專利名稱:用于引線接合的低型面毛細管的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及引線接合,尤其涉及在引線接合裝置中用于輸送引線的毛細管。
背景技術:
在電子工業(yè)中,導電金屬引線被用在各種器件、諸如半導體器件中,從而將器件上的觸點連接到其他觸點上。盡管根據用途,有時也用銅和銀,但引線接合最常用的材料是金和鋁。將一段引線連結在兩個觸點之間即形成引線接合。為了形成連結,各種設備被用于切斷并將引線端部接合(例如熔接)到觸點上。用于切斷并熔化引線的一些最常見的設備是熱壓縮(T/C)、熱聲波(T/S)或超聲波(U/S)設備。引線通常被形成大體拋物線形或橢圓形,因此被稱為引線“環(huán)”。
兩種眾所周知的將引線接合到電子器件觸點上的技術是球形接合和楔形接合。球形接合一般是首選的技術,特別是在半導體工業(yè)中,超過90%的半導體器件都用球形接合制造。
球形接合裝置包括接合頭,接合頭具有引線接合工具,例如毛細管。毛細管為細長的管狀結構并有軸向通道,一段引線被穿過該通道,以通過該接合裝置進行接合。球形接合裝置通常還包括電子點火(EFO)條,當燃燒時,點火條提供火花,以熔化從毛細管伸出的引線的端部。當引線的熔化端部固化時,表面張力使該端部形成大體上球形。由EFO條形成的引線球形部分被稱為“自由空間球”(free-air ball)。自由空間球借助球在觸點上的塑性變形被接合到半導體器件或基片的一個觸點上。
參照圖1,顯示了常規(guī)的毛細管10。毛細管10包括細長的管體12,管體12有大體上圓柱形部分14和圓錐形部分16。如圖所示,毛細管10限定了貫穿毛細管的軸向通道18,以便將被引線接合裝置接合的引線通過。軸向通道18大體上與毛細管10的中心線同心。毛細管10還包括從管體12的圓錐形部分16延伸并位于毛細管10末端的工作尖端20。毛細管10的工作尖端20適合例如在基片表面上通過觸點處的塑性變形和界面相互作用形成引線接合。已知的毛細管的工作尖端的構造可以改變。引線接合裝置的毛細管的工作尖端的構造的一個例子公開于美國專利No.6715658中。
如圖1所示,毛細管管體12的圓錐形部分16從工作尖端20開始以一定的角度擴展,所述角度有時被稱為毛細管10的錐角。毛細管管體12的圓柱形部分14與換能器(未示出)配合,該換能器靠近毛細管10的與工作尖端20相反的末端22。該換能器使毛細管管體12振動,從而將超聲能供應到毛細管10的工作尖端20處。換能器供應的超聲能促進了引線和現場接合位置處的觸點之間的上述的塑性變形和界面相互作用。如圖1所示,現有技術中的毛細管10的管體12的直徑從管體12的與換能器配合的末端到圓柱形部分14和圓錐形部分16之間的結合處、在圓柱形部分14基本保持恒定。
希望在引線端部形成的自由空間球的直徑與毛細管的中心線盡可能靠近地對齊。希望自由空間球和毛細管中心線之間同心,以確保引線接頭相對目標觸點精確定位。還希望EFO條與引線接合裝置的毛細管的中心線基本對齊。這種布置方式在由EFO條在引線端部形成的自由空間球和毛細管中心線之間提供了最大的同心可能。
但是,為了給毛細管的工作端提供接近基片表面上的觸點的途徑,通常在毛細管和EFO條之間設置有間隙。因此,EFO條不但不能與引線直徑同心對齊,相反還必須與相關毛細管的中心線相距一定的距離。結果,來自EFO條的火花沿著相對毛細管中心線傾斜的路徑被引向引線的末端。
發(fā)明內容
根據本發(fā)明的一個典型實施例,提供一種引線接合工具。該引線接合工具包括具有第一外徑的第一圓柱形部分和與第一圓柱形部分相鄰的第二圓柱形部分。第二圓柱形部分具有第二外徑,第二外徑小于第一外徑。該引線接合工具還包括與第二圓柱形部分相鄰的錐形部分。錐形部分在與第二圓柱形部分相鄰的端部具有第三外徑,第三外徑小于第一外徑。
根據本發(fā)明的另一個典型實施例,提供一種引線接合系統(tǒng)。該引線接合系統(tǒng)包括引線接合工具和構造成在引線接合工具的端部形成自由空間球的EFO條。該引線接合工具包括具有第一外徑的第一圓柱形部分和與第一圓柱形部分相鄰的第二圓柱形部分。第二圓柱形部分具有第二外徑,第二外徑小于第一外徑。該引線接合工具還包括與第二圓柱形部分相鄰的錐形部分。錐形部分在與第二圓柱形部分相鄰的端部具有第三外徑,第三外徑小于第一外徑。該引線接合系統(tǒng)可以包括本領域普通技術人員已知的其他各種部件(例如,超聲換能器、引線卷繞機構、接合平面、標定(indexing)系統(tǒng)等)。
為了解釋本發(fā)明,在各附圖中顯示了一種當前優(yōu)選的形式;但是不難理解,本發(fā)明并不局限于如圖所示的精確的布置和手段。在各附圖中圖1是側視圖,顯示了根據現有技術的引線接合裝置的毛細管;圖2是根據本發(fā)明的一個典型實施例的引線接合裝置的毛細管的側視圖;圖3是帶有插圖的曲線圖,顯示了根據本發(fā)明的一個典型實施例的火花角和自由空間球同心之間的關系;圖4A是在根據本發(fā)明的一個典型實施例的標定操作過程中引線接合系統(tǒng)的一部分的側視圖;圖4B是在根據本發(fā)明的一個典型實施例的點火操作過程中引線接合系統(tǒng)的一部分的側視圖;圖4C是在根據本發(fā)明的一個典型實施例的引線接合操作過程中引線接合系統(tǒng)的一部分的側視圖;以及圖4D是根據本發(fā)明的一個典型實施例的毛細管和電子點火條的詳細的側視圖。
具體實施例方式
根據本發(fā)明,提供了用于引線接合裝置的毛細管。該毛細管包括貫穿毛細管以讓引線通過的軸向通道。該軸向通道優(yōu)選大體上與毛細管10的中心線對齊。毛細管的某些外部尺寸減小,以便讓毛細管的中心線與電子點火設備(EFO)的條之間離得更近。EFO條與毛細管中心線之間的更近的間距允許火花角增加,從而造成在引線端部形成的自由空間球與毛細管中心線之間的不對稱性降低。
在某些典型的實施例中,本發(fā)明的毛細管包括圓錐形部分和與圓錐形部分相鄰的大體上圓柱形部分。毛細管的圓柱形部分包括第一和第二段,第二段從圓錐形部分延伸。大體上圓柱形部分的第二段的外徑相對第一段的外徑減小。
參照附圖,相似的附圖標記表示相似的元件,圖2顯示了用于引線接合裝置的根據本發(fā)明的毛細管24。如下面更詳細的說明,本發(fā)明的毛細管24允許電子點火(EFO)條以一定的火花角將火花引向由毛細管24攜帶的引線的末端,所述火花角可理想地降低由EFO條形成的自由空間球的不對稱性。由本發(fā)明提供的自由空間球的不對稱性降低增加了將引線接頭定位在毛細管24所瞄準的現場接合位置的精確性。
本發(fā)明的毛細管24包括管體26和工作尖端28,該工作尖端位于管體26的末端。工作尖端28的特定構造對本發(fā)明并不重要。毛細管24的工作尖端28的一種合適構造公開于美國專利No.6715658,該專利被整體并入此處以作參考。與現有技術的毛細管10相似,毛細管24包括軸向通道30,軸向通道30與毛細管24的中心線基本對齊地延伸。
毛細管包括錐形或圓錐形端部32和圓柱形部分34。圓柱形部分34包括第一36和第二段38。第一段36的直徑大于第二段38的直徑。第一段36的直徑和長度L3在尺寸上適合與常規(guī)的換能器(未示出)配合。由于換能器只安裝到毛細管的一部分上,因此只有這個部分可能有加厚的或更堅固的毛細管管壁結構。優(yōu)選的是,第一段36的長度L3介于約0.120英寸與約0.144英寸之間。
毛細管的其余部分的尺寸可以減小,從而允許EFO條被放得更靠近工作尖端。因此,如圖2所示,第二段38在它的整個長度L2上的直徑都小于第一段36的直徑。第二段38與圓錐形部分32和第一段36鄰接。圓柱形部分34的第二段38上的管體26的外徑優(yōu)選在第二段38始終基本恒定。影響圓柱形部分34的第二段38的最小外徑的一個重要因素是壁厚。如圖2所示,毛細管24的軸向通道30的直徑是變化的。通道30的直徑朝向工作尖端28方向減小,從而便于將引線插入軸向通道30并將引線引向工作尖端28的開口端。因此,毛細管24的圓柱形部分34的管壁厚在與第一段36結合處附近的第二段38最小,因為第二段38的外徑在長度L2上始終恒定。由換能器施加的超聲振動在毛細管24的管壁上產生的應力在與第一段36相鄰的第二段38相對薄壁部分處最大。為了使毛細管24足夠堅固,圓柱形部分34的第二段38上的最小壁厚優(yōu)選至少約為0.003英寸。
管體26的圓錐形部分32的一端鄰近工作尖端28,并且該圓錐形部分具有沿錐角α變寬的外表面。再來看圖1,并且把常規(guī)的毛細管設計方案與本發(fā)明的毛細管24相比,毛細管24的錐角α優(yōu)選與常規(guī)毛細管的錐角相同或略大于常規(guī)毛細管的錐角。毛細管24的優(yōu)選錐角約為20度。但是,如圖2的典型實施例所示的毛細管24的圓錐形部分32的長度L1明顯小于常規(guī)毛細管的圓錐形部分16的長度L’。如圖1所示,常規(guī)毛細管10的圓錐形部分16的長度L’約為毛細管10的總長度的一半。在本發(fā)明中,毛細管24的圓錐形部分32的長度L1較短。多種因素將決定長度L1和錐角α之間的最佳比例,包括毛細管的動力學性能、超聲系統(tǒng)的共振頻率和接合焊盤間距(bond pad pitch)。L1/α的比值不應該被減小到毛細管24的圓錐形部分32的構造會干擾相鄰接合引線的程度。
結果,與常規(guī)的毛細管相比,第二段38的減小直徑和圓錐形部分32的較短長度不僅允許EFO條放得更靠近工作尖端28,而且還減小了毛細管的總質量——雖然最低限度。
第二段38的外部尺寸的減小允許EFO條放得更靠近毛細管24的中心線,但又不對毛細管24在接合操作過程中在高位與低位之間的移動能力產生不利影響。與先前的實踐相比,通過將EFO條放得更靠近毛細管24的中心線,火花路徑角可以變成更接近理想對齊構造的角度。如上所述,對齊構造會使得由EFO條在引線端部形成的自由空間球的不對稱性最小。
作為一個非限制性的示例,假定換能器(未示出)接受上端直徑為0.0625英寸的毛細管。相應,毛細管24的圓柱形管體34的第一段36的直徑通常會為0.0625英寸。但是,圓柱形管體34的第二段38的直徑會減小,例如減小到0.0375英寸。因此,與圓柱形管體的直徑始終為0.0625英寸的現有技術毛細管相比,第二段38的直徑減小了0.025英寸。管體26的直徑減小0.025英寸意味著EFO條可以向毛細管24的中心線靠近0.125英寸。
假定火花角被定義為火花路徑相對水平方向的角(即90度的火花角將是垂直方向的火花路徑),與圓柱形部分直徑始終為0.0625英寸的現有技術的毛細管10有關的火花角約為40度。另一方面,先前段落中所述的本發(fā)明的典型實施例允許EFO條被放得更靠近毛細管24的中心線,因此火花角增加到約52度。
參照圖3,曲線圖顯示了火花角與在引線端部形成的自由空間球的不對稱性之間的關系。黑點代表測試數據點,其中,自由空間球是用變化的火花角形成的,并且測量出自由空間球與其上形成自由空間球的引線直徑之間的不對稱性。然后針對測試數據點運用曲線擬合計算方法計算出二階曲線。如圖所示,得到的二階方程式為y=0.0016x2-0.3244x+14.876 方程式1其中x=火花角(度),而y=球不對稱性(μm)。
根據所得到的曲線,火花角從約40度增加到約52度導致自由空間球不對稱性從約4.5微米減小到約2.4微米。這樣,由本發(fā)明減小的毛細管剖面提供的EFO條更近間距導致自由空間球不對稱性降低近50%。
圖3還包括與三個實際測試數據點有關的插圖,顯示了自由空間球與其上形成自由空間球的引線之間的不對稱性。如圖所示,不對稱性隨火花角的增大而降低,并且當火花角增加到約65度時,不對稱性幾乎消失。
圖4A顯示了相對接合表面400處于高位的引線接合工具410(例如毛細管410)。各種部件在圖中被省略,且為了清楚,所示元件的某些尺寸和位置被任意減小或增加。夾具402也被顯示在高位,例如正在進行標定操作時(例如基片被標定到接合表面400上的合適位置)。接合工具410包括第一圓柱形部分410a、第二圓柱形部分410b和圓錐形部分410c。接合工具410如圖所示與換能器408(通過第一圓柱形部分410a)配合在一起。還顯示了EFO條404,它包括EFO尖端406。通過使夾具402(和接合工具410)處于圖4A的高位,顯然在定位包括EFO尖端406在內的EFO條404時會受到位置限制。
圖4B顯示了相對接合表面400處于低位的夾具402。在這個位置,可實現EFO條404的“點火”,從而在穿過接合工具410的引線(圖4B中未示出)的端部形成自由空間球。
圖4C顯示了相對接合表面400上的器件處于低位以執(zhí)行引線接合操作的接合工具410。接合工具410穿過由夾具402限定的孔(該孔在圖4C中看不到)。在如圖所示的引線接合操作中,EFO尖端406被定位在與第二圓柱形部分410b相距一定距離的地方,其中,該距離小于第一圓柱形部分410a的外徑與第二圓柱形部分410b的外徑之間的差(在如圖所示的實施例中,該距離也小于第一圓柱形部分410a的半徑與第二圓柱形部分410b的半徑之間的差)。
如圖4C所示,顯然,與第二圓柱形部分410b的直徑和第一圓柱形部分410a的直徑相同的情況相比,EFO條404(包括EFO尖端406)更靠近接合工具410的中心線。這樣,在EFO條的“點火”過程中(例如,在圖4B所示的位置),EFO尖端更靠近接合工具410的中心線降低了所形成的自由空間球不對稱性。
圖4D是處于圖4B中所示的點火位置的火花角的詳圖。如上所述,火花角是火花路徑相對于水平方向的角。如圖4D清楚所示,隨著EFO條404(包括EFO尖端406)越來越靠近接合工具410的中心線,火花角會令人滿意地增加。這樣,如上所述,通過提供第二圓柱形部分410b的直徑比第一圓柱形部分410a的直徑小的接合工具410(圖4D中未示),火花角會令人滿意地增加。
盡管本發(fā)明主要就限定了沿著其長度具有恒定錐角的錐形通道的的引線接合工具進行了描述,但它并不局限于此。也可以考慮其他的通道構造,例如,與錐形通道結合的大體直線形的通道、錐角變化的錐形通道等。
本發(fā)明也可以用其他的特定形式來實現而不背離本發(fā)明的思想和基本屬性,因此,在說明本發(fā)明的范圍時,應該參照所附的權利要求書,而不是上述的說明書。
權利要求書(按照條約第19條的修改)1、一種引線接合工具,包括具有第一外徑的第一圓柱形部分;與第一圓柱形部分相鄰的第二圓柱形部分,第二圓柱形部分具有第二外徑,第二外徑小于第一外徑;和與第二圓柱形部分相鄰的錐形部分,錐形部分在與第二圓柱形部分相鄰的端部具有第三外徑,第三外徑小于第一外徑;其中,EFO條的尖端構造成在引線接合操作過程中位于第二圓柱形部分附近。
2、如權利要求1所述的引線接合工具,其特征在于,第二外徑大體上等于第三外徑。
3、如權利要求1所述的引線接合工具,其特征在于,所述引線接合工具限定了貫穿第一圓柱形部分、第二圓柱形部分和錐形部分的每一個的通道。
4、如權利要求3所述的引線接合工具,其特征在于,所述通道沿所述引線接合工具的中心線延伸。
5、如權利要求3所述的引線接合工具,其特征在于,所述通道是錐形的,使得通道的直徑從第一圓柱形部分到錐形部分減小。
6、如權利要求1所述的引線接合工具,其特征在于,所述錐形部分呈圓錐形。
8、如權利要求1所述的引線接合工具,其特征在于,第二外徑沿第二圓柱形部分的長度大體上恒定。
9、如權利要求1所述的引線接合工具,其特征在于,第一外徑約為0.0625英寸,第二外徑約為0.0375英寸。
10、一種引線接合系統(tǒng),包括引線接合工具;以及構造成在引線接合工具的端部形成自由空間球的的EFO條;所述引線接合工具包括(a)具有第一外徑的第一圓柱形部分;(b)與第一圓柱形部分相鄰的第二圓柱形部分,第二圓柱形部分具有第二外徑,第二外徑小于第一外徑;和(c)與第二圓柱形部分相鄰的錐形部分,錐形部分在與第二圓柱形部分相鄰的端部具有第三外徑,第三外徑小于第一外徑;其中,EFO條的尖端構造成在引線接合操作過程中位于第二圓柱形部分附近。
11、如權利要求10所述的引線接合系統(tǒng),其特征在于,第二外徑大體上等于第三外徑。
12、如權利要求10所述的引線接合系統(tǒng),其特征在于,所述引線接合工具限定了貫穿第一圓柱形部分、第二圓柱形部分和錐形部分的每一個的通道。
13、如權利要求12所述的引線接合系統(tǒng),其特征在于,所述通道沿所述引線接合工具的中心線延伸。
14、如權利要求12所述的引線接合系統(tǒng),其特征在于,所述通道是錐形的,使得通道的直徑從第一圓柱形部分到錐形部分減小。
15、如權利要求10所述的引線接合系統(tǒng),其特征在于,所述錐形部分呈圓錐形。
17、如權利要求10所述的引線接合系統(tǒng),其特征在于,第二外徑沿第二圓柱形部分的長度大體上恒定。
18、如權利要求10所述的引線接合系統(tǒng),其特征在于,第一外徑約為0.0625英寸,第二外徑約為0.0375英寸。
19、如權利要求10所述的引線接合系統(tǒng),其特征在于,在引線接合系統(tǒng)的引線接合操作過程中,EFO條的尖端位于與第二圓柱形部分相距一定距離處,該距離小于第一外徑與第二外徑之間的差。
20、如權利要求10所述的引線接合系統(tǒng),其特征在于,在EFO條的點火操作過程中,EFO條的尖端的位置相對水平面限定了大于40度的火花角。
權利要求
1.一種引線接合工具,包括具有第一外徑的第一圓柱形部分;與第一圓柱形部分相鄰的第二圓柱形部分,第二圓柱形部分具有第二外徑,第二外徑小于第一外徑;和與第二圓柱形部分相鄰的錐形部分,錐形部分在與第二圓柱形部分相鄰的端部具有第三外徑,第三外徑小于第一外徑。
2.如權利要求1所述的引線接合工具,其特征在于,第二外徑大體上等于第三外徑。
3.如權利要求1所述的引線接合工具,其特征在于,所述引線接合工具限定了貫穿第一圓柱形部分、第二圓柱形部分和錐形部分的每一個的通道。
4.如權利要求3所述的引線接合工具,其特征在于,所述通道沿所述引線接合工具的中心線延伸。
5.如權利要求3所述的引線接合工具,其特征在于,所述通道是錐形的,使得通道的直徑從第一圓柱形部分到錐形部分減小。
6.如權利要求1所述的引線接合工具,其特征在于,所述錐形部分呈圓錐形。
7.如權利要求1所述的引線接合工具,其特征在于,EFO條的尖端構造成在引線接合操作過程中位于第二圓柱形部分附近。
8.如權利要求1所述的引線接合工具,其特征在于,第二外徑沿第二圓柱形部分的長度大體上恒定。
9.如權利要求1所述的引線接合工具,其特征在于,第一外徑約為0.0625英寸,第二外徑約為0.0375英寸。
10.一種引線接合系統(tǒng),包括引線接合工具;以及構造成在引線接合工具的端部形成自由空間球的的EFO條;所述引線接合工具包括(a)具有第一外徑的第一圓柱形部分;(b)與第一圓柱形部分相鄰的第二圓柱形部分,第二圓柱形部分具有第二外徑,第二外徑小于第一外徑;和(c)與第二圓柱形部分相鄰的錐形部分,錐形部分在與第二圓柱形部分相鄰的端部具有第三外徑,第三外徑小于第一外徑。
11.如權利要求10所述的引線接合系統(tǒng),其特征在于,第二外徑大體上等于第三外徑。
12.如權利要求10所述的引線接合系統(tǒng),其特征在于,所述引線接合工具限定了貫穿第一圓柱形部分、第二圓柱形部分和錐形部分的每一個的通道。
13.如權利要求12所述的引線接合系統(tǒng),其特征在于,所述通道沿所述引線接合工具的中心線延伸。
14.如權利要求12所述的引線接合系統(tǒng),其特征在于,所述通道是錐形的,使得通道的直徑從第一圓柱形部分到錐形部分減小。
15.如權利要求10所述的引線接合系統(tǒng),其特征在于,所述錐形部分呈圓錐形。
16.如權利要求10所述的引線接合系統(tǒng),其特征在于,EFO條的尖端構造成在引線接合操作過程中位于第二圓柱形部分附近。
17.如權利要求10所述的引線接合系統(tǒng),其特征在于,第二外徑沿第二圓柱形部分的長度大體上恒定。
18.如權利要求10所述的引線接合系統(tǒng),其特征在于,第一外徑約為0.0625英寸,第二外徑約為0.0375英寸。
19.如權利要求10所述的引線接合系統(tǒng),其特征在于,在引線接合系統(tǒng)的引線接合操作過程中,EFO條的尖端位于與第二圓柱形部分相距一定距離處,該距離小于第一外徑與第二外徑之間的差。
20.如權利要求10所述的引線接合系統(tǒng),其特征在于,在EFO條的點火操作過程中,EFO條的尖端的位置相對水平面限定了大于40度的火花角。
全文摘要
一種引線接合工具包括具有第一外徑的第一圓柱形部分和與第一圓柱形部分相鄰的第二圓柱形部分。第二圓柱形部分具有第二外徑,第二外徑小于第一外徑。該引線接合工具還包括與第二圓柱形部分相鄰的錐形部分。錐形部分在與第二圓柱形部分相鄰的端部具有第三外徑,第三外徑小于第一外徑。一種引線接合系統(tǒng)包括所述引線接合工具和電子點火(EFO)條。
文檔編號B23K1/19GK1972775SQ200580014386
公開日2007年5月30日 申請日期2005年5月6日 優(yōu)先權日2004年5月12日
發(fā)明者詹姆斯·E.·埃德, 喬恩·W.·布倫納 申請人:庫利克和索夫工業(yè)公司