專(zhuān)利名稱(chēng)：絲焊器的校準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及絲焊器的校準(zhǔn)方法。
球焊可受到各種因素的影響。為了獲得預(yù)定質(zhì)量的焊接，對(duì)于專(zhuān)門(mén)的工序必須確定多個(gè)物理和/或技術(shù)參數(shù)的最佳值。這些參數(shù)的例子為焊接力，它是在焊接過(guò)程中由毛細(xì)管施加在球珠或半導(dǎo)體芯片的連接點(diǎn)上的力；或交變電流的幅值，通過(guò)它超聲波換能器對(duì)角臂提供超聲波。
在焊接期間，毛細(xì)管經(jīng)常地磨損，它必需被新的毛細(xì)管替換。當(dāng)更換毛細(xì)管時(shí)，通常毛細(xì)管頂端的振蕩性能改變，因?yàn)槊總€(gè)毛細(xì)管的特性有些不同及被不同地夾持在角臂上。因此，在每個(gè)毛細(xì)管更換后，必需重校準(zhǔn)絲焊器的具體參數(shù)，由超聲波換能器對(duì)角臂提供的交變電流的幅值必需適應(yīng)新的條件。
由歐洲專(zhuān)利EP 498 936公知了一種校準(zhǔn)角臂振蕩幅值的方法。通過(guò)該方法，測(cè)量角臂頂端在空氣中自由振蕩的幅值及重新規(guī)定由超聲波換能器對(duì)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(xiàn)預(yù)定值。
由歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)EP 953 398公知了一種校準(zhǔn)絲焊器參數(shù)的方法，通過(guò)該方法毛細(xì)管的頂端或由毛細(xì)管頂端引導(dǎo)的焊球接觸到測(cè)試芯片的連接點(diǎn)。該測(cè)試芯片包括集成在連接點(diǎn)區(qū)域中的傳感器，傳感器的信號(hào)用來(lái)作校準(zhǔn)。譬如預(yù)計(jì)用測(cè)量溫度的傳感器來(lái)校準(zhǔn)超聲波的功率。
由文章“使用現(xiàn)場(chǎng)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硅片中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力的壓敏電阻傳感器，它被發(fā)表在于2001年6月10-14日在慕尼黑召開(kāi)的關(guān)于“Transducers’01Eurosensor XV”會(huì)議的會(huì)刊上。
本發(fā)明的另一在于，在批量生產(chǎn)中在一個(gè)絲焊器上得到的最佳參數(shù)可發(fā)送到另一絲焊器。本發(fā)明也提供了對(duì)該目的的解決方案及以簡(jiǎn)單及可靠方式支持參數(shù)從一個(gè)絲焊器轉(zhuǎn)移到另一絲焊器。
根據(jù)本發(fā)明所述目的將借助一種方法來(lái)解決，其中借助集成在半導(dǎo)體芯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(lèi)型傳感器在譬如毛細(xì)管被更換后來(lái)重新校準(zhǔn)第一絲焊器或借助參考該參考值來(lái)校準(zhǔn)另一絲焊器。
每個(gè)絲焊器具有一個(gè)被夾持在一個(gè)角臂上的毛細(xì)管。由超聲波換能器對(duì)角臂提供超聲波，其中借助參數(shù)P控制超聲波換能器。及根據(jù)以下步驟確定參考值URefa1)將無(wú)導(dǎo)線(xiàn)或線(xiàn)球的毛細(xì)管放置在傳感器的接觸區(qū)上，b1)將焊接力FC施加到毛細(xì)管上，該焊接力足夠地大，以使得在下個(gè)步驟中毛細(xì)管不會(huì)在傳感器1的表面上前、后滑動(dòng)，c1)對(duì)超聲波換能器提供預(yù)定的參數(shù)值P1，及一旦進(jìn)入穩(wěn)態(tài)獲得傳感器信號(hào)的幅值U1，及d1)將傳感器信號(hào)的值U1作為參考值URef存儲(chǔ)。重新校準(zhǔn)第一絲焊器，例如當(dāng)毛細(xì)管更換后，或?qū)⑿?zhǔn)另一絲焊器，這時(shí)根據(jù)以下步驟來(lái)確定校正系數(shù)γa2)將無(wú)導(dǎo)線(xiàn)或線(xiàn)球的毛細(xì)管放置在同一傳感器或同一類(lèi)型的不同傳感器的接觸區(qū)上，b2)將相同的焊接力Fc施加到毛細(xì)管上，及c2)在參數(shù)P的控制下操作超聲波換能器，及d2)確定校正系數(shù)γ，以使得當(dāng)參數(shù)P的用值P2＝γ*P1操作超聲波換能器時(shí)傳感器信號(hào)幅值為值URef。
因此，如果以此方法校準(zhǔn)的絲焊器的超聲波換能器在焊接生產(chǎn)中被用參數(shù)P的值P2＝γ*P1操作時(shí)，就可保證在與第一絲焊器的半導(dǎo)體芯片相同的物理處理?xiàng)l件下在參考值URef確定的緊后面對(duì)半導(dǎo)體芯片進(jìn)行導(dǎo)線(xiàn)連接。
根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，在步驟c2)中，參數(shù)值P1被提供給超聲波換能器及在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后獲得傳感器信號(hào)的幅值U；及在步驟d2)中，校正系數(shù)γ被確定為γ＝URef/U。
根據(jù)另一實(shí)施例，在步驟c2)中，參數(shù)值P1被改變直到傳感器信號(hào)的幅值為值URef及在此狀態(tài)下參數(shù)P的值被表示為P2。校正系數(shù)γ則被確定為γ＝P2/P1。
以此方法來(lái)校準(zhǔn)的參數(shù)P例如是流過(guò)超聲波換能器的電流或供給超聲波換能器的電壓。
具體實(shí)施例方式


圖1及2表示集成在半導(dǎo)體芯片中的傳感器1的平面圖及橫截面圖，該芯片包括4個(gè)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(hào)相應(yīng)于惠斯登電橋的輸出信號(hào)。該傳感器最好由n摻雜的硅6組成，壓敏電阻元件2至5埋入在硅表面7中作為p摻雜的硅作成的波狀電阻路徑。傳感器1的表面7上覆蓋著傳統(tǒng)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(qū)9的外部，當(dāng)超聲波功率校準(zhǔn)時(shí)一個(gè)絲焊器的毛細(xì)管10的頂端在該接觸區(qū)內(nèi)壓在半導(dǎo)體芯片上。毛細(xì)管10頂端理想地壓在傳感器1上的區(qū)域用虛線(xiàn)圓環(huán)10’表示。在圖1中，笛卡兒坐標(biāo)系的軸用X及Y表示。X方向最好平行于硅晶體軸[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，被布置于接觸區(qū)9的左面及右面。它們用于檢測(cè)機(jī)械應(yīng)力，該應(yīng)力是當(dāng)對(duì)毛細(xì)管10提供超聲波時(shí)在傳感器1中X方向上引起的剪切力FX。在校準(zhǔn)時(shí)，傳感器1相對(duì)絲焊器定向，以使得毛細(xì)管10的振蕩方向盡可能平行于X方向地延伸。
圖3表示由4個(gè)壓敏電阻元件2至5形成的惠斯登電橋的電路圖。這4個(gè)壓敏電阻元件2至5通過(guò)鋁作的通用導(dǎo)體連接。該惠斯登電橋最好由來(lái)自恒定電壓源的電壓U供電?；菟沟请姌虻妮敵鲭妷篣Out＝V1-V2則由下式產(chǎn)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適用于絲焊器的超聲波換能器的校準(zhǔn)，或更確切地，適用于控制超聲波換能器的參數(shù)的校準(zhǔn)。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(dāng)根據(jù)以上導(dǎo)言部分所述步驟借助絲焊器對(duì)半導(dǎo)體芯片焊接導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，對(duì)于專(zhuān)門(mén)的產(chǎn)品，即對(duì)于半導(dǎo)體芯片及襯底的專(zhuān)門(mén)組合必需優(yōu)化各個(gè)焊接參數(shù)。在文獻(xiàn)中，甚至在專(zhuān)利文獻(xiàn)中已經(jīng)廣泛地描述了球焊的無(wú)數(shù)細(xì)節(jié)。以下球焊過(guò)程的簡(jiǎn)單例子用來(lái)理解本發(fā)明。在毛細(xì)管頂端形成線(xiàn)球后，使毛細(xì)管降低直到該線(xiàn)球沖擊到半導(dǎo)體芯片上的接觸點(diǎn)上及直到毛細(xì)管用預(yù)定力、即所謂焊接力FB將線(xiàn)球壓到接觸點(diǎn)上為止。然后，對(duì)毛細(xì)管供給超聲波一個(gè)預(yù)定的焊接時(shí)間τ。接著，再次抬起毛細(xì)管及形成導(dǎo)線(xiàn)環(huán)。毛細(xì)管被夾持在角臂17的頂端。當(dāng)焊接時(shí)，借助超聲波換能器18對(duì)角臂17提供超聲波。在此情況下，恒定的交流電流或恒定的交流電壓或恒定的能量從能源19供給到超聲波換能器18。在該例中，對(duì)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(shí)間。因此，在該例中，施加給超聲波換能器18的參數(shù)P是由能源19提供的交流電流I。
在一個(gè)新的產(chǎn)品開(kāi)始接線(xiàn)前，對(duì)于用于新產(chǎn)品的焊接力FB、交流電流幅值IT及焊接時(shí)間τ的合適參數(shù)將首先被確定。
使用第一毛細(xì)管進(jìn)行這些參數(shù)的確定，及對(duì)這些參數(shù)找到的最佳值用FB1，IT1及τ表示。在這些參數(shù)被確定后，根據(jù)以下步驟確定參考值URef1.將無(wú)導(dǎo)線(xiàn)或線(xiàn)球的毛細(xì)管放置在傳感器1的接觸區(qū)9上。該毛細(xì)管應(yīng)盡可能靠近接觸區(qū)9的中間放置。
2.將焊接力FC施加到毛細(xì)管上，該焊接力足夠地大，以使得在下個(gè)步驟3中毛細(xì)管不會(huì)在傳感器1的表面上前、后滑動(dòng)。1N的焊接力被證明是可靠的。
3.將具有值IT1的恒定交流電流幅值供給超聲波換能器。這時(shí)一直等待到瞬態(tài)響應(yīng)結(jié)束及達(dá)到穩(wěn)態(tài)。該穩(wěn)態(tài)的特征是傳感器信號(hào)UOut(t)的幅值U0不再改變。
4.在穩(wěn)態(tài)時(shí)出現(xiàn)的傳感器信號(hào)UOut(t)的幅值U0被作為參考值URef存儲(chǔ)URef＝U0(2)然后將導(dǎo)線(xiàn)再穿到毛細(xì)管中及用前面找到的焊接力的值FB1、流過(guò)超聲波換能器的交流電流的幅值IT1及焊接時(shí)間τ來(lái)開(kāi)始焊接生產(chǎn)。
在毛細(xì)管更換或角臂更換或甚至當(dāng)生產(chǎn)期間重校準(zhǔn)后，對(duì)于流過(guò)超聲波換能器的交流電流的幅值IT總是確定一個(gè)新值IT2。這例如可根據(jù)以下步驟確定一個(gè)校正系數(shù)γ來(lái)進(jìn)行1.再次地將無(wú)導(dǎo)線(xiàn)或線(xiàn)球的新毛細(xì)管放置在傳感器1上并盡可能靠近接觸區(qū)9的中間。
2.將焊接力FC施加到毛細(xì)管上。
3.將具有值IT1的恒定交流電流幅值供給超聲波換能器。這時(shí)一直等待到瞬態(tài)響應(yīng)結(jié)束及達(dá)到穩(wěn)態(tài)。在該穩(wěn)態(tài)中產(chǎn)生的傳感器信號(hào)的幅值UOut(t)作為值U被獲得。
4.確定校正系數(shù)γ，有γ＝URef/U。
接著，可重新開(kāi)始焊接生產(chǎn)，由此恒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。
該同樣的方法適用于從參考絲焊器向另一絲焊器轉(zhuǎn)移參數(shù)。將參考絲焊器的參數(shù)URef及IT1以及另外的過(guò)程參數(shù)如焊接力作為參考值存儲(chǔ)在另一絲焊器中。然后，借助根據(jù)上述步驟的校準(zhǔn)確定系數(shù)γ?，F(xiàn)在可重新開(kāi)始焊接生產(chǎn)，其中對(duì)超聲波換能器供給恒定交流電流，該交流電流幅值由式IT2＝γ*IT1給出。
根據(jù)本發(fā)明的方法的確定因素是在校準(zhǔn)期間毛細(xì)管10不在傳感器1上前后地滑動(dòng)。但是，在供給超聲波時(shí)，毛細(xì)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(zhuǎn)換成電信號(hào)。圖5表示作為時(shí)間t的函數(shù)的惠斯登電橋振蕩輸出信號(hào)UOut(t)的幅值(A)(包絡(luò)線(xiàn)絕對(duì)值)，在毛細(xì)管10未滑動(dòng)的情況下為實(shí)線(xiàn)及在毛細(xì)管10突然開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)為虛線(xiàn)。超聲波在時(shí)間t1上供給超聲波換能器。毛細(xì)管開(kāi)始振蕩及振蕩幅值持續(xù)增加。如果該毛細(xì)管不滑動(dòng)，則在瞬變響應(yīng)時(shí)幅值持續(xù)增加，直到瞬變響應(yīng)結(jié)束為止。這時(shí)幅值A(chǔ)具有恒定值U0。另一方面，如果焊接力相對(duì)超聲波幅值過(guò)低，則毛細(xì)管10突然開(kāi)始滑動(dòng)。在傳感器1中產(chǎn)生的剪切力FX不再增加。幅值A(chǔ)的曲線(xiàn)具有一個(gè)折點(diǎn)16，同時(shí)在瞬變響應(yīng)結(jié)束前幅值A(chǔ)(虛線(xiàn))保持恒定水平。
以此方式確定的惠斯登電橋的輸出信號(hào)UOut的值U0相對(duì)于供給超聲波換能器的交流電流的幅值IT很線(xiàn)性。溫度依賴(lài)性也很低，當(dāng)各個(gè)校準(zhǔn)程序期間溫度恒定保持在約±5℃上時(shí)便可滿(mǎn)足。此外該校準(zhǔn)可在生產(chǎn)中進(jìn)行焊接時(shí)的溫度上進(jìn)行。這具有其優(yōu)點(diǎn)，即在更換毛細(xì)管時(shí)不會(huì)損失有價(jià)值的時(shí)間，因?yàn)榻z焊器不需要被冷卻及再加熱到處理溫度。
此外，因?yàn)閭鞲衅髦g的區(qū)別足夠小，不一定總是使用相同傳感器。甚至當(dāng)傳感器固定安裝在每個(gè)絲焊器上時(shí)這也允許參數(shù)轉(zhuǎn)移。
這里必需指出，對(duì)于參數(shù)P的重新校準(zhǔn)，在該例中流過(guò)超聲波換能器的交流電流的幅值的重新校準(zhǔn)，可使用稍微修改的程序，通過(guò)該程序可直接重新規(guī)定流過(guò)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(zhí)行。然后在步驟c2中，對(duì)超聲波換能器提供恒定交流電流，它的幅值為值IT1。這時(shí)一直等待到瞬態(tài)響應(yīng)結(jié)束及達(dá)到穩(wěn)態(tài)。現(xiàn)在，在步驟d2中幅值IT1被改變直到傳感器信號(hào)UOut(t)的幅值具有值URef為止。幅值IT2的相應(yīng)值被存儲(chǔ)。校正系數(shù)則為γ＝IT2/IT1。
然后，可重新開(kāi)始焊接生產(chǎn)，其中對(duì)超聲波換能器供給的恒定交流電流，其幅值由新確定的值IT2給出，從而IT2＝γ*IT1。
圖6表示一個(gè)傳感器1的平面圖，它包括用于測(cè)量在X方向產(chǎn)生的剪切力FX的4個(gè)壓敏電阻元件2至5及包括用于測(cè)量在Y方向產(chǎn)生的剪切力FY的4個(gè)壓敏電阻元件11至14。4個(gè)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(hào)表示為UOut，x(t)。4個(gè)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(hào)表示為UOut，y(t)。通過(guò)傳感器1可確定參考值URef，而不必需使毛細(xì)管10的振蕩方向?qū)?zhǔn)平行于傳感器1的X方向。一旦瞬態(tài)響應(yīng)結(jié)束及達(dá)到穩(wěn)態(tài)，參考值URef將由輸出信號(hào)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(qū)9的尺寸典型為80μm*80μm，而毛細(xì)管10的頂端直徑約為20μm至30μm。
輸出信號(hào)UOut，x(t)及UOut，y(t)的幅值依賴(lài)于毛細(xì)管10壓到接觸區(qū)9的位置。為了增加校準(zhǔn)精確度，因此建議將毛細(xì)管10放在接觸區(qū)9的不同位置上及基于在這些位置上獲得的測(cè)量值確定參考值URef及校正系數(shù)γ，例如如下所述在圖6中，毛細(xì)管10的各中間接觸點(diǎn)15概要表示為，它由一對(duì)坐標(biāo)(xi，k，yi，k)表示，其中下標(biāo)i，k在該例中例如各有5個(gè)不同的值。兩個(gè)接觸點(diǎn)15之間的距離典型在5μm至10μm之間。根據(jù)上述方法所測(cè)量的各幅值U0，x(xi，k，yi，k)及-需要的話(huà)-U0，y(xi，k，yi，k)各來(lái)自一個(gè)鞍形區(qū)域?，F(xiàn)在，該鞍形函數(shù)U0，x的鞍部坐標(biāo)(xS，x，yS，x)及值U0，x(xS，x，yS，x)以及-需要的話(huà)-該鞍形函數(shù)U0，y的鞍部坐標(biāo)(xS，y，yS，y)及值U0，y(xS，y，yS，y)通過(guò)數(shù)學(xué)被確定，及最后分別根據(jù)式(2)及(3)計(jì)算參考值URef。
在供給超聲波換能器的是恒定交流電壓而非恒定交流電流的情況下，類(lèi)似地進(jìn)行校準(zhǔn)，其中用電壓來(lái)取代電流。
權(quán)利要求
1.借助集成在半導(dǎo)體芯片中的傳感器(1)校準(zhǔn)一個(gè)或多個(gè)絲焊器的方法，其中每個(gè)絲焊器具有一個(gè)被夾持在一個(gè)角臂上的毛細(xì)管(10)，其中由超聲波換能器對(duì)角臂提供超聲波，借助參數(shù)P控制超聲波換能器及借助第一絲焊器根據(jù)以下步驟確定參考值URefa1)將無(wú)導(dǎo)線(xiàn)或線(xiàn)球的毛細(xì)管(10)放置在傳感器(1)的接觸區(qū)(9)上，b1)將焊接力施加到毛細(xì)管(10)上，該焊接力足夠地大，以使得在下個(gè)步驟中毛細(xì)管(10)不會(huì)在傳感器(1)的接觸區(qū)(9)上前、后滑動(dòng)，c1)對(duì)超聲波換能器提供預(yù)定的參數(shù)值P1，及一旦進(jìn)入穩(wěn)態(tài)獲得傳感器信號(hào)的幅值U1，及d1)將傳感器信號(hào)的值U1作為參考值URef存儲(chǔ)，及其中例如當(dāng)毛細(xì)管更換后使絲焊器的參數(shù)P重新校準(zhǔn)，或校準(zhǔn)另一絲焊器的參數(shù)P以便在焊接生產(chǎn)中用參數(shù)P的值P2＝γ*P1操作超聲波換能器，其中γ為校正系數(shù)，它根據(jù)以下步驟來(lái)確定a2)再次地將無(wú)導(dǎo)線(xiàn)或線(xiàn)球的毛細(xì)管(10)放置在同一傳感器(1)或同一類(lèi)型的不同傳感器(1)的接觸區(qū)(9)上，b2)將相同的焊接力施加到毛細(xì)管(10)上，及c2)在參數(shù)P的控制下操作超聲波換能器，及d2)確定校正系數(shù)γ，以使得當(dāng)值P2＝γ*P1提供給超聲波換能器時(shí)傳感器信號(hào)幅值為值URef。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于在步驟c2)中，參數(shù)值P1被提供給超聲波換能器及一旦進(jìn)入穩(wěn)態(tài)就獲得傳感器信號(hào)的幅值U；及在步驟d2)中，校正系數(shù)γ被確定為γ＝URef/U。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于在步驟c2)中，參數(shù)P的值被改變直到傳感器信號(hào)的幅值為值URef及校正系數(shù)γ被確定為γ＝P2/P1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中一項(xiàng)的方法，其特征在于毛細(xì)管(10)被放置在傳感器(1)的接觸區(qū)(9)的多個(gè)位置上；及基于在這些位置上獲得的測(cè)量值確定參考值URef及校正系數(shù)γ。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中一項(xiàng)的方法，其特征在于參數(shù)P是流過(guò)超聲波換能器的交流電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中一項(xiàng)的方法，其特征在于傳感器(1)包括壓敏電阻元件(2，3，4，5)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于傳感器(1)包括第一壓敏電阻元件(2，3，4，5)，用于測(cè)量第一方向上產(chǎn)生的剪切力，及包括第二壓敏電阻元件(11，12，13，14)，用于測(cè)量第二方向上產(chǎn)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(hào)用于確定參考值URef及校正系數(shù)γ。
全文摘要
本發(fā)明涉及絲焊器的校準(zhǔn)方法，其中絲焊器具有一個(gè)被夾持在一個(gè)角臂上的毛細(xì)管(10)。超聲波換能器對(duì)角臂提供超聲波，其中借助參數(shù)P控制超聲波換能器。為了校準(zhǔn)參數(shù)P，使用了集成在半導(dǎo)體芯片上的壓敏電阻傳感器(1)。將毛細(xì)管(10)放置在半導(dǎo)體芯片上及對(duì)其施加焊接力。然后對(duì)超聲波換能器提供參數(shù)P的值P
文檔編號(hào)B23K20/10GK1413791SQ0212241
公開(kāi)日2003年4月30日 申請(qǐng)日期2002年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月26日
發(fā)明者邁克爾·梅耶, 喬吉·斯切威爾 申請(qǐng)人:Esec貿(mào)易公司