JP2012209601A - ワイヤボンディング装置の調節方法 - Google Patents

Abstract

【課題】的確なワイヤボンディングを可能にするワイヤボンディング装置の調節方法を提供する。
【解決手段】 超音波振動を伝達するトランスデューサ１２と、トランスデューサ１２に交換可能に取り付けられるキャピラリ１６とを備えるワイヤボンディング装置の調節方法であって、前記トランスデューサ１２に取り付ける前記キャピラリ１６の突出長さを変えた際における、前記トランスデューサ１２の先端の上端と下端とにおける縦振動方向の変位量を、測定器４０を用いて測定する工程と、前記測定による測定結果に基づき、前記キャピラリ１６を、前記上端と下端とにおける変位量の差が最小となる突出長さに設定して前記トランスデューサ１２に取り付ける工程とを備える。
【選択図】 図８

Description

本発明はワイヤボンディング特性を向上させるワイヤボンディング装置の調節方法に関する。

ワイヤボンディング装置は、半導体チップと配線基板とを電気的に接続する装置として広く用いられている。
図１２に、ワイヤボンディング装置を用いて、配線基板５と半導体チップ６とをワイヤボンディングする例を示す。ワイヤボンディング装置は、ボンディングヘッド１０と、ボンディングヘッド１０の駆動部２０と、ボンディングワイヤ３０の供給部とを備える。

ボンディングヘッド１０は、超音波振動を伝達するトランスデューサ１２と、トランスデューサ１２の基部に取り付けられた超音波発生源１４と、トランスデューサ１２の先端に取り付けられたキャピラリ１６とを備える。
キャピラリ１６は細い円筒状に形成され、ボンディングワイヤ３０はキャピラリ１６の上部から先端へキャピラリ１６内を通過して供給される。トランスデューサ１２の先端には、キャピラリ１６を交換可能に取り付けるキャピラリ保持部１３が設けられている。

図示例のワイヤボンディング装置においては、ファーストボンディングにより半導体チップ６の電極にボンディングワイヤ３０を接合し、セカンドボンディングにより配線基板５のパッドにボンディングワイヤ３０を接合する。ボンディングワイヤ３０を接合する操作は、キャピラリ１６によりボンディングワイヤ３０を電極等に押接しながら、キャピラリ１６に超音波振動を作用させることによってなされる。

特開平３−５７２３２号公報 特開平９−２８８０９６号公報 特開平１０−２０９１９９号公報 特開平１１−８７４３７号公報 特開平７−２２１１４１号公報

超音波振動を利用するワイヤボンディング装置においては、キャピラリ１６が取り付けられるトランスデューサ１２の先端が自由端であり、この先端が振動の腹となるように超音波発生源１４の振動数及びトランスデューサ１２の寸法等が設定されている。トランスデューサ１２に取り付けられるキャピラリ１６も、その材質や長さ等がトランスデューサ１２と一致して共振するように設定されている。

キャピラリ１６は消耗品であり、適宜交換して使用する。キャピラリ１６の交換は、取り付け用の治具を用いて、キャピラリ保持部１３からのキャピラリ１６の突出長さが一定になるように行われる。キャピラリ１６の突出長さとは、キャピラリ保持部１３に取り付けられているキャピラリ１６の根元位置からキャピラリ１６の先端までの長さである。しかしながら、キャピラリ１６は同一製品であっても、ヤング率、密度、ポアソン比といった材料特性や、外径、ボンディングワイヤを通す孔径といった形状がわずかながらばらついている。したがって、キャピラリ１６を所定の突出長となるように取り付けたとしても、ワイヤボンディング装置のボンディング特性が良好な状態から外れ、所定のボンディング特性が得られなくなるという問題が生じ得る。

多ピンの半導体チップを配線基板にワイヤボンディングする場合のように、電極やパッドのサイズが縮小すると、ボンディング強度のばらつきといったボンディング特性の劣化は、電気的接続の不良といった製品不良に直結する。このため、より高精度のワイヤボンディングを行うには、より的確にワイヤボンディング装置を調節する必要がある。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、的確なワイヤボンディングを可能にするワイヤボンディング装置の調節方法を提供することを目的とする。

本実施形態の一観点によれば、超音波振動を伝達するトランスデューサと、トランスデューサに交換可能に取り付けられるキャピラリとを備えるワイヤボンディング装置の調節方法であって、前記トランスデューサに取り付ける前記キャピラリの突出長さを変えた際における、前記トランスデューサの先端の上端と下端とにおける縦振動方向の変位量を、測定器を用いて測定する工程と、前記測定による測定結果に基づき、前記キャピラリを、前記上端と下端とにおける変位量の差が最小となる突出長さに設定して前記トランスデューサに取り付ける工程とを備えるワイヤボンディング装置の調節方法が提供される。

本発明によれば、超音波振動が印加された状態における、トランスデューサの先端における変位量を測定器を用いて測定し、その測定結果に基づいてキャピラリの取り付け位置を調節することにより、良好なワイヤボンディング特性が得られる状態に調節することができる。

ワイヤボンディング装置の構成（ａ）と、トランスデューサの振動状態（ｂ）を示す説明図である。 キャピラリが振動する状態を解析した図である。 キャピラリの振動状態を示すグラフである。 トランスデューサにおけるキャピラリの保持部が変位する状態を示すグラフである。 トランスデューサの先端部が上下方向に変位する状態を示すグラフである。 キャピラリの振動状態を測定する方法（ａ）、キャピラリの突出長さを調節する方法（ｂ）を示す説明図である。 キャピラリの振動状態を測定した結果を示すグラフである。 トランスデューサの先端部の上端と下端の変位量の差を測定する方法を示す説明図である。 トランスデューサの先端部の上端と下端の変位量の差を測定した結果を示すグラフである。 トランスデューサの先端部の上下方向の変位量を測定する方法を示す説明図である。 トランスデューサの先端部の上下方向の変位量を測定した結果を示すグラフである。 超音波振動を利用したワイヤボンディング装置の主要部の構成を示す説明図である。

以下、本発明に係るワイヤボンディング装置の調節方法について説明する。
（トランスデューサとキャピラリの作用）
本実施形態において使用するワイヤボンディング装置における基本構成は、図１２に示したワイヤボンディング装置と基本的に変わらない。図１（ａ）に、ワイヤボンディング装置の主要構成部分を示す。ワイヤボンディング装置は、トランスデューサ１２、超音波発生源１４及びキャピラリ１６とを備えるボンディングヘッド１０と、ボンディング操作の際にボンディングヘッド１０をボンディング位置に移動させる駆動部２０と、キャピラリ１６にボンディングワイヤ３０を供給するワイヤの供給部とを備える。

トランスデューサ１２は超音波発生源１４において発生した超音波振動をキャピラリ１６に伝達する作用をなす。超音波発生源１４において発生した超音波振動は、疎密波としてトランスデューサ１２の長手方向に縦振動として伝達される。超音波発生源１４にはたとえば圧電素子が使用でき、圧電素子に印加させる電圧の周波数によって超音波振動の周波数が決められる。

トランスデューサ１２の先端のキャピラリ１６が取り付けられるキャピラリ保持部１３は自由端であり、超音波発生源１４から伝達される振動は、トランスデューサ１２の先端において振動の腹となるように設計されている。
図１（ｂ）は、トランスデューサ１２の基端部（位置０）が超音波発生源１４による振動の腹の位置となり、トランスデューサ１２の先端が振動の腹の位置となるように超音波振動が印加されることを説明的に示したものである。同図では、トランスデューサ１２によって伝達される超音波振動（縦振動）が１波長に相当する場合を示す。実際にトランスデューサ１２に印加される超音波振動による波長はトランスデューサ１２の長さよりも短いが、トランスデューサ１２の先端が振動の腹となる定在波が生じるように設計する原理は変わらない。

図１（ｂ）において、位置Nは節の位置、位置Aは腹の位置を示す。振動の腹の位置は変位量（振幅）が最も大きい位置であり、トランスデューサ１２の先端を振動の腹の位置に設定することによって、超音波発生源１４による超音波振動が最も効率的にキャピラリ１６に伝達される。トランスデューサ１２の先端は縦振動（長手方向に伸縮）し、これによって、キャピラリ保持部１３に支持されたキャピラリ１６が強制振動される。

キャピラリ保持部１３に支持されたキャピラリ１６はトランスデューサ１２によって強制振動されボンディング作用をなす。キャピラリ１６の基端部（トランスデューサ１２の取り付け位置）を強制的に振動させた際のキャピラリ１６の挙動は、キャピラリ１６の長さ、材質、超音波振動の周波数によってさまざまである。
キャピラリ１６においても、上述したトランスデューサ１２において超音波振動が伝達される作用と同様に、的確なボンディング作用がなされるようにするには、強制振動されるキャピラリ１６の基端部が振動の腹となり、キャピラリ１６の先端も振動の腹となる定在波が生じるように設定する必要がある。

図２は、トランスデューサ１２によってキャピラリ１６を強制振動した際にキャピラリ１６がどのように振動するかを解析した例を示す。この解析結果は、トランスデューサ１２に取り付けられているキャピラリ１６の基端部が振動の腹（最も振幅が大きい）となり、キャピラリ１６の先端部も振動の腹となっていることを示している。なお、この解析図面は、キャピラリ１６の動きを強調して示すために変位量を大きく表したものである。

トランスデューサ１２によって強制振動された際に、トランスデューサ１２に取り付けられた基端部と先端部が振動の腹となるようにキャピラリ１６が振動する状態はボンディング性が良好な状態である。この振動状態からずれが生じるとボンディング特性は劣化する。キャピラリ１６の基端部と先端部がともに振動の腹となるようにするには、キャピラリ１６の長さを、キャピラリの材料特性及び形状から決定される波長λの半波長の整数倍（（λ／2）×N：Nは自然数）となるように設定すればよい。

図３は、キャピラリ１６の振動状態をレーザドップラ計を用いて、実際に測定した結果を示す。図３（ａ）は、キャピラリ１６の基端部（キャピラリ１６とキャピラリ保持部１３の根元の位置）における変位量とキャピラリ１６の先端部における変位量（振幅）が最大となっていることを示す。この振動状態は、キャピラリ１６の基端部と先端部がともに振動の腹になっている状態であり、良好な振動状態である。

これに対して、図３（ｂ）では、キャピラリ１６の基端部よりも下側の位置において振幅が最大になっている。この振動状態は、キャピラリ１６の基端部が振動の腹の位置からずれた振動状態にあることを示す。このようにキャピラリ１６の振幅が最大になる位置が、キャピラリ１６の基端部あるいは先端部以外に生じると、良好な振動状態にくらべてワイヤボンディング特性が劣化する。
このように、キャピラリ１６の振動状態を観察することにより、正常な振動状態になっているか否かを判断することができる。

図３（ｂ）のような現象が生じるのは、トランスデューサ１２に、たわみ振動が発生しているためと考えられる。トランスデューサ１２に、このようなたわみ振動が生じる原因としては、トランスデューサ１２自体に起因する場合と、キャピラリ１６との組み合わせに起因する場合とが考えられる。

図４は、トランスデューサ１２のキャピラリ保持部１３を含めたキャピラリ１６の振動状態を測定した例を示す。図４（ａ）は、キャピラリ保持部１３の上端と下端の振幅が略同一で、上端と下端の振幅（変位量）に差がないことを示す。
一方、図４（ｂ）は、キャピラリ保持部１３の上端と下端の振幅に差があることを示している。トランスデューサ１２が正常な縦振動をしている場合は、トランスデューサ１２の先端の上端と下端に振幅差が生じることはない。このようにキャピラリ保持部１３の上端と下端に振幅の差が生じる理由は、トランスデューサ１２にたわみ振動が生じているためである。

トランスデューサ１２にたわみ振動が生じると図４（ｂ）に示すようにキャピラリ１６においても振幅が最大となる位置がキャピラリ１６の基端部あるいは先端部からずれてくる。したがって、トランスデューサ１２の先端の上端と下端の変位量（振幅）を観察することによって、キャピラリ１６の振動状態を間接的に類推することができる。すなわち、トランスデューサ１２の先端の上端と下端における変位量の差（振幅の差）が小さい場合にはキャピラリ１６は良好な振動状態にあり、トランスデューサ１２の先端の上端と下端の変位量の差が大きくなるとキャピラリ１６の振動状態が良好な状態からずれてくる。
こうして、トランスデューサ１２の先端部分、すなわちキャピラリ保持部１３の先端部分の変位状態を観察することによって、キャピラリ１６の振動状態、すなわちボンディング特性を判断することができる。

図５は、トランスデューサ１２の先端部にける上下方向（縦振動方向に直交する方向）の変位を説明的に示したものである。
図１（ｂ）に示すように、トランスデューサ１２の先端は振動の腹となるように設定されているから、理想状態においてはトランスデューサ１２の先端は上下方向（鉛直方向）には変位しない。図５（ａ）は、理想状態においてはトランスデューサ１２の先端において、上下方向の変位が０となることを示す。これに対して、図５（ｂ）は、トランスデューサ１２の先端が振動の節となっている場合で、上下方向の変位が最大になることを示している。

トランスデューサ１２の先端における上下方向の変位を観察することは、トランスデューサ１２における振動状態が正規の縦振動となっているか否か、トランスデューサ１２にたわみ振動が生じているか否かを判断することになる。上述したように、キャピラリ１６が良好な振動状態になるにはトランスデューサ１２にたわみ振動が生じないようにする必要がある。すなわち、トランスデューサ１２の先端における上下方向の変位がなるべく小さくなるように設定することによって、ボンディング特性を向上させることができる。

（調節方法：第１の実施の形態）
ワイヤボンディング装置は、ボンディングヘッド１０を構成するトランスデューサ１２やキャピラリ１６が、所定のボンディング特性が得られるように設計されている。しかしながら、超音波振動を利用するボンディング装置においては、トランスデューサ１２やキャピラリ１６の材料特性や形状のばらつき、取り付け精度等によって、理想とする振動状態から外れた状態になることが生じ得る。
とくに、キャピラリ１６は使用に応じて随時交換して使用するから、従来のようにキャピラリ１６の突出長さを単に一定長さに調節するといった方法では良好な振動状態になるとは限らない。

第１の実施の形態におけるワイヤボンディング装置の調節方法は、トランスデューサ１２にキャピラリ１６を取り付けた状態においてキャピラリ１６の振動状態を観察し、キャピラリ１６が所望の振動状態になるようにキャピラリ１６の取り付け位置を調節する方法である。
図６（ａ）は、トランスデューサ１２にキャピラリ１６を取り付けた状態におけるキャピラリ１６の振動状態をレーザドップラ計４０を用いて測定している状態を示す。レーザドップラ計４０は被測定体にレーザ光を照射して被測定体の移動速度を検出する。キャピラリ１６の振動状態は、キャピラリ１６の基端からキャピラリ１６の先端まで全長にわたってスキャンすることによって測定することができる。

図７は、レーザドップラ計４０によって測定したキャピラリ１６の振動状態の例を示す。キャピラリ１６の振動状態は強制振動の周波数によって振動の節（node）が一つの場合に限るものではないが、キャピラリ１６の基端部とキャピラリ１６の先端部が振動の腹の位置になっている状態が良好な状態である。図７の測定例は、キャピラリ１６の基端部からやや下側の位置に振幅が極大となる位置（振動の腹の位置）がある。したがって、この振幅の極大となる位置がキャピラリ１６の基端部に近づくようにキャピラリ１６の取り付けを調節する。

図６（ｂ）は、トランスデューサ１２のキャピラリ保持部１３におけるキャピラリ１６の取り付け位置を、キャピラリ１６の突出長さが図６（ａ）に示す状態よりも短くした状態を示す。
キャピラリ１６の突出長さを調節する操作は、具体的にはキャピラリ１６の長さを少しずつ変えては、そのつどキャピラリ１６の振動状態を測定し、良好な取り付け位置を見出す操作となる。
キャピラリ１６の長さは１５ｍｍ程度であり、キャピラリ１６の突出長さの調節量は１ｍｍ以下である。したがって、手動によって調節する場合は、突出長さ調節用の治具を使用し、突出長さを段階的に変えながら調節するとよい。

キャピラリ１６の突出長さを自動的に調節する取付位置調節機構としては、例として、トランスデューサ１２の駆動部２０にトランスデューサ１２の高さ制御手段を設け、キャピラリ保持部１３にキャピラリ１６のクランプを制御するクランプ手段２２を設ける構成とすればよい。クランプ手段２２を開いた状態で、基準ステージ２４にキャピラリ１６の先端を当接させ、トランスデューサ１２を鉛直方向に移動させることによってキャピラリ１６の突出長さを調節することができる。

本実施形態の調節方法は、キャピラリ１６自体の振動状態を測定し、キャピラリ１６の基端部と先端部がともに振動の腹となるようにキャピラリ１６の取り付け位置を調節する方法であるから、ばらつきなく、確実に良好なワイヤボンディング特性が得られる状態に調節することができる。

（調節方法：第２の実施の形態）
第２の実施の形態におけるワイヤボンディング装置の調節方法は、トランスデューサ１２の先端（キャピラリ保持部１３の先端）の上端と下端における変位量を測定して、キャピラリ１６を最適な取り付け位置に取り付ける方法である。
前述したように、トランスデューサ１２にキャピラリ１６を取り付けた状態において、トランスデューサ１２の先端部の上端と下端における変位量（振幅）の差はできるだけ０に近い方がトランスデューサ１２は良好な振動状態にあり、したがってキャピラリ１６も良好な振動状態となる。
図８は、トランスデューサ１２の先端部の上端と下端における変位量をレーザドップラ計４０によって測定する状態を示す。レーザドップラ計４０の計測位置を、トランスデューサ１２の先端の上端位置と下端位置にそれぞれ設定し、上端と下端の変位量（振幅）を測定する。

図９は、キャピラリ保持部１３にキャピラリ１６を取り付ける場合のキャピラリ１６の突出長によってトランスデューサ１２の先端の上端と下端の変位量の差が変化する状態を示す。
図のように、キャピラリがある特定の長さとなるときにトランスデューサ１２の先端部の上端と下端の変位量の差が最小になる。したがって、キャピラリ１６の取り付け位置としては、この変位量の差が最小となる突出長となるように設定すればよい。
本実施形態においても、キャピラリ１６の突出長さを段階的に変えながら測定を行うから、突出長さ調節用の治具を使用したり、キャピラリ１６の突出長さを自動調節しながら測定を行う。

本実施形態の調節方法は、トランスデューサ１２の先端部の上端と下端についてその変位量を測定し、間接的にキャピラリ１６の取り付け状態を良好な状態に調節する方法である。本方法による場合は、トランスデューサ１２の先端の上端と下端の２ポイントについて測定を行えばよいから、第１の実施の形態のようにキャピラリ１６の全長にわたって測定する必要がないという利点がある。キャピラリ１６を調節する操作においては、キャピラリ１６の突出長さを変えながら、そのつど測定を行うから、測定操作を簡単化することは作業効率上、有効である。

（調節方法：第３の実施の形態）
第３の実施の形態におけるワイヤボンディング装置の調節方法は、トランスデューサ１２の先端の上下方向（トランスデューサ１２の縦振動方向に対して直交する方向）における変位量を測定して、キャピラリ１６を最適な取り付け位置に取り付ける方法である。
前述したように、トランスデューサ１２が理想的な振動状態にある場合は、トランスデューサ１２の先端部における上下方向の変位量は０となる。
したがって、トランスデューサ１２にキャピラリ１６を取り付けた状態において、トランスデューサ１２の先端部の上下方向の変位量を測定することにより、キャピラリ１６を良好な取り付け状態となるように設定することができる。

図１０は、トランスデューサ１２の先端における上下方向の変位量を測定するために、トランスデューサ１２の先端位置の上方にレーザドップラ計４０を配置した状態を示す。このようにレーザドップラ計４０を配置して、トランスデューサ１２の先端における変位量を測定することができる。

図１１は、トランスデューサ１２にキャピラリ１６を取り付けた状態において、トランスデューサ１２の先端の上下方向における変位量を測定した結果を示す。図１１に示すように、キャピラリ１６の突出長さによってトランスデューサ１２の先端の変位量が変化する。キャピラリ１６はこのトランスデューサ１２の先端の上下方向の変位量が最小となる突出長に設定して取り付ければよい。

本実施形態の調節方法の場合は、トランスデューサ１２の先端の１ポイントのみを測定してキャピラリ１６の取り付け位置を調節するから、第２の実施の形態と比較してもさらに測定が容易となり、ワイヤボンディング装置の調節がさらに容易となる。
本実施形態の調節方法によれば、トランスデューサ１２の先端における上下方向の変位量を最小とすることにより、トランスデューサ１２にたわみ振動等の不要な振動が生じることを回避することができ、キャピラリ１６が良好な振動状態となるように調節することが可能となる。

上述した各実施形態において説明したように、本発明に係るワイヤボンディング装置の調節方法によれば、キャピラリ１６を交換してセットするような場合に、キャピラリ１６の材料特性等がばらついていても、キャピラリ１６が良好な振動状態になるように確実に調節することができる。これによって、より高精度のワイヤボンディング特性を得ることができ、多ピンの半導体チップについてワイヤボンディングするような高精度のワイヤボンディングを可能とするワイヤボンディング装置として提供することができる。

５ 配線基板
６ 半導体チップ
１０ ボンディングヘッド
１２ トランスデューサ
１３ キャピラリ保持部
１４ 超音波発生源
１６ キャピラリ
２０ 駆動部
２２ クランプ手段
２４ 基準ステージ
３０ ボンディングワイヤ
４０ レーザドップラ計

Claims (1)

1. 超音波振動を伝達するトランスデューサと、トランスデューサに交換可能に取り付けられるキャピラリとを備えるワイヤボンディング装置の調節方法であって、
   前記トランスデューサに取り付ける前記キャピラリの突出長さを変えた際における、前記トランスデューサの先端の上端と下端とにおける縦振動方向の変位量を、測定器を用いて測定する工程と、
   前記測定による測定結果に基づき、前記キャピラリを、前記上端と下端とにおける変位量の差が最小となる突出長さに設定して前記トランスデューサに取り付ける工程とを備えることを特徴とするワイヤボンディング装置の調節方法。