用于在導(dǎo)線鍵合過程中測(cè)量無空氣球尺寸的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種在導(dǎo)線鍵合機(jī)的導(dǎo)線鍵合過程中測(cè)量無空氣球尺寸的方法，該導(dǎo)線鍵合機(jī)具有位置傳感器和鍵合工具，該鍵合工具使用鍵合導(dǎo)線在半導(dǎo)體器件和襯底之間形成電性連接。具體地，該方法包含有以下步驟：從鍵合導(dǎo)線的線尾處形成無空氣球；使用位置傳感器以確定鍵合工具相對(duì)于參考位置的第一位置和第二位置之間的位置差異，其中該鍵合工具的第一位置為當(dāng)無空氣球接觸導(dǎo)電表面時(shí)鍵合工具相對(duì)于參考位置的位置；以及根據(jù)由位置傳感器所確定的鍵合工具的位置差異，測(cè)量無空氣球的尺寸。本發(fā)明也公開了一種被配置來執(zhí)行這種方法的導(dǎo)線鍵合機(jī)。
【專利說明】用于在導(dǎo)線鍵合過程中測(cè)量無空氣球尺寸的方法和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在導(dǎo)線鍵合機(jī)的導(dǎo)線鍵合處理過程中測(cè)量無空氣球(FAB:freeair ball)尺寸的方法，以及一種被配置來完成這種方法的導(dǎo)線鍵合機(jī)。

【背景技術(shù)】
[0002]鍵合裝置被使用于半導(dǎo)體裝配和封裝中。鍵合裝置的一個(gè)示例是導(dǎo)線鍵合機(jī)，其是在半導(dǎo)體晶粒的電性接觸盤和襯底之間形成導(dǎo)線連接，這個(gè)工序大家稱之為導(dǎo)線鍵合。具體而言，在導(dǎo)線鍵合過程中，鍵合導(dǎo)線從線圈(wire spool)處被饋送至鍵合工具(如毛細(xì)管劈刀(capillary))，以在半導(dǎo)體晶粒和襯底之間形成導(dǎo)線連接。
[0003]—種導(dǎo)線鍵合的方法使用球形鍵合(ball bond),其包含有如下一系列步驟:i)將從毛細(xì)管劈刀的基體凸伸的鍵合導(dǎo)線線尾熔化以生成無空氣球；ii)降低無空氣球至半導(dǎo)體晶粒的電性接觸盤上；以及iii)通過球形鍵合將無空氣球熔接(welding)至襯底上。然后，毛細(xì)管劈刀拉拽出從球形鍵合點(diǎn)開始和從鍥形鍵合點(diǎn)結(jié)束的鍵合導(dǎo)線線弧，以將半導(dǎo)體晶粒和襯底電性連接。其次，在鍵合導(dǎo)線被夾持和沿著背離襯底的方向拉拽以從鍥形鍵合點(diǎn)分離以前，毛細(xì)管劈刀被提升以從毛細(xì)管劈刀的基體露出一段鍵合導(dǎo)線。這樣藉此形成另一段線尾。其后，線尾的端部被定位在點(diǎn)火水平面上，在那里電子火焰熄滅(EF0:Electrical Flame-Off)系統(tǒng)將來自電子打火桿(electrical torch)的高壓施加于線尾上，以藉此熔化線尾并生成一個(gè)新的無空氣球，該新的無空氣球使用于半導(dǎo)體晶粒的下一個(gè)球形鍵合處理。
[0004]無空氣球的尺寸由EF0系統(tǒng)的電流和曝光時(shí)間所控制，并按照慣例由測(cè)量無空氣球的尺寸的用戶在掃描電子顯微鏡(SEM:scanning electron microscope)下檢查。如果FAB的尺寸不滿足所期望的規(guī)格，那么用戶需要手動(dòng)地調(diào)整EF0系統(tǒng)的電流和/或曝光時(shí)間。所以，導(dǎo)線鍵合機(jī)的生產(chǎn)率被這種測(cè)量FAB的尺寸的人工干預(yù)方式所影響。
[0005]所以，本發(fā)明的目的是尋求消除傳統(tǒng)的導(dǎo)線鍵合機(jī)的前述限制，并向普通公眾提供一個(gè)或多個(gè)有用的方法以提高導(dǎo)線鍵合機(jī)的生產(chǎn)率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]因此，本發(fā)明第一方面提供一種在導(dǎo)線鍵合機(jī)的導(dǎo)線鍵合過程中測(cè)量無空氣球尺寸的方法，該導(dǎo)線鍵合機(jī)具有位置傳感器和鍵合工具，該鍵合工具使用鍵合導(dǎo)線在半導(dǎo)體器件和襯底之間形成電性連接。具體而言，該方法包含有以下步驟:從鍵合導(dǎo)線的線尾處形成無空氣球；使用位置傳感器以確定鍵合工具相對(duì)于參考位置的第一位置和第二位置之間的位置差異，其中該鍵合工具的第一位置為當(dāng)無空氣球接觸導(dǎo)電表面時(shí)鍵合工具相對(duì)于參考位置的位置；以及根據(jù)由位置傳感器所確定的鍵合工具的位置差異，測(cè)量無空氣球的尺寸。
[0007]本發(fā)明第二方面提供一種導(dǎo)線鍵合機(jī)，其包含有:鍵合工具，其被操作來使用鍵合導(dǎo)線在半導(dǎo)體器件和襯底之間形成電性連接；位置傳感器，其被操作來確定鍵合工具相對(duì)于參考位置的第一位置和第二位置之間的位置差異，其中該鍵合工具的第一位置為當(dāng)無空氣球接觸導(dǎo)電表面時(shí)鍵合工具相對(duì)于參考位置的位置，該無空氣球是從鍵合導(dǎo)線的線尾處形成的；以及處理器，其被配置來根據(jù)由位置傳感器所確定的鍵合工具的位置差異，測(cè)量無空氣球的尺寸。
[0008]本發(fā)明的一些優(yōu)選的步驟/技術(shù)特征已經(jīng)描述在從屬權(quán)利要求中。例如，鍵合工具的第二位置可能為當(dāng)線尾接觸導(dǎo)電表面時(shí)鍵合工具相對(duì)于參考位置的位置，或者為當(dāng)鍵合工具的基體接觸導(dǎo)電表面時(shí)鍵合工具相對(duì)于參考位置的位置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]現(xiàn)在結(jié)合附圖來描述本發(fā)明的較佳實(shí)施例，其中:
[0010]圖1表明了具有用于導(dǎo)線鍵合的鍵合工具的導(dǎo)線鍵合機(jī)；
[0011]圖2a-圖2d表明了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例所述，在導(dǎo)線鍵合期間測(cè)量FAB尺寸的步驟；
[0012]圖3表明了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例所述，當(dāng)線尾接觸導(dǎo)電表面時(shí)和當(dāng)FAB接觸導(dǎo)電表面時(shí)鍵合工具的位置差異；
[0013]圖4a和圖4b表明了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例所述，在導(dǎo)線鍵合期間測(cè)量FAB尺寸的步驟；
[0014]圖5表明了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例所述，當(dāng)FAB接觸導(dǎo)電表面時(shí)鍵合工具的位置。

【具體實(shí)施方式】
[0015]圖1表明了用于導(dǎo)線鍵合的鍵合裝置(所示為導(dǎo)線鍵合機(jī)100)。該導(dǎo)線鍵合機(jī)100包含有:i)上夾具102和下夾具104，用于控制使用氣動(dòng)設(shè)備(所示為氣體張緊器(airtens1ner) 107)沿著導(dǎo)線饋送路徑從線圈(圖中未示)處饋送的鍵合導(dǎo)線105的移動(dòng)；?)換能器角體106，用于在導(dǎo)線鍵合期間產(chǎn)生超聲波振動(dòng)；iii)鍵合工具(所示為毛細(xì)管劈刀108)，在導(dǎo)線鍵合過程中鍵合導(dǎo)線105通過該鍵合工具被饋送；iv)EF0打火桿(EF0torch) 110，用于產(chǎn)生電火花以在鍵合導(dǎo)線105的線尾端部生成無空氣球；v)接觸傳感器112，其對(duì)物體之間的接觸產(chǎn)生響應(yīng)；以及vi)位置傳感器(圖1中所示為編碼器118)，其相對(duì)于線性標(biāo)尺120移動(dòng)以相對(duì)于參考位置確定和測(cè)量毛細(xì)管劈刀108的位置。
[0016]現(xiàn)在，結(jié)合圖1描述導(dǎo)線鍵合機(jī)100的導(dǎo)線鍵合處理。首先，導(dǎo)線鍵合機(jī)100使用鍵合導(dǎo)線105在半導(dǎo)體晶粒114(其設(shè)置在襯底上，該襯底所示為引線框116)的上表面形成第一次導(dǎo)線鍵合一具體為球形鍵合。其后，導(dǎo)線鍵合機(jī)100使用鍵合導(dǎo)線105在引線框116的上表面形成第二次導(dǎo)線鍵合一具體為楔形鍵合，以致于一線弧(wire loop)連接于球形鍵合點(diǎn)和楔形鍵合點(diǎn)之間。在導(dǎo)線鍵合機(jī)100于引線框116上執(zhí)行鍥形鍵合之后，毛細(xì)管劈刀108沿著背離楔形鍵合點(diǎn)的方向移動(dòng)以便于毛細(xì)管劈刀108的基體設(shè)置在預(yù)定位置。值得注意的是，在毛細(xì)管劈刀108移動(dòng)離開鍥形鍵合點(diǎn)以前，上夾具102、下夾具104打開以避免可能將鍵合導(dǎo)線105從鍥形鍵合點(diǎn)處過早地?cái)嚅_的任何張力。一旦毛細(xì)管劈刀108的基體設(shè)置在預(yù)定位置，那么下夾具104閉合以在鍵合導(dǎo)線105上施加一握緊力。其后，毛細(xì)管劈刀108沿著Z軸進(jìn)一步向上移動(dòng)遠(yuǎn)離鍥形鍵合點(diǎn)一段線尾斷開高度，以便于拉拽鍵合導(dǎo)線105離開鍥形鍵合點(diǎn)。這樣產(chǎn)生了一張緊力，其將鍵合導(dǎo)線105從鍥形鍵合點(diǎn)處斷開和分隔開來，以形成一段大體等同于預(yù)定線尾長度的線尾?？墒?，該鍥形鍵合仍然保持鍵合在引線框116上。所形成的線尾匹配于從毛細(xì)管劈刀108的基體凸伸的鍵合導(dǎo)線105的局部。
[0017]圖2a至圖2d表明了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例所述，在導(dǎo)線鍵合期間測(cè)量FAB尺寸的步驟。
[0018]圖2a表明了在鍵合導(dǎo)線105從引線框116上的鍥形鍵合點(diǎn)204分離后所形成的線尾202。然后，導(dǎo)線鍵合機(jī)100將毛細(xì)管劈刀108朝向?qū)щ姳砻?06移動(dòng)，直到鍵合導(dǎo)線105的底端接觸導(dǎo)電表面206，如圖2b所示。由于接觸傳感器112電性連接于鍵合導(dǎo)線105和導(dǎo)電表面206之間，所以電氣回路通過這樣的設(shè)置而得以形成，一即當(dāng)鍵合導(dǎo)線105的底端接觸導(dǎo)電表面206時(shí)，形成了閉合電氣回路，當(dāng)這樣的接觸不存在時(shí)，形成了開放的電氣回路。所以，接觸傳感器112響應(yīng)于鍵合導(dǎo)線105的底端和導(dǎo)電表面206之間的接觸。值得注意的是，導(dǎo)電表面206可能或者是半導(dǎo)體晶粒114的導(dǎo)電上表面，或者是引線框116的導(dǎo)電上表面。另外值得注意的是，當(dāng)毛細(xì)管劈刀108連同下夾具104—起朝向?qū)щ姳砻?06移動(dòng)時(shí)，下夾具104應(yīng)該閉合，上夾具102打開。
[0019]當(dāng)毛細(xì)管劈刀108朝向?qū)щ姳砻?06依次降低時(shí)，導(dǎo)線鍵合機(jī)100的處理器測(cè)量毛細(xì)管劈刀108所移動(dòng)的距離，直到線尾202的底端接觸了導(dǎo)電表面206，于是，接觸傳感器112檢測(cè)到在鍵合導(dǎo)線105和導(dǎo)電表面206之間的閉合電氣回路。值得注意的是，當(dāng)毛細(xì)管劈刀108朝向?qū)щ姳砻?06依次降低時(shí)，編碼器118同樣也連同毛細(xì)管劈刀108 —起相對(duì)于線性標(biāo)尺120移動(dòng)。所以，當(dāng)在鍵合處理過程中編碼器118相對(duì)于線性標(biāo)尺120上下移動(dòng)時(shí)，編碼器118能夠測(cè)量毛細(xì)管劈刀108的Z向水平面(或高度)。當(dāng)線尾202接觸導(dǎo)電表面206時(shí)，這允許毛細(xì)管劈刀108相對(duì)于參考位置的位置得以使用編碼器118測(cè)量。更加具體地，當(dāng)線尾202接觸導(dǎo)電表面206時(shí)，毛細(xì)管劈刀108的基體沿著Z軸相對(duì)于參考高度(Hkef)的高度值(?)能夠使用編碼器118而被測(cè)量。
[0020]隨后，EF0打火桿110在鍵合導(dǎo)線105的線尾202處引導(dǎo)放電，如圖2c所示，以形成如圖2d所示的無空氣球208。圖2d也表明了毛細(xì)管劈刀108朝向?qū)щ姳砻?06依次降低，直到無空氣球208接觸了導(dǎo)電表面206，于是，接觸傳感器112檢測(cè)到在無空氣球208和導(dǎo)電表面206之間的閉合電氣回路。類似地，當(dāng)無空氣球208接觸了導(dǎo)電表面206時(shí)，這允許毛細(xì)管劈刀108相對(duì)于參考位置的位置通過使用編碼器118而得以被測(cè)量。更為具體地，當(dāng)無空氣球208接觸了導(dǎo)電表面206時(shí)，毛細(xì)管劈刀108的基體沿著Z軸相對(duì)于HKEF的高度值(?)能夠使用編碼器118而被測(cè)量。
[0021]參考圖3所示，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，線尾202的體積(VJ和隨后所形成的無空氣球208的體積(V2)是一致的。由于鍵合導(dǎo)線105的半徑(r)是公知的，且所測(cè)量的高度值氏和仏的差值Η能夠通過導(dǎo)線鍵合機(jī)100的處理器得出，所以未知的無空氣球208的半徑(R)能夠從以下的公式中獲得:
[0022]Y1 = V2
[0023]2.R — - ^R~Η χ w~ — —jtR3,.—^R~ - r** x 3i? — —4.R~ - r** |
3 3
[0024]較佳地，導(dǎo)電表面206對(duì)應(yīng)于半導(dǎo)體晶粒114的上表面，由于無空氣球208最終將會(huì)被鍵合在此。
[0025]圖4a和圖4b表明了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例所述，在導(dǎo)線鍵合期間測(cè)量FAB尺寸的另一種方法。
[0026]在這個(gè)實(shí)施例中，在無空氣球208形成之后，當(dāng)無空氣球208接觸了導(dǎo)電表面206時(shí)，毛細(xì)管劈刀108的基體沿著Z軸相對(duì)于Hkef的高度值(H2)首先使用編碼器118而被測(cè)量，如圖4a所示。其后，導(dǎo)線鍵合機(jī)100在半導(dǎo)體晶粒114上完成球形鍵合，接著，在引線框116上完成鍥形鍵合。接下來，當(dāng)毛細(xì)管劈刀108的基體接觸了導(dǎo)電表面206時(shí)，毛細(xì)管劈刀108的基體相對(duì)于Hkef的高度值(H3)得以確定，如圖4b所示。在不存在無空氣球208的情形下，這樣允許毛細(xì)管劈刀108的基體和導(dǎo)電表面206之間的間隔距離得到確定。
[0027]參考圖5所示,發(fā)明人進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，由于劈刀內(nèi)切角直徑(⑶:chamfer diameter)以及無空氣球208和毛細(xì)管劈刀108之間的劈刀內(nèi)切角角度(CA chamber angle)是公知的，所以未知的無空氣球208的半徑(R)能夠從以下的公式中獲得:
[0028]R = yjS2+ T2 ,其中
m ? fCA)
[0029]I = i?XCOS —；知

、2 J

f C4X\
[0030]S-Rx sin[——

\ 2 J
[0031]較佳地，導(dǎo)線表面206對(duì)應(yīng)于引線框116的上表面，以致于在引線框116上鍥形鍵合已經(jīng)形成之后，毛細(xì)管劈刀108的位置能夠立即得以確定。
[0032]值得欣賞的是，測(cè)量無空氣球尺寸的上述方法充分考慮到下面的事實(shí):由于無空氣球208和導(dǎo)電表面206接觸，所以無空氣球208的局部(細(xì)小)被推入毛細(xì)管劈刀108中，如同圖5所見。
[0033]有益地，這些測(cè)量無空氣球208尺寸的方法允許導(dǎo)線鍵合機(jī)100自動(dòng)地執(zhí)行它們，所以，操作規(guī)范的精細(xì)調(diào)整也能夠自動(dòng)地執(zhí)行，以提供具有期望尺寸的無空氣球。而且，這些方法也意味著:通過不同導(dǎo)線鍵合機(jī)所生成的無空氣球208的任何尺寸差異能夠在導(dǎo)線鍵合期間通過實(shí)時(shí)監(jiān)控而得以減小。由發(fā)明人所完成的可行性研究也表明:和使用標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡所得到的效果相對(duì)照，這些測(cè)量無空氣球208尺寸的方法產(chǎn)生的效果更為接近于使用SEM所獲得的相應(yīng)的效果。通常公知的是，SEM比標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡更為精確得多。
[0034]值得注意的是，本發(fā)明的其他實(shí)施例也可能落入本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。例如，HKEF可能對(duì)應(yīng)于導(dǎo)電表面206，和甚至為沿著Z軸的任何水平面，只要所選定的水平面在測(cè)量過程中保持不變。
【權(quán)利要求】
1.一種在導(dǎo)線鍵合機(jī)的導(dǎo)線鍵合過程中測(cè)量無空氣球尺寸的方法，該導(dǎo)線鍵合機(jī)具有位置傳感器和鍵合工具，該鍵合工具使用鍵合導(dǎo)線在半導(dǎo)體器件和襯底之間形成電性連接，該方法包含有以下步驟: 從鍵合導(dǎo)線的線尾處形成無空氣球； 使用位置傳感器以確定鍵合工具相對(duì)于參考位置的第一位置和第二位置之間的位置差異，其中該鍵合工具的第一位置為當(dāng)無空氣球接觸導(dǎo)電表面時(shí)鍵合工具相對(duì)于參考位置的位置；以及 根據(jù)由位置傳感器所確定的鍵合工具的位置差異，測(cè)量無空氣球的尺寸。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，該鍵合工具的第二位置為當(dāng)線尾接觸導(dǎo)電表面時(shí)鍵合工具相對(duì)于參考位置的位置。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，該鍵合工具的第二位置為當(dāng)線尾接觸半導(dǎo)體器件的鍵合表面時(shí)鍵合工具相對(duì)于參考位置的位置。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，測(cè)量無空氣球的尺寸的步驟是基于線尾和無空氣球之間的質(zhì)量守恒定律。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，該鍵合工具的第二位置為當(dāng)鍵合工具的基體接觸導(dǎo)電表面時(shí)鍵合工具相對(duì)于參考位置的位置。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，該鍵合工具的第二位置為當(dāng)鍵合工具的基體接觸襯底的鍵合表面時(shí)鍵合工具相對(duì)于參考位置的位置。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，測(cè)量無空氣球的尺寸的步驟是基于鍵合工具的內(nèi)切角直徑以及無空氣球和鍵合工具之間的內(nèi)切角角度。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，使用位置傳感器以確定鍵合工具的位置差異的步驟包括:使用編碼器以測(cè)量鍵合工具相對(duì)于參考高度處的各個(gè)高度。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，無空氣球的尺寸是相關(guān)于無空氣球的半徑而被測(cè)量。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，鍵合工具相對(duì)于參考位置的第一位置和第二位置為鍵合工具的基體的各個(gè)位置。
11.一種導(dǎo)線鍵合機(jī),其包含有: 鍵合工具，其被操作來使用鍵合導(dǎo)線在半導(dǎo)體器件和襯底之間形成電性連接； 位置傳感器，其被操作來確定鍵合工具相對(duì)于參考位置的第一位置和第二位置之間的位置差異，其中該鍵合工具的第一位置為當(dāng)無空氣球接觸導(dǎo)電表面時(shí)鍵合工具相對(duì)于參考位置的位置，該無空氣球是從鍵合導(dǎo)線的線尾處形成的；以及 處理器，其被配置來根據(jù)由位置傳感器所確定的鍵合工具的位置差異，測(cè)量無空氣球的尺寸。
12.如權(quán)利要求11所述的導(dǎo)線鍵合機(jī)，其中，該鍵合工具的第二位置為當(dāng)線尾接觸導(dǎo)電表面時(shí)鍵合工具相對(duì)于參考位置的位置。
13.如權(quán)利要求12所述的導(dǎo)線鍵合機(jī)，其中，該鍵合工具的第二位置為當(dāng)線尾接觸半導(dǎo)體器件的鍵合表面時(shí)鍵合工具相對(duì)于參考位置的位置。
14.如權(quán)利要求12所述的導(dǎo)線鍵合機(jī)，其中，該處理器被配置來基于線尾和無空氣球之間的質(zhì)量守恒定律以測(cè)量無空氣球的尺寸。
15.如權(quán)利要求11所述的導(dǎo)線鍵合機(jī)，其中，該鍵合工具的第二位置為當(dāng)鍵合工具的基體接觸導(dǎo)電表面時(shí)鍵合工具相對(duì)于參考位置的位置。
16.如權(quán)利要求15所述的導(dǎo)線鍵合機(jī)，其中，該鍵合工具的第二位置為當(dāng)鍵合工具的基體接觸襯底的鍵合表面時(shí)鍵合工具相對(duì)于參考位置的位置。
17.如權(quán)利要求15所述的導(dǎo)線鍵合機(jī)，其中，該處理器被配置來基于鍵合工具的內(nèi)切角直徑以及無空氣球和鍵合工具之間的內(nèi)切角角度以測(cè)量無空氣球的尺寸。
18.如權(quán)利要求11所述的導(dǎo)線鍵合機(jī)，其中，該位置傳感器是編碼器，該編碼器被配置來測(cè)量鍵合工具相對(duì)于參考高度處的各個(gè)高度。
19.如權(quán)利要求11所述的導(dǎo)線鍵合機(jī)，其中，無空氣球的尺寸是相關(guān)于無空氣球的半徑而被測(cè)量。
20.如權(quán)利要求11所述的導(dǎo)線鍵合機(jī)，其中，鍵合工具相對(duì)于參考位置的第一位置和第二位置為鍵合工具的基體的各個(gè)位置。
【文檔編號(hào)】H01L21/66GK104282591SQ201410311144
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月4日
【發(fā)明者】宋景耀, 王屹濱, 申作成, 羅佳樂, 譚慶樂 申請(qǐng)人:先進(jìn)科技新加坡有限公司