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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Ultraschallbondvorichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Bei der Konfektionierung von Halbleitern werden
gewöhnlich
Anschlußrahmen
verwendet, um einen Chip an externe Komponenten anzuschließen. Meistens
werden die Bondhöcker
an den Chips elektrisch mit zugeordneten Leitern des Anschlußrahmens
unter Verwendung von Bonddrähten
gekoppelt. Ein Ende jedes Bonddrahtes wird typischennreise mit den
Chiphöckern
auf dem Chip ultraschallgebondet, und das andere Ende wird typischerweise
mit einem zugeordneten Leiter gebondet. In einigen Anwendungen,
insbesondere bei kleinen Chips mit hoher Zahl von Anschlüssen, kann
es wünschenswert oder
notwendig sein, einen Zwischenverbinder gemeinsam mit dem Anschlußrahmen
zu verwenden. Der Zwischenverbinder ist ähnlich einer gedruckten Miniaturschaltungsplatine.
Ein konventionelles Verfahren für
die Verbindung eines Bondhöckers
mit einem zugeordneten Leiter über
einen Zwischenverbinder wird gewöhnlich
als Anschlußrahmen-Zwischenverbinderintegration
bezeichnet. Die Bonddrähte
werden typischerweise mit ihren zugeordneten Kontakten ultraschallgebondet.
Im Gegensatz dazu werden bei der Anschlußrahmen-Zwischenverbinderintegration die Leiter
des Anschlußrahmens
direkt auf die Spuren eines Zwischenverbinders gebondet. Beispielsweise
werden ein überlappender Leiter
und die zugeordnete Spur an einem einzigen Punkt ultraschallgebondet.
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Eine konventionelle Ultraschallbondvorrichtung,
die für
die Anschlußrahmen-Zwischenverbinderintegration
geeignet ist, umfaßt
ein Bondwerkzeug, einen Ultraschallwandler mit einem Abstützabschnitt,
einer Basis, einer Mehrzahl von Befestigungsmitteln, einer Mehrzahl
von Montagelöchern und
einer Mehrzahl von Basislöchern.
Das Bondwerkzeug ist an einem Ende des Ultraschallwandlers angeordnet,
während
die Basis mit dem anderen Ende des Ultraschallwandlers verbunden
ist. Der Ultraschallwandler ist an der Basis befestigt, indem man
Befestigungsmittel in Montagelöcher
einführt, die
sich in dem Supportabschnitt befinden, und dann in ein Loch innerhalb
der Basis.
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Der Vorgang bei dem Anschlußrahmen-Zwischenverbinderintegrationsprozeß läuft so ab,
daß das
Bondwerkzeug eingesetzt wird, um eine Ultraschallbondverbindung
eines Leiters direkt mit einer zugeordneten Spur des Zwischenverbinders
zu bewirken. Damit eine Bondheftung erfolgt, müssen die Bondoberflächen an
Leiter und Spur in direktem Kontakt miteinander während des
Bondvorgangs stehen. Zusätzlich
müssen
die Bondoberflächen
relativ zueinander bewegungsfrei sein. Die Ultraschallenergie wird
dann durch die Leiter hindurch bis zur unterlagerten Spur des Zwischenverbinders übertragen.
Die mechanischen Ultraschallvibrationen des Bondwerkzeugs werden
nämlich
in molekulare Vibration in dem Leiter und in der Spur umgesetzt.
Diese Molekularbewegung führt
zu einer intermetallischen Bondheftung zwischen dem Leiter und der
Spur.
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Bei einem Drahtbondvorgang hat im
Gegensatz zu einem Anschlußrahmen-Zwischenverbinderintegrationsprozeß das Bondwerkzeug
die Form einer Kapillare, die mit einem Kapillarhalter über eine Klemmschraube
verbunden und so ausgebildet ist, daß sie einen Bonddraht nach
Erfordernis zufördert. Typischerweise
wird zunächst
das distale Ende des Bonddrahtes mit einem Chipanschlußhöcker eines integrierten
Schaltkreises ultraschallgebondet. Dies läuft typischerweise gemäß einem
Verfahren ab, das unter der Bezeichnung "Kugelbonden" bekannt ist. Wenn das erste Ende des
Bonddrahtes an dem Höcker
fest zur Anhaftung gebracht ist, werden der Ultraschallwandler und
die Kapillare in eine Position über
einem Leiter des Anschlußrahmens
bewegt. Während
der Bewegung des Ultraschallwandlers wird der Bonddraht durch die Kapillare
geschleust. Der Bonddraht wird dann mit dem zugeordneten Leiter
ultraschallgebondet, und der kontinuierlich zugeführte Draht
wird abgetrennt, so daß eine
kurze und vereinzelte Bonddrahtverbindung zwischen dem Chiphöcker und
dem Leiter gebildet wird. Das Ultraschallbonden des Leiters erfolgt
typischerweise mittels eines Prozesses, der als Heftbonden bezeichnet wird.
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Diese konventionellen Bondvorrichtungen haben
bestimmte Nachteile. Die hohe Leistung, die für das Bonden bestimmter dicker
Materialien erforderlich ist, kann auch die Intermetallverbindung
zerstören,
wenn die Leistung über
zu lange Zeit dem Bondmaterial zugeführt wird. Dieses Problem ist
besonders bedeutsam bei der Anschlußrahmen-Zwischenverbinderintegration,
da die Ultraschallenergie hoch genug sein muß, um durch den relativ dicken Leiter
bis zu der Leiterspur auf dem Zwischenverbinder übertragen zu werden. Darüberhinaus
sind verschiedene Ultraschallenergiepegel für unterschiedliche Bondkonfigurationen
erforderlich. Wenn beispielsweise die Längsachse des Leiters parallel
zu der Richtung der Bondwerkzeugbewegung verläuft, könnte mehr Energie eingespeist
werden, als wenn die Leiterachse quer verläuft. Dieser Faktor kompliziert
die Bestimmung der angemessenen Bonddauer, bevor Zerstörung eintritt.
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Aus der
US 3 794 236 sind eine Überwachung
und Steuerung des Betriebs von Vibrationselementen, insbesondere
eines elektromechanischen Wandlers einer Bondvorrichtung bekannt,
wobei mit dem Vibrationselement eine Vibrationsmeßvorrichtung
gekoppelt ist, deren Ausgangssignal wiederum über einen Analysator einer
Steuervorrichtung zugeführt
wird, die die dem Vibrationselement zugeführte Oszillationsenergie steuert:
Die Vibrationsmessung geschieht hier mittels eines Beschleunigungsmeßgeräts, welches
direkt am Bondwerkzeug oder direkt am Wandler befestigt wird. Die
Verwendung eines am Bondwerkzeug einer Bondvorrichtung befestigten Beschleunigungssensors
ist ferner auch aus
JP 01-220453
A bekannt.
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Aus der
DE 37 01 652 A1 ist eine
Ultraschallbondvorrichtung bekannt, bei der zur Erfassung der Bondparameter
auf einem Bondarm in flachen Ausfräsungen an der Ober- und Unterseite
des Bondarms Dehnungsmeßstreifen angebracht
sind, mittels derer die vertikale Verbiegung des Bondarmes während des
Bondvorganges meßbar
ist. Ein den Dehnungsmeßstreifen
nachgeschalteter Verstärker
gibt eine zur vertikalen Verbiegung proportionale Spannung ab, die
einem Datenerfassungs- und Auswertegerät zugeführt wird. Außerdem wird
die Ultraschallamplitude über
einen seitlich am Bondarm angebrachten piezoelektrischen Sensor
gemessen und gleichfalls dem Datenerfassungs- und Auswertegerät zugeführt. Die
gemessenen Werte werden in dem Datenerfassungs- und Auswertegerät mit Richtwerten
verglichen, und die Bondparameter werden über einen Regelvorgang nachgeregelt
und konstant gehalten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Ultraschallbondvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1
zu schalten, bei der die auf das Bondwerkzeug einwirkenden Kräfte möglichst
genau überwachbar
und steuerbar sind.
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Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen und Vorteile
der Erfindung sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden
Beschreibung zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
der in den beigefügten
Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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1 ist
eine schematische Seitenansicht einer Bondvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine schematische Seitenansicht zur Erläuterung der Kraftkomponenten
und
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3 zeigt
die vektoriellen Zusammenhänge
zwischen den erfaßten
Komponenten und den wirkenden Kräften.
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1 zeigt
eine Ultraschallbondvorrichtung, die für die Anschlußrahmen-Zwischenverbinderintegration
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Die Ultraschalllbondvorrichtung 200 umfaßt ein Bondwerkzeug 112,
einen Ultraschallwandler 110, eine Halterung 218,
ein Gestell 222, zwei Befestigungsbolzen 214,
zwei Kraftaufnahmesensoren 224 und eine Steuereinheit 300. Das
Bondwerkzeug 112 ist an einem Ende des Ultraschallwandlers 110 angebracht,
während
das Gestell 222 an dem anderen Ende des Ultraschallwandlers 110 liegt.
Die Kraftaufnahmesensoren 224 sind zwischen der Halterung 218 und
dem Gestell 222 unter Verwendung der beiden Befestigungsbolzen 214 montiert.
Die Steuereinheit 300 ist elektrisch mit den Kraftaufnahmesensoren 224 und
dem Ultraschallwandler 110 verbunden.
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Der Ultraschallbondwandler setzt
elektrische Leistung in mechanische Vibration um. Als Wandler eingesetzt
werden kann ein geeigneter konventioneller Bondwandler. Beispielsweise
arbeiten konventionelle Bondwandler, wie ein piezoelektrischer Bondwandler,
recht gut. Alternativ kann ein speziell konstruierter Bondwandler
eingesetzt werden. Die Kraftaufnahmesensoren sind Wandler, welche
mechanische Vibration in elektrische Signale umsetzen. Demgemäß kann ein
konventioneller piezoelektrischer Wandler als Kraftaufnahmesensor 224 eingesetzt werden.
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Die Kraftaufnahmesensoren 224 sind
so montiert, daß alle
Kraftvektorwerte, die auf das Bondwerkzeug 112 wirken (einschließlich Kraftvektoren
in X-, Y- und Z-Richtung), die zueinander orthogonal sind, mittels
der Kraftaufnahmesensoren 224 erfaßt werden können. Typischerweise sind die
Kraftaufnahmesensoren 224 derart montiert, daß sie zueinander
koplanar sind, obwohl dies nicht zwingend ist. Beispielsweise ist
ein Kraftaufnahmesensor 224 oberhalb des Ultraschallwandlers 110 unter
einem spitzen Winkel gegen die Längsachse
des Ultraschallwandlers 110 montiert, während der andere Kraftaufnahmesensor 224 unter
dem Ultraschallwandler 110 unter einem spitzen Winkel gegen
die Längsachse
des Ultraschallwandlers 110 montiert ist. Jeder Kraftaufnahmesensor 224 erfaßt ein unterschiedliches
Kraftsignal und gibt dies an die Steuereinheit 300 aus.
Jedes Kraftsignal repräsentiert
die vektorielle Summe der Kraftkomponente, die auf das Bondwerkzeug 112 unter
einem bestimmten Winkel gegen die Ultraschallwandlerachse wirken.
Die Steuereinheit 300 analysiert diese Kraftsignale, um
indirekt die Bondqualität
zu bestimmen. Im einzelnen stehen die Höhe der Kraftsignale und deren
Zeitlage in direkter Beziehung zu der Bondqualität. Die Steuereinheit 300 gibt
dann ein Treibersignal an den Ultraschallwandler 110 aus,
basierend auf der festgestellten Bondqualität. In einer bevorzugten Ausführungsform
werden, wenn die Steuereinheit 300 mittels der festgestellten
Bondqualität
feststellt, daß das Bonden
beendet ist, das Treibersignal und die resultierende Ultraschallwandlerbewegung
beendet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
die Steuereinheit 300 zwei Verstärker 310, einen Analysator 312 und
einen Signalgenerator oder Treiber 314. Jeder Verstärker 310 empfängt ein
eigenes Kraftsignal von einem der beiden Kraftaufnahmesensoren 224.
Jeder Verstärker 310 gibt
ein verstärktes Signal
an den Analysator 312. Der Analysator 312 bestimmt
die Bondqualität,
basierend auf den Höhen der
verstärkten
Eingangssignale von jedem Verstärker 310.
Der Analysator 312 gibt ein Analyseresultat an den Treiber 314.
Der Treiber 314 bestimmt ein Treibersignal für den Wandler 110 und
gibt es an diesen aus. Das Treibersignal basiert auf der Bondqualität. Beispielsweise
kann die Treibersignalhöhe, -phase
und -zeitlage von der Bondqualität
abhängig gemacht
werden.
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Eine weite Bandbreite von Treibersignalen kann
eingesetzt werden, primär
abhängig
von der Art des verwendeten Ultraschallwandlers. Beispielsweise
arbeitet ein sinusförmiges
Treibersignal im Ultraschallbereich sehr gut. Natürlich kann
die Wellenform des Treibersignals sich in weiten Grenzen entsprechend
den Bedürfnissen
eines bestimmten Systems ändern.
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Wenn der Ultraschallwandler 110 durch
das Treibersignal erregt wird, tendiert er dahin zu vibrieren. Bewegungen
des Ultraschallwandlers 110 setzen sich in Bewegungen des
Bonderkzeuges 112 um. Das Bondwerkzeug 112 seinerseits überträgt Kräfte auf
den Leiter während
des Bondens. Der Wert dieser Kräfte
hängt auch
von der Bondqualität ab.
Durch Messen und Analysieren der auf das Bondwerkzeug 112 wirkenden
Kräfte
kann die Bondqualität
indirekt bestimmt werden. Nachdem die Bondqualität bestimmt ist, kann das Treibersignal
auf einen angemessenen Wert mittels der Steuereinheit 300 eingestellt
werden.
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Für
einen Drahtbondprozeß ist
eine Drahtbondvorrichtung im wesentlichen ähnlich der vorbeschriebenen
Ultraschallbondvorrichtung für
Anschlußrahmen-Zwischenverbinderintegration.
In gleicher Weise wird eine Drahtbondvorrichtung ein Bondwerkzeug 112,
einen Ultraschallwandler 110, eine Halterung 218,
ein Gestell 222, zwei Befestigungsbolzen 214 zwei
Kraftaufnahmesensoren 224 und eine Steuereinheit 300 umfassen.
Einige der Komponenten werden jedoch eine Ausführungsform aufweisen, die speziell
für das
Drahtbonden geeignet ist. Beispielsweise nimmt das Bondwerkzeug 112 vorzugsweise
die Form einer Kapillare an, die fest an einem kapillaren Halter
beispielsweise verschraubt ist und für die Zufuhr eines Bonddrahtes
nach Bedarf ausgebildet und angeordnet ist.
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In 2 und 3 ist ein Beispiel für Kraftvektoren
wiedergegeben, die indirekt durch die Kraftaufnahmesonsoren 224 gemessen
und durch den Analysator 312 analysiert werden. Die auf
das Bondwerkzeug 112 wirkenden Kräfte sind FH1,
FH2, bzw. FV1. Diese
Kräfte
hängen
unter anderem davon ab, ob die Bondflächen eine intermetallische
Heftung eingegangen sind. Wenn dies eintritt, können beispielsweise die Kräfte oder
ein Teil derselben zunehmen oder auch abnehmen, was durch wenige
Experimente feststellbar ist. Diese Zu- oder Abnahme indiziert dem
Analysator 312, daß der
Bondvorgang beendet ist, und der Analysator 312 seinerseits
sendet einen Befehl an den Treiber 314, die Ultraschallwandlerbewegung
abzustoppen.
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Nachfolgend wird die Verwendung der
Ultraschallbondvorrichtung im Kontext der Anschlußrahmen-Zwischenverbinderintegration
kurz beschrieben. Anfänglich
wird der Zwischenverbinder in einem Hohlraum innerhalb eines Heizblocks
oder eines anderen geeigneten Abstützgliedes positioniert. Der Heizblock
wird dann erhitzt, um den Bondprozeß zu begünstigen. Ein Anschlußrahmen
wird dann auf dem Zwischenverbinder plaziert, derart, daß eine überlappende
Position eingenommen wird. Als nächstes
wird die Anschlußrahmenbewegung
relativ zu dem Zwischenverbinder durch einen Klemm-Mechanismus beschränkt. Nachdem
der Anschlußrahmen
immobilisiert worden ist, wird ein Leiter mit einer zugeordneten
Leiterspur auf dem Zwischenverbinder ultraschallgebondet. Während dieses
Bondschrittes wird ein Bondqualitätswert bestimmt und durch die Steuereinheit 300 analysiert.
Die Steuereinheit 300 stellt dann die Bondenergie des Ultraschallwandlers 110 nach,
basierend auf dem festgestellen Bondqualitätswert. Der Bondqualitätswert wird
wiederholt bestimmt, und die Ultraschallwandlerenergie wird wiederholt
nachjustiert, bis das Bonden für
den jeweiligen Leiter und seine zugeordnete Leiterspur auf dem Zwischenverbinder
beendet ist. Während
der Anschlußrahmen
weiter festgeklemmt bleibt, werden die übrigen, noch nicht gebondeten
Leiter mit ihren zugeordneten Spuren verbondet, so wie oben beschrieben
und zwar jeweils einer nach dem anderen.
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Die Ultraschallbondvorrichtung ist
auch zum Drahtbonden verwendbar. Vorzugsweise hat das Bondwerkzeug 112 dann
die Form einer Kapillare, die fest mit einem Kapillarhalter mittels
einer Schraube beispielsweise verbunden und ausgebildet und angeordnet
ist, um nach Bedarf Bonddraht zuzuführen. Typischerweise wird das
distale Ende des Bonddrahtes anfänglich
mit einem Chiphöcker
auf einem integrierten Schaltkreis ultraschallgebondet. Dies wird
typischerweise mittels eines unter der Bezeichnung "Kugelbonden" bekannten Prozesses
ausgeführt.
Wenn das distale Ende des Bonddrahtes fest an dem Chiphöcker haftet
werden der Ultraschallwandler 110 und die Kapillaranordnung
in eine Position über
einem Leiter eines Anschlußrahmens
positioniert. Während
der Bewegung des Wandlers wird Bonddraht durch die Kapillare nachgezogen.
Der Bonddraht wird dann mit dem zugeordneten Leiter gebondet, und
das fortlaufende Zuführen
des Drahtes wird abgetrennt, so daß ein kurzer und vereinzelter
Bonddraht zwischen dem Chiphöcker
und dem Leiter gebildet wird. Das Ultraschallbonden an dem Leiter
erfolgt typischerweise mittels eines Verfahrens, das als "Heftbonden" bezeichnet wird.
Während der
Bondschritte wird ein Bondqualitätswert
bestimmt und durch die Steuereinheit 300 analysiert. Die
Steuereinheit 300 justiert dann die Bondenergie des Ultrachallwandlers 110 nach,
basierend auf dem festgestellten Bondqualitätswert. Der Bondqualitätswert wird
wiederholt bestimmt, und die Ultraschallwandlerenergie wird wiederholt nachjustiert,
bis das Bonden für
den jeweiligen Leiter und zugeordneten Chiphöcker beendet ist.
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Die Ultraschallbondvorrichtung läßt sich
gut in einem Verkapselungsprozeß beispielsweise
im Rahmen einer Anschlußrahmen-Zwischenverbinderintegration
verwenden. Zunächst
wird der Anschlußrahmen
unter Verwendung konventioneller Verfahren hergestellt. Ein Zwischenverbinder
mit einer Mehrzahl von leitenden Spuren wird dann hergestellt. Die Ultraschallbondvorrichtung
wird dann wie oben beschrieben verwendet, um die Leiter des Anschlußrahmens
mit den Spuren des Zwischenverbinders zu verbonden. Nachdem die
Leiter mit den Spuren des Zwischenverbinders verbondet worden sind,
wird an dem Zwischenverbinder ein Chip mit einer Mehrzahl von Bondhöckern befestigt.
Als nächstes
werden die Bondhöcker
des Chips elektrisch mit den Leitern des Anschlußrahmens verbunden. Der Chip,
die Leiter und ein Teil des Zwischenverbinders werden unter Anwendung üblicher
Einkapselungsmaterialien verkapselt. Konventionelle Techniken werden
verwendet, um diese Schritte für
die Herstellung der Halbleiterkomponente auszuführen, wie dies Fachleuten bekannt
ist.
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Die erfindungsgemäße Ultarschallbondvorrichtung
weist gegenüber
konventionellen Anordnungen mehrere Vorteile auf. Beispielsweise
kann nun die Wandlerbewegung wirksam gesteuert werden. Im einzelnen
kann, bevor eine Bond- oder Spurbeschädigung eintritt, die Ultraschallwandlerbewegung durch
die Steuereinheit 300 beendet werden. Zusätzlich führt diese
Verfeinerung der Ultraschallwandlersteuerung zu der Möglichkeit
der Erhöhung
der Leiterdichte, die für
die Anschlußrahmen-Zwischenverbinderintegration
verwendet wird, wie auch bei dem Drahtbonden. Schließlich verringert
die Möglichkeit der
rechtzeitgen Beendigung der Ultraschallwandlerbewegung, bevor Beschädigungen
eintreten, die Ausschußquote.