JP2003053263A - 超音波ボンディング装置及び超音波ボンディング方法 - Google Patents
超音波ボンディング装置及び超音波ボンディング方法Info
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Abstract
で計測することができ、振動特性を一定に保つことがで
きる超音波ボンディング装置及び超音波ボンディング方
法を提供することを目的とする。 【解決手段】 電子部品3をボンディングツール6によ
って基板2にボンディングする超音波ボンディング装置
において、移動テーブル1に振動計側ステージ4を設
け、良好なボンディング品質が得られる状態でボンディ
ングツール6の接合作用部6aを振動計側ステージ4に
当接させて振動状態を計測し、このときの振動計測結果
を基準振動パターンとして記憶部13に記憶させる。振
動状態の較性処理に際しては、振動計測結果と基準振動
パターンとを比較して超音波振動子7に対する駆動指令
値および昇降駆動部8に対する荷重指令値を調整するこ
とにより、振動特性を常に一定に保つことができる。
Description
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
置及び超音波ボンディング方法に関するものである。
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を有しており、このボン
ディングツール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。
ディング品質を得るためには、電子部品に伝達される振
動を一定に保つことが必要であるが、ボンディングツー
ルには、同一のボンディングツールであっても超音波振
動子の経時劣化や、構成部品の締結状態の緩みなど、各
種の要因により振動特性に変動を生じる場合がある。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。
振動状態一定に保つための較正処理を適宜行う必要があ
り、従来より超音波振動子の駆動電圧値や電流値を測定
しこれらの測定値を超音波振動の状態を示す代用パラメ
ータとして用いる方法などによってこの較正処理が行わ
れていた。
パラメータを用いる方法では、電子部品に対して作用す
る機械的な振動を直接計測するのではなく、この振動の
作用点から隔たった位置に装着される超音波振動子の振
動を電気的データとして求めるものであることから信頼
性が低く、必ずしも良好な較正結果が保証されていなか
った。
振動計などによって直接計測しようとすれば、高価でス
ペースを占有する計測機器をボンディングステージに設
置する必要があり、実用的方法とはいえないものであっ
た。このように従来の超音波ボンディング装置には、ボ
ンディングツールの振動状態を簡便な機構で計測するこ
とができず、振動特性を一定に保つことが困難であると
いう問題点があった。
動状態を簡便な機構で計測することができ、振動特性を
一定に保つことができる超音波ボンディング装置及び超
音波ボンディング方法を提供することを目的とする。
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、ボンディング対象物に当接する接
合作用部を有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、ボ
ンディングツールによってボンディング対象物に荷重を
付与する荷重付与手段と、超音波振動子に対する駆動指
令値および荷重付与手段に対する荷重指令値を入力する
入力手段と、接合作用部におけるボンディングツールの
振動状態をこの接合作用部に当接した状態で計測する振
動計測手段と、この振動計測結果を記憶する記憶手段
と、振動計測結果を表示する表示手段とを備えた。
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、ボンディング対象物に当接する接合作用部を有す
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、ボンディングツー
ルによってボンディング対象物に荷重を付与する荷重付
与手段と、超音波振動子に対する駆動指令値および荷重
付与手段に対する荷重指令値を入力する入力手段と、接
合作用部におけるボンディングツールの振動状態をこの
接合作用部に当接した状態で計測する振動計測手段と、
この振動計測結果を記憶する記憶手段と、この記憶手段
に記憶された特定状態における振動計測結果を示す基準
振動パターンと任意時点における振動計測結果とを比較
して荷重付与手段に対する荷重指令値およびまたは超音
波振動子を駆動する駆動指令値を補正することによりボ
ンディングツールの振動状態を補正する振動状態補正手
段とを備えた。
は、ボンディング対象物にボンディングツールの接合作
用部を介して荷重と超音波振動を作用させながら被接合
面に圧着する超音波ボンディング方法であって、接合作
用部におけるボンディングツールの振動状態をこの接合
作用部に当接した状態で計測する振動状態計測を特定状
態において行い、このときの振動計測結果を基準振動パ
ターンとして記憶させる工程と、任意時点における振動
計測結果と基準振動パターンとを表示手段によって表示
させる工程と、表示された振動計測結果と基準振動パタ
ーンとを比較して超音波振動子に対する駆動指令値およ
び荷重付与手段に対する荷重指令値を入力する工程とを
含む。
は、ボンディング対象物にボンディングツールの接合作
用部を介して荷重と超音波振動を作用させながら被接合
面に圧着する超音波ボンディング方法であって、接合作
用部におけるボンディングツールの振動状態をこの接合
作用部に当接した状態で計測する振動状態計測を特定状
態において行い、このときの振動計測結果を基準振動パ
ターンとして記憶させる工程と、任意時点における振動
計測結果と基準振動パターンとを比較して超音波振動子
に対する駆動指令値および荷重付与手段に対する荷重指
令値を振動状態補正手段によって補正する工程とを含
む。
グツールの振動状態をこの接合作用部に当接した状態で
計測する振動計測手段を備え、この振動状態計測を特定
状態において行ってこのときの振動計測結果を基準振動
パターンとして記憶させる。そして振動状態の較正処理
に際しては、任意時点における振動計測結果と基準振動
パターンとを比較して超音波振動子に対する駆動指令値
および荷重付与手段に対する荷重指令値を調整すること
により、振動特性を常に一定に保つことができる。
実施の形態1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(a)は本発明の実施の形態1の超音波
ボンディング装置の振動計測ステージの斜視図、図2
(b)は本発明の実施の形態1の超音波ボンディング装
置の振動計測ステージの断面図、図3は本発明の実施の
形態1の超音波ボンディング装置の基準振動パターン取
得処理のフローチャート、図4は本発明の実施の形態1
の超音波ボンディング装置の基準振動パターン取得処理
の説明図、図5は本発明の実施の形態1の超音波ボンデ
ィング装置の基準振動パターンを示すグラフ、図6は本
発明の実施の形態1の超音波ボンディング装置の振動状
態較正処理のフローチャート、図7は本発明の実施の形
態1の超音波ボンディング装置の振動状態較正処理の説
明図である。
置の構成を説明する。図1において、移動テーブル1上
の基板保持部1aには、基板2が保持されている。基板
2には電子部品3がボンディングされる。移動テーブル
1はテーブル駆動部9によって駆動され、これにより基
板2は水平方向に移動する。基板保持部1aの側方に
は、振動計測ステージ4が配設されている。振動計測ス
テージ4は計測手段10に接続されており、後述するよ
うに振動計測ステージ4および計測手段10はボンディ
ングツール6の振動状態をボンディング対象物との当接
位置において計測する振動計測手段となっている。
機構5が配設されている。ボンディング機構5は、ボン
ディングツール6によりボンディング対象物である電子
部品3をボンディングする。ボンディングツール6には
下方に突出した接合作用部6aが設けられており、接合
作用部6aは電子部品3の上面に当接し、電子部品3を
真空吸着により保持する。またボンディングツール6の
一方側の端部には超音波振動子7が装着されており、振
動子駆動部11によって超音波振動子7を駆動すること
により、ボンディングツール6には超音波振動が付与さ
れる。
に装着され、更に昇降ブロック8aは昇降駆動部8に結
合されている。接合作用部6aに電子部品3を保持した
状態で、制御部12によって昇降駆動部8を制御するこ
とにより、電子部品3を基板2に対して昇降させること
ができるとともに、電子部品3を基板2に対して所定の
荷重で押圧することができる。したがって、昇降駆動部
8は電子部品3に荷重を付与する荷重付与手段となって
いる。そしてこの状態で超音波振動子7を駆動すること
により、電子部品3は基板2に荷重と超音波振動により
ボンディングされる。
9、計測手段10、振動子駆動部11および昇降駆動部
8は制御部12に接続されている。制御部12によって
テーブル駆動部9を制御することにより、基板2をボン
ディング機構5に対して相対的に位置決めし、また振動
計測時には振動計側ステージ4をボンディング機構5の
下方に位置させる。振動計測ステージ4の歪みゲージ2
1からの信号は計測手段10によって計測され、この計
測結果は制御部12に伝達される。
動指令値を送出し、振動子駆動部11はこの駆動指令値
に基づいて超音波振動子7を駆動する。これにより、超
音波振動子7は駆動指令値に応じた超音波出力でボンデ
ィングツール6に対して超音波振動を付与する。また制
御部12は昇降駆動部8に対して荷重指令値を送出し、
昇降駆動部8はこの荷重指令値に応じた荷重でボンディ
ングツール6を基板2または振動計測ステージ4に対し
て押圧する。
4、操作・入力部15が接続されている。記憶部13
(記憶手段)は、各電子部品種類毎のボンディング条件
や、歪みゲージ21および計測手段10によって計測さ
れた振動計測結果を記憶する。この振動計測結果には、
後述するボンディングツール6の基準振動パターンが含
まれる。操作・入力部15は、駆動指令値や荷重指令値
などのボンディング装置の操作入力や記憶部13に記憶
されるデータ入力を行う。操作・入力部15は、超音波
振動子7に対する駆動指令値および昇降駆動部8に対す
る荷重指令値を入力する入力手段となっている。表示部
14は、操作・入力部15によるデータ入力時の案内画
面の表示や、後述する振動状態較正時の波形表示を行
う。表示部14は、振動計測結果を表示する表示手段と
なっている。
の構成について説明する。図2(b)は、図2(a)の
A−A断面を示している。図2(a)、(b)に示すよ
うに、振動計側ステージ4には、絶縁層20を介して歪
みゲージ21が埋設されており、歪みゲージ21には計
測線22が接続されている。計測線22は、図1に示す
計測手段10に接続されており、図2(b)に示すよう
に、ボンディングツール6の接合作用部6aの下端部を
絶縁層20の上面に当接させた状態で超音波振動子7を
駆動すると、接合作用部6aによって絶縁層20に超音
波振動が伝達される。歪みゲージ21は、この超音波振
動による水平方向および垂直方向の2方向の歪みを計測
する。このような振動計側ステージ4を備えることによ
り、ボンディングツール6の振動状態計測を簡便な機構
で行うことができる。
得処理について説明する。この基準振動パターンは、特
定状態におけるボンディングツール6の接合作用部6a
の振動状態を示す振動パターン、すなわち電子部品3を
良好にボンディングできる条件に設定された状態におけ
るボンディングツール6の振動パターンである。後述す
る振動状態較正処理においては、この基準振動パターン
が再現されるように、超音波振動の駆動指令値やボンデ
ィングツール6の荷重指令値が設定される。
件出しを行う(ST1)。ここではボンディング条件
(荷重指令値や駆動指令値)を種々変化させながら、図
4(a)に示すように電子部品3を基板2に対してボン
ディングする。そしてボンディング後の品質評価によ
り、最適ボンディング条件を設定する(ST2)。次い
でこの最適ボンディング条件にて、ボンディングツール
6の振動計測を行う(ST3)。
ボンディング条件として定めた荷重指令値を昇降駆動部
8に送出してボンディングツール6の接合作用部6aの
当接面6bを振動計側ステージ4の上面に当接させ、上
記最適ボンディング条件として定めた駆動指令値を振動
子駆動部11に送出し、超音波振動子7を駆動させてボ
ンディングツール6を振動させたときの、歪みゲージ2
1による出力波形を取得する。
ーンとして記憶部13に記憶させる。これにより、図5
に示すような基準振動パターンの波形が記憶される。こ
こで、図5(a)、(b)にそれぞれ示すように、横振
動(歪みゲージ21の表面に平行な方向の振動)および
縦振動(前記方向に直交する方向の振動)を示す波形が
記憶される。
憶したら最適ボンディング条件にて電子部品3のボンデ
ィング作業(生産工程)を行う。ボンディング作業を行
うに従いボンディングツール6の振動特性は次第に変化
して行き、そのまま放置しておくとボンディング不良が
頻発してくる。そこでボンディング作業から所定時間も
しくは所定回数のボンディングを行ったら、以下に説明
する較正処理を行う。
6の振動状態の較正処理について説明する。まず制御部
12が現時点で最適ボンディング条件として記憶してい
る荷重指令値や駆動指令値を記憶部13から読み取って
設定する。そしてこの荷重指令値を昇降駆動部8へ出力
してボンディングツール6の接合作用部6aを振動計測
ステージ4に当接させ、駆動指令値を振動子駆動部11
へ出力して超音波振動子7を駆動させ、ボンディングツ
ール6を振動させる(ST11)。そしてこの状態で、
計測手段10による振動計測を実行する(ST12)。
記憶された基準振動パターン(図5参照)とともに、取
得された振動計測結果を表示部14のモニタに表示させ
る(ST13)。図7はこの表示画面に表示される計測
結果を示しており、横振動および縦振動の基準振動パタ
ーンを示す波形および計測波形が同一画面上に表示され
る。そして波形比較により、ボンディングツール6の振
動状態の適否を判定する(ST14)。すなわち、作業
者が表示された波形を目視観察することにより、計測波
形が基準振動パターンに対して所定の許容差異範囲内で
等価波形であると判定されたならば、計測波形によって
示される振動状態は良好であると判定し、このときの荷
重指令値と駆動指令値とを新たなボンディング条件とし
て記憶部13に記憶させる(ST16)。
動パターンの波形と計測波形が等価でないと判断したな
らば、各指令値につき補正値を入力する(ST15)。
例えば計測波形の振幅が基準振動パターンの波形の振幅
よりも小さい場合には、超音波出力を増加させる方向に
駆動指令値を補正するか、または押圧荷重を減少させる
方向に荷重指令値を補正する。
び荷重指令値が新たに設定される。そしてこの新たな設
定に基づいてボンディングツール6を振動させ(ST1
7)、(ST12)以降の処理が行われ、(ST14)
にて振動状態が適正であると判定されるまで同様の処理
が反復実行される。
否判定について説明する。上述のように、振動状態の適
否は、計測波形と基準振動パターンの波形とが等価であ
るか否かの度合いによって判定されるが、振動状態を示
す波形からどのような項目を等価判定における指標とし
て抽出するかは任意である。図7(a)、(b)に示す
ように、本実施の形態では横振動、縦振動についてそれ
ぞれ振動の最大振幅A0,B0を等価判定における指標
として用いている。
をそれぞれA0,B0と比較し、A1,B1がA0,B
0の許容範囲(例えば、90%〜110%の範囲)内に
ある場合に、計測波形は基準振動パターンの波形と等価
であると判定する。もちろん、最大振幅以外にも、振幅
の平均値や波形の面積から求められる振動の実効値など
各種の指標を演算により求め、これらを等価判定の指標
として用いるようにしてもよい。さらには、横振動と縦
振動のいずれか一方を用いて判定してもよい。
態2の超音波ボンディング装置の構成を示すブロック
図、図9は本発明の実施の形態2の超音波ボンディング
装置の振動状態自動較正処理のフローチャートである。
本実施の形態2は、実施の形態1における振動状態の較
正処理を、作業者による適否判断や指令値の補正入力を
行うことなく、自動的に行うようにしたものである。
施の形態1におけるものと同様の構成を備えており、本
実施の形態2では、制御部12に前述の振動状態補正処
理を行う振動状態補正処理部12aを備えている。振動
状態補正処理部12aは、任意時点において行われた振
動計測の結果を記憶部13に記憶された基準振動パター
ンと比較して偏差(例えば最大振幅の差など)を求める
演算を行い、この偏差に応じた荷重指令値や駆動指令値
の補正値を出力する。したがって本実施の形態2では制
御部12が振動状態補正手段となっている。
6の振動状態を適正な状態に自動設定する自動較正処理
について説明する。まず、現時点のボンディング条件に
基づいてボンディングツール6を振動させる(ST2
1)。すなわち、ボンディングツール6の接合作用部6
aを振動計側ステージ4に当接させ、前記荷重指令値に
てボンディングツール6を振動計側ステージ4に対して
押圧するとともに前記駆動指令値にて超音波振動を印加
する。そしてこの状態で、振動計測を実行する(ST2
2)。
2の振動状態補正処理部12aに送られ、ここで計測波
形を記憶部13に記憶された基準振動パターンと比較す
る処理が行われる(ST23)。すなわち、計測波形と
基準振動パターンの波形との偏差を求める演算を行う。
そして求められた偏差に基づいて、ボンディングツール
6の振動状態の適否を判定する(ST24)。ここで
は、求められた偏差が予め設定された許容値を超えてい
るか否かにより、計測波形が基準振動パターンの波形と
等価であるか否かが判定される。そして等価であると判
定されたならば、計測波形によって示される振動状態は
良好であると判定し、(ST21)において設定された
指令値をボンディング条件として記憶部13に記憶させ
る(ST26)。
動パターンと計測波形のパターンが等価でないと判定さ
れたならば、振動状態補正処理を行う(ST25)。す
なわち、(ST23)において求められた偏差を補正す
るのに必要な補正値を補正値データテーブルより読み取
る。そしてこれらの補正値を加味した上で超音波振動の
駆動指令値および荷重指令値が新たに設定される(ST
25)。
いてボンディングツール6を振動させ(ST27)、
(ST22)以降の処理が行われ、(ST24)にて振
動状態が適正であると判定されるまで同様の処理が反復
実行される。これにより、ボンディングツール6の振動
状態の較正処理を作業者による補正値の入力などの手動
操作を必要とせず、自動的に高精度で効率よく行うこと
ができる。
に示すボンディングツールの振動状態の較正処理は、ボ
ンディングツール6がボンディング対象物である電子部
品3に直接当接する接合作用部6aにおける機械的な振
動状態を計測によって求め、この接合作用部6aにおけ
る振動状態を、条件出しの結果最適ボンディング品質を
与える振動状態として求められた基準振動パターンとで
きるだけ一致させるよう、超音波出力や押圧荷重を調節
するものである。これにより、超音波振動子7の劣化や
ボンディングツール6の組立状態の経時変化などに拘わ
らず、ボンディングツール6の振動特性を常に良好に保
つことができる。
ンディングツールの振動状態をこの接合作用部に当接し
た状態で計測する振動計測手段を備え、この振動状態計
測を特定状態において行ってこのときの振動計測結果を
基準振動パターンとして記憶させる。そして振動状態の
較正処理に際しては、任意時点における振動計測結果と
基準振動パターンとを比較して超音波振動子に対する駆
動指令値および荷重付与手段に対する荷重指令値を調整
するようにしたので、超音波振動子の劣化やボンディン
グツールの組立状態の経時変化などに拘わらず、ボンデ
ィングツールの振動特性を常に良好に保つことができ
る。
置の構成を示すブロック図
ング装置の振動計測ステージの斜視図(b)本発明の実
施の形態1の超音波ボンディング装置の振動計測ステー
ジの断面図
置の基準振動パターン取得処理のフローチャート
置の基準振動パターン取得処理の説明図
置の基準振動パターンを示すグラフ
置の振動状態較正処理のフローチャート
置の振動状態較正処理の説明図
置の構成を示すブロック図
置の振動状態自動較正処理のフローチャート
Claims (4)
- 【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接合
作用部を有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、前記
ボンディングツールによってボンディング対象物に荷重
を付与する荷重付与手段と、前記超音波振動子に対する
駆動指令値および前記荷重付与手段に対する荷重指令値
を入力する入力手段と、前記接合作用部における前記ボ
ンディングツールの振動状態をこの接合作用部に当接し
た状態で計測する振動計測手段と、この振動計測結果を
記憶する記憶手段と、振動計測結果を表示する表示手段
とを備えたことを特徴とする超音波ボンディング装置。 - 【請求項2】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接合
作用部を有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、前記
ボンディングツールによってボンディング対象物に荷重
を付与する荷重付与手段と、前記超音波振動子に対する
駆動指令値および前記荷重付与手段に対する荷重指令値
を入力する入力手段と、前記接合作用部における前記ボ
ンディングツールの振動状態をこの接合作用部に当接し
た状態で計測する振動計測手段と、この振動計測結果を
記憶する記憶手段と、この記憶手段に記憶された特定状
態における振動計測結果を示す基準振動パターンと任意
時点における振動計測結果とを比較して前記荷重付与手
段に対する荷重指令値およびまたは超音波振動子を駆動
する駆動指令値を補正することによりボンディングツー
ルの振動状態を補正する振動状態補正手段とを備えたこ
とを特徴とする超音波ボンディング装置。 - 【請求項3】ボンディング対象物にボンディングツール
の接合作用部を介し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超音波ボンディング方法であっ
て、前記接合作用部における前記ボンディングツールの
振動状態をこの接合作用部に当接した状態で計測する振
動状態計測を特定状態において行い、このときの振動計
測結果を基準振動パターンとして記憶させる工程と、任
意時点における前記振動計測結果と前記基準振動パター
ンとを表示手段によって表示させる工程と、表示された
振動計測結果と前記基準振動パターンとを比較して前記
超音波振動子に対する駆動指令値および前記荷重付与手
段に対する荷重指令値を入力する工程とを含むことを特
徴とする超音波ボンディング方法。 - 【請求項4】ボンディング対象物にボンディングツール
の接合作用部を介し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超音波ボンディング方法であっ
て、前記接合作用部における前記ボンディングツールの
振動状態をこの接合作用部に当接した状態で計測する振
動状態計測を特定状態において行い、このときの振動計
測結果を基準振動パターンとして記憶させる工程と、任
意時点における前記振動計測結果と前記基準振動パター
ンとを比較して前記超音波振動子に対する駆動指令値お
よび前記荷重付与手段に対する荷重指令値を振動状態補
正手段によって補正する工程とを含むことを特徴とする
超音波ボンディング方法。
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