統的諧振頻率。當然，存在可以感測 諧振頻率的多種方法。在第一示例中，可以監視反饋信號以感測電流的增加。在系統中的電流達到最大 值時(即，當然對於給定的超聲系統來說可能存在多個電流峰值或者「最大值」，但是在信 號的頻率掃頻中僅存在一個目標電流最大值)，控制器確定已經達到了諧振頻率。在該頻率 處，對電壓和電流進行採樣並且使用該電壓和電流確定諧振頻率處的超聲系統阻抗。在第二示例中，可以監視反饋信號以感測電壓和電流之間的相位差。在相位差大 致為零時(即，電壓和電流「同相」)，則控制器確定已經達到了諧振頻率。在該頻率處，對 電壓和電流進行採樣並且使用該電壓和電流確定諧振頻率處的超聲系統阻抗。與所採用的技術無關，通過控制器感測諧振頻率，然後確定與超聲換能器的操作 相關聯的阻抗。在確定了超聲系統阻抗之後，該超聲系統阻抗可以用於調節將施加到恆壓 控制模式中的超聲換能器的電壓。例如，圖3是根據本發明的示例性實施例用於理解對恆 壓模式中的引線鍵合機的超聲換能器中的電壓進行校準的方法的方框電路圖。
現在參照圖3，控制器300包括諸如機器軟體302和超聲控制板/發生器304的各 種元件。機器軟體302具有到參考阻抗(Zref)和參考電壓(VMf)的接入。例如，參考阻抗和 參考電壓可以代表公知/代表性系統的值。因而，參考阻抗是與公知/代表性超聲換能器 的操作相關聯的阻抗值的預定值。參考電壓是結合公知/代表性超聲換能器的恆壓模式使 用的電壓值。例如，參考阻抗和參考電壓值可以存儲在引線鍵合機的存儲器中，或者可以輸 入到引線鍵合機中(例如，通過用戶使用圖形用戶界面等輸入該值)。機器軟體302還具有到與該主題超聲換能器的操作相關聯的實際阻抗值(Zartual) 的接入。例如，可以參照圖2按照上述方式確定實際阻抗值(Zartual)。機器軟體302建立/計算實際阻抗值與參考阻抗值的比值(Za。tual/Zref)，並且機器 軟體隨後將該比值應用到參考電壓以提供調節的電壓電平。該調節的電壓電平可以是由超 聲控制板/發生器304使用的調節的電壓電平；然而，如圖3所示，也可以將可移植性因數 應用到該調節的電壓電平以獲取進一步調節的電平。例如，這樣的可移植性因數可以基於 經驗測試/與該主題換能器相關的數據進行確定，其中該可移植性因數與超聲系統的增益 /靈敏度相關。即，如果將某一輸入應用到超聲換能器，則輸出是期望的輸出？或者是否存 在損耗，例如超聲晶體損耗，而使可移植性因數的使用變得令人期望？ 一個示例很好地說 明了圖3的框圖的功能。在該示例中，目標是確定將施加到恆壓模式中的該主題超聲換能器的電壓。這可 以是一次確定(例如，在引線鍵合機啟動時)，或者這可以是重複或者循環確定。假設對 參考超聲系統在120KHZ的諧振頻率處的先前測試產生具有下列值的參考阻抗和參考電壓 值Z,ef = 30歐姆；並且V,ef = 10伏特。通過上面參照圖2描述的操作，將與超聲換能器的 操作相關聯的實際阻抗確定為Zaetual = 40歐姆。機器軟體302確定比值為1. 33 ( S卩，Zaetual/ Zref = 40/30 = 1. 33)。因此，將該比值應用到VMf，從而將調節的電壓值確定為13. 3伏特 (即，調節的電壓=(Vref*比值)=(10伏特33) =13.3伏特)。可以將該調節的電壓 傳輸到超聲控制板/發生器304，通過該超聲控制板/發生器304將13. 3伏特的恆定電壓 施加到該主題超聲換能器。可選地，可以將可移植性因數(PF)應用到調節的電壓。例如，使用經驗測試，可以 確定該主題超聲系統具有某些損耗，從而期望提供1. 05的可移植性因數。因而，將該調節 的電壓(13. 3伏特)乘以可移植性因數(1.05)以提供13. 965伏特的進一步調節的電壓。 可以將該調節的電壓傳輸到超聲控制板/發生器304，通過該超聲控制板/發生器304將 13. 965伏特的恆定電壓施加到該主題超聲換能器。圖4-6是根據本發明某些示例性實施例的流程圖。本領域的普通技術人員都理 解，可以省去流程圖中包括的某些步驟；可以增加某些附加的步驟；並且可以改變所述步 驟的順序以與所說明的順序不同。圖4是根據本發明示例性實施例說明對恆壓模式的引線鍵合機的超聲換能器中 的電壓進行校準的方法的流程圖。在步驟400處，確定與超聲換能器的操作相關聯的阻抗 值。例如，該阻抗值可以不僅是超聲換能器的阻抗，而且還包括例如與下列相關的阻抗分 量換能器內壓電晶體的耦合；到換能器的電連接；換能器的安裝；鍵合工具與換能器之間 的耦合等等。在步驟402處，基於所確定的阻抗值建立調節的電壓電平以用於恆壓模式中 的超聲換能器。例如，如上所述，可以計算實際阻抗與參考阻抗的比值，並且可以將該比值應用到參考電壓以得到調節的電壓。當然，可以設想基於所確定的阻抗值調節的電壓的可 選技術。該調節的電壓可以是施加到換能器的電壓。作為選擇，在可選的步驟404處，可 以計算進一步的調節的電壓值，其中該進一步的調節的電壓是調節的電壓乘以可移植性因數。圖5是根據本發明的示例性實施例說明對恆壓模式中的引線鍵合機的超聲換能 器中的電壓進行校準的另一方法的流程圖。在步驟500處，建立參考電壓(VMf)和參考阻 抗(Zref)。如上面所提供的，參考阻抗和參考電壓可以代表公知/代表性系統的值。在步驟 502處，確定與超聲換能器的操作相關聯的阻抗值(Zaetual)。在步驟504處，建立在步驟502 中所確定的阻抗與參考阻抗的比值(即，Zactual/Zref)。在步驟506處，通過將該比值應用到 參考電壓來建立調節的電壓電平以用於恆壓模式中的超聲換能器。該調節的電壓可以是施 加到換能器的電壓。作為選擇，在可選的步驟508處，可以計算進一步的調節的電壓值，其 中該進一步的調節的電壓是調節的電壓乘以可移植性因數。圖6是根據本發明示例性實施例說明確定與超聲換能器的操作相關聯的阻抗值 的方法的流程圖。例如，圖6中所示的方法可以結合圖4的步驟400使用，或者結合圖5的 步驟502使用。再次參照圖6，在步驟600處，使用引線鍵合機的控制器產生正弦輸出信號。在包 括超聲換能器的諧振頻率的整個頻率範圍上掃頻該正弦輸出信號。在步驟602處，放大該 正弦輸出信號(例如，使用控制器的放大器)。在步驟604處，將所放大的正弦輸出信號發 送到換能器。在步驟606處，使用控制器測量所放大的正弦輸出信號的反饋信號。在步驟 608處，通過步驟606中對所放大的正弦輸出信號的測量確定超聲換能器的諧振頻率。例 如，可以通過多種技術中的任意一種確定該諧振頻率(例如，監視信號電流的電流最大值、 監視信號的電壓和電流之間的相位差等)。在步驟610處，在諧振頻率處確定與超聲換能器 的操作相關聯的阻抗值。對於給定的引線鍵合機/系統，這裡所公開的校準技術(例如，用於超聲換能器的 恆定電壓的校準)可以執行一次。可選地，可以在給定頻率處(例如，每一次鍵合時、每100 次鍵合時等等)或者在給定事件處(例如，每次使用新的劈刀工具時等等)執行該校準技 術。儘管結合超聲換能器的諧振頻率描述了本發明的某些方面，但是本領域的普通技 術人員都了解，超聲換能器可以具有多個諧振頻率。這樣，可以結合多個諧振頻率中的任意 一個使用本發明的這些方面。這裡所描述的本發明的某些示例性實施例涉及基於該主題換能器所確定的阻抗 值來建立恆壓模式中的超聲換能器的調節的電壓電平。在一個示例中，通過向參考電壓應 用比值(za。tual/zMf)來調節電壓電平(基於阻抗值)。當然，在本發明的範圍內可以按照不 同方式來調節電壓電平(基於阻抗值)。例如，可以使用基於該主題換能器的阻抗值的不同 函數或者比值來調節電壓電平。還可以設想其它技術。可以在多個可選介質中實施本發明的校準技術。例如，該技術可以作為軟體安裝 在現有的計算機系統/伺服器上(結合引線鍵合機使用或者與該引線鍵合機集成使用的計 算機系統)。此外，可以從包括與該校準技術相關的計算機指令(例如，電腦程式指令) 的計算機可讀載體(例如，固態存儲器、光碟、磁碟、射頻載體介質、音頻載體介質等等)來操作該技術。 儘管這裡參照具體實施例說明和描述了本發明，但是本發明並非旨在局限於所示 的細節。而是可以在權利要求等同物的範圍內並且在不偏離本發明的情況下進行各種修 改。
權利要求
一種對恆壓模式中的引線鍵合機的超聲換能器中的電壓進行校準的方法，所述方法包括以下步驟(1)確定與所述超聲換能器的操作相關聯的阻抗值；以及(2)基於所確定的阻抗值來建立調節的電壓電平以用於所述恆壓模式中的所述超聲換能器。
2.如權利要求1所述的方法，還包括建立參考電壓和參考阻抗值並且建立在步驟(1) 中所確定的所述阻抗值與所述參考阻抗值的比值(Za。tual/Zref)的步驟，通過將所述比值應 用到所述參考電壓從而在步驟(2)中建立所述調節的電壓電平。
3.如權利要求1所述的方法，其中，步驟(1)包括測量流經所述超聲換能器的電流信號 使得能夠檢測最大電流值，然後確定所述最大電流值處的所述阻抗值。
4.如權利要求1所述的方法，其中，步驟(1)包括測量流經所述超聲換能器的信號的電 流與電壓之間的相位差，使得在所述相位差基本為零時能夠在步驟(1)確定所述阻抗值。
5.如權利要求1所述的方法，其中，步驟(1)包括(a)使用所述引線鍵合機的控制器產 生正弦輸出信號，其中在包括所述超聲換能器的諧振頻率的整個頻率範圍上掃頻所述正弦 信號；(b)放大所述正弦輸出信號；(c)向所述換能器發送經放大的正弦輸出信號；(d)使 用所述控制器測量發送到所述換能器的經放大的正弦輸出信號的反饋信號；(e)通過步驟 (d)確定所述超聲換能器的所述諧振頻率；以及(f)確定所述超聲換能器在所述諧振頻率 處的所述阻抗值。
6.如權利要求5所述的方法，其中，步驟(e)包括測量所述反饋信號的電流值，並且通 過確定所述反饋信號的最大電流值來確定所述諧振頻率。
7.如權利要求5所述的方法，其中，步驟(e)包括測量所述反饋信號的電流與電壓之間 的相位差，並且在所述相位差基本為零時確定所述諧振頻率。
8.如權利要求1所述的方法，其中，步驟⑴包括(a)確定所述超聲換能器的諧振頻 率；以及(b)確定所述超聲換能器的所述諧振頻率處的所述阻抗值。
9.如權利要求1所述的方法，還包括步驟(3)使用結合所述超聲換能器的操作所確定的可移植性因數進一步調節所述調節的電 壓電平。
10.一種包括電腦程式指令的計算機可讀載體，所述電腦程式指令使計算機實施 對恆壓模式中的引線鍵合機的超聲換能器中的電壓進行校準的方法，所述方法包括以下步 驟(1)確定與所述超聲換能器的操作相關聯的阻抗值；以及(2)基於所確定的阻抗值來建立調節的電壓電平以用於所述恆壓模式中的所述超聲換 能器。
11.一種引線鍵合系統，包括超聲換能器；以及控制器，所述控制器用於⑴確定與所述超聲換能器的操作相關聯的阻抗值，以及⑵ 基於所確定的阻抗值來建立調節的電壓電平以用於所述恆壓模式中的所述超聲換能器。
12.如權利要求11所述的引線鍵合系統，其中，所述引線鍵合系統包括存儲在存儲器 中的參考電壓值和參考阻抗值，並且其中所述控制器用於建立所述阻抗值與所述參考阻抗值的比值(Za。tual/ZMf)，並且其中所述控制器用於通過將所述比值應用到所述參考電壓來 建立所述調節的電壓電平。
13.如權利要求11所述的引線鍵合系統，其中，所述控制器用於測量流經所述超聲換 能器的電流信號使得能夠檢測最大電流值，然後所述控制器確定所述最大電流值處的所述 阻抗值。
14.如權利要求11所述的引線鍵合系統，其中，在確定與所述超聲換能器的操作相關 聯的所述阻抗值的過程中，所述控制器用於測量流經所述超聲換能器的信號的電流與電壓 之間的相位差，使得在所述相位差基本為零時確定所述阻抗值。
15.如權利要求11所述的引線鍵合系統，其中，在確定與所述超聲換能器的操作相關 聯的所述阻抗值的過程中，所述控制器用於(a)產生在包括所述超聲換能器的諧振頻率的 整個頻率範圍上掃頻的正弦輸出信號；(b)放大所述正弦輸出信號；(c)向所述換能器發 送經放大的正弦輸出信號；(d)測量發送到所述換能器的經放大的正弦輸出信號的反饋信 號；(e)確定所述超聲換能器的所述諧振頻率；以及(f)確定所述超聲換能器的所述諧振頻 率處的所述阻抗值。
16.如權利要求15所述的引線鍵合系統，其中，在步驟(e)期間，所述控制器用於測量 所述反饋信號的電流值，並且通過確定所述反饋信號的最大電流值確定所述諧振頻率。
17.如權利要求15所述的引線鍵合系統，其中，在步驟(e)期間，所述控制器用於測量 所述反饋信號的電流與電壓之間的相位差，並且在所述相位差基本為零時確定所述諧振頻率。
18.如權利要求11所述的引線鍵合系統，其中，在確定與所述超聲換能器的操作相關 聯的所述阻抗值的過程中，所述控制器用於(a)確定所述超聲換能器的諧振頻率；以及(b) 確定所述超聲換能器的所述諧振頻率處的所述阻抗值。
19.如權利要求11所述的引線鍵合系統，其中，所述控制器用於使用結合所述超聲換 能器的操作確定的可移植性因數進一步調節所述調節的電壓電平。
全文摘要
本發明提供一種對恆壓模式中的引線鍵合機的超聲換能器中的電壓進行校準的方法。所述方法包括(1)確定與所述超聲換能器的操作相關聯的阻抗值；以及(2)基於所確定的阻抗值來建立調節的電壓電平以用於所述恆壓模式中的所述超聲換能器。
文檔編號B06B1/02GK101903116SQ200780102053
公開日2010年12月1日 申請日期2007年12月21日 優先權日2007年12月21日
發明者J·D·莫爾納, T·J·科洛西莫, 秦巍 申請人:庫利克和索夫工業公司