JP2018049910A - ワイヤボンディング良否判定装置およびワイヤボンディング良否判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ボンディングの連続稼働に対応して接合品質の良否判定をリアルタイムに行うとともに、判定の信頼性が従来と比べて高いワイヤボンディング良否判定装置およびワイヤボンディング良否判定方法を得る。【解決手段】ワークを載置するステージ内に埋設されている３軸力検出素子によって検出された、３軸方向の荷重、すなわちＸ方向荷重、Ｙ方向荷重およびＺ方向荷重のうちの少なくとも１つの荷重から、ワイヤボンディングの接合品質の良否を判定するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤボンディング装置によって行われるワイヤボンディングの接合品質の良否を判定するワイヤボンディング良否判定装置およびワイヤボンディング良否判定方法に関するものである。

従来の超音波を用いたワイヤボンディング装置では、ワイヤをチャックしたボンディングツールによって、ワイヤをワークに押し付けて超音波を印加する。これにより、ワイヤおよびワークの両者の接触面を覆う酸化膜が除去されて新生面が露出し、露出した両者の面同士が接触し、ワイヤとワークが固層接合する。

従来のワイヤボンディングの接合品質の良否判定では、ワイヤボンディング後のサンプルに対して、通電試験を行ったり、引張試験（プル試験ともいう）、せん断試験（シェア試験ともいう）等の破壊試験を行ったりすることが一般的である。

しかし、通電試験を行う手法では、ＩＣの内部回路の構成によっては通電試験が不可能となる場合がある。また、引張試験、せん断試験等の破壊試験は、抜き取りの試験となるため、実際に接合不良が生じたときに、ワイヤボンディング装置を停止させる等の処理を行うことが困難である。さらに、接合不良発生の原因究明のためには、別途評価を実施する必要があり、評価には多くの時間と労力を要する。

そこで、特許文献１に記載された従来技術では、レーザードップラー振動計によりボンディング中のツールの振動周波数を観測し、ボンディング開始時から所定時間経過時の周波数の増加量を算出し、その算出した周波数の増加量とあらかじめ設定した閾値とを比較することで、接合品質の良否を判定する。

また、特許文献２に記載された従来技術では、ボンディングツール振動のためのトランスデューサ駆動電圧の周波数を観測し、所定時間経過後の周波数の増分と、あらかじめ設定した閾値とを比較することで、接合品質の良否を判定する。

このように、特許文献１、２に記載のいずれの従来技術においても、ボンディング基本周波数近傍の周波数に着目しており、周囲の他の低周波振動、雑音等の影響を受けずに、非破壊かつ、リアルタイムで高精度に接合品質の良否判定を行うことができる。

特開２０１３−１２５８７５号公報 特開２０１４−２３２７９１号公報

しかしながら、従来技術には以下のような課題がある。
特許文献１に記載の従来技術では、レーザードップラー振動計の大きさおよび質量の制約のため、ワイヤボンディング装置上へ振動計を固定することが難しく、一つのワーク内に異なるボンディング点が複数あるような連続稼働時のボンディング装置に対応できないという問題がある。特許文献２に記載の従来技術では、ツール先端での振動状態変化をホーンと呼ばれる振動子の根元で行うため、接合状態の変化による振動状態の変化を捕えにくいという問題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ボンディングの連続稼働に対応して接合品質の良否判定をリアルタイムに行うとともに、判定の信頼性が従来と比べて高いワイヤボンディング良否判定装置およびワイヤボンディング良否判定方法を得ることを目的としている。

本発明におけるワイヤボンディング良否判定装置は、ワークを載置するステージ内に埋設され、ワークにボンディングワイヤを超音波接合するワイヤボンディングがボンディングツールによって行われるときに、ボンディングツールからワークに加わる３軸方向の荷重を検出する３軸力検出素子と、３軸力検出素子によって検出された３軸方向の荷重のうちの少なくとも１つの荷重から、ワイヤボンディングの接合品質の良否を判定する制御装置と、を備え、ワークの面と平行であり、ボンディングツールから伝達される超音波の超音波振動方向と直交する方向をＸ軸方向とし、超音波振動方向をＹ軸方向とし、Ｘ軸方向およびＹ軸方向と直交し、ワイヤボンディングが行われるときにボンディングツールがボンディングワイヤをワークに押し付ける方向をＺ軸方向としたとき、３軸方向の荷重は、Ｘ軸方向の荷重であるＸ方向荷重と、Ｙ軸方向の荷重であるＹ方向荷重と、Ｚ軸方向の荷重であるＺ方向荷重とによって構成されているものである。

本発明におけるワイヤボンディング良否判定方法は、ワークにボンディングワイヤを超音波接合するワイヤボンディングがボンディングツールによって行われるときに、３軸力検出素子を用いて、ボンディングツールからワークに加わる３軸方向の荷重を取得するステップと、取得した３軸方向の荷重のうちの少なくとも１つの荷重から、ワイヤボンディングの接合品質の良否を判定するステップと、を備え、ステップは、制御装置によって実行され、ワークの面と平行であり、ボンディングツールから伝達される超音波の超音波振動方向と直交する方向をＸ軸方向とし、超音波振動方向をＹ軸方向とし、Ｘ軸方向およびＹ軸方向と直交し、ワイヤボンディングが行われるときにボンディングツールがボンディングワイヤをワークに押し付ける方向をＺ軸方向としたとき、３軸方向の荷重は、Ｘ軸方向の荷重であるＸ方向荷重と、Ｙ軸方向の荷重であるＹ方向荷重と、Ｚ軸方向の荷重であるＺ方向荷重とによって構成されているものである。

本発明によれば、ボンディングの連続稼働に対応して接合品質の良否判定をリアルタイムに行うとともに、判定の信頼性が従来と比べて高いワイヤボンディング良否判定装置およびワイヤボンディング良否判定方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１におけるワイヤボンディング良否判定装置を示す構成図である。 図１の振動子の制御系を示すブロック図である。 図１のボンディングツールによってワイヤボンディングが行われているときにボンディングツールを正面から見たときの模式図である。 図１の電圧検出部から出力される電圧の時間推移を示す図である。 図４のａ部の拡大図である。 図４のＹ方向荷重の時間軸波形を示す図である。 図６のｂ部の波形をＦＦＴ解析することで得られる周波数成分を示す図である。 図６のｂ部の波形をＦＦＴ解析することで得られる周波数成分と、図６のｆ分の波形をＦＥＴ解析することで得られる周波数成分とを併せて示す図である。 図１のボンディングツール２によってワイヤボンディングが行われているときの、基本振動周波数のＹ方向荷重および高振動周波数のＹ方向荷重のそれぞれの時間推移を示す図である。 本発明の実施の形態１における基本振動周波数のＹ方向荷重および高振動周波数のＹ方向荷重の和に占める高振動周波数のＹ方向荷重の割合の時間推移を示す図である。 本発明の実施の形態２におけるシェア強度の時間推移と、つぶれ幅の時間推移を示す図である。 図１１のｇ部におけるワイヤボンディング後のワイヤの外観図である。 本発明の実施の形態３における接合不良が発生した場合のＹ方向荷重の時間軸波形を、図６のｂ部の区間で、ＦＥＴ解析したときに得られる周波数成分を示す図である。 本発明の実施の形態４における接合不良が発生した場合のＸ方向荷重の時間軸波形を、図４のｈ部の区間で、ＦＥＴ解析したときに得られる周波数成分を示す図である。 本発明の実施の形態５における接合不良が発生していない場合のＺ方向荷重の時間軸波形を示す図である。 本発明の実施の形態５における接合不良が発生した場合のＺ方向荷重の時間軸波形を示す図である。

本発明の実施形態におけるワイヤボンディング良否判定装置およびワイヤボンディング良否判定方法について図を参照しながら以下に説明する。なお、各図において同一または同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当事者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明および添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるワイヤボンディング良否判定装置１０２を示す構成図である。図２は、図１の振動子１の制御系を示すブロック図である。図３は、図１のボンディングツール２によってワイヤボンディングが行われているときにボンディングツール２を正面から見たときの模式図である。

図１において、ワイヤボンディング装置１０１は、振動子１およびボンディングツール２（以下、ツール２と略す）を備える。ワイヤボンディング装置１０１は、ワイヤボンディング良否判定装置１０２によって接合品質の良否が判定される対象である。ワイヤボンディング装置１０１は、例えば、半導体装置等の組立工程で用いられる。

振動子１は、超音波接合に必要な超音波振動を発生させる。ツール２は、振動子１の縦振動を撓み振動へ変換し、その振動を接合材としてのボンディングワイヤ５（以下、ワイヤ５と略す）に伝達することで、ステージ４に載置された被接合材としてのワーク３にワイヤ５を超音波接合するワイヤボンディングを行う。なお、ワイヤ５としては、例えば、アルミニウム線、金線、銅線等が挙げられる。

ワイヤボンディングでは、ツール２は、ワーク３にワイヤ５を押し付けた状態で、超音波振動を印加する。これにより、ワーク３およびワイヤ５の両者の接触面を覆う酸化膜が除去され、両者において新生面が露出する。さらに、露出した両者の面同士が接触し、ワイヤ５とワーク３が固層接合する。

ワイヤボンディング良否判定装置１０２は、ワーク３を載置するステージ４内に埋設された３軸力検出素子６と、制御装置１０３とを備える。

３軸力検出素子６は、ワイヤボンディングがツール２によって行われるときに、ツール２からワーク３に加わる３軸方向の荷重を検出し、その検出結果を制御装置１０３に出力する。

ここで、３軸方向は、ワーク３の面と平行であり、ツール２から伝達される超音波の超音波振動方向と直交する方向（以下では、Ｘ軸方向と呼ぶ）と、超音波振動方向（以下では、Ｙ軸方向と呼ぶ）と、Ｘ軸方向およびＹ軸方向と直交し、ボンディングが行われるときにツール２がワイヤ５をワーク３に押し付ける方向（以下、Ｚ軸方向と呼ぶ）とからなる。図３において、このような３軸方向として、Ｘ軸方向１５、Ｙ軸方向１６およびＺ軸方向１７が図示されている。

したがって、３軸力検出素子６によって検出される３軸方向の荷重は、Ｘ軸方向の荷重（以下、Ｘ方向荷重と呼ぶ）と、Ｙ軸方向の荷重（以下、Ｙ方向荷重と呼ぶ）と、Ｚ軸方向の荷重（以下、Ｚ方向荷重と呼ぶ）とからなる。

このように、ワーク３の下のステージ４内に埋設した３軸力検出素子６によってボンディング中にワイヤ５を介してワーク３に伝わる荷重を３軸方向で計測している。

なお、３軸力検出素子６として、例えば、圧電式の３軸荷重センサを用いることができる。圧電式の３軸荷重センサは、剛性および感度が高く、高速応答であるため、ワイヤ５を介してワーク３の下に印加される超音波振動を高精度に検出することができる。また、３軸力検出素子６は、ワーク３およびステージ４の大きさと、ボンディング領域に合わせて、複数個配置することが可能である。

制御装置１０３は、３軸力検出素子６から出力された電荷を電圧に変換するチャージアンプ７と、チャージアンプ７によって変換された電圧を検出する電圧検出部８と、電圧検出部８によって検出された電圧を解析する解析部９と、解析部９による解析結果から、ワイヤボンディングの接合品質の良否を判定する判定部１０とを有する。

解析部９および判定部１０は、例えば、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵと、システムＬＳＩ等の処理回路によって実現される。

次に、振動子１の制御系について、図２を参照しながら説明する。ここで、ワイヤボンディングでは、接合中のツール２の負荷状態が変化することによって、振動子１からツール２の先端にかけての振動系の共振周波数が変化する。振動子１が発生させる超音波振動の減衰を防ぎ、超音波のエネルギーをツール２からワイヤ５に効率良く伝えるため、振動子１の制御方式として、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）制御が用いられている。

図２において、電圧印加装置１１は、振動子１に駆動電圧を印加する。電圧検出装置１２は、電圧印加装置１１から振動子１に印加される駆動電圧を検出する。電流検出装置１３は、振動子１から出力される電流を検出する。

位相比較装置１４は、電圧検出装置１２によって検出された駆動電圧の位相と、電流検出装置１３によって検出された電流の位相とを比較し、その位相差が一定となるように、振動子１の発振周波数がツール２の共振周波数を追尾するようにする。

ここで、ワイヤ５とワーク３に接合部が形成されると、ワイヤ５とワーク３が一体構造となるため、振動系の共振周波数が増加し、超音波の発振周波数も上昇する。一方、ワイヤ５とワーク３の接合が不十分の場合、ワーク３とワイヤ５の間には滑りが生じ、振動系の共振周波数の増加が生じないため、超音波の発振周波数の上昇は見られない。

本実施の形態１では、このワイヤボンディング中の共振周波数の上昇と接合強度の推移との相関関係を利用して、ワイヤボンディングの接合品質の良否判定を行うように構成されている。

なお、以下の各図で示す実験データは、以下の既製品を用いて、実際に実験を行うことで得られた。すなわち、ワイヤボンディング装置１０１として、オーソダイン製の超音波ワイヤボンディング装置（３６００ｐｌｕｓ）を用い、ワーク３として、銅板で作製されたフレームを用い、ワイヤ５として、田中電子工業社製のアルミワイヤ（ＴＡＮＷ ＳＯＦＴ−２ ワイヤ径１５０μｍ）を用い、３軸力検出素子６として、キスラー社製の圧電素子（９０１７Ｃ）を用い、チャージアンプ７として、キスラー社製のチャージアンプ（５０１５Ａ）を用いた。

図４は、図１の電圧検出部８から出力される電圧の時間推移を示す図である。なお、電圧検出部８は、３軸力検出素子６によって検出される３軸方向の荷重、すなわち、Ｘ方向荷重、Ｙ方向荷重およびＺ方向荷重のそれぞれを、電圧の形式で出力する。

図４から分かるように、ワイヤ５を介してワーク３にＺ方向荷重１８が印加された後、Ｙ軸方向にワイヤ５を介してワーク３に伝達される超音波振動に起因したＹ方向荷重１９の印加が開始される。一方、Ｘ方向荷重２０は、ワーク３に印加されない。

図５は、図４のａ部の拡大図である。図５に示すように、Ｙ方向荷重の時間軸波形（以下、Ｙ方向波形２１と呼ぶ）において、振幅は、Ｙ方向荷重の大きさを表し、振動周波数は、超音波振動の周波数を表している。

解析部９は、電圧検出部８から出力されるＹ方向波形２１に対して、周波数解析を行うことで、Ｙ方向荷重の周波数成分を求める。具体的には、解析部９は、Ｙ方向波形２１を複数の時間区間に分割した後、高速フーリエ変換（以下、ＦＦＴと呼ぶ）によって周波数成分に変換する。

ＦＦＴ解析は、任意の時間長さ、分割数で設定した時間区間に対して行われ、解析部９は、分割された時間区間のうち任意の時間区間を選択して解析することも可能である。

ここで、解析部９によるＦＦＴ解析について、図６および図７を参照しながら説明する。図６は、図４のＹ方向荷重の時間軸波形を示す図である。図７は、図６のｂ部の波形をＦＦＴ解析することで得られる周波数成分を示す図である。

解析部９は、図６に示す波形を、一例としてｂ部からｆ部までの５つの区間に時間分割した後、各部の波形に対して、ＦＥＴ解析を行うことで、各部の波形の周波数成分を求める。

例えば、接合初期の時間区間に相当するｂ部の波形に対してＦＥＴ解析が行われることで、図７に示すような、ｂ部の波形の周波数成分、すなわち接合初期に対応するＹ方向荷重の周波数成分が得られる。

図７に示すように、接合初期に対応するＹ方向荷重の周波数成分において、ピークとなる周波数２２の値は、ワイヤボンディング装置１０１の初期の発振周波数である６０．７９ｋＨｚである。以下、接合初期に対応するＹ方向荷重の周波数成分において、ピークとなる周波数２２を、基本振動周波数と呼ぶ。基本振動周波数は、ツール２をワーク３に押し付けず、無負荷状態で超音波発振させた際の超音波振動の周波数と等しい。

図８は、図６のｂ部の波形をＦＦＴ解析することで得られる周波数成分と、図６のｆ分の波形をＦＥＴ解析することで得られる周波数成分とを併せて示す図である。接合後期の時間区間に相当するｆ部の波形に対してＦＥＴ解析が行われることで、図８に示すような、ｆ部の波形の周波数成分、すなわち接合後期に対応するＹ方向荷重の周波数成分が得られる。

図８に示すように、ワーク３とワイヤ５が接合することでツール２への負荷状態が変化することにより、接合後期では、振動周波数のピークが６１．０３ｋＨｚの高周波域にシフトする。すなわち、接合後期に対応するＹ方向荷重の周波数成分において、ピークとなる周波数２３の値は、６１．０３ｋＨｚである。

なお、ここでいう接合後期とは、シェア試験等によりあらかじめ調査した接合強度の時間推移において、シェア強度の上昇が見られなくなる時間区間を意味する。以下、接合後期に対応するＹ方向荷重の周波数成分において、ピークとなる周波数２３を、高振動周波数と呼ぶ。

図９は、図１のボンディングツール２によってワイヤボンディングが行われているときの、基本振動周波数のＹ方向荷重２４および高振動周波数のＹ方向荷重２５のそれぞれの時間推移を示す図である。図９に示すように、接合初期においては、周波数が基本振動周波数であるＹ方向荷重２４が支配的である。接合初期から時間が経過して接合後期になると、周波数が高振動周波数であるＹ方向荷重２５が支配的となる。

解析部９は、３軸力検出素子６によって検出されたＹ方向荷重の時間軸波形に対して、周波数解析を行うことでＹ方向周波数成分を求める。判定部１０は、解析部９によって求められたＹ方向荷重の周波数成分から、図１０に示すような判定値を求める。

図１０は、本発明の実施の形態１における基本振動周波数のＹ方向荷重および高振動周波数のＹ方向荷重の和に占める高振動周波数のＹ方向荷重の割合の時間推移を示す図である。以下、基本振動周波数のＹ方向荷重および高振動周波数のＹ方向荷重の和に占める高振動周波数のＹ方向荷重の割合を判定値と呼ぶ。

図１０では、このような判定値の具体例として、ワイヤボンディングが正常に行われたときに得られる判定値２６を実線で図示し、ワイヤ５とワーク３の間に接合部が形成されない不良が発生したときに得られる判定値２７を破線で図示し、ワイヤ５とワーク３の間の接合が不十分であり、十分な接合強度が得られていない不良が発生したときに得られる判定値２８を一点鎖線で図示している。

図１０に示すように、ワイヤ５とワーク３の間に接合部が形成されない不良が生じている場合、判定値２７は、時間の経過に伴って上昇しない。また、ワイヤ５とワーク３の間の接合が不十分であり、接合強度が十分得られていない不良が生じている場合、判定値２８は、時間の経過に伴って上昇するものの、判定値２６と比べて、接合初期から接合後期にかけての値の上昇度が小さい。このように、ワイヤボンディングの接合品質に関わる不良が発生したか否かによって、接合初期から接合後期にかけての判定値の上昇度が変化し、特に、このような不良が発生せずにワイヤボンディングが正常に行われたときの判定値２６の上昇度が最も大きい。

したがって、接合品質が良好であるときの判定値を判定閾値としてあらかじめ設定しておき、その判定閾値と、判定値とを比較することで、接合品質の良否を判定することが可能となる。

そこで、本実施の形態１では、判定部１０は、接合初期に対応するＹ方向荷重の周波数成分においてピークとなる基本振動周波数のＹ方向荷重と、接合後期に対応するＹ方向荷重の周波数成分においてピークとなる高振動周波数のＹ方向荷重との和に対する高振動周波数のＹ方向荷重の割合である判定値と、あらかじめ設定された判定閾値とを比較することで、接合品質の良否を判定するように構成されている。

解析部９は、Ｙ方向荷重の周波数成分を判定部１０に出力する。判定部１０は、解析部９から出力されたＹ方向荷重の周波数成分から、判定値を求め、その判定値と、判定閾値とを比較することで、接合品質の良否を判定する。

なお、判定値と判定閾値とを比較することで、接合品質の良否を判定する具体的な手法としては、さまざまな手法が考えられる。例えば、以下のような手法を採用すればよい。

すなわち、あらかじめ、判定値の上昇度と接合強度との関係を、プル試験、シェア試験等の各種信頼性試験により調査し、その調査結果から、所望の接合強度が得られるときの判定値の上昇度を、判定閾値として、判定部１０に設定する。判定部１０は、求めた判定値の上昇度と、設定された判定閾値とを比較し、判定値の上昇度の方が大きい場合には、接合良好と判定し、判定閾値の方が大きい場合には、接合不良と判定する。

判定部１０によって接合不良と判定された場合、判定部１０は、振動子１へ装置停止信号を出力する。振動子１は、装置停止信号が入力されると、駆動を停止する。

以上、本実施の形態１によれば、ワークを載置するステージ内に埋設されている３軸力検出素子によって検出されたＹ方向荷重の時間軸波形に対して、周波数解析を行うことで、Ｙ方向荷重の周波数成分を求め、接合初期に対応するＹ方向荷重の周波数成分においてピークとなる基本振動周波数のＹ方向荷重と、接合後期に対応するＹ方向荷重の周波数成分においてピークとなる高振動周波数のＹ方向荷重との和に対する高振動周波数のＹ方向荷重の割合である判定値と、あらかじめ設定された判定閾値とを比較することで、接合品質の良否を判定するように構成されている。

このように、ワーク下ステージ内に埋設した３軸力検出素子によって、超音波による加振力の振動周波数を測定するため、ワーク内のボンディング点によらず、振動周波数の計測が可能であり、連続稼働時の接合品質の良否判定が可能である。また、ワイヤを介してワークに直接伝わる荷重を計測することで、ワイヤとワークの接合進行状態を直接的にモニタリングすることが可能となり、その結果、接合品質の良否を高精度に判定することができる。すなわち、ボンディングの連続稼働に対応して接合品質の良否判定をリアルタイムに行うとともに、判定の信頼性を従来と比べて高くすることができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２では、先の実施の形態１における判定値はワイヤ５とワーク３との接合の進行に伴って上昇し、接合が完了すると飽和して一定値になるという特性を利用して、接合品質の良否判定を行うように構成する場合について説明する。なお、本実施の形態２では、先の実施の形態１と同様である点の説明を省略し、先の実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

図１１は、本発明の実施の形態２におけるシェア強度の時間推移２９と、つぶれ幅の時間推移３０を示す図である。図１２は、図１１のｇ部におけるワイヤボンディング後のワイヤ５の外観図である。なお、図１１では、シェア強度の時間推移２９を実線で図示し、つぶれ幅の時間推移３０を破線で図示している。

図１１に示すように、つぶれ幅は、接合時間が経過するにつれて増加するのに対して、シェア強度は、接合時間がある一定時間経過すると上昇が見られなくなる。また、図１２に示すように、接合時間が適正時間よりも超過すると、ワイヤ５の側面に破壊部３１が発生し、その結果、接合品質が低下する。

そこで、判定部１０は、先の実施の形態１で説明した判定値が、判定閾値を超えてからの経過時間と、あらかじめ設定された時間閾値とを比較することで、接合品質の良否を判定するように構成されている。

具体的には、実施の形態１で定めた判定閾値を超えてからの経過時間と接合品質の関係をあらかじめプル試験、シェア試験等の各種信頼性試験により調査し、その調査結果から、判定閾値を超えてからの不良が生じない接合時間限界である時間閾値を設定する。判定部１０は、求めた判定値の判定閾値を超えてからの経過時間と、時間閾値とを比較し、経過時間が時間閾値を超えている場合には、接合不良と判定し、そうでない場合には、接合良好と判定する。

判定部１０によって接合不良と判定された場合、判定部１０は、振動子１へ装置停止信号を出力する。振動子１は、装置停止信号が入力されると、駆動を停止する。

また、本実施の形態２の構成によって判定可能な接合不良の種類は、上記のとおり、適切な接合時間を超過することによる接合不良である。したがって、本実施の形態２では、判定部１０は、接合不良と判定すると、その接合不良の原因が適切な接合時間を超過することによるものであると推定することができ、接合不良の原因を特定することができる。

以上、本実施の形態２によれば、先の実施の形態１の構成に対して、判定値が、判定閾値を超えてからの経過時間と、あらかじめ設定された時間閾値とを比較することで、接合品質の良否を判定するように構成されている。

これにより、先の実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、さらに、接合不良の種類として、適切な接合時間を超過することによる接合不良を検出することができる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３では、解析部９によって求められたＹ方向荷重の周波数成分において、基本振動周波数の整数倍以外の周波数ピークをモニタリングすることで接合品質の良否判定を行うように構成する場合について説明する。なお、本実施の形態３では、先の実施の形態１と同様である点の説明を省略し、先の実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

図１３は、本発明の実施の形態３における接合不良が発生した場合のＹ方向荷重の時間軸波形を、図６のｂ部の区間で、ＦＥＴ解析したときに得られる周波数成分を示す図である。

図１３において、基本振動周波数に起因したピーク３２と、基本振動周波数の整数倍の周波数に起因したピーク３３と、基本振動周波数の整数倍以外の周波数に起因したピーク３４とがみられる。また、高荷重条件でボンディングした際には、ワイヤ５のつぶれが増大し、ツール２の先端がワーク３に干渉してしまうため、図１３に示すようなピーク３４が現れる。

そこで、判定部１０は、基本振動周波数の整数倍以外の周波数のピーク３４を、Ｙ方向荷重の周波数成分において、検出したか否かによって、接合品質の良否を判定するように構成されている。

具体的には、判定部１０は、Ｙ方向荷重の周波数成分において、ピーク３４を検出した場合には、接合不良と判定し、そうでない場合には、接合良好と判定する。なお、プル試験、シェア試験等の各種信頼性試験によって調査することで、所望の接合強度となるピーク強度を閾値として設定する。そして、その閾値とピーク３４の強度とを比較し、閾値の方が大きい場合には、ピーク３４を検出していないと判断し、ピーク３４の強度の方が大きい場合には、ピーク３４を検出したと判断するようにしてもよい。

判定部１０によって接合不良と判定された場合、判定部１０は、振動子１へ装置停止信号を出力する。振動子１は、装置停止信号が入力されると、駆動を停止する。

また、本実施の形態３の構成によって判定可能な接合不良の種類は、上記のとおり、高荷重条件に起因したつぶれ異常による接合不良である。したがって、本実施の形態３では、判定部１０は、接合不良と判定すると、その接合不良の原因が高荷重条件に起因したつぶれ異常によるものであると推定することができ、接合不良の原因を特定することができる。

なお、本実施の形態３で示す接合品質の良否判定手法は、時間分割した一つもしくは複数の任意の区間に対して行うことが可能である

以上、本実施の形態３によれば、接合初期に対応するＹ方向荷重の周波数成分においてピークとなる基本振動周波数の整数倍以外の周波数のピークを、Ｙ方向荷重の周波数成分において、検出したか否かによって、接合品質の良否を判定するように構成されている。

これにより、先の実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、さらに、接合不良の種類として、高荷重条件に起因したつぶれ異常による接合不良を検出することができる。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４では、３軸力検出素子６によって検出されたＸ方向荷重の周波数成分を用いて、接合品質の良否判定を行うように構成する場合について説明する。なお、本実施の形態４では、先の実施の形態１と同様である点の説明を省略し、先の実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

解析部９は、先の実施の形態１の構成に対して、３軸力検出素子６によって検出されたＸ方向荷重の時間軸波形に対して、周波数解析を行うことで、Ｘ方向荷重の周波数成分をさらに求める。ＦＦＴ解析は、任意の時間長さ、分割数で設定した時間区間に対して行われ、解析部９は、分割された時間区間のうち任意の時間区間を選択して解析することも可能である。

図１４は、本発明の実施の形態４における接合不良が発生した場合のＸ方向荷重の時間軸波形を、図４のｈ部の区間で、ＦＥＴ解析したときに得られる周波数成分を示す図である。

ここで、接合品質が良好である場合、すなわち、ワイヤボンディングが正常に行われた場合、Ｘ軸方向では、荷重検出が見られず、Ｘ方向荷重の時間軸波形に対してＦＦＴ解析しても、明瞭な周波数のピークが見られない。これに対して、ワイヤボンディング中のワーク３の押さえが不十分である場合、Ｘ軸方向にワーク３が振動してしまうため、超音波振動がワイヤ５に効率良く伝達されず、その結果、接合不良が発生する。

図１４に示すように、ワーク３の振動による接合不良が発生した場合には、Ｘ方向荷重の周波数成分において、基本振動周波数の整数倍のピーク３５が見られる。ピーク３５は、接合品質が良好である場合には、見られない。

そこで、判定部１０は、基本振動周波数の整数倍の周波数のピーク３５を、Ｘ方向荷重の周波数成分において、検出したか否かによって、接合品質の良否を判定するように構成されている。

具体的には、判定部１０は、Ｘ方向荷重の周波数成分において、ピーク３５を検出した場合には、接合不良と判定し、そうでない場合には、接合良好と判定する。なお、プル試験、シェア試験等の各種信頼性試験によって調査することで、所望の接合強度となるピーク強度を閾値として設定する。そして、その閾値とピーク３５の強度とを比較し、閾値の方が大きい場合には、ピーク３５を検出していないと判断し、ピーク３５の強度の方が大きい場合には、ピーク３５を検出したと判断するようにしてもよい。

判定部１０によって接合不良と判定された場合、判定部１０は、振動子１へ装置停止信号を出力する。振動子１は、装置停止信号が入力されると、駆動を停止する。

また、本実施の形態４の構成によって判定可能な接合不良の種類は、上記のとおり、ワーク３の押さえが不十分であることに起因したワーク３の振動による接合不良である。したがって、本実施の形態４では、判定部１０は、接合不良と判定すると、その接合不良の原因がワーク３の押さえが不十分であることに起因したワーク３の振動によるものであると推定することができ、接合不良の原因を特定することができる。

なお、本実施の形態４で示す接合品質の良否判定手法は、時間分割した一つもしくは複数の任意の区間に対してＦＦＴ解析を行い判定することが可能である。

以上、本実施の形態４によれば、３軸力検出素子によって検出されたＸ方向荷重の時間軸波形に対して、周波数解析を行うことで、Ｘ方向荷重の周波数成分を求め、接合初期に対応するＹ方向荷重の周波数成分においてピークとなる基本振動周波数の整数倍の周波数のピークを、Ｘ方向荷重の周波数成分において、検出したか否かによって、接合品質の良否を判定するように構成されている。

これにより、先の実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、さらに、接合不良の種類として、ワークの押さえが不十分であることに起因したワークの振動による接合不良を検出することができる。

実施の形態５．
本発明の実施の形態５では、３軸力検出素子６によって検出されたＺ方向荷重を用いて、接合品質の良否判定を行うように構成する場合について説明する。なお、本実施の形態５では、先の実施の形態１と同様である点の説明を省略し、先の実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

図１５は、本発明の実施の形態５における接合不良が発生していない場合のＺ方向荷重の時間軸波形を示す図である。図１６は、本発明の実施の形態５における接合不良が発生した場合のＺ方向荷重の時間軸波形を示す図である。

図１６に示すように、チップ割れ等のワーク３の破損が生じた場合、Ｚ方向荷重の時間軸波形において、ワーク３が破壊されることに起因するピーク３６が見られる。なお、図１６では、ピーク３６が１個しか発生していないが、このピーク３６は複数個発生する場合がある。一方、図１５に示すように、ワーク３の破損が生じていない場合、ピーク３６が見られない。

そこで、判定部１０は、ワーク３が破壊されることに起因するピーク３６を、Ｚ方向荷重の時間軸波形において、検出したか否かによって、接合品質の良否を判定するように構成されている。

具体的には、判定部１０は、Ｚ方向荷重の時間軸波形において、ピーク３６を検出した場合には、接合不良と判定し、そうでない場合には、接合良好と判定する。なお、プル試験、シェア試験等の各種信頼性試験によって調査することで、所望の接合強度となるピーク強度を閾値として設定する。そして、その閾値とピーク３６の強度とを比較し、閾値の方が大きい場合には、ピーク３６を検出していないと判断し、ピーク３６の強度の方が大きい場合には、ピーク３６を検出したと判断するようにしてもよい。

判定部１０によって接合不良と判定された場合、判定部１０は、振動子１へ装置停止信号を出力する。振動子１は、装置停止信号が入力されると、駆動を停止する。

また、本実施の形態５の構成によって判定可能な接合不良の種類は、上記のとおり、ワーク３の破損による接合不良である。したがって、本実施の形態５では、判定部１０は、接合不良と判定すると、その接合不良の原因がワーク３の破損によるものであると推定することができ、接合不良の原因を特定することができる。

以上、本実施の形態５によれば、３軸力検出素子によって検出されたＺ方向荷重の時間軸波形において、ワークが破壊されることに起因するピークを検出したか否かによって、接合品質の良否を判定するように構成されている。

これにより、先の実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、さらに、接合不良の種類として、ワークの破損による接合不良を検出することができる。

なお、実施の形態１〜５について個別に説明してきたが、実施の形態１〜５のそれぞれで開示した構成例は、任意に組み合わせることが可能である。特許文献１、２に記載のいずれの従来技術も、Ｙ軸方向、すなわち超音波振動方向の一方向のみの振動測定に留まるため、振動波形からのみでは、不良が発生した際の原因究明が困難な場合が存在する。これに対して、各実施の形態１〜５の構成例を適宜組み合わせることで、３軸方向のうちのどの方向の波形にどのような異常が生じているかを見ることができ、接合不良の発生時には、接合不良の原因推定を行うことが可能となる。

以上の実施の形態１〜５の説明から分かるように、本願発明のワイヤボンディング良否判定装置およびワイヤボンディング良否判定方法は、３軸力検出素子によって検出された、３軸方向の荷重、すなわち、Ｘ方向荷重、Ｙ方向荷重およびＺ方向荷重のうちの少なくとも１つの荷重から、ワイヤボンディングの接合品質の良否を判定するように構成されている。

１ 振動子、２ ボンディングツール、３ ワーク、４ ステージ、５ ボンディングワイヤ、６ ３軸力検出素子、７ チャージアンプ、８ 電圧検出部、９ 解析部、１０ 判定部、１１ 電圧印加装置、１２ 電圧検出装置、１３ 電流検出装置、１４ 位相比較装置、１５ Ｘ軸方向、１６ Ｙ軸方向、１７ Ｚ軸方向、１８ Ｚ方向荷重、１９ Ｙ方向荷重、２０ Ｘ方向荷重、２１ Ｙ方向波形、２２ 周波数、２３ 周波数、２４ Ｙ方向荷重、２５ Ｙ方向荷重、２６ 判定値、２７ 判定値、２８ 判定値、２９ 時間推移、３０ 時間推移、３１ 破壊部、３２ ピーク、３３ ピーク、３４ ピーク、３５ ピーク、３６ ピーク、１０１ ワイヤボンディング装置、１０２ ワイヤボンディング良否判定装置、１０３ 制御装置。

Claims (7)

1. ワークを載置するステージ内に埋設され、前記ワークにボンディングワイヤを超音波接合するワイヤボンディングがボンディングツールによって行われるときに、前記ボンディングツールから前記ワークに加わる３軸方向の荷重を検出する３軸力検出素子と、
   前記３軸力検出素子によって検出された前記３軸方向の荷重のうちの少なくとも１つの荷重から、前記ワイヤボンディングの接合品質の良否を判定する制御装置と、
   を備え、
   前記ワークの面と平行であり、前記ボンディングツールから伝達される超音波の超音波振動方向と直交する方向をＸ軸方向とし、前記超音波振動方向をＹ軸方向とし、前記Ｘ軸方向および前記Ｙ軸方向と直交し、前記ワイヤボンディングが行われるときに前記ボンディングツールが前記ボンディングワイヤを前記ワークに押し付ける方向をＺ軸方向としたとき、
   前記３軸方向の荷重は、前記Ｘ軸方向の荷重であるＸ方向荷重と、前記Ｙ軸方向の荷重であるＹ方向荷重と、前記Ｚ軸方向の荷重であるＺ方向荷重とによって構成されている
   ワイヤボンディング良否判定装置。
2. 前記制御装置は、
   前記３軸力検出素子によって検出された前記Ｙ方向荷重の時間軸波形に対して、周波数解析を行うことで、前記Ｙ方向荷重の周波数成分を求め、
   接合初期に対応する前記Ｙ方向荷重の周波数成分においてピークとなる基本振動周波数の前記Ｙ方向荷重と、接合後期に対応する前記Ｙ方向荷重の周波数成分においてピークとなる高振動周波数の前記Ｙ方向荷重との和に対する前記高振動周波数の前記Ｙ方向荷重の割合である判定値と、あらかじめ設定された判定閾値とを比較することで、前記接合品質の良否を判定する
   請求項１に記載のワイヤボンディング良否判定装置。
3. 前記制御装置は、
   前記判定値が、前記判定閾値を超えてからの経過時間と、あらかじめ設定された時間閾値とを比較することで、前記接合品質の良否を判定する
   請求項２に記載のワイヤボンディング良否判定装置。
4. 前記制御装置は、
   前記３軸力検出素子によって検出された前記Ｙ方向荷重の時間軸波形に対して、周波数解析を行うことで、前記Ｙ方向荷重の周波数成分を求め、
   接合初期に対応する前記Ｙ方向荷重の周波数成分においてピークとなる基本振動周波数の整数倍以外の周波数のピークを、前記Ｙ方向荷重の周波数成分において、検出したか否かによって、前記接合品質の良否を判定する
   請求項１から３のいずれか１項に記載のワイヤボンディング良否判定装置。
5. 前記制御装置は、
   前記３軸力検出素子によって検出された前記Ｙ方向荷重の時間軸波形に対して、周波数解析を行うことで、前記Ｙ方向荷重の周波数成分を求め、
   前記３軸力検出素子によって検出された前記Ｘ方向荷重の時間軸波形に対して、周波数解析を行うことで、前記Ｘ方向荷重の周波数成分を求め、
   接合初期に対応する前記Ｙ方向荷重の周波数成分においてピークとなる基本振動周波数の整数倍の周波数のピークを、前記Ｘ方向荷重の周波数成分において、検出したか否かによって、前記接合品質の良否を判定する
   請求項１から４のいずれか１項に記載のワイヤボンディング良否判定装置。
6. 前記制御装置は、
   前記３軸力検出素子によって検出された前記Ｚ方向荷重の時間軸波形において、前記ワークが破壊されることに起因するピークを検出したか否かによって、前記接合品質の良否を判定する
   請求項１から５のいずれか１項に記載のワイヤボンディング良否判定装置。
7. ワークにボンディングワイヤを超音波接合するワイヤボンディングがボンディングツールによって行われるときに、３軸力検出素子を用いて、前記ボンディングツールから前記ワークに加わる３軸方向の荷重を取得するステップと、
   取得した前記３軸方向の荷重のうちの少なくとも１つの荷重から、前記ワイヤボンディングの接合品質の良否を判定するステップと、
   を備え、
   前記ステップは、制御装置によって実行され、
   前記ワークの面と平行であり、前記ボンディングツールから伝達される超音波の超音波振動方向と直交する方向をＸ軸方向とし、前記超音波振動方向をＹ軸方向とし、前記Ｘ軸方向および前記Ｙ軸方向と直交し、前記ワイヤボンディングが行われるときに前記ボンディングツールが前記ボンディングワイヤを前記ワークに押し付ける方向をＺ軸方向としたとき、
   前記３軸方向の荷重は、前記Ｘ軸方向の荷重であるＸ方向荷重と、前記Ｙ軸方向の荷重であるＹ方向荷重と、前記Ｚ軸方向の荷重であるＺ方向荷重とによって構成されている
   ワイヤボンディング良否判定方法。

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