JP2006165005A - 超音波振動検出器およびこれを用いた超音波ボンダー - Google Patents

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Abstract

【課題】 構造が簡単でありながら、測定対象とする箇所以外の超音波振動を確実に遮断でき、測定対象とする箇所からの超音波振動のみを正確に検出することができる超音波振動検出器と、この超音波振動検出器を用いた超音波ボンダーを提供する。
【解決手段】 音−電気変換素子を用いて超音波振動を電気信号に変換するようにした非接触式の超音波振動検出器１７において、音−電気変換素子たる圧電素子１８の超音波受波面１８ａの前面位置に、超音波導波孔２０を備えた超音波遮蔽部材１９を取り付けた。また、超音波遮蔽部材２０の外形状を前方側に向かってその径が縮小していく円錐形状とした。さらに、上記超音波振動検出器１７を用いて、超音波ホーン１やキャピラリー４の振動状態を検出する超音波振動測定手段を備えた超音波ボンダーを構築した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体組立装置の一種である超音波ボンダーにおけるキャピラリーや超音波ホーンなどの超音波振動部材の振動状態を検出する超音波振動検出器と、この超音波振動検出器を用いた超音波ボンダーに関するものである。
超音波ボンダーにおけるボンディング状態の良否、キャピラリーの消耗状態や交換時期などを監視するには、キャピラリーや超音波ホーンなどの超音波振動部材の振動状態を検出して監視する必要がある。
従来、キャピラリーや超音波ホーンなどの超音波振動部材の超音波振動を検出してその振動状態を測定する超音波振動測定手段を備えた超音波ボンダーとして、特許文献１に記載されているような接合装置が提案されている。この特許文献１に記載の接合装置（超音波ボンダー）は、図７に示すように、Ｘ−Ｙテーブル１上に載置されたＺ可動機構２に超音波ホーン３が取り付けられ、この超音波ホーン３の先端にキャピラリー４が取り付けられている。
超音波ホーン３の他端には超音波発振器６に接続された超音波振動子５が連結され、制御部１０の制御の下、超音波振動子５によって超音波振動が生起される。この超音波振動は、超音波ホーン３を介してキャピラリー４に伝わり、キャピラリー４中を通る金線（ボンディングワイヤ）と半導体チップなどのワーク１１の間に摩擦を生じさせ、両者間の接合を行なうものである。
そして、特許文献１に記載の接合装置の場合、超音波ホーン３またはキャピラリー４と向かい合わせるようにして超音波振動検出器７を設置し、この超音波振動検出器７で検出した超音波振動の検出信号を演算回路２を介して表示器８および判定器９に送り、検出波形などを表示器８に表示するとともに、判定器９にて超音波振動状態の良否を判定するようにしたものである。
特開２０００−４７９４４号公報（全頁、全図）
上記特許文献１に記載の接合装置では、超音波振動検出器７として圧電素子やレーザビームを利用した接触式あるいは非接触式の検出器を用いている。
接触式の超音波振動検出器の場合、超音波ホーンやキャピラリーに接触する検出器自体が超音波振動の負荷となり、超音波振動検出器を付けたときと付けないときとで振幅量が変わってしまい、装置の設定が難しいという問題があった。
一方、圧電素子などを利用した非接触式の検出器の場合、超音波ホーンやキャピラリーから放射された超音波振動はそれぞれの振動部位から四方へ拡散しながら伝播していくため、例えば図８に示すように、キャピラリー４の超音波振動を検出するために超音波振動検出器７をキャピラリー４に向けて対向配置したとしても、キャピラリー４からの超音波Ｓ１を受信するだけでなく、超音波ホーン３からの超音波Ｓ２も受信してしまい、測定結果に影響を与えてしまうという問題があった。
また、金線とワーク１１とを接合するボンディング時にはキャピラリー４の先端に負荷がかかり、キャピラリー４の保持部の応力が微妙に変化する。このため、例えば図９に示すように、ボンディング時と非ボンディング時とでキャピラリー各部の振動振幅が変化してしまう。上記したように従来の超音波振動検出器７の場合、キャピラリー４から放射される超音波と超音波ホーン３から放射される超音波を区別できないため、超音波振動検出器７で超音波振動を検出しても、キャピラリー４と超音波ホーン３からなる超音波振動部材全体の振動特性が全体的に変化したのか、あるいはキャピラリー４のみの振幅比率が変わったのか、正確に判別できないという問題もあった。
一方、レーザービームを利用した非接触式の超音波振動検出器の場合、レーザー光源から放射されたレーザービームをビームスプリッタで測定光と参照光の２系統に分け、測定対象物に当たってはね返ってきた反射光と参照光との間の位相変化などを利用して超音波振動の周波数や振幅などを測定しているが、一般的にレーザー装置の構成は複雑で大型なものとなりやすく、種々の部材や機構を高密度実装された超音波ボンダーの周りに装置を設置するための十分なスペースを確保することが困難である。また、高い設置精度が求められるため、設置作業にも高度の技術を要し、設備コストが大きくなるとともに、検出器自体も圧電素子などを用いた検出器に比べて格段に高価なものになるという問題があった。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、圧電素子やマイクロホンなどの安価な音−電気変換素子を用いた非接触式の超音波振動検出器と、これを用いた超音波ボンダーの改良に関するもので、構造が簡単でありながら、測定対象とする箇所以外の超音波振動を確実に遮断でき、測定対象とする箇所からの超音波振動のみを正確に検出することができる超音波振動検出器と、この超音波振動検出器を用いた超音波ボンダーを提供することを目的とするものである。
上記目的を達成するため、請求項１記載の超音波振動検出器は、音−電気変換素子を用いて超音波振動を電気信号に変換するようにした非接触式の超音波振動検出器において、音−電気変換素子の超音波受波面の前面位置に、超音波導波孔を備えた超音波遮蔽部材を取り付けたことを特徴とするものである。
請求項２記載の超音波振動検出器は、前記請求項１記載の超音波振動検出器において、前記音−電気信号変換素子として圧電素子を用いるとともに、前記超音波遮蔽部材の外形状を前方側に向かってその径が縮小していく円錐形状とし、該円錐形の先端位置に超音波導波孔を形成したことを特徴とするものである。
請求項３記載の超音波振動検出器は、前記請求項１記載の超音波振動検出器において、前記音−電気信号変換素子として圧電素子を用いるとともに、前記超音波遮蔽部材の外形状を前方側に向かってその径が縮小していく中実な円錐形状とし、該中実部を貫くようにして、円錐形先端から圧電素子前面位置まで達する超音波導波孔を形成したことを特徴としたものである。
請求項４記載の超音波振動検出器は、 請求項３記載の超音波振動検出器は、前記請求項１記載の超音波振動検出器において、前記音−電気信号変換素子として圧電素子を用いるとともに、前記超音波遮蔽部材の外形状を円筒形状とし、該円筒形状になる超音波遮蔽部材の筒状孔部を超音波導波孔としたことを特徴とするものである。
また、請求項５記載の超音波ボンダーは、測定対象とする超音波振動部材の超音波振動を検出し、該検出信号に基づいて超音波振動部材の振動状態を判定する超音波振動測定手段を備えた超音波ボンダーにおいて、前記超音波振動測定手段の超音波振動検出器として前記請求項１〜４のいずれかに記載の超音波振動検出器を用いたことを特徴とするものである。
請求項１記載の超音波振動検出器によれば、音−電気変換素子の超音波受波面の前面位置に、超音波導波孔を備えた超音波遮蔽部材を配置したので、超音波導波孔に対して斜めに交わる超音波は遮断され、超音波導波孔に対して平行に進行してくる超音波のみを受信することができる。このため、超音波導波孔を向けた方向から伝播してくる超音波振動のみを選択的に受信することができ、目的とする箇所の超音波振動状態を正確に検出することができる。
請求項２記載の超音波振動検出器によれば、音−電気信号変換素子として圧電素子を用いるとともに、超音波遮蔽部材の外形状を前方側に向かって径が縮小していく円錐形状とし、該円錐形の先端位置に超音波導波孔を形成したので、斜めに入射してくる超音波については円錐形状をした超音波遮蔽部材の外表面で効率的に反射することができ、より確実に目的とする箇所の超音波振動のみを検出することができる。
請求項３記載の超音波振動検出器によれば、音−電気信号変換素子として圧電素子を用いるとともに、超音波遮蔽部材の外形状を前方側に向かってその径が縮小していく中実な円錐形状とし、該中実部を貫くようにして、円錐形先端から圧電素子前面位置まで達する超音波導波孔を形成したので、超音波導波孔の長さを十分に長くすることができ、超音波導波孔の軸心方向に沿った超音波だけをより確実に受信することができる。
請求項４記載の超音波振動検出器によれば、超音波遮蔽部材の外形状を円筒形状とし、該円筒形状になる超音波遮蔽部材の筒状孔部を超音波導波孔としたので、より構造が簡単でありながら超音波導波孔の長さを十分に長くすることができ、超音波導波孔の軸心方向に沿った超音波だけをより確実に受信することができる。
請求項５記載の超音波ボンダーによれば、超音波振動検出器として請求項１または２記載の超音波振動検出器を用いているので、目的とする箇所の超音波振動のみを確実に検出することができ、超音波ボンダーにおけるボンディング状態の良否、キャピラリーの消耗状態や交換時期などを正確に判定することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施の形態を示すもので、（ａ）は本発明に係る超音波振動検出器１７の要部断面図、（ｂ）は該超音波振動検出器によるキャピラリーの超音波振動検出の説明図である。なお、超音波振動検出器１７以外の部分の回路構成は、前述した従来の超音波ボンダー（図７）と同じであるから、超音波振動検出器１７以外の部分の詳細については、図示は省略する。
図１（ａ）の超音波振動検出器１７は、音−電気変換素子として圧電素子１８を用い、この圧電素子１８の超音波受波面１８ａの前面位置に、前方に向かってその径が縮小していく円錐形状をした超音波遮蔽部材１９を取り付け、この円錐形状をした超音波遮蔽部材１９の先端位置に超音波導波孔２０を形成したものである。
圧電素子１８の超音波受波面１８ａの前面に円錐形状になる超音波遮蔽部材１９を取り付けた超音波振動検出器１７を、例えば図１（ｂ）に示すように、筒状になる超音波導波孔２０の中心軸線がキャピラリー４の測定対象とする部位と垂直に交わるように対向配置すると、キャピラリー４の測定対象部位から放射された超音波Ｓ１はそのまま超音波遮蔽部材１９先端の超音波導波孔２０を通って圧電素子１８の超音波受波面１８ａに達し、圧電素子１８によって受信される。
一方、超音波導波孔２０の中心軸線と垂直に対向していない部位や部材から放射される超音波、例えば超音波ホーン３の先端面から放射される超音波Ｓ２は、円錐形状をした超音波遮蔽部材１９の外周面で反射され、超音波遮蔽部材１９の内部に入り込むことができない。このため、超音波ホーン３からの超音波は遮蔽され、目的とするキャピラリー４からの超音波のみを選択的に受信することができる。
このようにして受信したキャピラリー４の超音波振動は、圧電素子１８によって電気信号に変換され、図７に示された演算回路１２において所定形式の信号に変換された後、表示器８に表示されるとともに、判定器９によってその振動状態が判定される。そして、その判定結果は制御部１０にフィードバックされ、超音波発振器６をフィードバック制御することにより、安定した超音波振動を実現することができる。
なお、上記圧電素子１８による超音波振動から電気信号への変換に際しては、超音波振動子５に供給される駆動信号の周波数と圧電素子の共振周波数とが一致しないように設定することが望ましい。
すなわち、図２に示すように、圧電素子１８はそのインピーダンス特性に共振性（共振周波数ｆ０）を有するが、超音波振動子５に供給される駆動信号の周波数がこの共振周波数ｆ０と同じか、あるいはその近辺の周波数（図２中の点線で囲んだ部分）であると、駆動信号の周波数がわずかに変動しても圧電素子１８の出力信号が大きく変化してしまい、正確な測定ができなくなるおそれがある。
したがって、超音波振動検出器１７の使用に際しては、超音波振動子５の駆動周波数が圧電素子１８の共振周波数ｆ０およびその近辺から外れた範囲（例えば、図２中の実線で囲んだ範囲）となるようにし、駆動信号の周波数が変化しても圧電素子１８の出力が大きく変化しないようにすることが望ましい。
演算回路１２（図７）は、上記圧電素子１８によって電気信号に変換された超音波振動の出力信号を以後の判定処理に都合のよい信号形式、例えばフーリエ変換して周波数スペクトル信号に変換したり、あるいは整流処理してエンベロープ（包絡線）信号に変換する。また、場合によっては圧電素子１８から出力される超音波振動信号をそのまま表示器８に送り、モニタ画面上に波形表示するようにしてもよい。
判定器９は、周波数スペクトルのピーク位置の状態やエンベロープ波形の状態からキャピラリー４の振動状態を判定し、その結果を制御部１０に送り、超音波発信器６をフィードバック制御する。
なお、負荷変動の場合、超音波振動検出器１７で検出された超音波振動信号は周波数不変で信号振幅のみが変動するいわゆる振幅変調信号となる。このため、フーリエ変換しても振動状態の変化を取り出すことは難しい。このような場合には、検出した超音波振動信号を一旦エンベロープ（包絡線）信号に変換した後、フーリエ変換するようにすれば、負荷変動による振動状態の変化を検出することができる。
図３にキャピラリーの振動振幅の変化に対する超音波振動検出器１７の出力特性を示す。超音波振動の振幅は測定誤差のほとんどないレーザー測定器で測定し、このときの振動振幅に対する超音波振動検出器１７の出力をプロットした。（ａ）はキャピラリーの振動振幅を発振周波数１２０ＫＨｚのレーザー測定器で測定した時の超音波振動検出器の出力特性図、（ｂ）はキャピラリーの振幅を発振周波数１４０ＫＨｚのレーザー測定器で測定した時の超音波振動検出器の出力特性図である。
図３（ａ）（ｂ）から明らかなように、本発明の超音波振動検出器１７は、キャピラリー４の振動振幅の変化に正確に追従して出力特性が変化していることがわかる。振動振幅の変化に対する出力電圧変化の追従精度は０．９９以上であり、キャピラリーや超音波ホーンなどの超音波振動部材の超音波振動監視に用いて十分な精度を有していることが分かる。
以上のようにして、圧電素子１８の前面に円錐形状をした超音波遮蔽部材１９を取り付けることにより、目的とする測定対象物（キャピラリー４や超音波ホーン３など）からの超音波振動のみを選択的に正確に検出することができる。しかしながら、例えばキャピラリー４を例にとると分かるように、キャピラリー４の実際の形状は先端側が細く尖っているため、超音波の放射面積はキャピラリーの先端側に行くに従って小さくなり、これに伴って超音波の放射強度も小さくなる。
したがって、より正確に超音波振動を検出するには、予め測定基準となるレーザー測定器でキャピラリーの振動振幅を求め、超音波振動検出器１７で検出したキャピラリーの振動振幅に対する補正用データを算出しておき、実際に検出された超音波振動検出器１７の出力をキャピラリーの位置によって補正することが望ましい。
図４にこの出力補正の例を示す。この図４は、キャピラリー４についての出力補正の例を示すもので、実線Ａはレーザー測定器によって測定した振動振幅曲線、点線Ｂは超音波振動検出器１７で検出された補正前の振動振幅曲線、実線Ｃは補正後の振動振幅曲線である。このように超音波振動検出器で検出された振動振幅の値を補正すれば、超音波放射面積の違いによる影響を可能な限り小さくすることができる。
図５に、本発明に係る超音波振動検出器の第２の実施の形態を示す。
この第２の実施の形態に係る超音波振動検出器１７は、超音波遮蔽部材１９の外形状を前方側に向かってその径が縮小していく中実な円錐形状とし、該中実部を貫くようにして、円錐形先端から圧電素子１８の前面位置まで達する断面円形状の超音波導波孔２０を形成したものである。このような構造とした場合には、超音波導波孔２０の長さを十分に長くすることができ、超音波導波孔２０の軸心方向に沿った超音波だけをより確実に受信することができる。
図６に、本発明に係る超音波振動検出器の第３の実施の形態を示す。
この第３の実施の形態に係る超音波振動検出器１７は、超音波遮蔽部材１９の外形状を円筒形状とし、該円筒形状になる超音波遮蔽部材１９の筒状孔部を超音波導波孔２０としたものである。このような構造とした場合には、より構造が簡単でありながら超音波導波孔２０の長さを十分に長くすることができ、超音波導波孔２０の軸心方向に沿った超音波だけをより確実に受信することができる。
なお、上記各実施の形態では、超音波振動を電気信号に変換するための音−電気変換素子として圧電素子１８を用いた場合を例にとって示したが、音−電気変換素子としては圧電素子に限られるものではなく、超音波振動を電気信号に変換可能な素子や部材（例えば、マイクロホンなど）であれば用いることができる。
本発明の一実施の形態を示すもので、（ａ）は超音波振動検出器の要部断面図、（ｂ）はこの超音波振動検出器によるキャピラリーの振動振幅検出の説明図である。 圧電素子のインピーダンス特性を示す図である。 本発明の超音波振動検出器の出力特性を示すもので、（ａ）はキャピラリーの振動振幅を発振周波数１２０ＫＨｚのレーザー測定器で測定した時の超音波振動検出器の出力特性図、（ｂ）はキャピラリーの振幅を発振周波数１４０ＫＨｚのレーザー測定器で測定した時の超音波振動検出器の出力特性図である。 超音波振動検出器の出力補正の例を示す図である。 本発明に係る超音波振動検出器の第２の実施の形態を示す図である。 本発明に係る超音波振動検出器の第３の実施の形態を示す図である。 従来の超音波ボンダー（接合装置）の構成例を示す図である。 従来の超音波ボンダー（接合装置）における超音波振動検出器の超音波受信状態の説明図である。 キャピラリー各部の超音波振動状態の説明図である。
符号の説明
１ Ｘ−Ｙテーブル
２ Ｚ可動機構
３ 超音波ホーン
４ キャピラリー
５ 超音波振動子
６ 超音波発振器
８ 表示器
９ 判定器
１０ 制御部
１１ ワーク
１２ 演算回路
１７ 超音波振動検出器
１８ 圧電素子（音−電気変換素子）
１８ａ 超音波受波面
１９ 超音波遮蔽部材
２０ 超音波導波孔

Claims (5)

  1. 音−電気変換素子を用いて超音波振動を電気信号に変換するようにした非接触式の超音波振動検出器において、音−電気変換素子の超音波受波面の前面位置に、超音波導波孔を備えた超音波遮蔽部材を取り付けたことを特徴とする超音波振動検出器。
  2. 前記音−電気信号変換素子として圧電素子を用いるとともに、前記超音波遮蔽部材の外形状を前方側に向かってその径が縮小していく円錐形状とし、該円錐形の先端位置に超音波導波孔を形成したことを特徴とする請求項１記載の超音波振動検出器。
  3. 前記音−電気信号変換素子として圧電素子を用いるとともに、前記超音波遮蔽部材の外形状を前方側に向かってその径が縮小していく中実な円錐形状とし、該中実部を貫くようにして、円錐形先端から圧電素子前面位置まで達する超音波導波孔を形成したことを特徴とする請求項１記載の超音波振動検出器。
  4. 前記音−電気信号変換素子として圧電素子を用いるとともに、前記超音波遮蔽部材の外形状を円筒形状とし、該円筒形状になる超音波遮蔽部材の筒状孔部を超音波導波孔としたことを特徴とする請求項１記載の超音波振動検出器。
  5. 測定対象とする超音波振動部材の超音波振動を検出し、該検出信号に基づいて超音波振動部材の振動状態を判定する超音波振動測定手段を備えた超音波ボンダーにおいて、前記超音波振動測定手段の超音波振動検出器として前記請求項１〜４のいずれかに記載の超音波振動検出器を用いたことを特徴とする超音波ボンダー。
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