DE4131565C2 - Verfahren zur Optimierung des Schweißprozesses bei Bondverfahren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des Schweißprozesses bei Bondverfahren zur Erzielung von Bondungen, wie beispielsweise Keil-, Ball-, Ösen-, Rillen-, Single-Point-Bondungen o. ä. mit hoher und gleichbleibender Güte und findet Anwendung insbesondere in der Mikroelektronik bei der Herstellung elektronischer Bauelemente, insbesondere mittels des Ultraschallbondens, Thermosonic-Bondens oder Thermokompressions-Bondens auf Thermosonic-Bondmaschinen sowie des Single-Point TAB-Bondens (SPTAB).

Es ist bekannt, zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von Draht- und Bändchenbondungen o. ä. bei der Herstellung elektronischer Bauelemente die Einflussfaktoren, welche sich auf die Güte der Schweißverbindung auswirken, zu überwachen und konstant zu halten.

Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass sie aufgrund der Vielzahl der möglichen objektiven und subjektiven Einflussfaktoren sehr aufwendig und fertigungstechnisch nur sehr schwer umsetzbar ist.

In der Patentschrift DD 45 217 wird ein programmgesteuerter zeitlicher Verlauf des Ultraschallenergieeintrages in der Form vorgeschlagen, dass die mechanische Schwingungsamplitude des Bondwerkzeugs während des gesamten Schweißprozesses nicht auf einem vorwählbaren konstanten Wert stabil gehalten wird, sondern durch einen vorwählbaren zeitlichen Verlauf gezielt variabel, vorzugsweise mit abfallender Charakteristik, gesteuert wird.

Trotz einer zu erwartenden Erhöhung der Verfahrenszuverlässigkeit, vor allem bei empfindlichen Schweißkomponenten, macht sich nachteilig bemerkbar, dass die Schwingamplitudensteuerung relativ starr ist und die Schweißzeit konstant vorgegeben werden muss.

Es ist weiter bekannt, dass eine Verbesserung des Draht-, Folie-, Bändchens- und Leiter- Bondens o. ä., nachfolgend kurz Bonden genannt, durch mehr oder weniger gesicherte Korrelationen während des Schweißprozesses zwischen messtechnisch erfassbaren Größen und der Schweißstellengüte genutzt werden kann. Am längsten vorbekannt ist hier, einen möglichen Abfall der HF-Generatorausgangsspannung zu erfassen und zur Abschaltung der Schweißenergie zu benutzen. Als eine weitere Möglichkeit wird in der Patentschrift DD 83 289 beschrieben, dass über einen piezoelektrischen Sensor der Abfall der mechanischen Schwingungsamplitude des Schwingkopfes überwacht und ein Abschaltsignal zur Beendigung des Schweißprozesses gewonnen wird.

Bekannt ist auch aus der US 4558596, eine Frequenzverwerfung der Ultraschallarbeitsfrequenz auszunutzen, welche sich durch geringfügige Verlagerung der Eigenresonanzfrequenz des Schwingkopfes ergeben kann.

Weiter ist bekannt, den sinkenden elektrischen Übergangswiderstand zwischen oberer und unterer Schweißkomponente und den Deformationsgrad der oberen Schweißkomponente als Ersatzmessgröße zur Signalisierung der Schweißgüte zu bewerten.

Der sich durch die Korrelation zwischen den vorgeschlagenen Ersatzmessgrößen und der Schweißgüte ergebene Nachteil besteht darin, dass bei vielen Schweißaufgaben und Bondmaschinen der beschriebene Zusammenhang durch eine Vielzahl störender Einflussgrößen so stark vermindert wird, dass er zur Erfüllung der Gütesicherung praktisch nicht verwendbar ist.

Eine Anzahl weiterer Methoden zur Lösung des Problems der Verfahrenszulässigkeit und der Schweißgüte befasst sich mit einmalig aus dem Schweißprozess ableitbaren Signalen als Maß für die Güte der Schweißverbindung. So wird in der Patentschrift DE 23 16 598 vorgeschlagen, eine auftretende Einkerbung während des zeitlichen Verlaufes der HF- Generatorausgangsspannung oder den plötzlich ansteigenden elektrischen Übergangswiderstand zwischen Bondwerkzeug und oberer Schweißkomponente als Zeichen für die Fertigstellung der Schweißstelle zu werten und den Energieeintrag zu beenden.

Aus der Patentschrift DE 32 33 629 geht hervor, dass die Haftkraft bestimmt wird, mit der das Bondwerkzeug während des Schweißprozesses mit der oberen Schweißkomponente als Prozessnebenwirkung verbunden ist. Die Haftkraft lässt sich nach Beendigung des Energieeintrages während des Anhebens des Bondwerkzeuges als notwendige Ablösekraft am Bondwerkzeug messen. Der bekannte Nachteil dieses Haftens oder Klebens des Bondwerkzeugs, der gewöhnlich durch die Wahl eines zur Schweißaufgabe passenden Sonotrodenwerkstoffs oder das Auslösen eines sogenannten Nachimpulses minimiert wird, lässt keinen eindeutigen Schluss auf die erreichte Schweißstellengüte zu.

Auch ist aus der DD 219 338 ein Verfahren bekannt, bei welchem die übliche Ultraschallenergie durch eine intermittierende Arbeitsweise des Ultraschallschwingkopfes erreicht wird. Durch die Auswertung zeitlich aufeinanderfolgender Ausschwingzeiten dieses Schwingkopfes lässt sich der Einfluss aufeinanderfolgender Energiepulse auf den Aufbau der jeweiligen bearbeitenden Schweißstelle erfassen, so dass mit dieser Messinformation der laufende Schweißvorgang gesteuert werden kann.

Diese technische Lösung hat den Nachteil, dass technische Veränderungen an den zur Zeit eingesetzten Bondern vorgenommen werden müssen.

Im Patent DE 37 01 652 C2 werden 2 Lösungen gezeigt. Erstens erfasst ein piezoelektrischer Sensor am Horn die mechanische Schwingungsamplitude am Messort Horn. Über eine Frequenzanalyse des Messsignals werden die Oberschwingungen der Arbeitsfrequenz am Horn ermittelt. Es zeigte sich, dass der gewählte Messort zu unempfindlich ist. Zweitens werden nach diesem Patent die Bondparameter über einen Regelvorgang nachgeregelt und somit lediglich konstant gehalten. Dadurch wird jedoch eine gleichbleibende Qualität der Bondverbindung nur sichergestellt, wenn konstante Schweißeignung der Komponenten vorliegt, einschließlich der kritischen Oberflächenbelegungen wie Oxide oder Schmutzfilme aller Art. Diese Bedingung ist leider in der Praxis der Serienproduktion mit Chargencharakter nicht ständig gewährleistet.

Aus den Patenten US 3784079 und US 4479386 ist bekannt, die Hüllenkurve des Amplitudenverlaufes während des Schweißprozesses so messtechnisch aufzulösen, dass eine einzige Einkerbung eindeutig zu erkennen ist und nutzbar gemacht wird zur Beendigung des Bondvorganges. Diese einzelne Einkerbung konnte aber trotz umfangreicher Bemühungen bei Mikrobondautomaten der Elektronik nicht zur hinreichend produzierbaren Signalisierung der Energiedosierung und/oder Gütesicherung über die Fast Fouriertransformation benutzt werden.

Ausgehend von den Nachteilen der bekannten technischen Lösungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Optimierung des Schweißprozesses zur Erzielung von Bondungen mit hoher und gleichbleibender Güte zu schaffen, welches ohne größere technische Änderungen an den Bondmaschinen und ohne aufwendige softwaremäßige Maßnahmen anwendbar ist und eine effektive Steuerung der Prozessparameter ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 im Zusammenwirken mit den ausgestaltenden Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 5 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert hierbei darauf, dass zur Optimierung des Schweißprozesses bei Bondverfahren zur Erzielung von Bondungen mit hoher und gleichbleibender Güte das Ultraschall-Schwingungsverhalten im Schweißprozess erfasst und einer Auswertung unterzogen wird.

Die Auswerteergebnisse werden zur optimierenden Steuerung der Schweißparameter der Bondungen verwendet.

Umfangreiche experimentelle Prozessanalysen über das Mikro-Ultraschallschweißen brachten durch verbesserte zeitliche Schwingungs-Sensorauflösung zutage, dass die Ultraschall-Verschweißung nicht stetig, sondern oszillierend erfolgt in Form vieler Höhen und Täler der Amplitudenhüllkurve als Rückwirkungseffekt von der sich oszillierend aufbauenden Schweißfläche. Die Anzahl der Höhen und Täler spiegelt die bisher unbekannte festkörperphysikalische Verbindungskinetik auf der Ebene der Mikrostruktur wider.

Aus der gefundenen Korrelation zwischen dem Verlauf der Verbindungskinetik und der resultierenden Schweißgüte der Bondstelle wurde eine neuartige technische Lösung abgeleitet, die im Patenanspruch 1 formuliert ist.

Während des Schweißprozesses treten an der Hüllkurve des mechanischen Amplitudenverlaufes Täler und Höhen in unterschiedlicher Zahl und mit unterschiedlichem zeitlichen Abstand auf. Die Anzahl dieser Täler und Höhen sowie ihr zeitlicher Abstand ist korreliert mit der Güte der fertigen Bondung, d. h. mit der Schweißfestigkeit.

Das instationäre Schwingverhalten nach dosierten Schallenergiesprüngen wird als zweckmäßige Ersatzmessgröße zur automatischen Schweißprozessführung zur Erzielung optimaler Bondresultate benutzt.

Andererseits dienen die gegebenenfalls auftretenden Verzerrungen der Kurvenform der Ultraschallschwingungen am Bondwerkzeug der Erkennung von Störungen der Verbindungsbildung.

Nach Auswertung der erfassten Werte erfolgt über die Steuerung der Prozessparameter mechanische Schwingungsamplitude und/oder statischer Anpressdruck und/oder Zeitdauer des Schweißprozesses die Optimierung des Schweißprozesses bzw. die Fehlermeldung bei schlechter Verbindungskinetik.

Die Optimierung erfolgt stets im verfahrenstechnischen Ablauf der Herstellung der Schweißverbindungen, allerdings nicht immer für die Schweißverbindung, welche die Werte zur Optimierung liefert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird an einem üblichen Ultraschall- oder Thermosonic- Bonder, bestehend aus Ultraschallschwingkopf mit Bondwerkzeug, Ultraschallgenerator und Schwingungssensor sowie Heizeinheit beim Thermosonic-Bonden angewandt.

Mittels eines Speicheroszillographen wird der vollständige Ultraschall- Schwingungsverlauf im Schweißprozess während der kontinuierlichen Energieeintragung erfasst.

Im mechanischen Amplitudenverlauf zeigt sich eine Anzahl von Tälern, die beispielsweise bei einer bestimmten Bondcharge zwischen zwei und zwölf Tälern schwankt.

Die Form der Täler hat einen sägezahnähnlichen Verlauf.

Selbstverständlich können alternativ oder zusätzlich auch die Höhen erfasst werden.

Gleichzeitig oder zusätzlich zur Erfassung der Anzahl von Tälern oder Höhen wird der Abstand zwischen zwei Tälern und/oder zwischen zwei Höhen erfasst.

Die Korrelation zwischen der Anzahl der sichtbaren Täler und der erzielten Schweißfestigkeit wurde experimentell ermittelt.

Zwischen zwei und sechs auftretenden Tälern können gleiche und hohe Festigkeiten erzielt werden, während bei einer größeren Anzahl der Täler als sechs die Schweißfestigkeit vermindert ist.

Wird eine größere Anzahl der Täler oder Höhen als sechs festgestellt, werden die Prozessparameter mechanische Schwingungsamplitude und/oder statischer Anpressdruck des Schwingkopfes und/oder Zeitdauer des Schweißprozesses derart verändert, dass eine Anzahl von Tälern und Höhen nicht größer als sechs sich einstellt.

Analog wird mit dem zeitlichen Abstand zwischen zwei Tälern und Höhen verfahren.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde die Aufzeichnung der Oszillogramme mittels Zeitrafferfilmen vorgenommen.

Es ist selbstverständlich ebenfalls möglich, die Erfassung des Ultraschallschwingungsverlaufes im Schweißprozess durch elektronische oder durch optische Aufzeichnungsträger vorzunehmen.

Die Auswertung des erfassten Schwingungsverhaltens kann visuell oder elektronisch erfolgen, wobei die elektronische Auswertung zweckmäßigerweise durch einen Mikrorechner erfolgt.

Die optimierende Steuerung für den Schweißprozess bei Bondverfahren kann manuell oder vorzugsweise automatisch erfolgen.

Ein anderes Ausführungsbeispiel betrifft die Ausnutzung und Auswertung von instationären Schwingungszuständen nach dosierten Schallenergiesprüngen. Bei instationären Schwingungszuständen können beispielsweise die Quantität und Form der variablen An-, Aus- und/oder Einschwingvorgänge messtechnisch erfasst und über Mikrorechner ausgewertet werden mit dem Ziel, eine individuelle Schallenergiedosierung für jede Bondstelle durch eine automatische adaptive Prozessführung zu realisieren. Die Prozessführungsgröße korrelliert mit dem Verbindungszuwachs der Bondstelle.

Dadurch wird der allgemeine Mangel eines starr vorprogrammierten Schallenergieeintrages überwunden, der in der Bondpraxis zu erheblichen Streuungen der Bondgüte führen kann. Der Bondprozess wird zum optimalen Zeitpunkt beendet.

Zusätzlich hat es sich als sinnvoll erwiesen, während des Schweißprozesses die Kurvenform der Ultraschallschwingungen direkt am Bondwerkzeug zu charakterisieren, um daraus ein Signal zur Gütekontrolle der sich aufbauenden Bondstelle abzuleiten.

Oberhalb eines bestimmten Oberwellengehaltes als Maß der Verzerrungen der harmonischen Schwingungen gilt die Verbindungskinetik der sich bildenden Bondstelle als irreparabel gestört, so dass eine Fehlermeldung ausgegeben werden muss.

Claims (5)

1. Verfahren zur Optimierung des Schweißprozesses bei Bondverfahren zur Erzielung von Bondungen mit hoher und gleichbleibender Güte, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Ultraschall-Schwingungsverlauf einschließlich der instationären Zustände und der Kurvenform, d. h. die Anzahl der Täler und/oder Höhen und der zeitliche Abstand zwischen den Tälern und/oder Höhen der Hüllkurve des mechanischen Amplitudenverlaufs während des Schweißprozesses erfasst wird und einer Auswertung unterzogen wird und die Auswertungsergebnisse zur optimierenden Steuerung der Schweißparameter des Prozesses und zur zerstörungsfreien fortlaufenden Gütekontrolle der Bondungen verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass instationäres Schwingungsverhalten, beispielsweise Quantität und Form der An-, Aus- und/oder Einschwingvorgänge bei dosierten Schallenergiesprüngen jeglicher Größe und Form, im Schweißprozess erfasst und zur Prozessführung ausgewertet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenform der Ultraschallschwingungen am Bondwerkzeug zum Zwecke der Überwachung auf Kurvenverzerrungen im Schweißprozess erfasst wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenform der Ultraschallschwingungen am Bondwerkzeug durch eine Echtzeit-Frequenzanalyse während des Schweißprozesses ausgewertet und daraus ein Gut/Schlecht-Signal abgeleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Auswerteergebnissen die Prozessparameter mechanische Schwingungsamplitude und/oder statischer Anpressdruck des Schwingkopfes und/oder Zeitdauer des Schweißprozesses gesteuert werden.