JP2017084956A - ワイヤボンディング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ボンディングヘッドの動きを制限することなく、かつ、ボンディングヘッドへの取り付けマージンが大きなガスノズルを備えたワイボンディング装置を提供する。
【解決手段】ボンディングヘッドと、ボンディングヘッドに取り付けられたガスノズル、スパークロッド、およびキャピラリを含み、キャピラリから送り出されるワイヤの端部に、ガスノズルから不活性ガスおよび／または還元性ガスを供給しつつ、スパークロッドからの放電でワイヤを溶融してイニシャルボールを形成するワイヤボンディング装置において、ガスノズルの先端に、端部の断面積がガスノズルの断面積より大きな拡張部が設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤボンディング装置に関し、特に、イニシャルボールの酸化を防止したワイヤボンディング装置に関する。

ワイヤボンディング装置では、ＣｕやＡｇのワイヤの先端を、スパークロッドからの放電で溶融させて球状のイニシャルボールにし、これを被ボンディング材の上に押圧しながら超音波振動させることで、ボンディングが行われる。そして、ワイヤの先端を放電により溶融する際にワイヤが酸化し、イニシャルボールが異常な形状になること等を防ぐために、放電による溶融は、不活性ガスや還元性ガスの雰囲気中で行う必要がある。

そこで、従来は、筒状のガスノズルをヘッドに接続し、ガスノズルから不活性ガスや還元性ガスを供給することで、これらのガス雰囲気中でワイヤを放電により溶融してイニシャルボールの酸化を防止すること（例えば特許文献１参照）や、キャピラリを取り囲むようにガスノズルを配置してガスを供給することでイニシャルボールの酸化を防止すること（例えば特許文献２参照）が行われていた。

特開平８−０３７２０３号公報 特許第５５９２０２９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構造では、ガスノズルの取り付け位置によって十分なガスを吹き付けることができず、イニシャルボールの形成不良によるボンディング不良が生じていた。特に、発明者らの検討では、ガスノズルの取り付け精度は±１００μｍ以内とする必要があり、このような精度で取り付けることは非常に困難であった。

また、特許文献２に記載の構造では、ガスノズルが、ボンディングヘッドの鉛直方向（Ｚ軸方向）の動きを妨げるため、ボンディングヘッドの鉛直方向の動作が制限され、特に、表面段差の大きい被ボンディング材へのボンディングは不可能であった。

そこで、本発明は、ボンディングヘッドの動きを制限することなく、かつ、ボンディングヘッドへの取り付けマージンが大きなガスノズルを備えたワイボンディング装置の提供を目的とする。

本発明の１の形態は、ボンディングヘッドと、ボンディングヘッドに取り付けられたガスノズル、スパークロッド、およびキャピラリを含み、キャピラリから送り出されるワイヤの端部に、ガスノズルから不活性ガスおよび／または還元性ガスを供給しつつ、スパークロッドからの放電でワイヤを溶融してイニシャルボールを形成するワイヤボンディング装置であって、
ガスノズルの先端に、端部の断面積がガスノズルの断面積より大きな拡張部が設けられたことを特徴とするワイヤボンディング装置である。

本発明の他の形態は、ボンディングヘッドと、ボンディングヘッドに取り付けられたガスノズル、スパークロッド、およびキャピラリを含み、キャピラリから送り出されるワイヤの端部に、ガスノズルから不活性ガスおよび／または還元性ガスを供給しつつ、スパークロッドからの放電でワイヤを溶融してイニシャルボールを形成するワイヤボンディング装置であって、
ガスノズルの先端に凹部が設けられて、キャピラリを固定するねじが凹部の中に位置するように、ボンディングヘッドにキャピラリとガスノズルが取り付けられたことを特徴とするワイヤボンディング装置である。

本発明の他の形態は、ボンディングヘッドと、ボンディングヘッドに取り付けられたガスノズル、スパークロッド、およびキャピラリを含み、キャピラリから送り出されるワイヤの端部に、ガスノズルから不活性ガスおよび／または還元性ガスを供給しつつ、スパークロッドからの放電でワイヤを溶融してイニシャルボールを形成するワイヤボンディング装置であって、
ガスノズルの先端からキャピラリに渡って、ガスノズルから送り出されたガスをキャピラリに導く壁部を有することを特徴とするワイヤボンディング装置である。

本発明の形態では、ボンディングヘッドへの取り付けマージンが大きなガスノズルを備えたワイヤボンディング装置を提供できる。これにより、イニシャルボールの形成を、容易に不活性ガスや還元性ガス雰囲気中で行うことができ、良好なボンディングを得ることができる。

本発明の実施の形態１にかかるボンディングヘッドの模式図である。 本発明の実施の形態１にかかるガスノズルの拡張部の平面図および側面図である。 本発明の実施の形態２にかかるボンディングヘッドの模式図である。 本発明の実施の形態２にかかるガスノズルの平面図である。 本発明の実施の形態３にかかるガスノズルの平面図である。 本発明の実施の形態３にかかるボンディングヘッドの模式図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１かかるボンディング装置に含まれる、全体が１００で表されるボンディングヘッドの模式図である。ボンディング装置は、更に、複数の部材を含むが、ここでは、説明を明確にするために省略する。

図１に示すボンディングヘッド１００は、ワイヤ８を送り出すキャピラリ３と、キャピラリ３から送り出されたワイヤ８の先端を放電で溶融するスパークロッド４と、キャピラリ３の先端付近に不活性ガスや還元性ガスを供給するガスノズル２を含む。

キャピラリ３は、例えばセラミックからなり、直径３０μｍのワイヤ用では長さが１０ｍｍ程度である。キャピラリ３は、キャピラリ固定ネジ６（Ｍ２）でホーン５に固定されている。なお、キャピラリ固定ジ６のサイズは、超音波発振に影響を受けないトルクで、キャピラリ３をホーン５に固定できるサイズであれば、Ｍ２に限るものではない。

キャピラリ３の材料は、ボンディング時に、超音波振動による超音波接合ができ、十分な耐久性が確保できるのであれば、セラミック以外に、シリコーンなどの樹脂やＦｅなどの金属でもよい。また、その先端の形状はテーパがついたものや、食いつきを良くするため凹凸を設けたものなどでもよい。

キャピラリ３は、超音波ボンディング時に、ボンディングヘッド１００と共にＸ−Ｙ平面内で振動する。

キャピラリ３には、例えばＣｕやＡｌからなるワイヤ８が通されている。ワイヤ８は、例えば直径３０μｍのものが使用される。

なお、ワイヤ８は、直径３０μｍのＣｕワイヤ以外に、直径が８０μｍ以下で、正常なイニシャルボールを形成できれば、ＡｇワイヤやＡｕワイヤ、Ｐｄなどの金属で被覆されたワイヤを使用してもよい。ただし、キャピラリ３はワイヤの直径に応じて変更する必要がある。

キャピラリ３を通り、キャピラリ３の下部から送り出されたワイヤ８の先端は、スパークロッド４からの放電により溶融し、イニシャルボールが形成される。この時、ワイヤ８が酸化されないように、ワイヤ８の先端には、ガスノズル２からガス７が流される。ガス７には、Ｎ_２のような不活性ガスや、Ｈ_２のような還元性ガスが用いられる。

不活性ガスは、Ｎ_２以外に、スパーク時にワイヤ８が酸化せず、イニシャルボールの表面状態に悪影響を及ぼさないガスであれば、ＡｒやＨｅなどでもよい。同様に、還元性ガスは、Ｈ_２以外に、スパーク時にワイヤが酸化せず、イニシャルボールの表面状態に悪影響を及ぼさないガスであれば、Ｏ_３やＣＨ_２Ｏ_２、Ｈ_２Ｓなどでもよい。また、還元性ガスに、Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅなどの不活性ガスを混ぜた混合ガスでもよい。

ガスノズル２は、例えばＦｅからなり、直径が５ｍｍの円筒である。ガスノズル２の先端には、直径が、ガスノズル２の直径から漸次大きくなったラッパ状の拡張部２１が設けられている。拡張部２１の先端では、直径が８ｍｍになっている。ガスノズル２およびその拡張部２１は、ボンディングヘッド１００の一部として取り付けられ、ボンディングヘッド１００に連動して動く。

図１に示すように、ガスノズル２は、断面が円形の筒を曲げ加工して作製したが、断面は、楕円形や四角形などでもよい。また、材質は、十分な強度があれば、Ｆｅ以外にＣｕや他の合金を用いても良い。

スパークロッド４は、例えば直径が２ｍｍの、棒状のＦｅからなる。スパークロッド４も、ボンディングヘッド１００の一部として取り付けられ、ボンディングヘッド１００に連動して動く。

スパークロッド４の材料は、十分な強度があり、かつ導電性があれば、Ｆｅ以外に、Ｃｕや他の合金でも良い。また、スパークロッド４に沿って他のガスノズルを設け、ガス７を供給してもよい。

なお、ガスノズル２、キャピラリ３、およびスパークロッド４は、ボンディングヘッド１００の一部としてボンディングヘッド１００に取り付けられるため、一旦、ボンディングヘッド１００に固定すれば、相対的な位置は変わらない。

ボンディング工程では、ボンディング装置の搬送機により被ボンディング材が搬送され、抑え冶具により台の上に固定される（図示せず）。この状態で、ボンディングヘッド１００が、Ｘ−Ｙ方向に高速で移動し、ホーン５がＺ軸方向に動くことで、キャピラリ３が、ボンディング位置に到達する。ここで、Ｘ、Ｙ方向は、被ボンディング材が固定される台の表面内で互いに直交する方向をいい、Ｚ方向は、台の表面に対して鉛直方向をいう。

先端にイニシャルボールが形成されたワイヤ８は、被ボンディング材の上に押しつけられた状態で、ボンディングヘッド１００が超音波振動し、被ボンディング材の上にボンディングされる。

本発明の実施の形態１では、ガスノズル２の先端に、直径が、ガスノズル２の直径から漸次大きくなったラッパ状の拡張部２１が設けられることにより、ガスノズル２の先端からガス７が放出される時、拡張部２１の形状に沿って、ガス７は拡がりながら供給される。

この結果、図１にハッチングで示した、キャピラリ３やスパークロッド４の先端を含む領域９を、ガス７で確実に満たし、ワイヤ８の先端にイニシャルボールを形成する工程で、イニシャルボールを不活性ガスや還元性ガスで覆うことが可能となる。

これにより、ボンディングヘッド１００にガスノズル２を固定する際に、キャピラリ３に対してガスノズル２の位置が少々ずれて固定されても、従来より広い領域９にガス７が供給されるため、イニシャルボールの酸化を防止できる。即ち、ガスノズル２の取り付けマージンを、従来の±１００μｍ以内より大きくできる。

また、ガスノズル２は、キャピラリ３の横（キャピラリ３の振動方向に平行）に配置されているので、ホーン５がボンディングのためにＺ軸方向に移動しても、ホーン５やキャピラリ固定ネジ６がガスノズル２と接触することはない。

また、ガスノズル２の全体の直径を大きくした場合は、ガス７の供給量が多くなり、ランニングコストが増加する。これに加えて、ボンディングヘッド１００が重くなり、高速で高精度な移動に支障をきたす。これに対して、本発明の実施の形態１のように、ガスノズル２の直径はそのままで、先端に拡張部２１を設けることにより、ガス７の供給量を低減し、またボンディングヘッド１００を軽量化して高速動作を可能にする。

なお、ガスノズル２の先端の拡張部２１の内部に、１箇所または複数箇所の溝を設けて、ガスノズル２の固定位置を調整する目印としてもよい。溝は、ガス７に曝されることにより劣化して見えなくならないものであれば、溝以外の突起やインクなどで形成した目印でもよい。また、この溝はガスノズル２の位置調整用なので、ガスノズル２の外側に形成してもよい。

図１では、拡張部２１は、直径が５ｍｍから８ｍｍに漸次拡張するラッパ形状としたが、ラッパ形状であれば、これ以外の寸法でも良い。

図２は、ガスノズル２に取り付けられる拡張部２１の変形例である。図２の右側は側面図、左側は、拡張部２１の先端から見た場合の平面図である。図２に示す拡張部２１では、上半分の直径が漸次大きくなり、下半分の直径はガスノズル２と同じである。

拡張部２１をこのような構造にすることで、下半分おいて拡張部２１は拡がらないため、拡張部２１を搬送機に近づけることができる。これにより、イニシャルボールを形成する部分だけでなく、ワイヤ８のイニシャルボールを被ボンディング材に接合する部分にも、ガス７を供給することができ、ワイヤ８等の酸化を防止し、良好な接合を得ることができる。また、表面段差の大きな被ボンディング材へのボンディングも可能となる。

また、拡張部２１の先端の開口部断面は、円形、半円形以外に四角形や三角形のような他の形状でも良い。

このように、本発明の実施の形態１にかかるボンディング装置では、ガスノズル２がラッパ状の拡張部２１を有することにより、ボンディングヘッド１００へのガスノズル２の取り付け精度を緩和しても、イニシャルボールの形成時に十分な不活性ガス等の供給ができ、イニシャルボールの酸化を防止し、良好なワイヤボンディングを形成できる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２にかかるボンディング装置に含まれる、全体が２００で表されるボンディングヘッドの模式図である。図３中、図１と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

本発明の実施の形態２にかかるボンディングヘッド２００では、実施の形態１のボンディングヘッド１００とは異なり、拡張部２１を設けず、円筒状のガスノズル２でガス７を供給するが、ガスノズル２の上部に、例えば幅３ｍｍ、深さ３ｍｍ、奥行き３ｍｍの、凹部２２が形成されている。即ち、ガスノズル２の上部が、断面が、３ｍｍ×３ｍｍの四角形で、奥行きが３ｍｍだけ窪んでいる。かかる凹部２２を形成することにより、超音波振動中に、キャピラリ３をホーン５に固定するためのネジ６と、ガスノズル２が接触するのを防止する。

図４は、本発明の実施の形態２にかかるガスノズル２を、先端から見た場合の平面図である。凹部２２の形状は、ネジ６が入るような形状であり、断面形状は、（ａ）では略四角形、（ｂ）では略三角形、（ｃ）では略円形となっている。凹部２２の奥行きも、ネジ６が入るような奥行きとなっている。なお、凹部２２に対応するねじ６の大きさを、破線で記載する。凹部２２は、ネジ６が入るような形状であれば、他の形状でも良い。

凹部２２は、図５に示すように、ガスノズル２に形成した孔でも良い。孔の断面形状は、四角形に限らず、ネジ６が入るような形状であれば、他の形状でも良い。

本発明の実施の形態２にかかるボンディングヘッド２００では、ガスノズル２が、ねじ６を受け入るような凹部２２を有することで、ガスノズル２とキャピラリ３を、接触することなく近づけることができる。つまり、キャピラリ３をホーン５に固定するキャピラリ固定ネジ６が、凹部２２の中に入る程度まで、ガスノズル２とキャピラリ３を近づけることができ、より安定的にキャピラリ３とスパークロッド４の周囲をガス７の領域９で満たすことが可能となる。

また、ガスノズル２の固定位置がずれた場合でも、ガスノズル２とキャピラリ３を近づけることができるため、必要な領域に不活性ガスまたは還元性ガスが充満していることから、正常なイニシャルボールを形成でき、イニシャルボールの形成不良に起因する接合不良を低減できる。

なお、凹部２２を目印に、ガスノズル２をキャピラリ３の位置合わせをすることができる。

このように、本発明の実施の形態２にかかるボンディング装置では、ガスノズル２が凹部２２を有することにより、ガスノズル２とキャピラリ３との干渉を防止しつつ、ガスノズル２とキャピラリ３との距離を小さくでき、イニシャルボールの形成時に十分な不活性ガス等の供給ができ、イニシャルボールの酸化を防止し、良好なワイヤボンディングを形成できる。

実施の形態３．
図６は、全体が３００で表される、本発明の実施の形態３にかかるボンディングヘッドの模式図である。図３中、図１と同一符合は、同一または相当箇所を示す。

ボンディングヘッド３００では、ガスノズル２の先端近傍に壁部２３を設け、ガスノズル２の先端から放出されたガス７が拡がるのを防止して、キャピラリ３に導いている。これにより、キャピラリ３とスパークロッド４の周囲の領域９に、ガス７を保持することができる。例えガスノズル２の取り付け位置がずれた場合でも、壁部２３によりガス７をキャピラリ３に導くため、正常なイニシャルボールを形成でき、イニシャルボールの形成不良に起因する接合不良を防止できる。

なお、ガスノズル２やガスノズル２から延びる壁部２３は、キャピラリ３の横に配置されているので、ボンディングヘッド３００がＺ軸方向に動いてもこれらが接触することはない。

図６では、ガスノズル２から延びた壁部２３は、直線的に延びた平坦面としているが、弧を描いたものや、多角形を切り取ったような形状でもよい。また、その大きさは、Ｚ方向の上端は、キャピラリ３の取り付け部より低い位置まで、Ｚ方向の下端はボンディングヘッド３００がＸ−Ｙ方向に動作したとき抑え冶具と干渉しない位置までの範囲で設定される。

図６では、ガスノズル２から延びた壁部２３は、平面状の壁部２３を途中で折り曲げた形状としているが、キャピラリ３のＺ軸方向の動きを妨げなければ、複数の箇所で折り曲げたり、表面に凹凸を設けたり、球を切り取った形状としてもよい。

ガスノズル２から延びた壁部２３を、ガスノズル２の先端から見た形状は、円形以外に、下が直線でその他が円形等（例えば半円形）のような、他の形状でも良い。

また、ガスノズル２から延びた壁部２３は、スパークロッド４と反対側に形成しているが、キャピラリ３のＺ軸方向の動きを妨げない範囲で、ワイヤ８とスパークロッド４の間を除いて、スパークロッド４がある方向に形成してもよい。また、上側や下側に壁部２３を設けてもよい。

ガスノズル２から延びた壁部２３は、ガスノズル２と一体となっているため、ガスノズル２と同一材料から形成されるが、ボンディングヘッド３００の動作により外れたり位置ずれしたりしなければ、別部材から形成して、着脱可能としても良い。着脱可能な場合は、壁部２３の位置決め用に、溝や突起などの印を設けてもよい。また、ガスノズル２と壁部２３の位置決めを容易にするために、壁部２３はアクリルなど透明な材料で構成してもよい。

ガスノズル２から延びた壁部２３は、ガスノズル２、スパークロッド４の取り付け部、ホーン５などのボンディングヘッド３００の一部に接続されているため、ボンディングヘッド３００の動作と連動するのであれば、ガスノズル２と直接接続される必要はない。

このように、本発明の実施の形態３にかかるボンディング装置では、ガスノズル２が壁部２３を有することにより、イニシャルボールの形成時に十分な不活性ガス等の供給ができ、イニシャルボールの酸化を防止し、良好なワイヤボンディングを形成できる。

２ ガスノズル、３ キャピラリ、４ スパークロッド、５ ホーン、６ キャピラリ固定ネジ、７ ガス、８ ワイヤ、９ 領域、２１ 拡張部、２２ 凹部、２３ 壁部、１００、２００、３００ ボンディングヘッド。

Claims (6)

1. ボンディングヘッドと、ボンディングヘッドに取り付けられたガスノズル、スパークロッド、およびキャピラリを含み、キャピラリから送り出されるワイヤの端部に、ガスノズルから不活性ガスおよび／または還元性ガスを供給しつつ、スパークロッドからの放電でワイヤを溶融してイニシャルボールを形成するワイヤボンディング装置であって、
   ガスノズルの先端に、端部の断面積がガスノズルの断面積より大きな拡張部が設けられたことを特徴とするワイヤボンディング装置。
2. 上記拡張部は、上記ガスノズル側から上記端部に向かって、漸次断面積が大きくなることを特徴とする請求項１に記載のワイヤボンディング装置。
3. 上記拡張部の少なくとも上半分の断面積が、ガスノズルの断面積より大きくなることを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤボンディング装置。
4. ボンディングヘッドと、ボンディングヘッドに取り付けられたガスノズル、スパークロッド、およびキャピラリを含み、キャピラリから送り出されるワイヤの端部に、ガスノズルから不活性ガスおよび／または還元性ガスを供給しつつ、スパークロッドからの放電でワイヤを溶融してイニシャルボールを形成するワイヤボンディング装置であって、
   ガスノズルの先端に凹部が設けられて、キャピラリを固定するねじが凹部の中に位置するように、ボンディングヘッドにキャピラリとガスノズルが取り付けられたことを特徴とするワイヤボンディング装置。
5. ボンディングヘッドと、ボンディングヘッドに取り付けられたガスノズル、スパークロッド、およびキャピラリを含み、キャピラリから送り出されるワイヤの端部に、ガスノズルから不活性ガスおよび／または還元性ガスを供給しつつ、スパークロッドからの放電でワイヤを溶融してイニシャルボールを形成するワイヤボンディング装置であって、
   ガスノズルの先端からキャピラリに渡って、ガスノズルから送り出されたガスをキャピラリに導く壁部を有することを特徴とするワイヤボンディング装置。
6. 上記壁部は、上記ガスノズルと一体であることを特徴とする請求項５に記載のワイヤボンディング装置。

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