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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern
eines Drahtbondverfahrens, speziell eines Keilbondverfahrens
unter Verwendung von Aluminium- oder Golddraht, gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1, sowie eine Maschine zur
Durchführung dieses Verfahrens.
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Drahtbonden ist der Vorgang der Herstellung von elektrischen
Anschlüssen bei Halbleiterbauelementen mit Hilfe von dünnem
Metalldraht, charakteristisch Draht mit einem Durchmesser
zwischen 12 µm und 500 µm. Beispiele von elektrischen
Anschlüssen, die unter Anwendung von Drahtbondtechniken
hergestellt werden können, umfassen Verbindungen zwischen den
Kontaktoberflächen von diskreten oder integrierten Chips und
den Kontaktzuleitungen ihrer Gehäuse sowie im Fall von
Hybridschaltkreisen die Verbindungen zwischen eingesteckten
monolithischen Elementen und der sie enthaltenden
Folienschaltung.
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Es ist eine Reihe von Drahtbondtechniken entwickelt worden,
und eine besonders erfolgreiche Technik ist eine mit
Ultraschall arbeitende Mikroschweißtechnik. Eine automatische
Drahtbondvorrichtung, mit der eine solche Technik durch
führbar ist, ist in der eigenen deutschen Patentanmeldung
DE-A-3 343 738 beschrieben. Aluminiumdraht, der mit der
Kontaktoberfläche in Berührung ist, an die er zu bonden ist,
wird kräftig in Richtung der Oberfläche bewegt, an die er zu
bonden ist, so daß deren Oxidschicht aufbricht. Der Draht
wird dann mit Druck beaufschlagt, und eine dauerhafte
Verbindung wird zwischen den beiden Materialien hergestellt.
Die Bewegung des Drahts wird von einem Ultraschallwandler
erzeugt, der von einem Ultraschallgenerator zur Erzeugung
von mechanischen Hochfrequenz-Schwingungen angeregt wird.
bei dem speziellen Drahtbondverfahren, das als Keilbonden
bekannt ist, wird die Ultraschallenergie mit einem Wert bzw.
Pegel zugeführt, der von der verwendeten Drahtgröße abhängig
ist. Die Ultraschallenergie wird von einem Spezialwerkzeug,
das als "Keil" bekannt ist, auf den Aluminiumdraht
gerichtet. Der Draht wird durch eine Führung am Unterende des
Keils zugeführt. Wenn der Keil mit dem Aluminiumdraht die
Oberfläche berührt, an die der Draht zu bonden ist, wird die
Bewegung angehalten. Der Draht wird mit einer kleinen
definierten Kraft, die als das Bondgewicht bekannt ist, nach
unten gepreßt, und der Draht wird geringfügig verformt.
Diese geringe Verformung ist als die "Vorverformung"
bekannt. Ultraschallenergie wird nunmehr zugeschaltet, und der
Schweißvorgang beginnt. Während dieser Zeit wird der
Durchmesser des Aluminiumdrahts um einige wenige Mikrometer
reduziert, wobei die tatsächliche Verringerung von der Größe,
den physischen Eigenschaften und der exakten chemischen
Beschaffenheit des Drahts abhängig ist.
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Es ist bei einer automatischen Drahtbondvorrichtung wichtig,
möglichst viel Kontrolle über den Vorgang zu haben und
imstande zu sein festzustellen, ob eine Verbindung erfolgreich
hergestellt worden ist. Insbesondere ist es wichtig,
feststellen zu können, wann der Keil mit dem Aluminiumdraht die
Oberfläche berührt, an die der Draht zu bonden ist, damit
die Bewegung des Keils angehalten werden kann. Es wäre
außerdem sehr nützlich für den Bediener der
Drahtbondvorrichtung, zum Zeitpunkt des Bondens und nicht erst während
einer anschlißeenden Prüfroutine feststellen zu können, ob
eine Bondstelle erfolgreich hergestellt worden ist. Wegen
des sehr schnellen Durchsatzes einer automatischen
Drahtbondvorrichtung wäre es vorteilhaft, wenn die Kontaktierung
unmittelbar zum Bondzeitpunkt überwacht bzw. überprüft
werden könnte, so daß nach der Ausbildung einer
unbefriedigenden Bondstelle der Vorgang angehalten und die
Bondbedingungen überprüft werden könnten, um die Erzeugung einer
großen Anzahl unbefriedigender Bondstellen und die daraus
resultierende Verschwendung von Zeit und teuren Komponenten
und Materialien verhindern zu können.
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Die meisten gewerblich eingesetzten Drahtbondmaschinen
können nur überprüfen, ob eine erfolgreiche Kontaktierung
hergestellt worden ist, nachdem der Bondvorgang abgeschlossen
ist, wobei ein Test angewandt wird, der als Schleifenzugtest
bekannt ist. Dieser Test wird charakteristisch als ein
zerstörendes Testverfahren angewandt, wobei Proben bis zur
Zerstörung geprüft werden, indem an der Schleife zwischen
zwei Bondstellen gezogen wird und die erforderliche
Bruchkraft sowie die Stelle, an der der Bruch auftritt,
aufgezeichnet werden. Im allgemeinen wird der Bondvorgang als
zufriedenstellend angesehen, wenn der Draht an der Stelle
bricht, die ungefähr gleichbeabstandet zwischen den beiden
Bondstellen liegt, auf die die Kraft aufgebracht wird; wenn
der Bruch an der Bondstelle selbst auftritt, wobei sich der
Draht von der Oberfläche abhebt, an die er gebondet werden
sollte, dann liegt der Grund darin, daß das Bonden
unzureichend ist. Wenn alternativ der Draht nahe der Bondstelle
an dem sogenannten Absatz bricht, dann ist das allgemein das
Ergebnis eines Überbondens, wobei auf den Draht zu viel
Druck oder zu viel Ultraschallenergie aufgebracht und der
Draht zu stark verformt worden ist.
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Es sind einige Verfahren vorgeschlagen worden, um zum
Zeitpunkt des Bondens zu überprüfen, ob eine erfolgreiche
Kontaktierung hergestellt worden ist, was das Verfahren
einschließt, das unter Verwendung der Vorrichtung durchgeführt
wird, die in der eigenen europäischen Patentanmeldung
EP-A-0 368 533 beschrieben ist. Die dort beanspruchte
Vorrichtung umfaßt einen Bondkopf, der folgendes aufweist: ein
Bondwerkzeug, das an einem Ultraschallwandler angebracht
ist, wobei eine Bondspitze des Werkzeugs ausgebildet ist, um
im Betrieb der Maschine Aluminiumdraht gegen die
Kontaktoberfläche eines elektronischen oder elektrischen
Bauelements zu pressen, und der Draht von einem geeigneten
Drahtvorrat
abgezogen wird, sowie eine Drahtklammer, in die der
von dem Drahtvorrat abgezogene Draht eingespannt werden
kann, wobei die Drahtklammer allgemein in der Richtung
vorund rückwärts bewegbar ist, in der der Draht zugeführt wird,
um das freie Ende des von der Spule abgezogenen Drahts nach
Beendigung eines Bondvorgangs richtig zu positionieren,
dadurch gekennzeichnet, daß die automatische
Drahtbondvorrichtung außerdem eine Einrichtung aufweist, um während des
Bondens die Güte der Bondstelle zwischen dem Draht und der
Oberfläche, an die er zu bonden ist, dadurch zu überwachen,
daß diejenigen Bondstellen identifiziert werden, die nicht
innerhalb vorbestimmter Maximal- und Minimalwerte für die
Verformung des Drahts infolge einer Ultraschallanregung
fallen.
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Die meisten bekannten Systeme steuern den Bondvorgang
dadurch, daß die Dauer gesteuert wird, in der der Bondstelle
ein Konstantpegel von Ultraschallenergie zugeführt wird. Das
führt dazu, daß sowohl die Zeitdauer, während der Energie
zugeführt wird, als auch der Pegel der zugeführten Energie
für etwas eingestellt sind, das als "ungünstigste"
Kontaktierung angesehen werden kann, wohingegen bei vielen
Bondstellen sowohl die Güte der Kontaktierung als auch die
Effizienz des Bondvorgangs in bezug auf die benötigte Zeit
und den Energieverbrauch durch eine präzisere Steuerung der
Ultraschallenergiezuführung verbessert werden würden.
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EP-A-208 310 zeigt eine automatische Drahtbondvorrichtung,
die folgendes aufweist: einen Bondkopf, der ein an einem
Ultraschallwandler angebrachtes Bondwerkzeug aufweist, wobei
eine Bondspitze des Werkzeugs ausgebildet ist, um im Betrieb
der Maschine einen Aluminiumdraht gegen eine
Kontaktoberfläche eines elektronischen oder elektrischen Bauelements zu
pressen, und wobei der Draht von einem geeigneten
Drahtvorrat abgezogen wird, sowie einen Sensor, um die
Positionsänderung des Bondkeils während des Bondvorgangs zu
bestimmen. Diese automatische Drahtbondvorrichtung umfaßt ferner
eine Einrichtung zur Steuerung der Energiezuführung zu dem
Ultraschallwandler in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal
des Sensors, wobei nur die Dauer der Energiezuführung
gesteuert wird. Insoweit ist diese Steuerung eingeschränkt,
was zu einer entsprechend eingeschränkten Überwachung der
Bondstellengüte führt.
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Durch die Erfindung wird ein Verfahren zum Durchführen eines
Drahtbondvorgangs gemäß Anspruuch 1 angegeben. Ferner wird
durch die Erfindung eine automatische Drahtbondvorrichtung
gemäß Anspruch 5 angegeben.
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Man hat nunmehr erkannt, daß der Bondvorgang nicht, wie
früher angenommen, ein Einstufenvorgang, sondern tatsächlich
ein Zwei- oder Dreistufenvorgang ist, wobei jede dieser
Stufen vorteilhaft so durchgeführt wird, daß der Pegel der
Ultraschallenergie und fakultativ die Größe der Bondkraft,
die in dieser Stufe zugeführt werden, spezifisch für diese
Stufe bestimmt werden. Insbesondere ist festgestellt worden,
daß der Bondvorgang eine erste Stufe aufweist, in der die
Oberflächen des Drahts und des Substrats, an das er gebondet
werden soll, gereinigt werden; eine zweite Stufe aufweist,
in der das Schweißen zwischen dem Draht und dem Substrat
stattfindet, und im Fall von dicken Drähten eine dritte
Stufe aufweist, während der eine Hochtemperaturvergütung der
Bondoberfläche mittels Ultraschallenergie stattfindet.
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Ferner ist beobachtet worden, daß jede dieser Stufen
vorteilhaft mit einem jeweils verschiedenen Energiepegel und
fakultativ einer jeweils verschiedenen Bondkraft ausgeführt
wird, die während des Bondvorgangs empirisch bestimmt und
gesteuert werden können. Im allgemeinen wird gefunden, daß
die erste oder Reinigungsstufe einen relativ hohen
Energiepegel erfordert und relativ rasch abläuft; die zweite oder
Schweißstufe erfordert einen niedrigeren Energiepegel und
fakultativ ein geringeres Bondgewicht, und die dritte oder
Vergütungsstufe, in der diese Vergütung stattfindet,
erfordert
einen Energiepegel und fakultativ ein Bondgewicht, die
in Abhängigkeit von der jeweiligen Verbindung veränderlich
sind.
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Allgemein wird zwar gefunden, daß die erforderlichen
Energiepegel und fakultativ das erforderliche Bondgewicht
sich wie oben gesagt ändern, das ist jedoch nicht
notwendigerweise der Fall, und ein besonderer Vorteil des
Verfahrens gemäß der Erfindung liegt darin, daß die
Bondparameter für jede einzelne Bondstelle bestimmt und für diese
Bondstelle optimiert werden.
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Sogar aufeinanderfolgende Bondstellen, die unter Verwendung
desselben Drahts und desselben Substrats gebildet werden,
können hinsichtlich ihres Energiebedarfs und fakultativ
ihres Bondgewichtsbedarfs sehr verschieden sein, und durch
ständiges Überwachen des Bondvorgangs gemäß der Erfindung
können Bondstellen einer gleichbleibend hohen Güte mit hoher
Effizienz erreicht werden, und zwar unabhängig von etwaigen
Änderungen der Bondbedingungen.
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Somit ist das System gemäß der Erfindung ein Inline-System
mit Rückführung. Zwei alternative Ausführungsformen des
Verfahrens gemäß der Erfindung und eine Ausführungsform
einer automatischen Drahtbondvorrichtung, die zur
Durchführung eines solchen Verfahrens geeignet ist, werden
nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben; die Zeichnungen zeigen in:
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Fig. 1 ein Diagramm, das die Drahtverformung über die
Zeit unter Anwendung von konstanter
Ultraschallenergie und eines konstanten Bondgewichts zeigt
(Stand der Technik);
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Fig. 2 ein Diagramm, das die Drahtverformung über die
Zeit unter Anwendung von Ultraschallenergie, die
in Abhängigkeit von der Drahtverformung gesteuert
wird, und eines konstanten Bondgewichts zeigt (für
einen Aluminiumbonddraht einer Dicke von 25 µm);
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Fig. 3 ein Diagramm, das die Drahtverformung über die
Zeit unter Anwendung von Ultraschallenergie, die
in Abhängigkeit von der Drahtverformung gesteuert
wird, und eines konstanten Bondgewichts zeigt (für
einen Aluminiumdraht einer Dicke von 250 µm);
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Fig. 4 ein Diagramm, das die Drahtverformung über die
Zeit unter Anwendung von Ultraschallenergie und
Bondgewicht, die in Abhängigkeit von der
Drahtverformung gesteuert werden, zeigt (für einen
Aluminiumbonddraht einer Dicke von 25 µm);
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Fig. 5 ein Diagramm, das die Drahtverformung über die
Zeit unter Anwendung von Ultraschallenergie und
Bondgewicht, die in Abhängigkeit von der
Drahtverformung gesteuert werden, zeigt (für einen
Aluminiumdraht einer Dicke von 250 µm);
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Fig. 6 ein Diagramm, das die drei Stufen des Drahtbond
verfahrens zeigt; und
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Fig. 7 und 8 Blockdiagramme von zwei alternativen
Ausführungsformen einer automatischen Drahtbondvorrichtung.
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Bei einem bekannten Bondverfahren, wie es in Fig. 1 gezeigt
ist, wird Ultraschallenergie während des gesamten
Bondvorgangs auf einem gleichbleibenden Pegel zugeführt. Es gibt
eine Anfangsperiode von ungefähr 9 ms, in der nur eine
geringe Verformung des Drahts stattfindet, gefolgt von einer
zweiten Periode, während der die Verformung des Drahts stark
zunimmt, und einer dritten Periode, in der praktisch keine
weitere Verformung erfolgt. Bei den bekannten Steuersystemen
wird eine befriedigende Verbindung gebildet, weil die
Verformung
in die vorgegebenen Grenzen für die minimal und
maximal zulässige Drahtverformung fällt. Es ist jedoch aus
dem Diagramm ersichtlich, daß die Energie, die nach einer
Bonddauer von ungefähr 34 ms zugeführte Energie nicht zum
Bonden ausgenützt wird und daß also sowohl Energie als auch
Betriebszeit verschwendet werden. Gemäß dem Stand der
Technik ist es jedoch nicht möglich, die Bonddauer für eine
einzelne Bondstelle zu verkürzen, da spätere Bondvorgänge
zwischen demselben Draht und derselben Kontaktoberfläche
eine längere Erregungszeit benötigen könnten.
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In Fig. 2 ist ein Bondverfahren gezeigt, bei dem
Ultraschallenergie angewandt wird, die in Abhängigkeit von der
Drahtverformung gesteuert wird. Der zu bondende Draht ist
ein dünner Draht einer Dicke von 25 µm, und der Bondvorgang
ist ein Zweistufenvorgang.
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In der ersten Stufe wird Energie mit einem relativ hohen
Pegel zugeführt, und es erfolgt nahezu keine Verformung des
Drahts. Der Grund dafür ist, daß während dieser Stufe in den
ersten ungefähr 12 ms des Bondvorgangs die Oberfläche des
Drahts und die Kontaktoberfläche von
Oberflächenverunreinigungen befreit werden. Diese Verunreinigung liegt
allgemein in Form von Oberflächenoxidation vor und kann auch
organische Verunreinigungen beinhalten.
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Wie Fig. 2 zeigt, erfolgt nach beendeter Reinigung ein
scharfer Anstieg der Verformung, wenn die zweite Stufe
eingeleitet wird. Während der zweiten Stufe wird der
Ultraschallenergiepegel verringert, und wenn die Verformung des
Drahts einen vorbestimmten Wert erreicht, wird die Energie
abgeschaltet, da die Bondstelle fertiggestellt ist.
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In Fig. 3 ist ein zweites Bondverfahren unter Anwendung von
Ultraschallenergie gezeigt, die in Abhängigkeit von der
prahtverformung gesteuert wird. Der zu bondende Draht ist
ein dicker Draht einer Dicke von 250 µm, und das Bonden ist
ein Dreistufenvorgang. Die beiden ersten Stufen des
Reinigens und Schweißens entsprechen den beiden ersten Stufen des
Verfahrens gemäß Fig. 2. Es gibt jedoch eine dritte Stufe,
in der der Bondstelle noch weiter Energie entsprechend einer
vorbestimmten Kurve zugeführt wird, so daß die Bondstelle
erwärmt wird und die Verbindung bei erhöhter Temperatur
vergütet werden kann.
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In Fig. 4 ist ein Bondverfahren unter Anwendung von
Ultraschallenergie und Bondgewicht gezeigt, die in Abhängigkeit
von der Drahtverformung gesteuert werden. Der zu bondende
Draht ist ein dünner Draht einer Dicke von 25 µm, und das
Bonden ist ein Zweistufenverfahren.
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In der ersten Stufe wird Energie auf einem relativ hohen
Pegel bei einem relativ hohen Bondgewicht zugeführt, und es
erfolgt nahezu keine Verformung des Drahts, denn während
dieser Stufe wird in den ersten ungefähr 12 ms des
Bondvorgangs die Oberfläche des Drahts und die Kontaktoberfläche
von Oberflächenverunreinigungen befreit. Diese
Verunreinigung hat allgemein die Form von Oberflächenoxidation und
kann auch organische Verunreinigungen beinhalten.
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Wie Fig. 4 zeigt, erfolgt nach beendeter Reinigung eine
scharfe Zunahme der Verformung, wenn die zweite Stufe
eingeleitet wird. Während der zweiten Stufe werden der Pegel
der Ultraschallenergie und das Bondgewicht verringert, und
wenn die Verformung des Drahts einen vorbestimmten Wert
erreicht, wird die Energie abgeschaltet, da die Verbindung
fertiggestellt ist.
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In Fig. 5 ist ein zweites Bondverfahren unter Anwendung von
Ultraschallenergie und Bondgewicht, die in Abhängigkeit von
der Drahtverformung gesteuert werden, gezeigt. Der zu
bondende Draht ist ein dicker Draht einer Dicke von 250 µm, und
das Bonden ist ein Dreistufenverfahren. Die beiden ersten
Stufen des Reinigens und Schweißens entsprechen den beiden
ersten Stufen des in Fig. 4 gezeigten Verfahrens. Es gibt
jedoch eine dritte Stufe, in der der Bondstelle weiterhin
Energie entsprechend einer vorbestimmten Kurve zugeführt
wird, um die Bondstelle zu erwärmen und eine Vergütung der
Verbindung bei erhöhter Temperatur zuzulassen.
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In der ersten Stufe werden die Oberfläche des Drahts und die
Kontaktoberfläche, an die er zu bonden ist, einem
Reinigungsvorgang unterzogen, und es findet eine relativ geringe
oder keine Verformung des Drahts statt. Während der zweiten
Stufe erfolgt eine sehr rasche Verformung des Drahts,
während die Schweißverbindung gebildet wird. Während der
dritten Stufe nimmt die Verformungsrate des Drahts sehr rasch
ab, während die Schweißstelle fertiggestellt wird und die
Vergütung stattfindet.
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Eine Ausführungsform einer automatischen
Drahtbondvorrichtung ist schematisch in Fig. 7 gezeigt.
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Die automatische Drahtbondvorrichtung weist einen Bondkeil 2
auf, der an einem Horn 4 eines
Ultraschallschwingungswandlers 6 angebracht ist. Ein Draht 8 zum Bonden an ein
Bauelement 10 wird von einer Drahtspule (nicht gezeigt) auf
bekannte Weise zugeführt. Ein Verformungssensor 12 ist in
ein geschlossenes System mit Rückführung zu einem
Drahtverformungs-Meßsystem 702 eingeschaltet, das über einen
Prozessor 704 mit einem Ultraschallregler 706 verbunden ist,
der seinerseits mit einem Ultraschallgenerator 708 verbunden
ist, der den Wandler 6 treibt.
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Im Betrieb werden Daten von dem Verformungssensor 12 über
das Drahtverformungs-Meßsystem 702 dem Prozessor 704
zugeführt, wo das Verfahren ständig überwacht und der
erforderliche Ultraschallenergiepegel berechnet wird. Daten
bezüglich des berechneten Pegels werden dann genutzt, um den
Ultraschallgenerator 708 über den Ultraschallregler 706 zu
steuern.
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Der Verformungssensor 12 und das Drahtverformungs-Meßsystem
702 können jedes geeignete Verformungssystem sein, etwa ein
elektronisches oder ein optisches System, beispielsweise ein
Lasersystem.
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Eine alternative Ausführungsform einer automatischen
Drahtbondvorrichtung ist schematisch in Fig. 8 gezeigt.
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Die automatische Drahtbondmaschine umfaßt einen Bondkeil 2,
der an einem Horn 4 eines Ultraschallschwingungswandlers 6
angebracht ist. Draht 8 zum Bonden an ein Bauelement 10 wird
von einer Drahtspule (nicht gezeigt) auf bekannte Weise
zugeführt. Ein Verformungssensor 12 ist in ein geschlossenes
System mit Rückführung zu einem Drahtverformungs-Meßsystem
802 eingeschaltet, das über einen Prozessor 804 mit einem
Ultraschallregler 806 verbunden ist, der seinerseits mit
einem Ultraschallgenerator 808 verbunden ist, der den
Wandler 6 treibt.
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Ein Bondkraftregler 14 ist an dem Horn 4 des
Ultraschallschwingungswandlers 6 befestigt. Ein Piezotisch 16 ist unter
dem Bauelement 10 positioniert, um die Bondkraft zu messen.
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Im Betrieb werden Daten von dem Verformungssensor 12 über
das Drahtverformungs-Meßsystem 802 dem Prozessor 804
zugeführt, wo das Verfahren ständig überwacht und der
erforderliche Ultraschallenergiepegel berechnet wird. Daten
bezüglich des berechneten Pegels werden dann genutzt, um den
Ultraschallgenerator 808 durch den Ultraschallregler 806 zu
steuern. Auf ähnliche Weise werden Daten von dem Piezotisch
16 genutzt, um den Bondkraftregler 14 zu steuern und die
Information dem Prozessor 804 zuzuführen.
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Der Verformungssensor 12 und das Drahtverformungs-Meßsystem
802 können jedes geeignete Verformungssystem sein, etwa ein
elektronisches oder ein optisches System, beispielsweise ein
Lasersystem.