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DE102019123148B4 - Hand-held or robot-operated bonding point test device and bonding point test method performed therewith - Google Patents

Hand-held or robot-operated bonding point test device and bonding point test method performed therewith Download PDF

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DE102019123148B4
DE102019123148B4 DE102019123148.5A DE102019123148A DE102019123148B4 DE 102019123148 B4 DE102019123148 B4 DE 102019123148B4 DE 102019123148 A DE102019123148 A DE 102019123148A DE 102019123148 B4 DE102019123148 B4 DE 102019123148B4
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bonding
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Johann Enthammer
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F&s Bondtec Semiconductor GmbH
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Abstract

Hand- oder robotergeführtes Bondstellen-Prüfgerät zum Prüfen von Bondverbindungen oder Lötverbindungen elektronischer Bauelemente, insbesondere von deren Ermüdungsfestigkeit und Langzeit-Zuverlässigkeit, welches aufweist:- einen Geräte-Grundkörper mit einem Handgriff oder Roboterhand-Kopplungselement,- einen Bondstellen-Prüfkopf, der ein mit einer vorbestimmten Beweglichkeit gehaltertes Bondstellen-Belastungselement, ausgebildet zum lösbaren Erfassen und klemmenden Festhalten eines Bond- oder Lötverbindungselementes an oder nahe einer Verbindungsstelle auf dem Bauelement aufweist,- Belastungselement-Antriebsmittel mit einem Schwingungserzeuger zur Beaufschlagung des Bondstellen-Belastungselementes mit einer mechanischen Schwingung mit vorbestimmter Frequenz oder vorbestimmtem Frequenzspektrum und vorbestimmter Schwingungsrichtung und/oder einer vorbestimmten Zugkraft,- eine Registrierungs- und Auswertungseinrichtung zur Registrierung und Auswertung eines mittels der mechanischen Schwingung und/oder Zugkraft ausgeführten Prüfvorganges sowie- eine Prüfgerätorientierungs-Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer räumlichen Orientierung des Prüfgerätes und/oder eine Prüfgerätebewegungs-Erfassungseinrichtung zur Erfassung von spontanen Bewegungen des Prüfgerätes, bei einem Prüfvorgang, die mit einem Eingang der Registrierungs- und Auswertungseinrichtung verbunden ist, wobei die Registrierungs- und Auswertungseinrichtung Mittel zur Verarbeitung eines Ausgangssignals der Prüfgerätorientierungs-Erfassungseinrichtung und/oder der Prüfgerätbewegungs-Erfassungseinrichtung bei der Auswertung des Prüfvorganges aufweist.Hand-held or robot-controlled bonding point test device for testing bond connections or solder connections of electronic components, in particular their fatigue strength and long-term reliability, which has: - a device base body with a handle or robot hand coupling element, - a bonding point test head which has a bonding point loading element held with a predetermined mobility, designed to releasably grasp and clamp a bonding or soldering connection element at or near a connection point on the component, - loading element drive means with a vibration generator for applying a mechanical vibration with a predetermined frequency or predetermined frequency spectrum and predetermined vibration direction and/or a predetermined tensile force to the bonding point loading element, - a registration and evaluation device for registering and evaluating a test process carried out by means of the mechanical vibration and/or tensile force, and - a test device orientation detection device for detecting a spatial orientation of the test device and/or a test device movement detection device for detecting spontaneous movements of the test device during a test process, which is connected to an input of the registration and evaluation device, wherein the registration and evaluation device has means for processing an output signal of the test device orientation detection device and/or the test device movement detection device when evaluating the test process.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bondstellen-Prüfgerät zum Prüfen von Bondverbindungen oder Lötverbindungen elektronischer Bauelemente, insbesondere von deren Ermüdungsfestigkeit und Langzeit-Zuverlässigkeit und ein mit diesem ausgeführtes Bondstellen-Prüfverfahren.The invention relates to a bonding point testing device for testing bond connections or solder connections of electronic components, in particular their fatigue strength and long-term reliability, and to a bonding point testing method carried out using this device.

Unter einer „Bondstelle“ wird hier allgemein eine mit irgendeinem Bondverfahren oder ähnlichen Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden (insbesondere auch einem Lötverfahren) geschaffene stoffschlüssige Verbindung zwischen einem Anschlusselement (insbesondere einem Leiterdraht) und einem Anschlussbereich auf einem elektronischen Bauelement oder auch einem elektrischen Bauteil verstanden. Ein besonders wichtiges Anwendungsgebiet ist die Prüfung von Drahtbondverbindungen.A "bond point" is generally understood here to mean a bonded connection between a connection element (in particular a conductor wire) and a connection area on an electronic component or an electrical part, created using any bonding process or similar process for material-locking connection (in particular a soldering process). A particularly important area of application is the testing of wire bond connections.

Bondverbindungen verschiedener Art werden massenhaft in einer unübersehbaren Vielzahl von elektronischen Geräten aller Art und auch zur Realisierung von Elektronik-Komponenten in vielen anderen Industriebereichen, etwa dem Maschinenbau, der Automobilindustrie und der Haushaltgeräteindustrie, eingesetzt.Bonding connections of various types are used en masse in an incalculable variety of electronic devices of all kinds and also for the realization of electronic components in many other industrial sectors, such as mechanical engineering, the automotive industry and the household appliance industry.

Eines der am weitesten entwickelten und verbreiteten Bondverfahren ist das Ultraschall-Drahtbonden („Wedge Bonding“), das im Grunde eine Mikro-Reibschweisstechnik darstellt. Hierbei wird - wie beispielsweise in der US 4 619 397 A beschrieben - ein Aluminiumdraht in Kontakt mit einer Substratfläche, mit der er stoffschlüssig zu verbinden ist, durch einen Ultraschallwandler einer schnellen Schwingung unterzogen und gleichzeitig auf die Oberfläche angedrückt. Unter der Einwirkung der Druckkraft (Bondkraft) und der Schwingungsenergie (Bondenergie) wird eine auf der Oberfläche befindliche Oxidschicht aufgebrochen und unter starker Verformung und lokaler Erwärmung eine stoffschlüssige Grenzschichtverbindung hergestellt.One of the most widely developed and widespread bonding processes is ultrasonic wire bonding (“wedge bonding”), which is basically a micro friction welding technique. Here, as in the US 4 619 397 A described - an aluminum wire in contact with a substrate surface to which it is to be bonded is subjected to rapid vibration by an ultrasonic transducer and simultaneously pressed onto the surface. Under the influence of the pressure force (bonding force) and the vibration energy (bonding energy), an oxide layer on the surface is broken up and a bonded boundary layer connection is created under strong deformation and local heating.

Ein anderes weit verbreitetes Bondverfahren ist das Ball Bonding, bei dem an einem Ende eines Bonddrahtes durch Aufschmelzen eine kugelähnliche Verdickung erzeugt und diese auf eine Substratfläche aufgedrückt wird, um mit deren Oberfläche eine stoffschlüssige Verbindung zu bilden. Ein nennenswertes weiteres Bondverfahren ist das sog. TAB (Tape-Automated Bonding), bei dem eine Folie mit aufmetallisierten Leiterbahnen effizient mit einer Vielzahl von nahe beieinander liegenden Bondflächen, etwa Bondpads auf einem Halbleiterchip, verbunden wird. Auch hier wird mittels eines Bondwerkzeuges unter Einwirkung einer Druckkraft und von Ultraschall-Schwingungsenergie eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Leitern und dem Substrat hergestellt - allerdings ohne Einsatz eines einzelnen Bonddrahtes.Another widely used bonding process is ball bonding, in which a ball-like thickening is created at one end of a bonding wire by melting and this is pressed onto a substrate surface in order to form a material-locking connection with its surface. Another noteworthy bonding process is so-called TAB (tape-automated bonding), in which a film with metallized conductor tracks is efficiently connected to a large number of bonding surfaces that are close to one another, such as bond pads on a semiconductor chip. Here, too, a material-locking connection is created between the conductors and the substrate using a bonding tool under the influence of a compressive force and ultrasonic vibration energy - but without using a single bonding wire.

Die genannten Verfahren werden üblicherweise mittels relativ voluminöser und schwerer Bondmaschinen (Draht- oder Ball-Bonder etc.) ausgeführt, in die sowohl die Substrate als auch der Bonddraht oder das Bond-Tape zugeführt werden und in denen der Bondvorgang unter Einwirkung einer vertikal ausgerichteten Druckkraft auf ein unterhalb des Bonddrahtes oder Bond-Tapes liegendes Bauteil ausgeführt wird. Entsprechende Bonder sind massenhaft im industriellen Einsatz und haben sich für zahlreiche Anwendungen gut bewährt.The processes mentioned are usually carried out using relatively bulky and heavy bonding machines (wire or ball bonders, etc.) into which both the substrates and the bonding wire or bonding tape are fed and in which the bonding process is carried out under the influence of a vertically aligned pressure force on a component lying beneath the bonding wire or bonding tape. Corresponding bonders are used in large quantities in industry and have proven themselves to be effective for numerous applications.

In letzter Zeit ist jedoch ein Bedarf an Bond-Lösungen erwachsen, die mit derartigen stationären Bondern mit durchgängig vertikal wirkendem Bondwerkzeug, unter denen das zu bondende Teil platziert ist, nicht mehr ohne weiteres zu realisieren sind. Daher wird in der DE 10 2019 118 249 A1 der Anmelderin ein neuartiges mobiles Bondgerät und eine entsprechende Bondanordnung vorgeschlagen.Recently, however, a need has arisen for bonding solutions that can no longer be easily implemented using stationary bonders with a continuous vertical bonding tool under which the part to be bonded is placed. EN 10 2019 118 249 A1 The applicant proposed a novel mobile bonding device and a corresponding bonding arrangement.

Qualität und Lebensdauer von elektronischen Komponenten / Halbleiterbauteilen hängen wesentlich von Qualität und Lebensdauer der Mikroverbindungen, wie Bondungen oder Lötungen zwischen einzelnen Werkstücken aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen ab. Von besonderer Bedeutung ist hier bei Lötverbindungen die Grenzverbindungsfläche zwischen dem Lot und dem Untergrund, an der Delamination und Rissbildung bis zur Abhebung des Lots erfolgen kann.The quality and service life of electronic components / semiconductor devices depend to a large extent on the quality and service life of the micro-connections, such as bonds or soldering between individual workpieces made of the same or different materials. Of particular importance in soldered connections is the interface between the solder and the substrate, where delamination and cracking can occur, leading to the solder lifting off.

In der Bondtechnik sind statische Pull- und Shear Tester bekannt, deren Aufgabe darin besteht, die Qualität der gelöteten Bonddrahtverbindungen in mikroelektronischen Bauteilen zu prüfen. Die Prüfung erfolgt durch einmaliges Anziehen am Verbindungsdraht mittels eines Hakens (Pull- oder Zugtest) oder durch Anstoßen am Verbindungsdraht mittels eines meißelförmigen Stifts (Querbelastung im Shear- oder Schertest). Es gibt nicht-destruktive Pull- und Shear Tests, bei denen eine vorbestimmte (mindestens oder durchschnittlich auszuhaltende) Zug- oder Scherkraft eingesetzt wird, und destruktive Pull- und Shear Tests, bei denen die Zug- oder Scherkraft bis zur Riss- oder Bruchbildung erhöht wird.In bonding technology, static pull and shear testers are known, whose task is to test the quality of the soldered bond wire connections in microelectronic components. The test is carried out by pulling on the connecting wire once using a hook (pull test) or by pushing on the connecting wire using a chisel-shaped pin (transverse load in the shear test). There are non-destructive pull and shear tests in which a predetermined (minimum or average tolerable) tensile or shear force is used, and destructive pull and shear tests in which the tensile or shear force is increased until a crack or break occurs.

Es sind auch statische Pull Tests bekannt, bei denen der Bonddraht mittels eines Greifers festgehalten wird und der Zug durch Bewegung der Plattform, auf der die Probe fixiert ist, ausgeführt wird.Static pull tests are also known in which the bonding wire is held by a gripper and the pull is carried out by moving the platform on which the sample is fixed.

Die Bestimmung der Ermüdungsfestigkeit und die Zuverlässigkeit einer Bond- oder Lötverbindung über die Lebensdauer wird über dynamische Tests ermittelt, in denen die zyklische Belastung der Verbindungdurch wiederholte mechanische und oder thermische Belastung nachvollzogen wird.The determination of the fatigue strength and the reliability of a bond or solder joint over its lifetime is determined by dynamic tests in which the cyclic loading of the Connection is subjected to repeated mechanical and/or thermal stress.

Für Ballbonds ist ein Schertest bekannt, bei dem ein meißelförmiger Stift als Testwerkzeug genutzt wird. Der Ballbond ist auf einem Probenhalter fixiert, der sich hin- und herbewegt, so dass der Stift eine Querbelastung auf den Ballbond ausüben kann. Ein Sensor dient dazu, einen Mindestabstand zwischen Stiftspitze und Probenhalter herzustellen, damit die Scherbelastung nur am Ballbond erfolgt und nicht den Probenhalter trifft; vgl. http://www.nordson.com/en/divisions/dage/test-types/fatigueA shear test is known for ball bonds, in which a chisel-shaped pin is used as a test tool. The ball bond is fixed to a sample holder that moves back and forth so that the pin can exert a transverse load on the ball bond. A sensor is used to create a minimum distance between the tip of the pin and the sample holder so that the shear load only occurs on the ball bond and does not hit the sample holder; see http://www.nordson.com/en/divisions/dage/test-types/fatigue

Für Leads in sog. Lead Frames ist ein Biegetest bekannt, bei dem der Lead Frame an einem Probenhalter fixiert ist. Unter vorgegebenem Biegewinkel wird auf den Lead wiederholte Zugbelastung ausgeübt. Dazu wird das Ende des Leads eingeklemmt und Lasten darauf aufgebracht; vgl. http://sixsigmaservices.com/othertestingservices.asp#LeadFatigueFor leads in so-called lead frames, a bending test is known in which the lead frame is fixed to a sample holder. Repeated tensile stress is applied to the lead at a specified bending angle. To do this, the end of the lead is clamped and loads are applied to it; see http://sixsigmaservices.com/othertestingservices.asp#LeadFatigue

Ein im Vergleich dazu wesentlich beschleunigtes Verfahren bietet die DE 10 2005 016 038 B3 . Die Testzeit wird von Wochen auf wenige Stunden reduziert: Die Schertests werden in einem Ultraschallsystem, das in Resonanz erregt wird und mit einer Frequenz von mehreren kHz schwingt, durchgeführt. Das Messprinzip beruht darauf, dass das schwingende System (Probenhalter oder auf den Probenhalter aufgeklebtes Werkstück) mit einem sehr viel kleineren Werkstück über eine Mikroverbindung verbunden wird. Durch Beschleunigung eines ausschließlich durch den Bond verbundenen Werkstücks gegen das andere, am Probenhalter fixierte Werkstück wird unter Ausnutzung der Massenträgheit des anderen Werkstücks eine Relativbewegung gegeneinander erzeugt. Die Mikroverbindung wird dadurch in Scherung bzw. in Scherung und Dehnung belastet. Das Prüfverfahren ist für die Prüfung von Loten geeignet, jedoch kann die Testung nicht für fertig konfigurierte mikroelektronische Bauteile erfolgen, sondern es müssen spezielle Testpräparate hergestellt werden.A much faster procedure is offered by the EN 10 2005 016 038 B3 The test time is reduced from weeks to a few hours: the shear tests are carried out in an ultrasonic system that is excited in resonance and oscillates at a frequency of several kHz. The measuring principle is based on the fact that the oscillating system (sample holder or workpiece glued to the sample holder) is connected to a much smaller workpiece via a micro-connection. By accelerating a workpiece that is only connected by the bond against the other workpiece that is fixed to the sample holder, a relative movement is generated against each other using the inertia of the other workpiece. The micro-connection is thus subjected to shear or shear and extension stress. The test method is suitable for testing solders, but the tests cannot be carried out on fully configured microelectronic components; special test preparations must be produced.

Nachteilig ist darüber hinaus, dass das Handling der Proben (Aufkleben des Testpräparats an ausgewählten Stellen des Probenhalters) zeitaufwendig ist und aufgrund der benötigten Präzision nur von Experten durchgeführt werden kann.Another disadvantage is that the handling of the samples (sticking the test preparation to selected locations on the sample holder) is time-consuming and can only be carried out by experts due to the precision required.

Mit der beschleunigten mechanischen Testung der Ermüdungsfestigkeit von Verbindungen in mikroelektronischen Bauteilen befassen sich die Publikationen G. Khatibi, W. Wroczewski, B. Weiss, T. Licht, A Fast Mechanical Test Technique for Lifetime Estimation of Micro-joints, Microelectronics Reliability 2008 (48) 1822-1830 sowie G Khatibi, M Lederer, B Weiss, T Licht, J Bernardi, H Danninger, Accelerated Mechanical Fatigue Testing and Lifetime of Interconnects in Microelectronics, Procedia Engineering, 2010 (2) 511-519 .The publications deal with accelerated mechanical testing of the fatigue strength of connections in microelectronic components G. Khatibi, W. Wroczewski, B. Weiss, T. Licht, A Fast Mechanical Test Technique for Lifetime Estimation of Micro-joints, Microelectronics Reliability 2008 (48) 1822-1830 as well as G Khatibi, M Lederer, B Weiss, T Licht, J Bernardi, H Danninger, Accelerated Mechanical Fatigue Testing and Lifetime of Interconnects in Microelectronics, Procedia Engineering, 2010 (2) 511-519 .

Prüfvorrichtungen und -verfahren für statische Pull- bzw. Shear-Tests sind beispielsweise beschrieben in DE 197 52 319 A1 , EP 0 772 036 A2 , US 4 453 414 A , US 2008 / 0 257 059 A1 , US 2013 / 0 186 207 A1 , US 7 753 711 B2 und JP H07- 130 797 A.Test devices and procedures for static pull or shear tests are described, for example, in DE 197 52 319 A1 , EP 0 772 036 A2 , US 4 453 414 A , US 2008 / 0 257 059 A1 , US 2013 / 0 186 207 A1 , US 7 753 711 B2 and JP H07-130 797 A.

Eine Prüfvorrichtung und ein Prüfverfahren zur dynamischen Prüfung von Drahtbondverbindungen ist Gegenstand der DE 10 2016 107 028 A1 . Diese Druckschrift offenbart ein Bondstellen-Prüfgerät zum Prüfen von Bondverbindungen oder Lötverbindungen elektronischer Bauelemente, insbesondere von deren Ermüdungsfestigkeit und Langzeit-Zuverlässigkeit, welches aufweist: einen Geräte-Grundkörper, einen Bondstellen-Prüfkopf, der ein mit einer vorbestimmten Beweglichkeit gehaltertes Bondstellen-Belastungselement zum lösbaren Erfassen und klemmenden Festhalten eines Bond- oder Lötverbindungselementes an oder nahe einer Verbindungsstelle auf dem Bauelement, Belastungselement-Antriebsmitteln zur Beaufschlagung des Bondstellen-Belastungselementes mit einer mechanischen Schwingung mit vorbestimmter Frequenz bzw. vorbestimmtem Frequenzspektrum und vorbestimmter Schwingungsrichtung und/oder einer vorbestimmten Zugkraft, eine Registrierungs- und Auswertungseinrichtung zur Registrierung und Auswertung eines mittels der mechanischen Schwingung und/oder Zugkraft ausgeführten Prüfvorganges.A test device and a test method for dynamic testing of wire bond connections is the subject of the EN 10 2016 107 028 A1 This publication discloses a bonding point testing device for testing bond connections or solder connections of electronic components, in particular their fatigue strength and long-term reliability, which has: a device base body, a bonding point test head which has a bonding point loading element held with a predetermined mobility for releasably grasping and clamping a bonding or soldering connection element at or near a connection point on the component, loading element drive means for subjecting the bonding point loading element to a mechanical vibration with a predetermined frequency or predetermined frequency spectrum and predetermined vibration direction and/or a predetermined tensile force, a recording and evaluation device for recording and evaluating a test process carried out by means of the mechanical vibration and/or tensile force.

Ein weiterer Typ eines Bondstellen-Prüfgerätes ist aus der DE 10 2009 001 157 B4 bekannt. Weiteren beachtlichen Stand der Technik bilden die DE 10 2014 019 382 A1 und die DE 10 2013 222 347 A1 .Another type of bonding tester is from the EN 10 2009 001 157 B4 Another notable state of the art is the EN 10 2014 019 382 A1 and the EN 10 2013 222 347 A1 .

Aus dem weiter oben erwähnten Bedarf an Bond-Lösungen, die sich mit herkömmlichen stationären Bondern nicht realisieren lassen, erwächst auch der Bedarf an von derartigen stationären Bondgeräten unabhängigen Lösungen zum Testen von Bondverbindungen und ähnlichen Anschlüssen elektronischer Bauelemente.The above-mentioned need for bonding solutions that cannot be implemented with conventional stationary bonders also gives rise to the need for solutions for testing bond connections and similar connections of electronic components that are independent of such stationary bonding devices.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe der Bereitstellung eines neuartigen Bondstellen-Prüfgerätes zugrunde, mit dem im aktuell erweiterten Einsatzbereich von Bondtechniken eine flexible und einfache Testung der geschaffenen Verbindungen möglich ist.The invention is therefore based on the object of providing a novel bonding point testing device with which a flexible and simple testing of the connections created is possible in the currently expanded field of application of bonding techniques.

Diese Aufgabe wird durch ein Bondstellen-Prüfgerät mit den Verfahren des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Des Weiteren wird ein entsprechendes neuartiges Testverfahren vorgeschlagen.This object is achieved by a bonding point test device with the method of claim 1. Appropriate developments of the inventive concept kens are the subject of the dependent claims. Furthermore, a corresponding novel test method is proposed.

Die Erfindung schließt den Gedanken ein, von der bisherigen Kopplung des Prüfens bzw. der Testung von Bondverbindungen an einen stationären Bonder abzugehen und eine relativ unabhängige Testgerät-Konfiguration vorzusehen. Sie schließt weiterhin den Gedanken ein, als solche Testgerät-Konfiguration eine solche vorzuschlagen, die nicht notwendigerweise das Verbringen des zu prüfenden Bauelementes oder Bauteils in das Testgerät erfordert, sondern auch zur Prüfung von Bauelementen oder Bauteilen geeignet ist, die in oder an einem größeren Objekt fixiert sind.The invention includes the idea of moving away from the previous coupling of checking or testing bond connections to a stationary bonder and providing a relatively independent test device configuration. It also includes the idea of proposing a test device configuration that does not necessarily require the component or part to be tested to be placed in the test device, but is also suitable for testing components or parts that are fixed in or on a larger object.

Diese Überlegungen führen zum Vorschlag eines hand- oder robotergeführten Bondstellen-Prüfgerätes, mit einem Geräte-Grundkörper mit einem Handgriff oder Roboterhand-Kopplungselement, einem Bondstellen-Prüfkopf, der ein mit einer vorbestimmten Beweglichkeit gehaltertes Bondstellen-Belastungselement zum lösbaren Erfassen und klemmenden Festhalten eines Bond- oder Lötverbindungselementes an oder nahe einer Verbindungsstelle auf dem Bauelement, Belastungselement-Antriebsmitteln zur Beaufschlagung des Bondstellen-Belastungselementes mit einer mechanischen Schwingung mit vorbestimmter Frequenz bzw. vorbestimmtem Frequenzspektrum und vorbestimmter Schwingungsrichtung und/oder einer vorbestimmten Zugkraft und eine Registrierungs- und Auswertungseinrichtung zur Registrierung und Auswertung eines mittels der mechanischen Schwingung und/oder Zugkraft ausgeführten Prüfvorganges.These considerations lead to the proposal of a hand- or robot-operated bonding point testing device, with a device base body with a handle or robot hand coupling element, a bonding point test head which has a bonding point loading element held with a predetermined mobility for releasably grasping and clamping a bonding or soldering connection element at or near a connection point on the component, loading element drive means for subjecting the bonding point loading element to a mechanical vibration with a predetermined frequency or predetermined frequency spectrum and predetermined vibration direction and/or a predetermined tensile force, and a recording and evaluation device for recording and evaluating a test process carried out by means of the mechanical vibration and/or tensile force.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die Registrierungs- und Auswertungseinrichtung nicht vollständig im mobilen Bondstellen-Prüfgerät selbst implementiert sein muss, sondern teilweise auch extern vom Handgerät realisiert sein kann, etwa in einem Bedienrechner eines das Prüfgerät führenden Industrieroboters oder einer entsprechenden Bearbeitungs- und Prüfanordnung.It should be noted that the registration and evaluation device does not have to be completely implemented in the mobile bonding point tester itself, but can also be partially implemented externally from the handheld device, for example in an operating computer of an industrial robot guiding the tester or a corresponding processing and testing arrangement.

Ein solches handgeführtes Prüfgerät ermöglicht eine wesentliche Erweiterung des Anwendungsfeldes von an sich bekannten Bondstellen- oder Lötverbindungs-Prüfungsverfahren, wie sie beispielsweise von der Anmelderin in früheren Patentveröffentlichungen vorgeschlagen wurden. Insbesondere lassen sich damit Bondstellen in relativ großen Baugruppen oder fertigen Geräten testen, und zwar auch dann, wenn diese bereits in noch größere Objekte (beispielsweise ein Fahrzeug, ein Haushaltsgerät o.ä.) verbaut sind.Such a hand-held test device enables a significant expansion of the application field of known bonding point or solder connection testing methods, such as those proposed by the applicant in earlier patent publications. In particular, it can be used to test bonding points in relatively large assemblies or finished devices, even if they are already installed in even larger objects (e.g. a vehicle, a household appliance, etc.).

Erfindungsgemäß umfasst das Bondstellen-Prüfgerät eine Prüfgerätorientierungs-Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer räumlichen Orientierung des Prüfgerätes und/oder einer Prüfgerätebewegungs-Erfassungseinrichtung zur Erfassung von spontanen Bewegungen des Prüfgerätes, bei einem Prüfvorgang, die mit einem Eingang der Registrierungs- und Auswertungseinrichtung verbunden ist. In dieser Ausführung weist die Registrierungs- und Auswertungseinrichtung Mittel zur Verarbeitung eines Ausgangssignals der Prüfgerätorientierungs-Erfassungseinrichtung und/oder der Prüfgerätbewegungs-Erfassungseinrichtung bei der Auswertung des Prüfvorganges auf. Insbesondere kann die Prüfgerätorientierungs-Erfassungseinrichtung einen Raumlagesensor und/oder eine Bilderfassungseinrichtung aufweisen, und/oder die Prüfgerätbewegungs-Erfassungseinrichtung einen Beschleunigungssensor aufweisen.According to the invention, the bonding point test device comprises a test device orientation detection device for detecting a spatial orientation of the test device and/or a test device movement detection device for detecting spontaneous movements of the test device during a test process, which is connected to an input of the registration and evaluation device. In this embodiment, the registration and evaluation device has means for processing an output signal of the test device orientation detection device and/or the test device movement detection device when evaluating the test process. In particular, the test device orientation detection device can have a spatial position sensor and/or an image capture device, and/or the test device movement detection device can have an acceleration sensor.

Hierdurch können prinzipbedingte Nachteile eines handgeführten Prüfgerätes in Bezug auf die präzise Erfassung von Kräften oder Schwingungsparametern in Einsatzbereichen weitgehend eliminiert werden, wo es auf höchste Genauigkeit der entsprechenden Messergebnisse ankommt. Die Ausführung der Erfindung ist aber nicht auf derartige „High-End-Geräte“ beschränkt, sondern grundsätzlich auch ohne die genannten Erfassungseinrichtungen und die dazu korrespondierende Ausgestaltung der Registrierungs- und Auswertungseinrichtung des Prüfgerätes möglich.This means that the inherent disadvantages of a hand-held test device with regard to the precise recording of forces or vibration parameters can be largely eliminated in areas of application where the highest accuracy of the corresponding measurement results is required. However, the implementation of the invention is not limited to such "high-end devices" but is also possible in principle without the aforementioned recording devices and the corresponding design of the registration and evaluation device of the test device.

In einer Ausführung des Prüfgerätes, die zur Realisierung eines relativ neuen Prüfverfahrens geeignet ist, weist das Bondstellen-Belastungselement einen Klemmhalter zum lösbaren Erfassen und klemmenden Festhalten des Bonddrahtes einer Drahtbondverbindung oder einer Kontaktauflage einer Ballbond- oder Lötverbindung auf. Nachfolgend wird auf Ausgestaltungen eines derart konfigurierten Bondstellen-Prüfgerätes hingewiesen.In an embodiment of the test device that is suitable for implementing a relatively new test method, the bonding point loading element has a clamp holder for releasably grasping and clamping the bonding wire of a wire bond connection or a contact pad of a ball bond or solder connection. The following describes embodiments of a bonding point test device configured in this way.

Insbesondere umfasst der Klemmhalter Klemmen, die eine vorbestimmte Klemmkraft durch vorgespannte Klemmbackengeometrie besitzen, welche auf die Geometrie der Lötverbindung des Bonddrahtes oder der Lötverbindung angepasst ist. In weiteren Ausgestaltungen weist der Klemmhalter Querschnitts-Einstellmittel zur Anpassung an Kontaktauflagen unterschiedlichen Durchmessers und/oder unterschiedlicher Querschnittsform und/oder Klemmpunkt-Einstellmittel zur Einstellung des Klemmpunktes an der Kontaktauflage und/oder Klemmkraft-Einstellmittel zum Einstellen der Klemmkraft auf. Mit diesen Optionen lässt sich das Prüfgerät universell an verschiedenste Bauelement- und Lötverbindungs-Konfigurationen anpassen und ermöglichst somit die Prüfung eines außerordentlich breiten Spektrums an Prüfobjekten.In particular, the clamp holder comprises clamps that have a predetermined clamping force due to pre-stressed clamping jaw geometry, which is adapted to the geometry of the solder connection of the bond wire or the solder connection. In further embodiments, the clamp holder has cross-section adjustment means for adaptation to contact pads of different diameters and/or different cross-sectional shapes and/or clamping point adjustment means for adjusting the clamping point on the contact pad and/or clamping force adjustment means for adjusting the clamping force. With these options, the test device can be universally adapted to a wide variety of component and solder connection configurations, thus enabling the testing of an extraordinarily wide range of test objects.

In weiteren Ausführungen weist der Schwingungserzeuger Frequenz-Einstellmittel zur Einstellung der Schwingungsfrequenz und/oder Amplituden-Einstellmittel zum Einstellen der Schwingungsamplitude, insbesondere eines Resonanzzustandes mit dem Klemmhalter, auf. Vorteilhafterweise wird das Verfahren in Resonanz ausgeführt, es können aber auch gewisse Verschiebungen gegenüber dem Resonanzzustand bewusst herbeigeführt werden.In further embodiments, the vibration generator has frequency adjustment means for adjusting the vibration frequency and/or amplitude adjustment means for adjusting the vibration amplitude, in particular a resonance state with the clamp holder. The method is advantageously carried out in resonance, but certain shifts compared to the resonance state can also be deliberately brought about.

In einer anderen Ausführung umfasst das Bondstellen-Prüfgerät Schwingungsparameter-Erfassungsmittel zur Erfassung mindestens eines Schwingungsparameters des in Schwingung versetzten Lot- oder Bond-Aggregates, insbesondere der Schwingungsamplitude, insbesondere zur Feststellung von Frequenzverschiebungen als Hinweis auf Defekte, wie Rissbildung in der zu prüfenden Bond- oder Lötverbindung. Hiermit ist also speziell eine Verschiebung tatsächlicher gegenüber voreingestellten Schwingungsparametern feststellbar, die auf das Vorliegen von Defekten und ggfs. auch deren Natur und mögliche Ursachen schließen lässt.In another embodiment, the bonding point testing device comprises vibration parameter detection means for detecting at least one vibration parameter of the vibrating solder or bonding unit, in particular the vibration amplitude, in particular for detecting frequency shifts as an indication of defects, such as cracking in the bond or solder connection to be tested. This makes it possible to specifically detect a shift in actual compared to preset vibration parameters, which allows conclusions to be drawn about the presence of defects and, if applicable, their nature and possible causes.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Schwingungserzeuger im Zusammenwirken mit dem Klemmhalter derart ausgebildet, dass der zu prüfenden Bond- oder Lötverbindung eine im Wesentlichen parallel zur Ebene der Verbindungsstelle auf dem Bauelement gerichtete Wechselbelastung aufgeprägt wird. Weiterhin ist vorteilhafterweise der Schwingungserzeuger zu einem Betrieb im Frequenzbereich zwischen 20 kHz und 80 kHz ausgebildet.In an advantageous embodiment, the vibration generator is designed in conjunction with the clamp holder in such a way that the bond or solder connection to be tested is subjected to an alternating load directed essentially parallel to the plane of the connection point on the component. Furthermore, the vibration generator is advantageously designed for operation in the frequency range between 20 kHz and 80 kHz.

In einer weiteren vorteilhaften, die Einsatzmöglichkeiten der Prüfanordnung erweiternden Ausführung sind dem Klemmhalter Zugkraft-Beaufschlagungsmittel zur Beaufschlagung mit einer vorbestimmten, insbesondere senkrecht zur Ebene der Verbindungsstelle auf dem Bauelement gerichteten, Zugkraft zugeordnet. In einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Ausführung sind die Zugkraft-Beaufschlagungsmittel einstellbar, womit wiederum eine Anpassung an verschiedenartige Lötverbindungs- und allgemein Halbleitermodul-Konfigurationen vorteilhaft möglich ist.In a further advantageous embodiment that expands the application possibilities of the test arrangement, tensile force application means are assigned to the clamp holder for applying a predetermined tensile force, in particular one directed perpendicular to the plane of the connection point on the component. In an advantageous embodiment of this embodiment, the tensile force application means are adjustable, which in turn advantageously enables adaptation to various types of solder connection and general semiconductor module configurations.

Es wird darauf hingewiesen, dass im Zusammenhang mit einer Ausführung, bei der die Erfassung mindestens eines Schwingungsparameters des in Schwingung versetzten Lot- oder Bond-Aggregates, speziell der Schwingungsamplitude, insbesondere zur Feststellung von Frequenzverschiebungen als Hinweis auf Defekte, wie Rissbildung in der oder jeder geprüften Lötverbindung, vorgesehen ist, die Einstellung der Schwingungsfrequenz und -amplitude für den nachfolgenden Prüfvorgang entsprechend dem erfassten Resonanzzustand möglich ist.It should be noted that in connection with an embodiment in which the detection of at least one vibration parameter of the vibrating solder or bonding unit, in particular the vibration amplitude, is provided, in particular for the detection of frequency shifts as an indication of defects, such as cracking in the or each tested solder joint, the adjustment of the vibration frequency and amplitude for the subsequent test procedure is possible in accordance with the detected resonance state.

Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass die Auswertung des Prüfvorganges anhand eines Simulationsprogramms ausgeführt werden kann, das eine Korrelation thermisch und mechanisch induzierter Grenzflächen-Spannungen an der Verbindungsstelle anhand einer Finite-Elemente-Simulation umfasst.Furthermore, it should be noted that the evaluation of the test procedure can be carried out using a simulation program that includes a correlation of thermally and mechanically induced interface stresses at the joint using a finite element simulation.

In einer Ausführung des vorgeschlagenen hand- oder robotergeführten Bondstellen-Prüfgerätes, die für andere an sich bekannte Prüfverfahren (Pull-Test) geeignet ist, weist das Bondstellen-Belastungselement einen zum Eingriff unter die Drahtbrücke einer Bonddrahtverbindung ausgebildeten Zughaken auf, und die Belastungselement-Antriebsmittel weisen einen Zughaken-Antrieb zum koordinatengesteuerten Antrieb des Zughakens auf. Dem Zughaken-Antrieb ist eine Zughaken-Antriebssteuereinrichtung zugeordnet, und die Registrierungs- und Auswertungseinrichtung umfasst eine Zugkraft-Messeinrichtung zur Messung einer am Zughaken wirkenden Zugkraft in Abhängigkeit von der Zeit, eine Zugkraftwert-Speichereinrichtung zur Speicherung der Zeitabhängigkeit der Zugkraft über eine vorbestimmte Zeitdauer in einer festgehaltenen Position des Zughakens, eine Vergleichs-Speichereinrichtung zur Speicherung vorbestimmter Zeitabhängigkeiten der Zugkraft und eine Zugkraftwert-Vergleichereinrichtung zum Vergleichen einer gemessenen Zugkraftwert-Zeitabhängigkeit mit mindestens einer gespeicherten Zeitabhängigkeit oder zum Vergleich entsprechender Datensätze.In an embodiment of the proposed hand- or robot-guided bonding point test device, which is suitable for other known test methods (pull test), the bonding point loading element has a pull hook designed to engage under the wire bridge of a bonding wire connection, and the loading element drive means have a pull hook drive for coordinate-controlled drive of the pull hook. A pull hook drive control device is assigned to the pull hook drive, and the registration and evaluation device comprises a tensile force measuring device for measuring a tensile force acting on the pull hook as a function of time, a tensile force value storage device for storing the time dependency of the tensile force over a predetermined period of time in a fixed position of the pull hook, a comparison storage device for storing predetermined time dependencies of the tensile force and a tensile force value comparison device for comparing a measured tensile force value time dependency with at least one stored time dependency or for comparing corresponding data sets.

In einer Ausgestaltung des Gerätes ist die Zughaken-Antriebssteuereinrichtung zur sequentiellen Unterbrechung der Wirkung des Zughaken-Antriebs jeweils im Ansprechen auf die Erreichung eines von mehreren voreingestellten Zugkraftwerten und zum selbsttätigen weiteren Bewegen des Zughakens bis zur Erreichung des jeweils nächsten voreingestellten Zugkraftwertes ausgebildet.In one embodiment of the device, the drawbar drive control device is designed to sequentially interrupt the effect of the drawbar drive in response to the reaching of one of several preset tensile force values and to automatically continue to move the drawbar until the next preset tensile force value is reached.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die Zughaken-Antriebssteuereinrichtung dazu ausgebildet, den Zughaken-Antrieb nach der oder der letzten Unterbrechung ihrer Wirkung für die vorbestimmte Zeitdauer kontinuierlich bis zur Zerstörung der Bonddrahtbrücke weiter wirken zu lassen.In a further embodiment, the draw hook drive control device is designed to allow the draw hook drive to continue to act continuously for the predetermined period of time after the or the last interruption of its action until the bonding wire bridge is destroyed.

In der weiter oben erwähnten bevorzugten Ausführung des handgeführten Prüfgerätes mit einer Sensorik zur Erfassung der räumlichen (3D) Prüfgeräteorientierung und/oder zur Erfassung von spontanen Bewegungen des Prüfgerätes kann insbesondere eine ausgangsseitige Kopplung dieser Sensorik mit dem erwähnten Schwingungserzeuger bzw. den Zugkraft-Einstellmitteln der Zughaken-Antriebssteuereinrichtung vorgesehen sein, um deren Funktion in Abhängigkeit von der räumlichen Lage des Prüfgerätes zu justieren oder spontane Bewegungen des Prüfgerätes bereits auf der Antriebsseite des entsprechenden Belastungselementes auszugleichen. Unabhängig davon besteht auch bei den hier erwähnten speziellen Konfigurationen des Prüfgerätes die Option, die Signale der erwähnten Sensorik in die Registrierungs- und Auswertungseinrichtung einzuspeisen und dort eine Korrektur-Verarbeitung bzw. Kompensation von Bewegungseinflüssen auszuführen.In the above-mentioned preferred embodiment of the hand-held testing device with a sensor system for detecting the spatial (3D) orientation of the testing device and/or for detecting spontaneous movements of the testing device, an output-side coupling of this sensor system with the mentioned vibration generator or the tensile force adjustment means of the draw hook drive control device can be provided in order to adjust their function depending on the spatial position of the testing device or to detect spontaneous movements of the testing device already on the drive side of the corresponding load element. Irrespective of this, the special configurations of the test device mentioned here also offer the option of feeding the signals from the sensors mentioned into the registration and evaluation device and carrying out correction processing or compensation of movement influences there.

Das vorgeschlagene mobile Bondstellen-Prüfgerät kann mit einem gleichfalls hand- oder robotergeführten Bondgerät baulich vereinigt sein, wobei beispielsweise ein Schwingungserzeuger eines Ultraschall-Drahtbondgerätes zugleich als Schwingungserzeuger für das weiter oben erwähnte Testverfahren dienen kann. Eine solche Integration des vorgeschlagenen Bondstellen-Prüfgerätes in ein mobiles Bondgerät kann ggfs. die Prüfung von soeben geschaffenen Bond- oder Lötverbindungen quasi in Echtzeit und somit eine entsprechende sofortige Qualitätsbewertung und, falls erforderlich, ein „Nach-Bonden“ oder „Nach-Löten“ der aktuell bearbeiteten und geprüften Verbindungsstelle ermöglichen.The proposed mobile bonding point testing device can be structurally combined with a bonding device that is also hand-held or robot-operated, whereby, for example, a vibration generator of an ultrasonic wire bonding device can also serve as a vibration generator for the test procedure mentioned above. Such integration of the proposed bonding point testing device into a mobile bonding device can, if necessary, enable the testing of bonding or soldering connections that have just been created in real time and thus a corresponding immediate quality assessment and, if necessary, a "re-bonding" or "re-soldering" of the connection point that is currently being processed and tested.

Das im Kontext der vorliegenden Erfindung stehende Verfahren zum Prüfen von Bondverbindungen oder Lötverbindungen elektronischer Bauelemente, insbesondere von deren Ermüdungsfestigkeit und Langzeit-Zuverlässigkeit, umfasst das raumfeste Fixieren des elektronischen Bauelementes oder eines Bauteils, an dem dieses angebracht ist, das Heranführen eines Bondstellen-Prüfgeräts nach einem der vorangehenden Ansprüche an das elektronische Bauelement und Erfassen und Festhalten eines Bond- oder Lötverbindungselementes an oder nahe einer Verbindungsstelle auf dem Bauelement, das Ansteuern der Belastungselement-Antriebsmittel gemäß einem vorbestimmten Prüfprogramm und die Registrierung und Auswertung des Prüfvorganges.The method in the context of the present invention for testing bond connections or solder connections of electronic components, in particular their fatigue strength and long-term reliability, comprises the spatially fixed fixing of the electronic component or a component to which it is attached, the bringing of a bond point testing device according to one of the preceding claims to the electronic component and detecting and holding a bond or solder connection element at or near a connection point on the component, the control of the load element drive means according to a predetermined test program and the registration and evaluation of the test process.

Hierbei ist darauf hinzuweisen, dass bei gewissen Anwendungen die raumfeste Fixierung des Bauelementes oder Bauteils bereits gegeben sein kann, also im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens nicht zusätzlich vorgenommen werden muss.It should be noted that in certain applications the spatial fixation of the component or part may already be provided and therefore does not need to be additionally carried out within the framework of the proposed method.

Entsprechend der weiter oben erwähnten bevorzugten Ausgestaltung des Prüfgerätes zeichnet sich eine bevorzugte Verfahrensführung dadurch aus, dass ein Bondstellen-Prüfgerät nach Anspruch 2 oder 3 eingesetzt und die räumliche Orientierung des Prüfgerätes und/oder spontane Bewegungen des Prüfgerätes bei dem Prüfvorgang erfasst und entsprechende Erfassungssignale in der Registrierungs- und Auswertungseinrichtung bei der Gewinnung des Prüfergebnisses verarbeitet werden.According to the preferred embodiment of the test device mentioned above, a preferred method is characterized in that a bonding point test device according to claim 2 or 3 is used and the spatial orientation of the test device and/or spontaneous movements of the test device are detected during the test process and corresponding detection signals are processed in the registration and evaluation device when obtaining the test result.

Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren. Von diesen zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines handgeführten Lötstellen-Prüfgerätes gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
  • 2 eine schematische Darstellung eines robotergeführten Bondstellen-Prüfgerätes gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Advantages and benefits of the invention will become apparent from the following description based on the figures. These show:
  • 1 a schematic representation of a hand-held solder joint tester according to a first embodiment of the invention and
  • 2 a schematic representation of a robot-guided bonding point tester according to a first embodiment of the invention.

1 zeigt schematisch ein handgeführtes Lötstellen-Prüfgerät 1, welches einen Geräte-Grundkörper 2 mit einem Handgriff 2a zur manuellen Handhabung umfasst. Am Handgriff 2a ist ein Bedienfeld 2b zur Bedienung des Gerätes vorgesehen. 1 shows a schematic of a hand-held solder joint test device 1, which comprises a device base body 2 with a handle 2a for manual handling. A control panel 2b for operating the device is provided on the handle 2a.

Das Lötstellen-Prüfgerät 1 ist bei der Prüfung einer Lötverbindung auf einem an einem raumfesten Träger 3 fixierten Halbleitersubstrat 5 vorgesehen und wird zur Durchführung dieser Prüfung manuell an diesen herangeführt.The solder joint test device 1 is intended for testing a solder joint on a semiconductor substrate 5 fixed to a stationary carrier 3 and is manually brought to the latter to carry out this test.

Auf dem Halbleitersubstrat 5 wurde mittels eines herkömmlichen Lötverfahrens eine Lötstelle 7a ausgebildet. Zur Prüfung der Ermüdungsfestigkeit und Langzeit-Zuverlässigkeit der Lötstelle 7a wird das Lot-Aggregat 7 mit einem Klemmhalter 9 ergriffen, der zwei Backen und Abstands- sowie Klemmkraft-Einstellmittel 9a aufweist.A solder joint 7a was formed on the semiconductor substrate 5 by means of a conventional soldering process. To test the fatigue strength and long-term reliability of the solder joint 7a, the solder unit 7 is gripped with a clamp holder 9 which has two jaws and distance and clamping force adjustment means 9a.

Der Klemmhalter 9 seinerseits ist in einer Klemmhalter-Zugführung 11 höhenverstellbar und mit voreinstellbarer Zugkraft gehaltert. Die Klemmhalter-Zugführung 11 umfasst einen Zugkraftsensor 13 zur Erfassung der effektiven Zugkraft. Ein Ultraschall-Schwingungserzeuger 15 mit einstellbaren Schwingungsparametern (Frequenz, Amplitude) ist mechanisch an die Klemmhalter-Zugführung 11 und somit an den Klemmhalter 9 gekoppelt.The clamp holder 9 is in turn held in a clamp holder pull guide 11 with adjustable height and a pre-adjustable tensile force. The clamp holder pull guide 11 comprises a tensile force sensor 13 for detecting the effective tensile force. An ultrasonic vibration generator 15 with adjustable vibration parameters (frequency, amplitude) is mechanically coupled to the clamp holder pull guide 11 and thus to the clamp holder 9.

Zur Auswertung der Tests dient eine Registrierungs- und Auswertungseinrichtung 17, der Einstelldaten der Klemm- und Zugkraft-Einstellstufe 19 zugeführt werden. Weiterhin empfängt die Registrierungs- und Auswertungseinrichtung 17 die seitens des Zugkraftsensors 13 erfassten effektiven Zugkraftwerte am Lot-Aggregat 7 und die Einstellparameter des Schwingungserzeugers 15 und optional Messwerte von einem wahlweise vorgesehenen (gestrichelt gezeichneten) Schwingungssensor 25 zur Erfassung effektiver Schwingungsparameter des in Schwingung versetzten Lot-Aggregates 7.A registration and evaluation device 17 is used to evaluate the tests, to which setting data from the clamping and tensile force setting stage 19 are fed. The registration and evaluation device 17 also receives the effective tensile force values recorded by the tensile force sensor 13 on the plumb unit 7 and the setting parameters of the vibration generator 15 and optionally measured values from an optionally provided vibration sensor 25 (shown in dashed lines) for recording effective vibration parameters of the plumb unit 7 set in vibration.

Schließlich sind mit Eingängen der Registrierungs- und Auswertungseinrichtung 17 auch ein Raumlagesensor 21 zur Bestimmung der räumlichen Position des Prüfgerätes sowie ein Beschleunigungssensor 23 zur Erfassung spontaner Bewegungen des Prüfgerätes verbunden. Entsprechende Sensoren sind handelsüblich und, beispielsweise bei Smartphones, massenhaft im Einsatz, und die Auswertung von deren Signalen ist dem Fachmann vertraut. Sie dienen beim vorliegenden Prüfgerät zur Kompensation des Einflusses von spontanen Gerätebewegungen auf die Auswertung der Schwingungssignale und zur Korrektur der Auswertung der Signale des Zugkraftsensors aufgrund des raumlagebedingten Einflusses der Schwerkraftkomponente auf die Zugkraft.Finally, the inputs of the registration and evaluation device 17 also include a spatial position sensor 21 for determining the spatial Position of the test device and an acceleration sensor 23 for detecting spontaneous movements of the test device. Such sensors are commercially available and are used in large numbers, for example in smartphones, and the evaluation of their signals is familiar to the expert. In the present test device, they are used to compensate for the influence of spontaneous device movements on the evaluation of the vibration signals and to correct the evaluation of the signals of the tensile force sensor due to the spatial position-related influence of the gravity component on the tensile force.

Zum Betrieb dieses Lötstellen-Prüfgerätes kann auf die vorstehenden allgemeinen Ausführungen und die anhängenden Ansprüche verwiesen werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die verschiedenen Einstellmittel sowohl zu einer stufenlosen Einstellung bestimmter Testparameter als auch zu einer Einstellung in vorbestimmten Stufen ausgebildet sein können, und dass einerseits nicht sämtliche in der Figur gezeigten Einstellmittel bei jeder Ausführung der Prüfanordnung vorgesehen sein müssen und andererseits in anderen Ausführungen noch weitere Einstell- und Messmittel vorgesehen sein können.For the operation of this solder joint test device, reference can be made to the general statements above and the appended claims. It is pointed out that the various setting means can be designed both for a continuous setting of certain test parameters and for a setting in predetermined steps, and that on the one hand not all of the setting means shown in the figure have to be provided in every version of the test arrangement and on the other hand further setting and measuring means can be provided in other versions.

Es wird darauf hingewiesen, dass das in 1 gezeigte Lötstellen-Prüfgerät in ganz ähnlicher Weise auch als Bondstellen-Prüfgerät ausgebildet sein und eingesetzt werden kann und zur Ausführung der in der DE 10 2016 107 028 A1 und der unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2019 118 249 beschriebenen Verfahren vorgesehen und geeignet ist.It is pointed out that the 1 The solder joint tester shown can be designed and used in a very similar way as a bond joint tester and can be used to carry out the tests described in the EN 10 2016 107 028 A1 and the unpublished German patent application 10 2019 118 249 described method is intended and suitable.

2 zeigt schematisch ein handgeführtes Bondstellen-Prüfgerät 20, das nach dem Prinzip des „Pull-Testers“ arbeitet und einen Geräte-Grundkörper 21 mit einem Roboterhand-Kopplungselement 21a umfasst. Das Prüfgerät dient zur Prüfung einer Bonddrahtbrücke W zwischen einem ersten Fixierungspunkt P1 auf einem Halbleiterchip C und zweiten Fixierungspunkt P2 auf einem Substrat S. Das Prüfgerät 20 umfasst einen Zughaken 22, der über eine Positions- und Winkelsteuereinrichtung 23 sowohl in der XY-Ebene als auch in der Höhe zur Einstellung einer Eingriffsposition unter der Bonddrahtbrücke W verfahrbar und drehbar ist. Der Zughaken 22 ist mit einer Kraftmesseinrichtung 24 gekoppelt, die fortlaufend die wirksame Zugkraft registriert, die sich aus der durch eine Pull-Einheit 25 bereitgestellten Zugkraft unter dem Einfluss der Drahtverformung ergibt. 2 shows a schematic of a hand-held bonding point tester 20 that works according to the principle of the "pull tester" and comprises a device base body 21 with a robot hand coupling element 21a. The tester is used to test a bond wire bridge W between a first fixing point P1 on a semiconductor chip C and a second fixing point P2 on a substrate S. The tester 20 comprises a pull hook 22 that can be moved and rotated via a position and angle control device 23 both in the XY plane and in height to set an engagement position under the bond wire bridge W. The pull hook 22 is coupled to a force measuring device 24 that continuously registers the effective tensile force that results from the tensile force provided by a pull unit 25 under the influence of the wire deformation.

Die Bonddrahtbrücke W und deren Fixierungspunkte sowie die Umgebung werden durch eine Kamera 26 beobachtet, deren Kamerabilder einer Bildverarbeitungseinheit 27 zugeführt werden. Die Bildverarbeitungseinheit 27 wiederum ist ausgangsseitig mit der Zughaken-Steuereinrichtung 23 und des Weiteren (wie auch die Zughaken-Steuereinrichtung selbst) mit einer Bild- und Koordinatenspeichereinrichtung 28 verbunden, in der aufgenommene Kamerabilder der Drahtbondanordnung in Zuordnung zu bei deren Test eingestellten Einstellpositions- und ggfs. weiteren Koordinaten gespeichert werden.The bonding wire bridge W and its fixing points as well as the surroundings are observed by a camera 26, the camera images of which are fed to an image processing unit 27. The image processing unit 27 in turn is connected on the output side to the draw hook control device 23 and furthermore (like the draw hook control device itself) to an image and coordinate storage device 28 in which recorded camera images of the wire bonding arrangement are stored in association with setting positions and possibly other coordinates set during its test.

Die Verbindung der Speichereinrichtung 28 mit der Zughaken-Steuereinrichtung 23 ist bidirektional, so dass auch gespeicherte Einstellwerte wiederum der Steuereinrichtung zum aktuellen Einsatz zugeführt werden können. Auch gespeicherte Kamerabilder können zurück in die Bildverarbeitungseinrichtung gelangen, und zwar in einen Bildvergleicherabschnitt 27a derselben, in dem sie mit aktuell aufgenommen Kamerabildern im Sinne der weiter oben beschriebenen Verfahrensdurchführung verglichen werden. Die Bildverarbeitungseinrichtung weist des Weiteren eine Korrekturstufe 27b zur Erkennung und Berücksichtigung von Positionsverschiebungen zwischen ansonsten gleichen Kamerabildern (d.h. ansonsten gleichen Bondverbindungen) auf. Schließlich weist die Bildverarbeitungseinrichtung 27 noch eine Drahthöhen- oder Drahtwinkel-Bestimmungsstufe 27c zur Bestimmung der Scheitelpunkthöhe der Bonddrahtbrücke W oder deren Winkeln in der Umgebung der Fixierungspunkte P1 und P2 auf. Auch die Funktion dieser Komponente ist weiter oben bei der Erläuterung bevorzugter Verfahrensführungen beschrieben.The connection of the storage device 28 to the draw hook control device 23 is bidirectional, so that stored setting values can also be fed back to the control device for current use. Stored camera images can also be returned to the image processing device, specifically to an image comparison section 27a thereof, in which they are compared with currently recorded camera images in accordance with the method described above. The image processing device also has a correction stage 27b for detecting and taking into account position shifts between otherwise identical camera images (i.e. otherwise identical bond connections). Finally, the image processing device 27 also has a wire height or wire angle determination stage 27c for determining the vertex height of the bond wire bridge W or its angles in the vicinity of the fixation points P1 and P2. The function of this component is also described above in the explanation of preferred method implementations.

Die ebenfalls weiter oben erwähnte Brückenverlaufs-Berechnungseinheit ist in der vorliegenden Darstellung als Sub-Einheit 23a der Zughaken-Steuereinrichtung 23 dargestellt, es kann sich hierbei aber auch um eine im Signalweg zwischen der Bildverarbeitungseinrichtung 27 und der Zughaken-Steuereinrichtung 23 liegende separate Einheit handeln.The bridge course calculation unit also mentioned above is shown in the present illustration as a sub-unit 23a of the draw hook control device 23, but it can also be a separate unit located in the signal path between the image processing device 27 and the draw hook control device 23.

Anders als die Ausführungsform nach 1, enthält das Bondstellen-Prüfgerät 20 keine Mittel zur Erfassung seiner räumlichen Position und/oder von spontanen Bewegungen des Gerätegehäuses. Aufgrund der Roboterführung (und auch im Hinblick auf das hier angewandte Messprinzip) sind spontane Bewegungen des Gerätekörpers weitgehend auszuschließen bzw. im verbleibenden Maße bedeutungslos für das Prüfergebnis. Die räumliche Orientierung des Prüfgerätes ist allerdings von Bedeutung; diese kann jedoch aus den Steuerdaten des Roboters gewonnen werden, an dessen Roboterhand das Prüfgerät fixiert ist. In der Figur ist symbolisch dargestellt, dass die dem Zughaken 22 zugeordnete Kraftmesseinrichtung 24 über einen entsprechenden Signaleingang mit der Robotersteuerung RC als externer Signalquelle verbunden ist.Unlike the embodiment according to 1 , the bond point test device 20 does not contain any means for detecting its spatial position and/or spontaneous movements of the device housing. Due to the robot guidance (and also with regard to the measuring principle used here), spontaneous movements of the device body can be largely excluded or, to the extent that they remain, are irrelevant for the test result. The spatial orientation of the test device is, however, important; however, this can be obtained from the control data of the robot to whose robot hand the test device is fixed. The figure symbolically shows that the force measuring device 24 assigned to the pull hook 22 is connected to the robot controller RC as an external signal source via a corresponding signal input.

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das in 2 gezeigte Prüfgerät zur Ausführung des in der DE 10 2013 222 347 A1 beschriebenen Verfahrens in allen Aspekten und Modifikationen vorgesehen und geeignet ist.It is expressly pointed out that the 2 The test device shown is for carrying out the test in the EN 10 2013 222 347 A1 described procedure in all aspects and modifications is intended and suitable.

Die Ausführung der Erfindung ist auch im Übrigen nicht auf die oben hervorgehobenen Aspekte und das dargestellte Beispiel beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegt.The implementation of the invention is not limited to the aspects highlighted above and the example shown, but is also possible in a multitude of modifications that are within the scope of professional practice.

Claims (15)

Hand- oder robotergeführtes Bondstellen-Prüfgerät zum Prüfen von Bondverbindungen oder Lötverbindungen elektronischer Bauelemente, insbesondere von deren Ermüdungsfestigkeit und Langzeit-Zuverlässigkeit, welches aufweist: - einen Geräte-Grundkörper mit einem Handgriff oder Roboterhand-Kopplungselement, - einen Bondstellen-Prüfkopf, der ein mit einer vorbestimmten Beweglichkeit gehaltertes Bondstellen-Belastungselement, ausgebildet zum lösbaren Erfassen und klemmenden Festhalten eines Bond- oder Lötverbindungselementes an oder nahe einer Verbindungsstelle auf dem Bauelement aufweist, - Belastungselement-Antriebsmittel mit einem Schwingungserzeuger zur Beaufschlagung des Bondstellen-Belastungselementes mit einer mechanischen Schwingung mit vorbestimmter Frequenz oder vorbestimmtem Frequenzspektrum und vorbestimmter Schwingungsrichtung und/oder einer vorbestimmten Zugkraft, - eine Registrierungs- und Auswertungseinrichtung zur Registrierung und Auswertung eines mittels der mechanischen Schwingung und/oder Zugkraft ausgeführten Prüfvorganges sowie - eine Prüfgerätorientierungs-Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer räumlichen Orientierung des Prüfgerätes und/oder eine Prüfgerätebewegungs-Erfassungseinrichtung zur Erfassung von spontanen Bewegungen des Prüfgerätes, bei einem Prüfvorgang, die mit einem Eingang der Registrierungs- und Auswertungseinrichtung verbunden ist, wobei die Registrierungs- und Auswertungseinrichtung Mittel zur Verarbeitung eines Ausgangssignals der Prüfgerätorientierungs-Erfassungseinrichtung und/oder der Prüfgerätbewegungs-Erfassungseinrichtung bei der Auswertung des Prüfvorganges aufweist.Hand-held or robot-controlled bonding point test device for testing bond connections or solder connections of electronic components, in particular their fatigue strength and long-term reliability, which has: - a device base body with a handle or robot hand coupling element, - a bonding point test head which has a bonding point loading element held with a predetermined mobility, designed to releasably grasp and clamp a bonding or soldering connection element at or near a connection point on the component, - loading element drive means with a vibration generator for applying a mechanical vibration with a predetermined frequency or predetermined frequency spectrum and predetermined vibration direction and/or a predetermined tensile force to the bonding point loading element, - a registration and evaluation device for registering and evaluating a test process carried out by means of the mechanical vibration and/or tensile force, and - a test device orientation detection device for detecting a spatial orientation of the test device and/or a test device movement detection device for detecting spontaneous movements of the test device during a test process, which is connected to an input of the registration and evaluation device, wherein the registration and evaluation device has means for processing an output signal of the test device orientation detection device and/or the test device movement detection device when evaluating the test process. Bondstellen-Prüfgerät nach Anspruch 1, wobei die Prüfgerätorientierungs-Erfassungseinrichtung einen Raumlagesensor und/oder eine Bilderfassungseinrichtung aufweist und/oder die Prüfgerätbewegungs-Erfassungseinrichtung einen Beschleunigungssensor aufweist.Bonding point tester according to Claim 1 , wherein the test device orientation detection device comprises a spatial position sensor and/or an image capture device and/or the test device movement detection device comprises an acceleration sensor. Bondstellen-Prüfgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bondstellen-Belastungselement einen Klemmhalter zum lösbaren Erfassen und klemmenden Festhalten des Bonddrahtes einer Drahtbondverbindung oder einer Kontaktauflage einer Ballbond- oder Lötverbindung aufweist.Bonding point tester according to Claim 1 or 2 , wherein the bonding point loading element has a clamp holder for releasably grasping and clamping the bonding wire of a wire bond connection or a contact pad of a ball bond or solder connection. Bondstellen-Prüfgerät nach Anspruch 3, wobei der Klemmhalter Klemmen umfasst, die eine vorbestimmte Klemmkraft durch vorgespannte Klemmbackengeometrie besitzen, welche auf die geometrische Dimensionen des Bonddrahtes bzw. der Kontaktauflage der Lötverbindung angepasst ist.Bonding point tester according to Claim 3 , wherein the clamp holder comprises clamps which have a predetermined clamping force due to pre-stressed clamping jaw geometry which is adapted to the geometric dimensions of the bonding wire or the contact pad of the solder connection. Bondstellen-Prüfgerät nach Anspruch 4, wobei der Klemmhalter Querschnitts-Einstellmittel zur Anpassung an Kontaktauflagen unterschiedlichen Durchmessers und/oder unterschiedlicher Querschnittsform und/oder Klemmpunkt-Einstellmittel zur Einstellung des Klemmpunktes an der Lötstelle und/oder Klemmkraft-Einstellmittel zum Einstellen der Klemmkraft aufweist.Bonding point tester according to Claim 4 , wherein the clamp holder has cross-sectional adjustment means for adaptation to contact pads of different diameters and/or different cross-sectional shapes and/or clamping point adjustment means for adjusting the clamping point at the soldering point and/or clamping force adjustment means for adjusting the clamping force. Bondstellen-Prüfgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schwingungserzeuger Frequenz-Einstellmittel zur Einstellung der Schwingungsfrequenz und/oder Amplituden-Einstellmittel zum Einstellen der Schwingungsamplitude, insbesondere eines Resonanzzustandes mit dem Bondstellen-Belastungselement, aufweist.Bonding point testing device according to one of the preceding claims, wherein the vibration generator has frequency adjustment means for adjusting the vibration frequency and/or amplitude adjustment means for adjusting the vibration amplitude, in particular a resonance state with the bonding point loading element. Bondstellen-Prüfgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schwingungserzeuger im Zusammenwirken mit dem Bondstellen-Belastungselement derart ausgebildet ist, dass der zu prüfenden Bond- oder Lötverbindung eine im Wesentlichen parallel zur Ebene der Verbindungsstelle auf dem Bauelement gerichtete Wechselbelastung aufgeprägt wird.Bonding point testing device according to one of the preceding claims, wherein the vibration generator is designed in cooperation with the bonding point loading element such that an alternating load directed substantially parallel to the plane of the connection point on the component is imposed on the bond or solder connection to be tested. Bondstellen-Prüfgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei dem Bondstellen-Belastungselement Zugkraft-Beaufschlagungsmittel zur Beaufschlagung mit einer vorbestimmten, insbesondere senkrecht zur Ebene der Verbindungsstelle auf dem Bauelement gerichteten, Zugkraft zugeordnet sind, welche insbesondere Zugkraft-Einstellmittel aufweisen.Bonding point testing device according to one of the preceding claims, wherein the bonding point loading element is assigned tensile force application means for applying a predetermined tensile force, in particular directed perpendicular to the plane of the connection point on the component, which in particular have tensile force adjustment means. Bondstellen-Prüfgerät nach Anspruch 8, wobei die Prüfgerätorientierungs-Erfassungseinrichtung ausgangsseitig mit den Zugkraft-Einstellmitteln verbunden ist, derart, dass die Einstellung der Zugkraft unter Berücksichtigung des raumlageabhängigen Schwerkraftanteils erfolgen kann.Bonding point tester according to Claim 8 , wherein the test device orientation detection device is connected on the output side to the tensile force adjustment means, such that the adjustment of the tensile force can be carried out taking into account the spatial position-dependent gravity component. Bondstellen-Prüfgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit Schwingungsparameter-Erfassungsmitteln zur Erfassung mindestens eines Schwingungsparameters des in Schwingung versetzten Bonddrahtes oder der Kontaktauflage, insbesondere der Schwingungsamplitude, insbesondere zur Feststellung von Frequenzverschiebungen als Hinweis auf Defekte, wie Rissbildung in der zu prüfenden Bond- oder Lötverbindung oder eine kalte Lötstelle.Bonding point tester according to one of the preceding claims, with vibration parameter detection means for detecting at least one vibration parameter of the vibrating bonding wire or contact pad, in particular the oscillation amplitude, in particular to determine frequency shifts as an indication of defects such as cracks in the bond or solder connection to be tested or a cold solder joint. Bondstellen-Prüfgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Bondstellen-Belastungselement einen zum Eingriff unter die Drahtbrücke einer Bonddrahtverbindung ausgebildeten Zughaken aufweist und die Belastungselement-Antriebsmittel einen Zughaken-Antrieb zum koordinatengesteuerten Antrieb des Zughakens aufweisen, wobei dem Zughaken-Antrieb eine Zughaken-Antriebssteuereinrichtung zugeordnet ist, und die Registrierungs- und Auswertungseinrichtung eine Zugkraft-Messeinrichtung zur Messung einer am Zughaken wirkenden Zugkraft in Abhängigkeit von der Zeit, eine Zugkraftwert-Speichereinrichtung zur Speicherung der Zeitabhängigkeit der Zugkraft über eine vorbestimmte Zeitdauer in einer festgehaltenen Position des Zughakens, eine Vergleichs-Speichereinrichtung zur Speicherung vorbestimmter Zeitabhängigkeiten der Zugkraft und eine Zugkraftwert-Vergleichereinrichtung zum Vergleichen einer gemessenen Zugkraftwert-Zeitabhängigkeit mit mindestens einer gespeicherten Zeitabhängigkeit oder zum Vergleich entsprechender Datensätze aufweist.Bonding point test device according to one of the preceding claims, wherein the bonding point loading element has a pull hook designed to engage under the wire bridge of a bonding wire connection and the loading element drive means have a pull hook drive for coordinate-controlled driving of the pull hook, wherein a pull hook drive control device is assigned to the pull hook drive, and the registration and evaluation device has a tensile force measuring device for measuring a tensile force acting on the pull hook as a function of time, a tensile force value storage device for storing the time dependency of the tensile force over a predetermined period of time in a fixed position of the pull hook, a comparison storage device for storing predetermined time dependencies of the tensile force and a tensile force value comparison device for comparing a measured tensile force value time dependency with at least one stored time dependency or for comparing corresponding data sets. Bondstellen-Prüfgerät nach Anspruch 11, wobei die Zughaken-Antriebssteuereinrichtung zur sequentiellen Unterbrechung der Wirkung des Zughaken-Antriebs jeweils im Ansprechen auf die Erreichung eines von mehreren voreingestellten Zugkraftwerten und zum selbsttätigen weiteren Bewegen des Zughakens bis zur Erreichung des jeweils nächsten voreingestellten Zugkraftwertes ausgebildet ist.Bonding point tester according to Claim 11 , wherein the drawbar drive control device is designed to sequentially interrupt the action of the drawbar drive in response to the reaching of one of several preset tensile force values and to automatically continue to move the drawbar until the next preset tensile force value is reached. Bondstellen-Prüfgerät nach Anspruch 12, wobei die Zughaken-Antriebssteuereinrichtung dazu ausgebildet ist, den Zughaken-Antrieb nach der oder der letzten Unterbrechung ihrer Wirkung für die vorbestimmte Zeitdauer kontinuierlich bis zur Zerstörung der Bonddrahtbrücke weiter wirken zu lassen.Bonding point tester according to Claim 12 , wherein the draw hook drive control device is designed to allow the draw hook drive to continue to act continuously for the predetermined period of time after the or the last interruption of its action until the bonding wire bridge is destroyed. Bondstellen-Prüfgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, integriert in ein hand- oder robotergeführtes Bondgerät.Bond point testing device according to one of the preceding claims, integrated into a hand-held or robot-operated bonding device. Verfahren zum Prüfen von Bondverbindungen oder Lötverbindungen elektronischer Bauelemente, insbesondere von deren Ermüdungsfestigkeit und Langzeit-Zuverlässigkeit, welches aufweist: - das raumfeste Fixieren des elektronischen Bauelementes oder eines Bauteils, an dem dieses angebracht ist, - das Heranführen eines Bondstellen-Prüfgeräts nach einem der vorangehenden Ansprüche an das elektronische Bauelement und Erfassen und Festhalten eines Bond- oder Lötverbindungselementes an oder nahe einer Verbindungsstelle auf dem Bauelement, - das Ansteuern der Belastungselement-Antriebsmittel gemäß einem vorbestimmten Prüfprogramm und - die Registrierung und Auswertung des Prüfvorganges, wobei die räumliche Orientierung des Prüfgerätes und/oder spontane Bewegungen des Prüfgerätes bei dem Prüfvorgang erfasst und entsprechende Erfassungssignale in der Registrierungs- und Auswertungseinrichtung bei der Gewinnung des Prüfergebnisses verarbeitet werden.Method for testing bond connections or solder connections of electronic components, in particular their fatigue strength and long-term reliability, which comprises: - the spatially fixed fixing of the electronic component or a component to which it is attached, - the bringing of a bond point testing device according to one of the preceding claims to the electronic component and detecting and holding a bond or solder connection element at or near a connection point on the component, - the control of the load element drive means according to a predetermined test program and - the registration and evaluation of the test process, wherein the spatial orientation of the test device and/or spontaneous movements of the test device are recorded during the test process and corresponding detection signals are processed in the registration and evaluation device when obtaining the test result.
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