專利名稱：線圈高度測量裝置與方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于確定半導體制造工藝，如引線焊接(wirebonding)工藝中形成的線圈(wire loop)上各個點之間高度的裝置和方法。其具體但不局限于，用于確定包含焊接引線的線圈的最高點。
背景及現(xiàn)有技術引線焊接被用于微電子工業(yè)中作為制作電學半導體芯片與襯底(如引線框承載器(1eadframe carriers)與印刷電路或線路板)之間電氣互連的方法。引線通常由金，鋁和銅制成。引線互連工藝是自動化的，并且對于開發(fā)低成本、高成品率，又具有足夠滿足終端用戶需求的長期可靠性的工藝是重要的。
隨著后端半導體技術與工藝的提高，焊接引線的半徑與焊點(bond pitch)都變得越來越小，同時封裝密度也在增加。因此，需要更高的精確度和穩(wěn)定性來形成良好控制的線圈。這些線圈需要被檢查以確保它們在一定預先定義的參數(shù)以內(nèi)被正確的排列。通過進行高度測量，焊接機的穩(wěn)定性和可靠性可能被維持。為了進行檢查與測量，光學方法通常是比較可取的，因為它們是非破壞性的以及非侵入性(non-intrusive)的。
在現(xiàn)有技術中，多種方法被用來測量線圈的高度。一個例子是美國專利號4,942,618，其名稱為“確定引線或類似物品形狀的方法與裝置”。這種方法使用多個共軸CCD相機，其焦平面(focal planes)位置彼此不同以觀察線圈。線圈通過CCD相機被觀察，并且通過多個相機收集到的引線圖像被處理以確定圖像的對比度與尺寸，同時其結果被用來確定引線的形貌。但是，這樣的裝置體積龐大并且難于控制。不僅如此，更多的相機必須被用來提高測量分辨率與精確度。
另一個例子是美國專利號5,576,828，其名稱為“焊接引線檢測方法”。在該資料公布的信息中，焊接在半導體芯片和引線框之間的引線的高度通過使用來自安裝在一個低角度照明器件上沿圓周排列的LED的照明來確定。照明的角度被設置在一定的范圍內(nèi)，并且光學器件的景深(focal depth)被設置成比較淺(shallow)。位于該光學系統(tǒng)的焦點處的引線的中央部分會出現(xiàn)一個暗區(qū)。光學器件被上下移動以獲得暗區(qū)的聚焦圖像，從而可以確定相對于光學系統(tǒng)高度而言引線的高度。這種裝置的問題是成像系統(tǒng)較為龐大。因此，抬升與降低質(zhì)量相對較大的光學系統(tǒng)的需求導致了整體移動速度的下降。
還有一個關于用于測量線圈高度的光學系統(tǒng)使用的例子在美國專利號5,583,641中被公開。引線高度和引線寬度之間的相互關系通過調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)的聚焦程度來勘測。檢測標準基于一個上限標準和一個下限標準被設置。這些標準將作為對應于將要被檢測引線的可接受高度的參考標準。引線的圖像寬度與上下限標準對比以確定引線的高度是否位于可接受的范圍之內(nèi)。該系統(tǒng)的問題同樣是光學系統(tǒng)或其一部分必須上下移動以測量引線上的不同點，并且這樣一個相對較大質(zhì)量的移動降低了裝置的速度。圖像系統(tǒng)也是笨重的，而且光學設計也相對較為復雜。
發(fā)明概要因此，本發(fā)明的目的在于提供一種改進的裝置和方法以用來精確測量線圈上某點的高度，并且避免前述現(xiàn)有技術存在的一些缺點。如此，線圈一部分的高度或形貌可使用本發(fā)明來獲得。
本發(fā)明一方面提供一種確定線圈上某點的高度的方法，其包含有以下步驟在線圈上該點的上方設置高度規(guī)器件(height gaugedevice)；從高度規(guī)器件投射入射光以照明該點；使用高度規(guī)器件接收由入射光產(chǎn)生的反射光；以及根據(jù)反射光的特性確定所述點相對于參考面的高度。
本發(fā)明另一方面在于提供一種用于確定線圈上某點高度的裝置，其包含有高度規(guī)器件，其設置于線圈上該點上方，用于投射入射光以照明該點以及接收由入射光產(chǎn)生的反射光；以及處理器，其和該高度規(guī)器件相耦接，用于根據(jù)反射光的特性確定所述點相對于參考面的高度。
參閱后附的描述本發(fā)明實施例的附圖，隨后來詳細描述本發(fā)明是很方便的。附圖和相關的描述不能理解成是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明的特點限定在權利要求書中。


根據(jù)本發(fā)明所述的方法和裝置的實施例將參考附圖加以描述，其中圖1所示為裝配了疊層晶片的襯底部分以及在圖示的襯底與晶片之間制作的雙層彎曲引線的等比例視圖；圖2所示為一種使用三角形型傳感器確定物體高度的方法的側(cè)視示意圖；圖3所示為另一種使用共焦型傳感器確定物體高度的方法的側(cè)視示意圖；圖4a所示為根據(jù)本發(fā)明第一較佳實施例，從照明光源系統(tǒng)投射的光被晶片和襯底之間形成的線圈反射情形的側(cè)視圖；圖4b所示為晶片和襯底之間形成的線圈以及指示線圈最高點位置的線圈上亮點的正視圖；圖5所示為根據(jù)本發(fā)明的另一個較佳實施例，為確定多個線圈中選定部分形貌而得到的掃描路徑的正視圖；圖6所示為根據(jù)圖5所示較佳實施例，一系列相鄰線圈的正視圖以及線圈上與示例掃描路徑相交的各點高度的圖示；圖7所示為在沿著線圈選定部分不同點得到的線圈高度的圖示，以及如何可能從數(shù)學上估計線圈最高點的示意圖；圖8所示為用于耦合高度規(guī)器件的耦合支架的正視圖，根據(jù)本發(fā)明實施例，該耦合支架將本發(fā)明原理應用到引線焊接機構；
圖9所示為圖8中耦合支架和高度規(guī)器件的側(cè)視圖；圖10所示為圖8中耦合支架上標注為“B”的部分的放大圖；圖11所示為圖8中高度規(guī)器件沿分隔線A-A的截面圖。
具體實施例方式
圖1所示為其上裝配有疊層晶片12，14的襯底10部分的立體視圖。晶片12，14和襯底10之間制作的雙層彎曲引線焊接16也在圖中表示了。存在與可能感興趣物體相關的多個參考高度，如襯底10的基座上的基面，襯底10頂面的襯底高度，第一晶片12頂面的高度，第二晶片14頂面的高度，以及線圈16上多個點的高度。線圈16有獨特的形貌18，并且在引線焊接工藝中人們會特別關注引線最高點，因為其允許用戶判斷線圈在進行進一步處理之前是否被正確的形成了。在本發(fā)明的較佳實施例中，重點是確定線圈16的形貌18特別是最高點的位置和/或高度。
圖2所示為使用三角形型傳感器確定物體高度方法的側(cè)視示意圖。照明光源20，如帶有光學系統(tǒng)的激光二極管，發(fā)射一束較細的入射光以在參考物體表面22上形成一個光點。光點的反射或散射光被成像系統(tǒng)26聚焦，同時其位置被可能是位置敏感器件(position sensitivedevice，PSD)28或傳感器形式的接收器接收和記錄下來。需要說明的是，此處使用的術語“反射”包括光的散射或其他非正常反射。與接收器相連的處理器評測接收光的特性，在本例中該特性是反射光接收處的位置變化，因為探測器上的光點位置隨著測量高度的變化而變化。如果測量表面24處于參考物體表面22上方Δ高度處，光點的反射(在圖2中用點劃線表示)發(fā)生變化，并且光點在PSD 28上的圖像也變化了δ。由于Δ和δ之間的關系是可以從系統(tǒng)參數(shù)、結構和/或校準中預先得到的，因此高度值Δ能夠被確定。
圖3所示為另一種使用共焦(confocal)型傳感器來確定物體高度方法的側(cè)視示意圖。諸如被光源小孔31限制的點光源30的照明光源被使用，并且其發(fā)出的光線被聚焦棱鏡36聚焦到參考面或深度32上的一個光點。該光點從參考面或深度32上的物體上被反射或散射，同時反射光通過分束器(beam splitter)40向如點探測器38或傳感器之類的接收器進一步偏斜。針孔37位于點探測器38的前方。針孔31，37和針孔31的像點最好是相互共軛(conjugated)的。當光從參考深度32處被反射時，參考深度32處大部分的能量被安排通過針孔37并且最大光強在點探測器38處被接收。
如果由于測量物體34的存在產(chǎn)生的物體深度變化導致了失焦(defocus)-不管是負失焦還是正失焦-光線的反射和偏斜點變得比針孔37大。僅僅只有反射光的一部分能夠通過針孔37。與接收器相連的處理器對接收光的強度進行評測。由于物體深度和點探測器38接收到的光強之間的關系是已知的，或者通過系統(tǒng)參數(shù)和校準是可確定的，因此能夠獲得測量物體34的高度。
在普通方法中，如震動器件之類的移動結構被貼裝到共焦光學系統(tǒng)上以調(diào)節(jié)點探測器38接收到的光的強度。使用這種結構可以使得物體的反射率不影響測量結果。在另外一種方法中，物體的反射率和高度規(guī)器件(height gauge device)能夠被預先校準以便能夠隨著接收光強度的連續(xù)測量而獲得物體的高度。
圖2和圖3是在本發(fā)明的較佳實施例中物體上某點的高度如何能夠被測量的例子，而不應該理解為限定。其他可能的高度或深度測量方法也是可取的。同時可以理解的是，上述的光線包括可見和不可見光。
圖4a所示為根據(jù)本發(fā)明第一較佳實施例，從照明光源系統(tǒng)(未顯示)投射出的照明光線42被晶片12和襯底10之間的線圈16反射情形的側(cè)視圖。線圈16由引線焊接器件通過引線焊接工藝的方式形成。通過使用該第一較佳實施例，線圈16上的最高點位置基于反射光的特性被大致確定下來，其后，線圈16上貼近最高點處某點的高度通過使用高度規(guī)器件被確定。
照明光42從照明光源系統(tǒng)被投射以照明線圈16的預定部分。照明器件可能是輔助共軸照明或高角度側(cè)向照明以照亮焊接后的引線。其中該預定部分為根據(jù)引線焊接機的焊接特性，線圈16可能被放置的一最高點部分?；蛘?，線圈16也可能被絕大部分地照明。因為焊接引線16主要由金屬材料制成，如金，鋁或銅，引線16通常是可反射光的。因此照明光42從引線16的表面向各個方向被反射，其取決于線圈16的形貌。
反射光44的反射角通常等于投射到線圈16上的照明光42的入射角。當照明光42大部分垂直的照到線圈16的表面時，反射光44將被導向到成像系統(tǒng)26和如相機之類的光接收器28。通過使用光接收器28，線圈最高點的位置能夠基于反射光的特性被大致確定。依照典型線圈16的普通環(huán)形形貌，線圈上完全水平區(qū)域(例如垂直于照明器件發(fā)出的照明光的入射角的地方)的一個或多個點如圖4a所示被照明，從而在線圈16的該區(qū)域上形成了光接收器28探測到的最亮的點。所以，在本實施例中，人們感興趣的反射光特性是線圈16上的最亮點。
圖4b所示為晶片12和襯底10之間形成的線圈16a-c以及線圈16a-c上指示其最高點位置的亮點區(qū)域的正視圖。這些是線圈16a-c各自具有水平形貌的位置，藉此線圈16a-c的最高點能夠被大致確定。
線圈16a-c各自最高點處的貼近點高度能夠通過在亮點46a-c的上方放置高度規(guī)器件以檢測線圈16a-c在該位置處點的高度來確定。從高度規(guī)器件投射出入射光以照明該測量點，同時由該高度規(guī)器件接收反射光。從反射光的特性信息，如從參考位置的偏離或接受到的反射光亮度，可以計算出該點相對于參考面的高度。為了得到更好的精度，高度規(guī)器件可能在該位置寬度上被移動以確定在前述位置內(nèi)多個點的高度，從而找到引線最高點的高度。
圖5所示為根據(jù)本發(fā)明的另一個較佳實施例，用于確定多個線圈16的選定部分形貌的掃描路徑的平面圖。使用該第二實施例，線圈16上多個點的高度通過相對于高度規(guī)器件移動線圈16來被確定?；诙鄠€點的高度，線圈16上最高點的高度能夠被估計?；蛘?，如果得到了從多個高度值估計到的最高點位置，可以移動高度規(guī)器件到該位置以直接精確測量該點的高度。
疊層晶片12，14被裝配到襯底10上面。線圈16在底層晶片12和襯底10之間形成。一個合適的高度規(guī)器件，如使用圖2和圖3所述測量原理的器件，被設置到晶片12，14和襯底10上方的位置A。
然后，襯底10一方面和晶片12，14之間另一方面和高度規(guī)之間的沿如圖5中點劃線所示的掃描路徑50的相對移動被初始化。最好是高度規(guī)器件被移動。掃描路徑50如此安排以致從高度規(guī)器件投射出的入射光與每個線圈16的一段在多個點相交。產(chǎn)生相對移動的一個辦法是將高度規(guī)器件耦合到定位器件中，其可能是XY臺(未示出)的形式。如果這樣的話，襯底10可能保持在完全靜止的位置，而XY臺相對于襯底10移動高度規(guī)器件。掃描路徑以螺旋形式開始于點A并終止于點Z?；蛘撸鶕?jù)不同的應用，掃描路徑可能包含一系列閉合路徑而不是螺旋形式路徑。沿掃描路徑50的各點的高度以預先設定的方案被獲得以確定沿路徑50的每個點的高度，特別是路徑50與線圈16相交地那些點。
圖6所示為一系列相鄰線圈16的正視圖以及線圈16與使用圖5所示較佳實施例的示例掃描路徑50a相交的點對應的高度圖示。該圖給出了一系列沿掃描路徑50a對應于線圈位置的峰。在每個峰處線圈16的高度通過高度測量裝置被確定，并且可能被系統(tǒng)的存儲器件記錄下來。同樣的程序被使用于另一條掃描路徑50b等。結合獲得的所有不同數(shù)值，系統(tǒng)能夠計算和記錄每個線圈沿每條掃描路徑50a，50b等等的高度，并且每個線圈部分的形貌18也能夠被獲得。
圖7所示為掃描路徑與線圈16沿線圈選定部分相交的線圈16部分在不同點x1-x4獲得的線圈16的高度h1-h4的圖示，并且僅僅通過示例所述的方式，給出了如何基于在不同點上獲得的線圈16的高度從數(shù)學上估計線圈16的最高點。
第一種方法涉及到外推法(extrapolation)。在點h1×1和h2×2以及h3×3和h4×4之間畫直線。最高點近似位于兩條直線的交點處，如圖7中所示。交點處的高度值能夠通過線性方程獲得。
第二種方法涉及公式曲線擬合方法，其將取決于引線焊接機的線圈構成設置以及工藝。
另一個可取的特點是具有能夠?qū)崿F(xiàn)高度規(guī)器件或其組件沿z軸移動以便改變高度規(guī)器件高度從而擴大其測量范圍的機理。這個特點在測量線圈的不同層時是有用的。線圈16一個具有不同常規(guī)高度層的例子顯示在圖1中。其機理可能是移動高度規(guī)器件的光學模塊的組件，或者整個高度規(guī)器件。
圖8所示為根據(jù)本發(fā)明的較佳實施例，在引線焊接機構(未給出)中利用本發(fā)明原理的用于耦合高度規(guī)器件64的耦合支架(couplingbracket)60的正視圖。高度規(guī)器件64可能包括，并非限制，如圖2中演示的三角形型傳感器，或如圖3中演示的共焦型傳感器。耦合支架60被裝配到同樣用于定位引線焊接機焊接頭的XY臺上可能是比較可取的，這樣可以使得高度規(guī)器件64能夠與貼裝到焊接頭上的引線焊接工具一起移動，例如用于鍵合引線超聲焊接的超聲波換能器(ultrasonic transducer)。在圖8中，耦合支架60的一端包括引線焊接光學模塊62，其通常用于監(jiān)視引線焊接工藝。耦合支架60的另一端包括CCD相機67以獲取從引線焊接光學模塊62傳過來的圖像。高度規(guī)器件64最好被裝配在于引線焊接光學模塊62相鄰的位置。
圖9所示為圖8中耦合支架60和高度規(guī)器件64的側(cè)視圖。通過移動耦合支架60，高度規(guī)器件64被定位在包括已焊接引線68的半導體器件66的上方，從而可以測量已焊接引線68上一個或多個點的高度。根據(jù)上述本發(fā)明的第一較佳實施例，被裝配在耦合支架60的下表面的共軸環(huán)光源65形式的照明光源系統(tǒng)可能被用于產(chǎn)生焊接引線68上的照明光。其后，根據(jù)第一較佳實施例，CCD相機和該引線焊接光學模塊62一起使用以估計焊接引線68的最高點的大概位置。
圖10所示為圖8中耦合支架上標記為“B”的部分的放大圖。引線焊接光學模塊62以及高度規(guī)器件64相對于耦合支架60的朝向平面圖也在圖中給出了。
圖11是圖8中高度規(guī)器件64沿分隔線A-A的截面圖。高度規(guī)器件64通過裝配支架70被裝配到耦合支架60上?？砂醒b配孔72以將裝配支架70螺固到耦合支架60上。
高度規(guī)器件64被設計成在z軸上相對于耦合支架60垂直移動。在本發(fā)明的特定情況下，上下兩個方向上2mm的移動范圍就足夠了。高度規(guī)器件64被耦合到激勵器(actuator)上以產(chǎn)生該垂直移動是較為可取的。激勵器可能包括設置在永磁鐵76之間的音圈(voice coil)74的線形馬達，永磁鐵76位于音圈74的側(cè)面從而能夠通過控制音圈74流過的電流使得音圈74產(chǎn)生相對于永磁鐵76的垂直運動。
電路板78被放置在高度規(guī)器件64的頂部，以產(chǎn)生和接收來自器件64的部件中電信號。其包括用于處理電信號的處理器件。包括激光二極管80的光源被耦接到電路板78中，以投射入射光。從激光二極管80發(fā)出的入射光84通過光學部件，如聚焦入射光84到半導體器件66的焊接引線68上的校準和聚焦棱鏡82。入射光84在焊接引線68上的某點被反射從而產(chǎn)生通過成像光學部件中的成像棱鏡88的反射光86。被耦接到電路板78上的位置敏感器件90被設計用于接收通過成像棱鏡88的反射光。通過反射光86相對于參考位置的位置傳感，入射光84達到焊接引線68上的點的高度被確定下來。從設備的設置可以清楚的看到，這種實現(xiàn)方法利用了圖2所示的確定焊接引線68上點的高度的三角形方法。
此處描述的本發(fā)明在所具體描述的內(nèi)容基礎上很容易產(chǎn)生變化、修正和/或補充，可以理解的是所有這些變化、修正和/或補充都包括在本發(fā)明的上述描述的精神和范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種用于確定線圈上某點高度的方法，其包含有以下步驟在線圈上該點的上方定位高度規(guī)器件；從高度規(guī)器件投射入射光以照明該點；使用高度規(guī)器件接收由入射光產(chǎn)生的反射光；以及從反射光的特性確定所述點相對于參考面的高度。
2.如權利要求1所述的方法，其中該高度規(guī)器件包含三角形型傳感器。
3.如權利要求1所述的方法，其中該高度規(guī)器件包含共焦型傳感器。
4.如權利要求1所述的方法，其在形成線圈后包含如下步驟將照明光投射到線圈的預定部分并基于從最高點位置反射的光線特性大致確定線圈上的該位置，然后將高度規(guī)器件定位在該位置的上方，以確定該位置內(nèi)點的高度。
5.如權利要求4所述的方法，其中該位置的照明光入射角完全垂直于線圈在該位置的形貌。
6.如權利要求4所述的方法，其包括有確定該位置內(nèi)多個點的高度。
7.如權利要求1所述的方法，其包括有相對于線圈移動高度規(guī)器件以確定線圈上多個點的高度。
8.如權利要求7所述的方法，其中該高度規(guī)相對于線圈移動，而線圈是保持完全靜止的。
9.如權利要求7所述的方法，其包括有沿掃描路徑相對于線圈移動高度規(guī)器件，這樣，從高度規(guī)器件投射的入射光和線圈的一段長度相交。
10.如權利要求9所述的方法，其中該掃描路徑和多個線圈的多段長度相交。
11.如權利要求9所述的方法，其中掃描路徑在多個位置和線圈的一段長度相交。
12.如權利要求11所述的方法，其包括記錄掃描路徑與線圈相交的每個位置處線圈上的點的高度。
13.如權利要求12所述的方法，其包括如下的步驟基于記錄的掃描路徑與線圈相交的多個位置處的線圈高度值，來估計線圈最高點處貼近點的高度。
14.如權利要求12所述的方法，其包括如下的步驟基于記錄的掃描路徑與線圈相交的多個位置處的線圈高度值，來估計線圈最高點的位置。
15.如權利要求1所述的方法，其包括如下的步驟改變高度規(guī)器件的高度以確定另一個線圈上某點的高度。
16.一種用于確定線圈上某點高度的裝置，其包含有高度規(guī)器件，其設置于線圈上該點上方，用于投射入射光以照明該點以及接收由入射光產(chǎn)生的反射光；以及處理器，其和該高度規(guī)器件相耦接，用于從反射光的特性確定所述點相對于參考面的高度。
17.如權利要求16所述的裝置，其中該高度規(guī)器件包含三角形型傳感器。
18.如權利要求16所述的裝置，其中該高度規(guī)器件包含共焦型傳感器。
19.如權利要求16所述的裝置，其包含有用于將照明光線投射到線圈的預定區(qū)域的照明光源系統(tǒng)以及用于接收從所述區(qū)域反射來的光的光接收器，以基于反射光特性大致確定線圈上最高點的位置。
20.如權利要求19所述的裝置，其中該照明光源系統(tǒng)被配置成投射到該位置的照明光的入射角與該位置處的線圈形貌完全垂直。
21.如權利要求16所述的裝置，其包含有定位器件，該定位器件被配置成相對于線圈移動高度規(guī)器件以確定線圈上多個點的高度。
22.如權利要求21所述的裝置，其中該高度規(guī)被耦接到定位器件中以進行移動，而線圈保持完全靜止。
23.如權利要求21所述的裝置，其包含有掃描路徑，該掃描路徑包括高度規(guī)器件和線圈之間的相對移動路徑，這樣，從高度規(guī)投射的入射光和線圈的一段長度相交。
24.如權利要求23所述的裝置，其中該掃描路徑和多個線圈的多段長度相交。
25.如權利要求23所述的裝置，其中該掃描路徑在多個位置和線圈的的一段長度相交。
26.如權利要求25所述的裝置，其包含存儲器件，該存儲器件用于記錄掃描路徑與線圈的每一個交點處線圈上的點的高度值。
27.如權利要求26所述的裝置，其包含有處理器件，該處理器件基于記錄的掃描路徑與線圈相交的多個位置的線圈高度值，來估計線圈最高點處貼近點的高度。
28.如權利要求16所述的裝置，其包含有激勵器，該激勵器被耦接到高度規(guī)器件中以改變高度規(guī)器件相對于線圈的高度。
29.如權利要求28所述的裝置，其中該馬達是線性馬達，其包含位于永磁鐵之間并沿其移動的音圈。
30.如權利要求16所述的裝置，其中該高度規(guī)器件被放置在相鄰于引線焊接光學模塊的位置。
31.如權利要求16所述的裝置，其中該高度規(guī)器件包含激光二極管，以用于投射入射光到該點上。
32.如權利要求16所述的裝置，其包含有耦接到高度規(guī)器件的位置敏感器件，以用于接收由入射光產(chǎn)生的反射光。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于確定線圈上某點高度的方法與裝置。高度規(guī)器件被放置在將被測量線圈上某點的上方。入射光從高度規(guī)器件中被投射以照明該點。高度規(guī)器件接收由入射光產(chǎn)生的反射光，同時被耦接到高度規(guī)器件中的處理器根據(jù)反射光的特性確定上述點相對于參考面的高度。本發(fā)明還提供了進一步用于尋找線圈上最高點位置和高度的方法及裝置。
文檔編號G01B11/02GK1612313SQ20041008871
公開日2005年5月4日 申請日期2004年11月1日 優(yōu)先權日2003年10月31日
發(fā)明者程曉輝, 梁永康 申請人:先進自動器材有限公司