JP2020047876A - ウェッジボンディング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェッジボンディング装置において、デバイスへのダメージを抑制しつつ、より簡素な構成によってデバイスの電極にワイヤを接合させる。【解決手段】ボンディングツールと、ボンディングツールを支持するホーンを含み、所定の方向に延在する軸線を有する超音波振動子と、第１周波数及び、第１周波数よりも高い第２周波数を含む少なくとも２つの周波数の交流電圧を出力可能な電圧源と、電圧源に接続され、超音波振動子に駆動可能に設けられた圧電素子とを有し、超音波振動子の軸線方向長さが、第１周波数に対応する半波長の奇数倍に等しく、かつ第２周波数に対応する半波長の奇数倍に等しくなるように、第１周波数及び第２周波数が定められ、超音波振動子が、第１周波数及び第２周波数の両者についての超音波振動子の振動の節に対応する固定位置にて固定支持されている。【選択図】図６

Description

本発明は、超音波を用いてワイヤボンディングを行うウェッジボンディング装置に関する。

ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、パワートランジスタ等のデバイスのボンディングパッド（電極）と引出し電極とを超音波を用いたウェッジボンディングするときに、超音波によってデバイスが損傷することがあることが知られている。このようなデバイスの損傷を防止するため、ワイヤの接合部位を加熱することのできるウェッジボンディング装置が開発されている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載されたウェッジボンディング装置では、ワイヤの接合部位を加熱することで、接合部位の硬度及び加工硬度指数を小さくした状態でデバイスの電極にワイヤを接合することができる。これにより、ウェッジボンディング時に加える超音波のパワーを小さくことができるため、デバイスに加わるダメージを抑制することができる。

特許第５８０４６４４号公報

特許文献１に記載されたウェッジボンディング装置では、ワイヤの接合部位を加熱するため、ボンディングツールの先端にヒータを設けられている。これにより、ボンディングツールの構成が複雑になるという問題があった。

本発明は、このような背景に鑑みなされたもので、ウェッジボンディング装置において、デバイスへのダメージを抑制しつつ、より簡素な構成によってデバイスの電極にワイヤを接合させることを課題とする。

上記課題を解決するために、ウェッジボンディング装置（１）であって、ボンディングツール（２５）と、前記ボンディングツールを支持するホーン（３９）を含み、所定の方向に延在する軸線を有する超音波振動子（２４）と、第１周波数及び、前記第１周波数よりも高い第２周波数を含む少なくとも２つの周波数の交流電圧を出力可能な電圧源（５５）と、前記電圧源に接続され、前記超音波振動子に駆動可能に設けられた圧電素子（２７）とを有し、前記超音波振動子の軸線方向長さが、前記第１周波数に対応する半波長の奇数倍に等しく、かつ前記第２周波数に対応する半波長の奇数倍に等しくなるように、前記第１周波数及び前記第２周波数が定められ、前記超音波振動子が、前記第１周波数及び前記第２周波数の両者についての前記超音波振動子の振動の節に対応する固定位置（Ｐ）にて固定支持されていることを特徴とする。

上記構成によれば、第１周波数の交流電圧を電圧源に出力させると、超音波振動子が共振し、ボンディングツールの先端に十分な強度の第１周波数の超音波が伝わる。これにより、第１周波数の超音波を用いてウェッジボンディングすることができる。第２周波数の交流電圧を電圧源に出力させると、超音波振動子が共振し、ボンディングツールの先端に十分な強度の第２周波数の超音波が伝わる。これにより、第２周波数の超音波を用いてウェッジボンディングすることができる。第１周波数及び第２周波数の中から、デバイスにダメージの少ない周波数を選択してウェッジボンディングすることができるため、デバイスへのダメージを抑制しつつ、デバイスの電極にワイヤを接合させることができる。また、第１周波数で共振しているときの節の位置、且つ、第２周波数で共振しているときの節の位置で、超音波振動子が固定位置されているため、第１周波数での共振及び第２周波数での共振が超音波振動子の固定によって乱されず、ボンディングツールの先端に伝わる超音波振動のパワーをより大きくすることができる。更に、電圧源に出力させる交流電圧の周波数を変更することで、第１周波数の超音波と第２周波数の超音波とを切り替えることができるため、ボンディングツールにヒータを設けた場合に比べて、ウェッジボンディング装置の構成がより簡素になる。

また、本発明の一態様によれば、前記圧電素子が、前記第１周波数及び前記第２周波数の両者についての前記超音波振動子の振動の節に対応する加振位置（Ｑ）に取り付けられているとよい。

上記構成によれば、圧電素子が節の位置に設けられる。これにより、圧電素子が他の位置に設けられる場合に比べて、超音波振動子の振動効率を向上させることができる。

また、本発明の一態様によれば、前記固定位置及び前記加振位置はともに、実質的に前記超音波振動子の軸線方向における略中央に設けられているとよい。

上記構成によれば、固定位置と加振位置とを容易に節の位置に配置することができる。

また、本発明の一態様によれば、前記第２周波数は前記第１周波数の３倍であり、前記超音波振動子の軸線方向長さが、前記第１周波数における前記超音波振動子中での超音波の半波長に実質的に同一であるとよい。

上記構成によれば、ボンディングに用いる第１周波数及び第２周波数が定まっているときに、超音波振動子の軸線方向長さを短くすることができる。これにより、ウェッジボンディング装置の構成が簡素になる。

また、本発明の一態様によれば、前記超音波振動子は、前記所定の方向に向かって延在する基部（２８）と、前記基部の延在方向一端側から突出し、突端に前記ホーンを備えたツール接続部（２９）と、前記基部の延在方向他端側から突出するテール部（３０）とを有し、前記基部の軸線方向長さと、前記ツール接続部の軸線方向長さと、前記テール部との軸線方向長さはそれぞれ、前記第１周波数又は前記第２周波数における前記超音波振動子中での超音波の半波長に等しいとよい。

上記構成によれば、基部、ツール部、及びテール部の全てを第１周波数又は第２周波数のいずれかで共振させることができる。これにより、基部、ツール部、及びテール部の全てが共振する周波数における超音波振動子のＱ値を高めることができるため、ボンディングツールの先端に超音波が伝わり易くなる。

また、本発明の一態様によれば、前記超音波振動子を前後、左右、及び上下に移動可能に支持する本体（２０）を有し、前記固定位置は前記超音波振動子の周方向に配列された複数の点（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ）により構成され、前記超音波振動子は前記複数の点において前記本体に支持されているとよい。

上記構成によれば、超音波振動子と本体との結合面積が小さくなるため、超音波振動子から本体に超音波振動が漏れ難くなる。これにより、ボンディングツールの先端により効率よく超音波を伝えることができる。

また、本発明の一態様によれば、前記ツール接続部（３８）は、前記基部の前記延在方向一端側から突出する円柱状のブースター部と、前記ブースター部の端部から突出する円柱状の前記ホーンとを有し、前記ホーンの直径は前記ブースター部の直径に比べて小さい
とよい。

上記構成によれば、ホーンの突端に発生する超音波の振幅をより大きくすることができる。これにより、ボンディングツールの先端により効率よく超音波を伝えることができる。

また、本発明の一態様によれば、前記第１周波数は３０ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下であり、前記第２周波数は９０ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下であり、金属端子（９）とワイヤ（６）との接合のときには、前記電圧源は前記第１周波数の交流を出力し、半導体チップ（２）の電極（４）と前記ワイヤとの接合のときには、前記電圧源は前記第２周波数の交流を出力するとよい。

上記構成によれば、半導体チップの電極とワイヤとの間に良好な接合を得ることができるとともに、半導体チップに設けられたデバイスの損傷を防止できる。また、金属端子とワイヤとの間に良好な接合を得るためのボンディング条件範囲を広くすることができる。

このように本発明によれば、ウェッジボンディング装置において、デバイスへのダメージを抑制しつつ、より簡素な構成によってデバイスの電極にワイヤを接合させることができる。

ウェッジワイヤボンディング装置の正面図 図１に示すボンディングツール近傍の拡大図 （Ａ）上方、及び（Ｂ）下方から見たときの超音波振動子の斜視図 図２のＩＶ−ＩＶ断面図 超音波振動子の一次の振動モードを説明するための説明図 超音波振動子の三次の振動モードを説明するための説明図 超音波振動子の五次の振動モードを説明するための説明図

以下、本発明に係るウェッジボンディング装置（以下、ボンディング装置）の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、ボンディング装置１には、微細加工後の半導体ウエハをダイシングして半導体チップ２（図２参照）に加工し、その半導体チップ２をチップキャリアやプリント基板３（ＰＣＢ）にマウントしたワーク５が導入される。図２に示すように、半導体チップ２にはボンディングパッド（以下、電極４）が設けられている。プリント基板３には半導体チップ２の電極４にワイヤ６によって接続される引出し電極７が設けられている。本実施形態では、ワーク５は半導体チップ２、プリント基板３に加えて、プリント基板３を収容する箱形のケーシング８を含んでいる。ケーシング８にはアース用又は冷却用の金属端子９が設けられている。ボンディング装置１はボンディング前のワーク５に対して、半導体チップ２の電極４及び引出し電極７の間、及び、プリント基板３に設けられた引出し電極７以外の電極１０及びケーシング８に設けられた金属端子９の間を、超音波を用いてワイヤボンディング（ウェッジボンディング）する装置である。

図１に示すように、ボンディング装置１は、ボンディング前のワーク５Ａをボンディングが行われるステージ１１に供給するための供給ライン１２と、ボンディング後のワーク５Ｂが排出される排出ライン１３とを備えている。供給ライン１２および排出ライン１３はそれぞれベルトコンベアによって構成される。

ステージ１１は供給ライン１２と排出ライン１３との間に設けられ、ボンディング中のワーク５Ｃを下方から支持する。ステージ１１の上方には門型に形成された架台１５が設けられている。架台１５の下側、且つステージ１１の上方には、水平面上の互いに直交する２つの方向（Ｘ方向及びＹ方向）に移動可能に支持された支持台１６が設けられている。支持台１６の下側には水平回転可能なロータリ機構１８を介して上下動ブロック１９が取付けられる。上下動ブロック１９は金属製のブロックである支持ブロック２０（本体）を公知のリンク機構によって鉛直方向（Ｚ方向）に移動自在に支持している。支持ブロック２０の下側には金属製のブラケット２１を介して支持部材２２が結合され、その支持部材２２に超音波振動子２４が略水平方向に延在するように結合されている。図１及び図２に示すように、超音波振動子２４の一端には、ボンディングツール２５が取付けられている。上下動ブロック１９はリニアモータの推力などを利用してボンディングツール２５に所望の鉛直方向荷重を加える加圧機構として機能する。このように、超音波振動子２４は、支持部材２２、支持ブロック２０、上下動ブロック１９、ロータリ機構１８、及び支持台１６を介して架台１５に支持されている。これにより、超音波振動子２４はステージ１１に対して３次元に移動自在かつ上下方向を軸線とする回転自在となっている。以下では、超音波振動子２４の延在方向が前後方向にあり、ボンディングツール２５が設けられた側を後方にある場合（図１及び図２参照）を想定して、超音波振動子２４、及びその支持構造についてより詳細に説明する。

図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、超音波振動子２４は複数の圧電素子２７を備え、その圧電素子２７に所定周波数の交流電圧を加えることによって、その周波数の超音波振動を発生させるいわゆるトランスデューサである。超音波振動子２４は前後方向に延在する軸線Ｘを中心とする棒状をなしている。超音波振動子２４の延在方向（軸線方向）における長さは５０ｍｍ以上７０ｍｍ以下であることが好ましく、本実施形態では６０ｍｍに設定されている。

超音波振動子２４は、軸線Ｘを中心として前後方向に延び、複数の圧電素子２７を含む略円柱状の基部２８と、軸線Ｘを中心として基部２８の後端（延在方向一端）から後方に突出し、その突端にボンディングツール２５が設けられたツール接続部２９と、基部２８の前端（延在方向他端）から軸線Ｘを中心として前方に突出するテール部３０とを有している。図５に示すように、基部２８の前後方向（軸線方向）の長さと、ツール接続部２９の前後方向（軸線方向）の長さと、テール部３０の前後方向（軸線方向）の長さとは概ね等しい。図２に示すように、基部２８には前後方向に貫通する貫通孔が設けられ、テール部３０の後端面及びツール接続部２９の前端面にはそれぞれ螺子孔が設けられている。ツール接続部２９に両螺子ボルト３１の一端に締結した後、両螺子ボルト３１を基部２８の貫通孔に通し、テール部３０を両螺子ボルト３１の他端に締結することによって、ツール接続部２９及びテール部３０は基部２８を挟んで互いに結合されている。これにより、ツール接続部２９、基部２８、及びテール部３０は一体となっている。

図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、基部２８は前側から順に第１部材３２Ａ、第１圧電素子２７Ａ、第２圧電素子２７Ｂ、中板材３３（中板部）、第３圧電素子２７Ｃ、第４圧電素子２７Ｄ、及び第２部材３２Ｂを備えている。第１部材３２Ａ及び第２部材３２Ｂはともに前後方向に沿って延びる金属製の略円筒状の部材である。第１部材３２Ａと第２部材３２Ｂとは略同形をなしている。第１圧電素子２７Ａ、第２圧電素子２７Ｂ、第３圧電素子２７Ｃ、及び第４圧電素子２７Ｄは全て略同形な円筒状をなしている。第１圧電素子２７Ａ、第２圧電素子２７Ｂ、第３圧電素子２７Ｃ、及び第４圧電素子２７Ｄの横断面は円環状をなし、第１部材３２Ａ（又は第２部材３２Ｂ）の横断面と同形である。第１部材３２Ａの後端面及び第１圧電素子２７Ａの前端面の間には第１電極３４Ａが、第１圧電素子２７Ａの後端面及び第２圧電素子２７Ｂの前端面の間には第２電極３４Ｂが、中板材３３の後端面及び第３圧電素子２７Ｃの前端面の間には第３電極３４Ｃが、第３圧電素子２７Ｃの後端面及び第４圧電素子２７Ｄの前端面の間には第４電極３４Ｄがそれぞれ設けられている。第１電極３４Ａ、第２電極３４Ｂ、第３電極３４Ｃ、及び第４電極３４Ｄはそれぞれ銅板により形成され、第１部材３２Ａ（又は第２部材３２Ｂ）の横断面と同形な略円環状をなしている。

図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、中板材３３は前後方向に向き、軸線Ｘに略垂直な壁面を有する金属製の板状部材である。図４に示すように、中板材３３は軸線Ｘに同軸をなす略円環状をなしており、厚さ方向に貫通する中板貫通孔３５を備えている。図３に示すように、中板材３３の外径は第１部材３２Ａの外径よりも若干大きい。中板材３３の外周面には、周方向に沿って概ね等間隔に配置された支持凹部３６が複数設けられている。支持凹部３６は径方向内方に凹む凹部であり、本実施形態では４つの支持凹部３６が中板材３３に設けられている。本実施形態では、更に、中板材３３の外周面には左右方向に向く面を備えた一対の切欠部３７が形成されている。図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、中板材３３の後側（裏側）に第２圧電素子２７Ｂ及び第１圧電素子２７Ａが、中板材３３の前側（表側）に第３圧電素子２７Ｃ及び第４圧電素子２７Ｄがそれぞれ設けられ、第１圧電素子２７Ａ及び第２圧電素子２７Ｂと、第４圧電素子２７Ｄ及び第３圧電素子２７Ｃはそれぞれ、中板材３３を中心として前後に概ね対称に配置されている。

ツール接続部２９は、基部２８の前端から前方に突出する円柱状のブースター部３８と、ブースター部３８の前端（端部）から突出した円柱状のホーン部３９（ホーン）とを備えている。ホーン部３９の直径はブースター部３８の直径に比べて小さく、好ましくは、その直径比が０．２以上０．８以下であるとよい。ブースター部３８の前後方向の長さとホーン部３９の前後方向の長さとは概ね等しい。ホーン部３９の前端には上下方向に貫通するツール孔４０が設けられている。

図２に示すように、ボンディングツール２５は上下に延びる棒状をなし、ツール孔４０に挿入されている。ホーン部３９の前端には、前面からツール孔４０に達する螺子孔４１（図３参照）が設けられ、ボンディングツール２５をツール孔４０に挿入した後に、螺子孔４１に螺子を挿入して螺子を締めることによって、ボンディングツール２５はホーン部３９の前端付近に固定されている。ボンディングツール２５の下部は下方に近づくにつれて左右方向（超音波振動方向に直角方向）の幅が次第に小さくなるように構成され、ボンディングツール２５の下端面には上方に凹む凹部４２が形成されている。凹部４２を画定する壁面はワイヤ６をボンディング時に電極等に向かって押圧する押圧面４３として機能する。

図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、テール部３０は基部２８の前端から基部２８の軸線Ｘの方向に沿って前方に突出する略円柱状をなしている。テール部３０の直径は基部２８の直径、より詳細には第１部材３２Ａの直径よりも若干小さい。テール部３０の直径と基部２８の直径との比は０．６０以上０．９５以下であることが好ましく、本実施形態ではその比は０．８３倍に設定されている。

図４に示すように、支持部材２２は前後方向に延びる金属製の略円筒状の部材であり、中板材３３を外囲するように配置されている。支持部材２２には周方向に概ね等間隔をなすように螺子孔４８が設けられている。支持部材２２に設けられる螺子孔４８の数は中板材３３に設けられる支持凹部３６の数と等しく、本実施形態では支持部材２２に４つの螺子孔４８が設けられている。支持部材２２の螺子孔４８にはそれぞれ径外方向から金属製の螺子４９が嵌め込まれている。螺子４９の突端は中板材３３の支持凹部３６に突入し、螺子４９の突端がそれぞれ支持凹部３６を画定する壁面に当接するように締め付けられている。これにより、超音波振動子２４は螺子４９の突端と支持凹部３６の壁面とが当接する４つの点５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、及び５０Ｄにおいて支持部材２２に支持されている。本実施形態では、支持部材２２は上部が左右方向に延びる面によって切り取られることにより上方を向く平坦な切欠き面５１Ａが形成されている。支持部材２２の下部も同様に、左右方向に延びる面によって切り取られることにより、下方を向く切欠き面５１Ｂが形成されている。

図３（Ａ）に示すように、第１電極３４Ａと第３電極３４Ｃとは金属板材によって形成された負極側金属片５２によって接続され、互いに導通している。図３（Ｂ）に示すように、第２電極３４Ｂと第４電極３４Ｄとは金属板材によって形成された正極側金属片５３によって接続され、互いに導通している。

第１電極３４Ａ及び第３電極３４Ｃは中板材３３、螺子４９を介して支持部材２２に導通している。また、図２に示すように、支持部材２２は支持ブロック２０を介して接地（グランド）されている。これにより、第３電極３４Ｃは、中板材３３、支持部材２２、及び支持ブロック２０を介して接地されている。正極側金属片５３には架台１５に支持された電圧源５５の電圧端子に電気配線によって接続されている。これにより、第２電極３４Ｂ及び第４電極３４Ｄは電圧源５５の電圧端子に接続される。電圧源５５はグランドを基準として所定の実効値の交流電圧を電圧端子に出力可能に構成されている。電圧源５５が交流電圧を出力すると４つの圧電素子２７がそれぞれ伸縮し、超音波振動子２４に縦振動の超音波振動が発生する。すなわち、圧電素子２７は電圧源５５からの交流電圧によって駆動可能に超音波振動子２４に設けられている。超音波振動子２４に発生した超音波振動によってボンディングツール２５に撓み振動が生じ、押圧面４３が電圧源５５から発生する交流の振動数で前後方向に振動する。

支持ブロック２０には、ワイヤ６が巻き回されたワイヤスプール６０と、ワイヤ６をカットするためのカッタ６１と、ワイヤ６を把持して、必要に応じてワイヤ６をフィードするワイヤクランプ６２とが支持されている。ワイヤクランプ６２はボンディングツール２５の後方、且つホーン部３９の下方に設けられた左右一対のクランプ板６３を有している。クランプ板６３の下端にはそれぞれ、その内面に左右外方に凹むワイヤガイド６３Ａが設けられている。ワイヤガイド６３Ａはボンディングツール２５の下端に設けられた凹部４２に向かってワイヤ６をガイドする。カッタ６１はその下端に刃６１Ａを有し、ボンディングツール２５の後方、且つワイヤクランプ６２の前方において、支持ブロック２０に上下動可能に支持されている。ホーン部３９には後方に向かって下方に傾斜する貫通孔６４が設けられている。貫通孔６４もまた、ワイヤ６をガイドするための孔として機能する。

ワイヤスプール６０から供給されるワイヤ６は、ホーン部３９に設けられた貫通孔６４、及びワイヤガイド６３Ａの間を通過して、押圧面４３の下側に達している。ワイヤ６としては、金ワイヤ、アルミニウムワイヤ、銅ワイヤ、銀合金ワイヤ、アルミニウム・シリコン合金ワイヤのいずれであってもよく、本実施形態では、ワイヤ６として直径が１００〜６００μｍのアルミニウムワイヤが用いられている。

次に、ボンディング装置１を用いたボンディング方法について説明する。ボンディング装置１は、図２に示すように、半導体チップ２の電極４とプリント基板３の引出し電極７との間をワイヤボンディングする場合（図２の６Ａを参照）と、プリント基板３の電極１０とケーシング８の金属端子９とをワイヤボンディングする場合（図２の６Ｂを参照）とで、異なる条件でワイヤボンディングを行う。以下では、まず半導体チップ２の電極４とプリント基板３の引出し電極７との間のボンディングする場合について説明する。

ボンディング装置１は、ワイヤクランプ６２を閉じて２つのクランプ板６３の間にワイヤ６を挟ませた状態で、ボンディングツール２５の下端を、引出し電極７の上に配置する。次に、加圧機構によって所定の荷重を加えて押圧面４３と引出し電極７にとの間のワイヤ６を加圧するとともに、電圧源５５に第１周波数の交流電圧を出力させる。但し、第１周波数は、その超音波振動子２４中での超音波の半波長が超音波振動子２４の前後方向の長さ（より正確には有効長）と等しくなるように選択されている。第１周波数は３０ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下であることが好ましく、本実施形態では４６ｋＨｚに設定されている。

電圧源５５が第１周波数の交流電圧を出力すると、図５に示す振動モードで超音波振動子２４は振動する。これにより、押圧面４３が第１周波数で前後に振動し、第１周波数の超音波がボンディングツール２５の押圧面４３と引出し電極７との間のワイヤ６に加えられる。これにより、ワイヤ６は引出し電極７に接合される（ファーストボンディング）。

続いて、図２に示すように、ワイヤクランプ６２を開いて、ボンディングツール２５の下端を半導体チップ２の電極４の上方に移動させる。このとき、ボンディングツール２５を若干上方に引き上げた後に、半導体チップ２の電極４の上方に移動させることによって、所定形状のループを形成するとよい。

次に、ボンディングツール２５の下端を半導体チップ２の電極４上に配置する。次に、ワイヤクランプ６２を閉じて２つのクランプ板６３の間にワイヤを挟ませて、所定の荷重を加えてワイヤ６を電極４に対して加圧するとともに、電圧源５５に第２周波数の交流電圧を出力させる。但し、第２周波数は第１周波数よりも高く、その超音波振動子２４中での超音波の半波長の３倍が超音波振動子２４の前後方向の長さ（より正確には有効長）と等しくなるように設定されている。第２周波数は９０ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下であることが好ましく、本実施形態では１０４ｋＨｚに設定されている。

電圧源５５が第２周波数の交流電圧を出力すると、超音波振動子２４は図６に示す振動モードで振動する。これにより、押圧面４３が第２周波数で前後に振動し、第２周波数の超音波がボンディングツール２５の押圧面４３と電極４との間のワイヤ６に加えられる。これにより、ワイヤ６は電極４に接合される（セカンドボンディング）。

その後、ボンディング装置１は、カッタ６１を下げることによりワイヤ６に折り目をつけた後、ワイヤクランプ６２を上方に引き上げる。これにより、ワイヤ６は折り目において切断される（ハーフカット）。半導体チップ２の電極４と引出し電極７との間は上記手順を繰り返すことによって、ワイヤボンディングが行われる。

次に、プリント基板３の電極１０とケーシング８の金属端子９とをボンディングする場合について説明する。ボンディング装置１は、ワイヤクランプ６２を閉じてボンディングツール２５の下端を、プリント基板３の電極１０の上に配置する。次に、加圧機構によって所定の荷重を加えて押圧面４３と電極１０にとの間のワイヤ６を加圧するとともに、電圧源５５に第１周波数の交流電圧を出力させる。これにより、第１周波数の超音波がボンディングツール２５の押圧面４３と電極１０との間のワイヤ６に加えられて、ワイヤ６は電極１０に接合される（ファーストボンディング）。

次に、ボンディングツール２５の下端を金属端子９上に配置する。次に、ワイヤクランプ６２を閉じて、所定の荷重を加えてワイヤ６を金属端子９に対して加圧するとともに、電圧源５５に第１周波数の交流電圧を出力させる。これにより、第１周波数の超音波がボンディングツール２５の押圧面４３と金属端子９との間のワイヤ６に加えられて、ワイヤ６は金属端子９に接合される（セカンドボンディング）。

その後、ボンディング装置１は、ワイヤ６が金属端子９に接するまでカッタ６１を押し下げてワイヤ６を切断する（フルカット）。このようにカッタ６１を押し下げてワイヤ６を切断することにより、ワイヤクランプ６２を上方に引き上げる工程が不要となるため、ワイヤボンディングに要する時間を短くすることができる。プリント基板３の電極１０とケーシング８の金属端子９との間は上記手順を繰り返すことによって、ワイヤボンディングが行われる。

次に、このように構成されたボンディング装置１の効果について説明する。本願の発明者は半導体チップ２の電極４へのボンディング時の超音波の周波数を通常（〜４０ｋＨｚ）よりも高くすることによって、半導体チップ２に設けられたデバイスに加わるダメージを低減することができ、そのデバイスの損傷を防止することができることを見出した。より具体的には、半導体チップ２の電極４へのボンディング時に印加する超音波の周波数を９０ｋＨｚ以上１３５ｋＨｚ以下に設定すると、ワイヤ６と電極４との間に良好な接合を得ることができ、且つ、半導体チップに設けられたデバイスの損傷を防止できる。本願の発明者は更に、ケーシング８に設けられた金属端子９へのボンディング時には、超音波の周波数を通常よりも高くすると、超音波のパワーや超音波印加時間、加圧機構によって押圧面４３に加える荷重を含むボンディング条件範囲が狭くなることを見出した。より詳細には、金属端子９へのボンディング時に印加する超音波の周波数を３０ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下に設定することによって、ボンディング条件範囲を広くできることを見出した。

ボンディング装置１では、電圧源５５から出力する交流電圧の周波数を第１周波数及び第２周波数との間で切り替えることで、接合に適した周波数の超音波を印加することができる。より具体的には、半導体チップ２の電極４にボンディングするときには第２周波数（１０４ｋＨｚ）が印加される。これにより、ワイヤ６と電極４との間に良好な接合を得ることができるとともに、第１周波数の超音波を用いた場合に比べて、デバイスに加わるダメージを低減することができる。一方、金属端子９にワイヤボンディングするときには、第２周波数より低い周波数である第１周波数（４６ｋＨｚ）が印加される。これにより、金属端子９とワイヤ６とを容易に接合できることができる。また、ボンディング条件範囲を広くすることができるため、ボンディング条件の設定が容易になる。このように、ワイヤ６を接合させる電極や端子に応じて、適切な周波数の超音波を選択して印加することができるため、デバイスに加わるダメージを低減してデバイスの損傷を防止するとともに、ワイヤ６と接合させる電極や端子との良好な接合を得ることができる。

更に、超音波の周波数の切り替えは電圧源５５に出力させる交流電圧の周波数を変更することで行うことができるため、ボンディングツール２５にヒータを設けた場合に比べて、ボンディング装置１の構成を簡素にすることができる。また、ボンディングツール２５の交換やメンテナンスが容易になる。

電圧源５５に第１周波数の交流電圧を出力させると、その交流電圧は圧電素子２７によって第１周波数の超音波に変換されて、超音波振動子２４全体に伝わる。超音波振動子２４の軸線方向長さは超音波振動子２４中での第１周波数の超音波の半波長に実質的に同一であるため、図５に示すように、超音波振動子２４は前後端を腹とする一次の振動モードで共振する。これにより、ボンディングツール２５の下端、より詳細にはボンディングツール２５の押圧面４３に十分なパワーの超音波が伝達されて、ワイヤ６を半導体チップ２の電極４に十分なボンディング強度で接合させることができる。

電圧源５５に第２周波数の交流電圧を出力させると、超音波振動子２４には第２周波数の超音波が加えられる。第２周波数（１０４ｋＨｚ）は第１周波数（４６ｋＨｚ）の３倍に設定されているため、超音波振動子２４中での第２周波数の超音波の波長は、超音波振動子２４中での第１周波数の超音波の波長の３分の１になる。そのため、図６に示すように、超音波振動子２４は前後端を腹とする三次の振動モードで共振する。これにより、ボンディングツール２５の押圧面４３に十分なパワーの超音波が伝達されて、ワイヤ６を金属端子９に十分なボンディング強度で接合させることができる。

超音波振動子２４は中板材３３の外周面に沿って螺子４９の突端と支持凹部３６の壁面とが当接する４つの点５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ及び５０Ｄにおいて支持部材２２に固定支持されている。すなわち、点５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ及び５０Ｄは、超音波振動子２４が固定支持される固定位置Ｐに対応する。点５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ及び５０Ｄ（すなわち、固定位置Ｐ）はすべて、超音波振動子２４の前後方向における略中央に設定されている。図５及び図６に示すように、超音波振動子２４の前後方向における略中央は一次の振動モード、及び三次の振動モードのいずれの場合においても節となる。よって、超音波振動子２４は第１周波数で共振しているときの節の位置、且つ、第２周波数で共振しているときの節の位置で、超音波振動子２４が固定支持されている。このように、超音波振動子２４を節の位置で固定支持することによって、第１周波数での共振及び第２周波数での共振が乱されず、ボンディングツール２５の下端に発生する振動のパワーをより大きくすることができる。

また、圧電素子２７は超音波振動子２４の中板材３３の近傍、すなわち、超音波振動子２４の軸線方向略中央の位置に設けられている。超音波振動子２４の軸線方向中央は一次の振動モード、及び三次の振動モードのいずれの場合においても節となる。よって、圧電素子２７が取り付けられた位置（以下、加振位置Ｑ）は概ね節となる。このように、圧電素子２７を概ね節の位置に設けることで、圧電素子２７で発生する振動が超音波振動子２４全体に伝わり易くなり、超音波振動子２４の振動効率が最大となる。また、圧電素子２７を節の位置に設けると、腹の位置に設ける場合に比べて、ボンディングを行うときに圧電素子２７の位置が変化し難くなる。これにより、超音波振動子２４によって得られる振動がより安定する。

このように、固定位置Ｐと加振位置Ｑとをそれぞれ、超音波振動子２４の前後方向略中央に設定することで、両者を容易に一次の振動モードの節の位置、且つ三次の振動モードの節の位置に設定することができる。また、第１周波数及び第２周波数を共に、超音波振動子が奇数次の振動モードが共振する共振周波数となるように設定することで、前後方向略中央が節となり、固定位置Ｐと加振位置Ｑとを節の位置に設定し易くなる。

超音波振動子２４は周方向に配列された４つの点５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ及び５０Ｄにおいて固定支持されている。このように、螺子４９の突端と支持凹部３６の壁面に当接させて超音波振動子２４を点５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ及び５０Ｄで支持することで、超音波振動子２４と支持部材２２との結合面積を小さくすることができる。これにより、超音波振動子２４から支持部材２２、及び支持部材２２に結合された支持ブロック等に超音波振動が散逸し難くなる。よって、超音波が超音波振動子２４に閉じ込められて、超音波をボンディングツール２５の下端により効率よく伝えることができる。

圧電素子２７の伸縮によって発生した超音波は基部２８からブースター部３８に伝わり、ホーン部３９へ達する。ブースター部３８からホーン部３９に伝わる超音波の振幅はホーン部３９の直径がブースター部３８の直径に比べて小さくなるに従って大きくなる。これにより、ホーン部３９に伝わる超音波の振幅が大きくなるほど、ボンディングツール２５の下端の振幅が大きくなる。上記したように、ボンディング装置１ではホーン部３９の直径がブースター部３８の直径に比べて小さく設定されているため、ボンディングツール２５の下端に発生する振動の振幅を大きくすることができ、超音波をボンディングツール２５の下端により効率よく伝えることができる。

また、電圧源５５から第２周波数の交流電圧が出力されたときには、超音波振動子２４は三次の振動モードで共振する。また、基部２８、ツール接続部２９及びテール部３０の長さを第２周波数の超音波振動子２４中での超音波の半波長に等しいため、図６に示すように、基部２８、ツール接続部２９、及びテール部３０はそれぞれ一次の振動モードで共振している。これにより、基部２８、ツール接続部２９及びテール部３０それぞれに超音波を閉じ込めることができる。また、基部２８、ツール接続部２９及びテール部３０の長さが等しく設定されることによって、基部２８及びツール接続部２９の接続部分、ツール接続部２９及びテール部３０の接続部分において振動が乱され難くなる。これらにより、圧電素子２７の伸縮によって発生した超音波振動が超音波振動子２４に蓄えられ易く、且つ超音波振動子２４から超音波振動が散逸し難くなる。すなわち、基部２８、ツール接続部２９及びテール部３０の長さが等しく設定することで、超音波振動子２４の第２周波数におけるＱ値を高めることが可能となる。これにより、ボンディングツール２５の下端に超音波を効率よく伝えることができる。

以上で具体的実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。第１周波数（第２周波数）は超音波振動子２４における第１周波数（第２周波数）の超音波の半波長の奇数倍が超音波振動子２４の軸線方向長さに実効的に等しくなるように定められていればよく、第１周波数及び第２周波数を共に、超音波振動子が奇数次の振動モードが共振する共振周波数となるように設定されていればよい。例えば、第１周波数を対応する半波長の３倍が超音波振動子２４の軸線方向長さに実効的に等しくなるように定め、第２周波数を対応する半波長の５倍が超音波振動子２４の軸線方向長さに実効的に等しくなるように定めてもよい。このとき、電圧源５５から第２周波数の交流電圧を出力すると、超音波振動子２４は図７に示すように五次の振動モードで共振する。但し、ボンディングに用いる第１周波数及び第２周波数が概ね定まっているときには、第１周波数を一次の共振モード、第２周波数を三次の共振モードに対応するように設定することで、超音波振動子２４の軸線方向長さを短くすることができる。これにより、ボンディング装置１の構成が簡素になる。

上記実施形態では、ボンディング装置１を用いて、電極４にワイヤ６をボンディングするときには第２周波数を用い、引出し電極７、電極１０及び金属端子９にワイヤ６をボンディングするときには第１周波数が用いられていたが、この態様には限定されない。例えば、電極４及び引出し電極７に対してワイヤ６をボンディングするときには第２周波数を用い、電極１０及び金属端子９にワイヤ６をボンディングするときには第１周波数を用いるように構成してもよい。また、電極４、引出し電極７、及び電極１０に対してワイヤ６をボンディングするときには第２周波数を用い、金属端子９にワイヤ６をボンディングするときには第１周波数を用いるように構成してもよい。更に、ワイヤ６を接合させる電極や端子の体積が大きくなるにつれて、ボンディングに用いる超音波の周波数を下げるように構成してもよい。例えば、半導体チップ２の電極４に対してワイヤ６をボンディングするときには超音波振動子２４が五次の振動モードで共振する周波数の超音波を用い、引出し電極７、及び電極１０に対してワイヤ６をボンディングするときには超音波振動子２４が三次の振動モードで共振する周波数の超音波を用い、金属端子９に対してワイヤ６をボンディングするときには超音波振動子２４が一次の振動モードで共振する周波数の超音波を用いてもよい。

また、ボンディングが行われるデバイスは半導体デバイスには限定されない。例えば、ボンディング装置１を、超伝導デバイスや単一分子デバイス等の各種デバイスの電極にワイヤ６をボンディングするために用いてもよい。

１ ：ボンディング装置（ウェッジボンディング装置）
２ ：半導体チップ
３ ：プリント基板
４ ：電極
６ ：ワイヤ
７ ：引出し電極
２０ ：支持ブロック
２４ ：超音波振動子
２５ ：ボンディングツール
２７ ：圧電素子
２８ ：基部
２９ ：ツール接続部
３０ ：テール部
３３ ：中板材（中板部）
３８ ：ブースター部
３９ ：ホーン部（ホーン）
５０Ａ〜５０Ｄ：点
Ｐ ：固定位置
Ｑ ：加振位置

Claims (8)

1. ボンディングツールと、
   前記ボンディングツールを支持するホーンを含み、所定の方向に延在する軸線を有する超音波振動子と、
   第１周波数及び、前記第１周波数よりも高い第２周波数を含む少なくとも２つの周波数の交流電圧を出力可能な電圧源と、
   前記電圧源に接続され、前記超音波振動子に駆動可能に設けられた圧電素子とを有し、
   前記超音波振動子の軸線方向長さが、前記第１周波数に対応する半波長の奇数倍に等しく、かつ前記第２周波数に対応する半波長の奇数倍に等しくなるように、前記第１周波数及び前記第２周波数が定められ、
   前記超音波振動子が、前記第１周波数及び前記第２周波数の両者についての前記超音波振動子の振動の節に対応する固定位置にて固定支持されていることを特徴とするウェッジボンディング装置。
2. 前記圧電素子が、前記第１周波数及び前記第２周波数の両者についての前記超音波振動子の振動の節に対応する加振位置に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のウェッジボンディング装置。
3. 前記固定位置及び前記加振位置はともに、実質的に前記超音波振動子の軸線方向における略中央に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のウェッジボンディング装置。
4. 前記第２周波数は前記第１周波数の３倍であり、
   前記超音波振動子の軸線方向長さが、前記第１周波数における前記超音波振動子中での超音波の半波長に実質的に同一であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つの項に記載のウェッジボンディング装置。
5. 前記超音波振動子は、前記所定の方向に向かって延在する基部と、前記基部の延在方向一端側から突出し、突端に前記ホーンを備えたツール接続部と、前記基部の延在方向他端側から突出するテール部とを有し、
   前記基部の軸線方向長さと、前記ツール接続部の軸線方向長さと、前記テール部の軸線方向長さとはそれぞれ、前記第１周波数又は前記第２周波数における前記超音波振動子中での超音波の半波長に等しいことを特徴とする請求項４に記載のウェッジボンディング装置。
6. 前記超音波振動子を前後、左右、及び上下に移動可能に支持する本体を有し、
   前記固定位置は前記超音波振動子の周方向に配列された複数の点により構成され、
   前記超音波振動子は前記複数の点において前記本体に支持されていることを特徴とする請求項５に記載のウェッジボンディング装置。
7. 前記ツール接続部は、前記基部の前記延在方向一端側から突出する円柱状のブースター部と、前記ブースター部の端部から突出する円柱状の前記ホーンとを有し、
   前記ホーンの直径は前記ブースター部の直径に比べて小さいことを特徴とする請求項６に記載のウェッジボンディング装置。
8. 前記第１周波数は３０ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下であり、
   前記第２周波数は９０ｋＨｚ以上１５０ｋＨｚ以下であり、
   金属端子とワイヤとの接合のときには、前記電圧源は前記第１周波数の交流を出力し、半導体チップの電極と前記ワイヤとの接合のときには、前記電圧源は前記第２周波数の交流を出力することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つの項に記載のウェッジボンディング装置。

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