JP2001077156A - 超音波ボンディング装置及びボンディング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 一定の振幅を確保ボンディング品質を安定さ
せることができる超音波ボンディング装置及びボンディ
ング方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 荷重と超音波振動を用いるボンディング
方法において、超音波振動子５によってボンディングツ
ール２に超音波振動を付与する際に超音波振動子５によ
って消費される電力値と駆動指令値との相関関係のデー
タを個々のボンディングツール毎に個別に求めて電力測
定値記憶部１７に記憶させておき、ボンディング動作時
には制御部２０から出力される電力値を出力指令変換部
１８によって相関関係のデータに基づいて駆動指令値に
変換し、この駆動指令値を出力部１３に出力する。これ
により、異なる個体のボンディングツールと交換した場
合においても常に同一電力値によって超音波振動子５を
駆動して、ボンディングツール２に付与される超音波振
動の振幅を一定に保つことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フリップチップな
どの電子部品や電極接合用ワイヤに超音波振動を作用さ
せて被接合面にボンディングする超音波ボンディング装
置およびボンディング方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子部品を基板の電極などの被接合面に
ボンディングする方法として、超音波圧接を用いる方法
が知られている。この方法は、電子部品を被接合面に対
して押圧しながら電子部品に超音波振動を与え、接合面
を微小に振動させて摩擦を生じさせることにより接合面
を密着させるものである。この方法に用いられるボンデ
ィングツールは、振動発生源である超音波振動子の振動
を電子部品に伝達させる細長形状の棒体であるホーンを
有しており、このホーンに備えられた圧着子によって電
子部品に荷重と振動を作用させながら、電子部品を被接
合面に圧着してボンディングするようになっている。超
音波圧接において安定したボンディング品質を得るため
には、電子部品に当接して振動を伝達する圧着子の振動
を一定に保つことが必要である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところがボンディング
ツールには、全く同一設計に基づく同一品種のボンディ
ングツールであっても、組立て時の部品相互の締め付け
具合などの相違によってインピーダンスが異なり、振動
特性に個体差を生じるという性質がある。すなわち、同
一の駆動電圧によって振動子を駆動した場合でも、ボン
ディングツールの固有のインピーダンスのばらつきによ
って電子部品に実際に伝達される超音波振動の振幅は異
なったものとなる。このため、ツール交換時に同一品種
のボンディングツールと交換した場合にあっても、ボン
ディングツールの個体差によって振動特性が異なること
から振幅が一定せず、ボンディング品質の安定が図れな
いという問題点があった。

【０００４】そこで本発明は、一定の振幅を確保ボンデ
ィング品質を安定させることができる超音波ボンディン
グ装置及びボンディング方法を提供することを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の超音波ボ
ンディング装置は、ボンディング対象物に荷重と超音波
振動を作用させながら被接合面に圧着する超音波ボンデ
ィング装置であって、前記ボンディング対象物に当接す
るボンディングツールと、このボンディングツールに超
音波振動を付与する超音波振動子と、駆動指令値に基づ
いてこの振動子を駆動する振動子駆動手段と、前記超音
波振動子によってボンディングツールに超音波振動を付
与する際に超音波振動子によって消費される電力値と前
記駆動指令値との相関関係のデータを個々のボンディン
グツール毎に個別に記憶する電力測定値記憶部と、制御
部より出力された電力値を前記電力値と駆動指令値との
相関関係のデータに基づいて駆動指令値に変換し前記振
動子駆動手段に対して出力する出力指令変換部とを備え
た。

【０００６】請求項２記載の超音波ボンディング方法
は、ボンディング対象物にボンディングツールによって
荷重と超音波振動を作用させながら被接合面に圧着する
ボンディング方法であって、超音波振動子によって前記
ボンディングツールに超音波振動を付与する際に超音波
振動子によって消費される電力値と駆動指令値との相関
関係のデータを個々のボンディングツール毎に個別に求
めて電力測定値記憶部に記憶させておき、ボンディング
動作時には制御部から出力される電力値を出力指令変換
部によって前記相関関係のデータに基づいて駆動指令値
に変換し、この駆動指令値を振動子駆動手段に出力する
ことにより前記超音波振動子を所定電力値で駆動して前
記ボンディングツールに超音波振動を付与するようにし
た。

【０００７】本発明によれば、超音波振動子によって消
費される電力値と前記駆動指令値との相関関係のデータ
を個々のボンディングツール毎に個別に求めて電力測定
値記憶部に記憶させておき、ボンディング動作時には制
御部から出力される電力値を出力指令変換部によって前
記相関関係のデータに基づいて駆動指令値に変換し、こ
の駆動指令値を振動子駆動手段に出力することにより、
異なる個体のボンディングツールと交換した場合におい
ても常に同一電力値によって超音波振動子を駆動して、
ボンディングツールに付与される超音波振動の振幅を一
定に保つことができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態の超音
波ボンディング装置の構成を示すブロック図、図２は同
超音波ボンディング装置の電力測定処理を示すフロー
図、図３は同電力値と駆動指令値との相関関係のデータ
を示すグラフ、図４は同超音波ボンディングにおける超
音波振動の電力値およびボンディング荷電の変化を示す
グラフである。

【０００９】まず図１を参照して超音波ボンディング装
置の構成を説明する。図１において、ボンディングヘッ
ド１の下端部にはボンディングツール２が装着されてい
る。ボンディングツール２は水平方向に細長形状の棒体
であり、中央部から下方に向って突設された圧着子２ａ
によって、ボンディング対象物である半導体チップ３の
上面に当接し、被接合面である基板４の上面に押圧す
る。ボンディングツール２の端部には超音波振動子５が
装着されており、超音波振動子５を駆動することによ
り、圧着子２ａを介して半導体チップ３には超音波振動
が伝達される。

【００１０】ボンディングヘッド１は、シリンダなどの
ボンディングヘッド駆動手段６を備えており、ボンディ
ングヘッド駆動手段６を駆動することにより、半導体チ
ップ３はボンディングツール２によって基板４に対して
押圧される。そして半導体チップ３を基板４に対して押
圧した状態で超音波振動子５を駆動することにより、半
導体チップ３は荷重と振動によって基板４に超音波圧接
される。

【００１１】ここで超音波振動子５をボンディングツー
ル２に装着して用いた場合の駆動特性について説明す
る。超音波振動子５は圧電素子を積層して構成されてお
り、各圧電素子に交流電圧を印加することにより、振動
を発生する。このとき、印加される電圧値が大きいほ
ど、また流れる電流値が大きいほど、振幅が大きくな
る。このような超音波振動子５をボンディングツール２
に装着して用いた場合、同一品種、同一サイズのボンデ
ィングツールであれば、ボンディングツール２から圧着
子２ａを介してチップ３に伝達される超音波振動の振幅
は、超音波振動子５によって消費される電力値によって
決定される。したがって、半導体チップ３に伝達される
超音波振動の振幅を一定に保つためには、超音波振動子
５の消費電力を一定に保つことが必要である。

【００１２】図１において、超音波振動子５は出力トラ
ンス１４を介して出力部１３と接続されている。出力部
１３は発振部１２および出力指令変換部１８と接続され
ており、出力部１３は発振部１２から送られる発振波形
を、出力指令変換部１８から送られる駆動指令値（電圧
値と対応したデジタル値）に基づいた大きさに増幅して
出力トランス１４へ出力する。発振部１２は制御部２０
からのＯＮ／ＯＦＦ指令に従い、周波数補正部１０から
入力される電圧に応じた周波数の発振波形を出力部１３
へ出力する。

【００１３】発振周波数設定部１１は、制御部２０によ
って予め設定された発振周波数に応じた電圧を周波数補
正部１０に出力する。周波数補正部１０は位相比較部１
０ａと加減演算部１０ｂより構成される。位相比較部１
０ａは出力トランス１４の出力側の電圧と電流の位相差
に応じた電圧を出力する。この電圧は、発振周波数設定
部１１から出力された電圧と加減演算され、演算結果は
発振部１２に対して出力される。これにより、ボンディ
ングツール２の共振周波数との偏差が補正され、出力ト
ランス１４からの出力は、電圧・電流の位相差がない状
態で超音波振動子５を駆動する。出力部１３および出力
トランス１４は、駆動指令値に基づいて超音波振動子５
を駆動する振動子駆動手段となっている。

【００１４】出力トランス１４の出力側には電力測定部
１５が接続されており、電力測定部１５は出力側の電流
および電圧を検出することにより超音波振動子５の駆動
によって消費される電力値を測定する。測定された電力
値は、当該電力値と対応する駆動指令値と関連づけられ
た形で、すなわち電力値と駆動指令値との相関関係を示
すデータとして電力測定値記憶部１７に記憶される。電
力測定値記憶部１７は出力指令変換部１８と接続されて
いる。出力指令変換部１８は制御部２０から出力される
出力指令値、すなわち超音波振動子５の駆動電力の大き
さを指令する電力値を受け取り、前述の電力値と駆動指
令値との相関関係のデータに基づいてこの電力値を対応
する駆動指令値に変換する。変換された駆動指令値は出
力部１３に対して出力される。

【００１５】ここで、制御部２０は出力部１３に対して
任意の駆動指令値を出力できるようになっており、所定
の駆動指令値を出力したときの電力値を電力測定部１５
によって測定し、この測定結果から前述の電力値と駆動
指令値との相関関係のデータを求めることができるよう
になっている。

【００１６】ボンディングヘッド駆動部２２はボンディ
ングヘッド駆動手段を駆動する。制御部２０によってボ
ンディングヘッド駆動部２２を制御することにより、ボ
ンディングヘッド駆動手段６の動作が制御される。また
記憶部２１には、ボンディング条件、すなわちボンディ
ング荷重、ボンディング時間、振動子駆動電力などのデ
ータが各ボンディングツール、および半導体チップの種
類毎に記憶されている。そしてボンディング動作時には
これらのデータが制御部２０に読み出され、これらのデ
ータに基づいてボンディング条件が設定される。

【００１７】次に図２、図３を参照して電力測定処理お
よび電力と駆動指令値との相関関係のデータについて説
明する。図２は電力測定部１５によって行われる電力測
定のフローを示すものである。ここでは、電圧の大きさ
に相当する駆動指令値を０〜２５５ｂｉｔの間で変化さ
せ、各駆動指令値に対応する電力値を求める測定処理が
行われる。まず［駆動指令値］を０に設定する（ＳＴ
１）。次に、［駆動指令値］に所定の測定ピッチを示す
数値Ｈを加算した［駆動指令値］を出力する（ＳＴ２，
ＳＴ３）。この後発振部１２の発振をＯＮにし（ＳＴ
４）、この状態で電力測定部１５により電力値を測定す
る（ＳＴ５）。

【００１８】この後発振部１２の発振をＯＦＦにし（Ｓ
Ｔ６）、次いで［駆動指令値］＋Ｈが所定測定範囲の上
限である２５５より大きいか否かを判断する（ＳＴ
７）。ここでＮＯならば、ＳＴ２に戻って同様の測定ス
テップを反復し、ＹＥＳであれば所定の測定が完了した
と判断して電力測定処理を終了する。

【００１９】この電力測定処理により、図３に示すよう
に駆動指令値と実際に超音波振動子５の駆動に消費され
た電力との相関関係を示すグラフが求められる。図３中
に示すグラフａ，ｂ，ｃは同一品種のボンディングツー
ルについて、異なる３つの個体を対象として求められた
ものである。図３から判るように、同一品種のボンディ
ングツールであっても、測定結果を示すグラフは必ずし
も一致しない。すなわち各ボンディングツールによって
振動伝達のインピーダンスが異なり、したがって振動特
性が異なったものとなっている。

【００２０】このため同一振幅を得るために、同一電力
値Ｗ１で超音波振動子５を駆動しようとすれば、ボンデ
ィングツールの個体によって駆動指令値をＶａ，Ｖｂ，
Ｖｃのように異なる値に設定しなければならない。この
ようなボンディングツールの個体差は、組み立て時の部
品相互の締め付け具合の相違などによって発生するもの
である。

【００２１】この超音波ボンディング装置は上記のよう
に構成されており、以下動作について説明する。図１に
おいて、ボンディングツール２の圧着子２ａに半導体チ
ップ３を保持させた状態で、半導体チップ３を基板４に
対して押圧するとともに、超音波振動子５を駆動する。
このとき、制御部２０は記憶部２１からボンディング条
件のデータを読み出して所定のボンディング条件でボン
ディングが行われるよう制御する。

【００２２】例えば図４に示すようにボンディング工程
の前半においては、より小さい電力値Ｗ１で超音波振動
子５を駆動し、より大きな荷重Ｆ１で押圧する。そして
ボンディング工程の後半では、より大きな電力値Ｗ２で
超音波振動子５を駆動するとともに、小さい荷重Ｆ１で
半導体チップ３を押圧する。

【００２３】このボンディング条件の切り換えにおい
て、超音波振動子５の駆動条件については、前述の電力
値と駆動指令値の相関関係のデータに基づいて駆動条件
が切り換えられ、使用されるボンディングツール２の個
体が異なる場合においても常に一定の駆動電力が確保さ
れるように駆動指令値が設定される。これにより、ボン
ディングツールの個体差に起因する振動特性のばらつき
を排除して、常に一定の振幅によって超音波ボンディン
グを行うことができ、ボンディング品質を安定させるこ
とが可能となる。

【００２４】なお本実施の形態では、半導体チップを基
板に超音波振動によってボンディングする例を示した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばワ
イヤを基板や半導体チップの電極にボンディングするワ
イヤボンディングを対象としたものであってもよい。こ
の場合には、ワイヤを導くキャピラリツールに振動を伝
達するホーン部材に装着された超音波振動子の駆動につ
いて本発明が適用される。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、超音波振動子によって
消費される電力値と前記駆動指令値との相関関係のデー
タを個々のボンディングツール毎に個別に求めて電力測
定値記憶部に記憶させておき、ボンディング動作時には
制御部から出力される電力値を出力指令変換部によって
前記相関関係のデータに基づいて駆動指令値に変換し、
この駆動指令値を振動子駆動手段に出力するようにした
ので、異なる個体のボンディングツールと交換した場合
においても常に同一電力値によって超音波振動視を駆動
して、ボンディングツールに付与される超音波振動の振
幅を一定に保ってボンディング品質を安定させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の超音波ボンディング装
置の構成を示すブロック図

【図２】本発明の一実施の形態の超音波ボンディング装
置の電力測定処理を示すフロー図

【図３】本発明の一実施の形態の電力値と駆動指令値と
の相関関係のデータを示すグラフ

【図４】本発明の一実施の形態の超音波ボンディングに
おける超音波振動の電力値およびボンディング荷電の変
化を示すグラフ

【符号の説明】

２ ボンディングツール ３ 半導体チップ ４ 基板 ５ 超音波振動子 １３ 出力部 １４ 出力トランス １５ 電力測定部 １７ 電力測定値記憶部 １８ 出力指令変換部 ２０ 制御部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ボンディング対象物に荷重と超音波振動を
   作用させながら被接合面に圧着する超音波ボンディング
   装置であって、前記ボンディング対象物に当接するボン
   ディングツールと、このボンディングツールに超音波振
   動を付与する超音波振動子と、駆動指令値に基づいてこ
   の振動子を駆動する振動子駆動手段と、前記超音波振動
   子によってボンディングツールに超音波振動を付与する
   際に超音波振動子によって消費される電力値と前記駆動
   指令値との相関関係のデータを個々のボンディングツー
   ル毎に個別に記憶する電力測定値記憶部と、制御部より
   出力された電力値を前記電力値と駆動指令値との相関関
   係のデータに基づいて駆動指令値に変換し前記振動子駆
   動手段に対して出力する出力指令変換部とを備えたこと
   を特徴とする超音波ボンディング装置。
2. 【請求項２】ボンディング対象物にボンディングツール
   によって荷重と超音波振動を作用させながら被接合面に
   圧着するボンディング方法であって、超音波振動子によ
   って前記ボンディングツールに超音波振動を付与する際
   に超音波振動子によって消費される電力値と駆動指令値
   との相関関係のデータを個々のボンディングツール毎に
   個別に求めて電力測定値記憶部に記憶させておき、ボン
   ディング動作時には制御部から出力される電力値を出力
   指令変換部によって前記相関関係のデータに基づいて駆
   動指令値に変換し、この駆動指令値を振動子駆動手段に
   出力することにより前記超音波振動子を所定電力値で駆
   動して前記ボンディングツールに超音波振動を付与する
   ことを特徴とするボンディング方法。