JP2882752B2 - ワイヤボンディング装置及び該装置に装備されるべきボンディングアーム - Google Patents

ワイヤボンディング装置及び該装置に装備されるべきボンディングアーム

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体デバイスの組立
工程において、例えばＩＣチップ上のパッドを第１ボン
ディング点とし、該ＩＣチップが貼着されているリード
フレームに形成された外部リードを第２ボンディング点
として、該両ボンディング点間を導電性を有するワイヤ
を用いて接続するワイヤボンディング装置に関する。詳
しくは、超音波振動を併用して圧着接続を行うワイヤボ
ンディング装置に関する。また、本発明は、該ワイヤボ
ンディング装置に装備されるべきボンディングアームに
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種のワイヤボンディング装置
においては、複数のＩＣチップが長手方向に並べて貼着
されたリードフレームが扱われ、作業開始に際してヒー
タブロックによって加熱されているボンディングステー
ジ上に該リードフレームが搬入され、且つ、最先のＩＣ
チップがボンディング作業位置に位置決めされる。この
状態で、装置に装備されたボンディング手段により、該
最先のＩＣチップに関するボンディング作業が行われ
る。以降、リードフレームがＩＣチップの配設ピッチ分
だけ移送されて次のＩＣチップについてのボンディング
作業が行われ、順次同様に続行され、全てのＩＣチップ
のボンディング接続を完了する。
【０００３】図８に、かかる従来のワイヤボンディング
装置に設けられたボンディング手段の要部を示す。
【０００４】図示のように、当該ボンディング手段は、
ホーン１０１及び保持枠１０２からなるボンディングア
ームと、該ホーン１０１の後端部に結合された振動子１
０３とを有している。該振動子１０３は、図示しない発
振器によって所定周波数の電圧が印加され、この周波数
の超音波振動を発生する。また、ホーン１０１は、該振
動子１０３が発する振動を機械的に増幅する作用をな
す。
【０００５】ホーン１０１の先端部にはボンディングツ
ールとしてのキャピラリ１０５が取り付けられている。
図９及び図１０から明らかなように、このキャピラリ１
０５は中空状に形成されてワイヤ１０６が挿通され、該
ワイヤ１０６の先端部に高電圧でスパークさせること等
によって形成されるボール１０６ａをボンディング対象
たるパッド（図示せず）あるいはリード（図示せず）に
対して圧着するためのものである。なお、図８において
矢印Ｕにて示すように、ホーン１０１に伝わる超音波エ
ネルギーは該ホーンに対して縦振動であるため、ボール
１０６ａとボンディング対象との接合に必要な横振動に
変換すべく、キャピラリ１０５はその軸中心をホーン１
０１の軸中心に対して垂直にして装着されている。
【０００６】ホーン１０１に対するキャピラリ１０５の
取付構造について詳述する。
【０００７】図９及び図１０に示すように、キャピラリ
１０５はその先端部分を除いて円筒状に形成されてお
り、この円筒状部分にてホーン１０１に接合させて取り
付けられている。これに対応して、ホーン１０１のキャ
ピラリ１０５との接合部は該キャピラリ１０５が挿通さ
れる断面円形の挿通孔１０１ａとなされている。そし
て、該挿通孔１０１ａの中心をホーン１０１の軸方向に
おいて横切るようにスリット１０１ｂが形成されてお
り、該スリット１０１ｂによって分たれる両部位１０１
ｃ，１０１ｄをボルト１０７によって締結することによ
ってキャピラリ１０５を固着している。
【０００８】上記構成においてボンディングを行う場
合、ボンディングステージ上でリードフレームが加熱さ
れた状態にて、ホーン１０１及び保持枠１０２からなる
ボンディングアームを図示しない駆動手段により下方向
（図８における紙面に垂直な方向）に作動させる。これ
によって、キャピラリ１０５がボンディング対象として
のパッドあるいはリードに近接し、該キャピラリ１０５
に挿通されたワイヤ１０６の先端に形成されたボール１
０６ａが該パッド，リードに押圧されて圧着される。こ
の圧着と同時にキャピラリ１０５が励振され、熱及び超
音波振動の作用によって接合が完了する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記のようなワイヤボ
ンディング装置においては、ワイヤに形成されたボール
とボンディング対象としてのパッド等との接合を確実と
するために、ホーン１０１からキャピラリ１０５に対す
る超音波エネルギーの伝達効率を可能な限り高めること
が重要である。それには、ホーン１０１及びキャピラリ
１０５の相互の密着度を高める必要があり、キャピラリ
１０５とこれが挿通されるべくホーン１０１に形成され
る挿通孔１０１ａの両者に関して、その径及び真円度と
軸方向における直線度を高精度とするように加工が行わ
れている。
【００１０】しかしながら、高精度な加工とはいえども
技術面、コスト面等から自ずと限界があり、上記構成の
場合、微視的にはホーン１０１とキャピラリ１０５は例
えば単に２箇所にて点接触あるいは線接触するに留ま
り、充分なエネルギー伝達効率を得ることは現状では難
しい。因に、キャピラリ１０５に関しては、長期に亘る
ボンディング作業に耐え得べく、その素材としてセラミ
ックスやルビーなどの高硬度な物質が選定されるが、か
かる硬い素材を高い精度を以て加工することは特に困難
である。また、ホーン１０１の材質についてもステンレ
ス鋼（ＳＵＳ）などが選定され、これも比較的硬度が高
く、このように互いに硬度の高い材質同士の接合では、
締結力を加えても両者共に変形し難いから、良好な密着
性は得られない。
【００１１】本発明は上記従来技術の欠点に鑑みてなさ
れたものであって、その目的とするところは、ボンディ
ングツールに対する超音波エネルギーの伝達効率の増大
を達成し、しかも、これを安価にて実現したワイヤボン
ディング装置を提供することである。また、本発明は、
かかる効果の達成に寄与するボンディングアームを提供
することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、ボンディング
ツールが装着されたボンディングアームを作動させるこ
とによって該ボンディングツールをボンディング対象に
対して近接させると共に、超音波励振手段が発する超音
波振動を該ボンディングアームを介して該ボンディング
ツールに伝達して励振させるワイヤボンディング装置に
おいて、前記ボンディングツールは少なくとも前記ボン
ディングアームに対する接合部が略円筒状に形成され、
これに対応して、前記ボンディングアームの該ボンディ
ングツールとの接合部は該ボンディングツールが挿通さ
れる挿通孔となされ、該挿通孔は、各々前記ボンディン
グツールの接合部の半径よりも大なる曲率半径を以て形
成され且つ隣接するもの同士が互いに交差するように配
設されてなる少なくとも４面の接合面を有するゴシック
アーチ形断面形状となされているものである。また、本
発明によるボンディングア−ムは、ボンディングツ−ル
との接合部が該ボンディングツ−ルが挿通される挿通孔
となされ、該挿通孔は、各々前記ボンディングツ−ルの
接合部の半径よりも大なる曲率半径を以て形成され且つ
隣接するもの同士が互いに交差するように配設されてな
る少なくとも４面の接合面を有するゴシックア−チ形断
面形状となされているものである。
【００１３】
【作用】かかる構成においては、ボンディングアームに
形成された挿通孔内にボンディングツールが挿通される
と、該挿通孔が有する少なくとも４面のゴシックアーチ
状接合面が全て均等にボンディングツールに接合する。
【００１４】
【実施例】次に、本発明の実施例としてのワイヤボンデ
ィング装置について、添付図面を参照しつつ説明する。
【００１５】図１において、ホーン１を支持して該ホー
ン１と共にボンディングアームを構成する保持枠２は、
回転可能な支持シャフト１１に嵌着されている。また、
該支持シャフト１１には、揺動アーム１２が揺動自在に
嵌合されている。揺動アーム１２及び保持枠２には夫
々、ソレノイド１４ａ及び電磁吸着片１４ｂが互いに対
応して固設されており、保持枠２を揺動させる際には、
ソレノイド１４ａに対して図示せぬ電源から通電して電
磁吸着片１４ｂとの間に吸着力を生ぜしめることにより
該保持枠２と揺動アーム１２とを相互に固定状態とす
る。揺動アーム１２及び保持枠２には、上記電磁吸着手
段の前方位置に、マグネット１５ａ及びコイル１５ｂが
夫々取り付けられている。これらマグネット１５ａ及び
コイル１５ｂは、ボンディング時にホーン１の先端、す
なわちキャピラリ４を保持する部位を図１における下向
きに付勢するための吸着力を発生する手段を構成する。
【００１６】図２にも示すように、揺動アーム１２の後
端部には支軸１６ａが植設されており、アーム側カムフ
ォロア１６と揺動ベース１９ａとがこの支軸１６ａの周
りに回転自在となっている。揺動ベース１９ａにはベア
リングガイド１９ｂがその下端にて固着され、このベア
リングガイド１９ｂの上端部には予圧アーム１９ｄが支
持ピン１９ｅを介して回転自在に取り付けられている。
予圧アーム１９ｄの自由端部には支軸１７ａが設けられ
ており、該支軸１７ａにカムフォロア１７が回転自在に
取り付けられている。そして、この予圧アーム１９ｄの
先端と揺動ベース１９ａの先端とには引張ばねである予
圧ばね１９ｆが掛け渡されており、アーム側カムフォロ
ア１６及びカムフォロア１７は、略ハート形に形成され
たカム１８の外周面であるカム面に圧接されている。な
お、アーム側カムフォロア１６及びカムフォロア１７の
カム１８に対する２つの接点は、カム１８の回転中心を
挟んで位置している。
【００１７】上記揺動ベース１９ａと、ベアリングガイ
ド１９ｂと、予圧アーム１９ｄとによりフレーム構造が
形成されており、これを揺動フレーム１９と総称する。
揺動フレーム１９の構成部材としてのベアリングガイド
１９ｂは、カム１８が嵌着されたカム軸２２に取り付け
られたラジアルベアリング２１の外輪に接している。な
お、カム１８は、モータ２３よりカム軸２２に付与され
るトルクによって回転する。ホーン１及び保持枠２から
なるボンディングアームは、このカム１８の回転によっ
て揺動アーム１２と一体的に揺動し、これによりキャピ
ラリ４がボンディング対象に対して近接及び離間する。
【００１８】ここで、上記ホーン１と、その周辺の構成
について詳述する。
【００１９】図３に示すように、ホーン１の後端部近傍
には、これを保持する保持枠２に形成された挿通孔２ａ
に嵌合する嵌合部１ｅが設けられている。この嵌合部１
ｅは略円筒状であり、ホーン１のノーダル・ポイント
（超音波振動の節位置）部に設けられたフランジ部１ｃ
と一体に形成されている。
【００２０】ホーン１の後端部には振動子３０が結合さ
れている。該振動子３０は、図示しない発振器によって
所定周波数の電圧が印加され、この周波数の超音波振動
を発生する。これら振動子３０及び発振器を、超音波励
振手段と総称する。ホーン１は、該振動子３０が後端部
に装着されるストレートホーン部１ａと、該振動子３０
から該ストレートホーン部１ａを経て伝達される超音波
振動をその振幅を増幅して先端のキャピラリ４に伝える
コニカルホーン部１ｂとを有している。キャピラリ４は
これにより励振される。
【００２１】なお、ホーン１は、ステンレス鋼（ＳＵ
Ｓ）やチタニウム（Ｔｉ）あるいはその合金鋼等を素材
とし形成される。
【００２２】一方、ホーン１の先端部に取り付けられた
ボンディングツールとしてのキャピラリ４はその材質と
してセラミックスやルビー等が選定され、中空状に形成
される。そして、図３に示すように、該中空部に上方か
らワイヤ３３が挿通され、該ワイヤ３３の先端部に高電
圧でスパークさせること等によって形成されるボール３
３ａをボンディング対象たるパッド（図示せず）あるい
はリード（後述）に対して圧着させる作用をなす。な
お、図３において矢印Ｕにて示すように、振動子３０か
らホーン１に伝わる超音波エネルギーは該ホーン１に対
して縦振動であるため、上記ワイヤ３３のボール３３ａ
とパッド等との接合に必要な横振動に変換すべく、キャ
ピラリ４はその軸中心をホーン１の軸中心に対して垂直
にして装着されている。
【００２３】続いて、ホーン１に対するキャピラリ４の
取付構造について詳述する。
【００２４】図４乃至図６から明らかなように、キャピ
ラリ４はその先端部分が略円錐状に形成され、他の部分
については円筒状に形成されている。ホーン１に対して
はこの円筒状部分を接合部として取り付けられている。
これに対応して、ホーン１のキャピラリ４との接合部は
該キャピラリ４が挿通される挿通孔となされている。そ
して、該挿通孔の中心をホーン１の軸方向において横切
るようにスリット１ｇが形成されており、該スリット１
ｇによって分たれる両部位１ｈ及び１ｉをボルト（六角
穴つき）３５によって締結することによってキャピラリ
４を固着している。なお、該ボルト３５と、該ボルトが
螺合すべくホーン１に形成された雌ねじ部（参照符号は
付さない）とを、締結手段と総称する。
【００２５】キャピラリ４が挿通されるべくホーン１に
設けられた上記挿通孔は次のように形成されている。
【００２６】すなわち、該挿通孔は、図４及び図６から
明らかなように、各々キャピラリ４の接合部の半径Ｒ1
（図６に図示）よりも大きな曲率半径Ｒ2 を以て形成さ
れた４面の接合面１ｊを有している。これら４面の接合
面１ｊは、隣接するもの同士が互いに交差するように配
設されており、該挿通孔はゴシックアーチ形断面形状を
呈している。
【００２７】かかる構成によれば、上記挿通孔内にキャ
ピラリ４が挿通されると、ゴシックアーチ状の上記各接
合面１ｊが全て均等にキャピラリ４に接合し、両者の密
着度は高まり、ホーン１からキャピラリ４に対する超音
波エネルギーの伝達効率が増大する。
【００２８】また、この場合、キャピラリ４と挿通孔の
加工精度はそれ程高めなくとも所要の効果、すなわち高
いエネルギー伝達効率は得られるから、コストの低減が
達成されるものである。
【００２９】更に、当該ワイヤボンディング装置におい
ては、ホーン１に上記挿通孔の中心を横切るようにスリ
ット１ｇが形成され、上記ゴシックアーチ様の接合面１
ｊは該スリット１ｇによって分けられる両部位１ｈ，１
ｉに２面ずつ形成され、該両部位１ｈ，１ｉをボルト３
５によって締結することによってキャピラリ４を固着し
ている。このように、スリット１ｇによって分れる両部
位１ｈ，１ｉに複数ずつの接合面１ｊを配し、締結手段
によって該両部位１ｈ，１ｉを締結する構成において
は、各接合面１ｊがキャピラリ４に対して強固に接合
し、エネルギー伝達効率がより増大する。
【００３０】次いで、上記した構成のワイヤボンディン
グ装置の動作について簡単に説明する。
【００３１】図１に示すように、当該ワイヤボンディン
グ装置においては、複数のＩＣチップ４１が長手方向
（図における紙面に垂直な方向）に並べて貼着されたリ
ードフレームＬ＼Ｆが扱われる。ボンディング作業開始
に際し、ヒータブロック（図示せず）によって加熱され
ているボンディングステージ４２上に該リードフレーム
Ｌ＼Ｆが図示しない搬送手段によって搬入され、且つ、
最先のＩＣチップ４１がボンディング作業位置に位置決
めされる。この状態で、図１に示すボンディング手段５
０が作動し、ＩＣチップ４１上のパッド（図示せず）を
第１ボンディング点とし、該ＩＣチップ４１が貼着され
ているリードフレームＬ＼Ｆに形成された外部リード
（後述）を第２ボンディング点として、該両ボンディン
グ点間を金等を素材とするワイヤ３３により接続する。
なお、図示してはいないが、当該ボンディング手段５０
はＸＹテーブル上に搭載されており、適宜二次元的に移
動され、位置決めされる。
【００３２】このボンディング工程を図７を用いて説明
する。
【００３３】まず、上記ＩＣチップ４１上のパッド（電
極：図示せず）にワイヤボンディングしようとする時、
まず、先端にボール３３ａが形成されたワイヤ３３が挿
通されたキャピラリ４を、図示せぬ撮像装置等からの情
報に基づいて上記ＸＹテーブル（図示せず）の作動によ
り該パッドの直上に位置決めする。その後、ホーン１及
び保持枠２からなるボンディングアームをカム１８の作
動を以て下方に揺動させ、キャピラリ４を図７の乃至
に示すように下降させて上記パッドにボール３３ａを
押しつぶして熱圧着ボンディングを行う。このとき、前
述の超音波励振手段を以てキャピラリ４を励振させるこ
とを行う。
【００３４】なお、この工程で→は上記ボンディン
グアームを高速で下降移動させ、→では低速で移動
させる。図において参照符号５２は、ワイヤ３３を把持
するクランプを示すものであるが、この時、該クランプ
５２は開となっている。次に、この第１ボンディング点
への接続が終わると、→ではクランプ５２が開状態
のまま上記ボンディングアームが図７に示す上方向、即
ちＺ軸方向に上昇し、所定のループコントロールにした
がってに示すようにクランプ５２が開の状態でワイヤ
３３が引き出され、に示す第２ボンディング点となる
リード５３に接続される。
【００３５】この接続後、キャピラリ４の先端部にワイ
ヤ３３をに示すように所定のフィード量ｆだけ引き出
した状態でクランプ５２を閉じる。この状態で更にボン
ディングアームを所定の高さまで上昇させる過程でに
示すようにワイヤ３３がカットされて、再びワイヤ先端
部に電気トーチ（図示せず）を用いてボールを形成し、
クランプ５２を開状態にさせての状態に復帰する。こ
のような一連の工程によりワイヤボンディングがなされ
る。
【００３６】以降、ＩＣチップ４１に複数設けられたパ
ッドとこれらに対応して配設された各リードについて上
記一連の動作が繰り返され、この最先のＩＣチップに関
するボンディングを完了する。
【００３７】この後、リードフレームＬ＼Ｆ（図１参
照）がＩＣチップ４１の配設ピッチ分だけ移送されて次
のＩＣチップについてのボンディング作業が行われ、順
次同様に続行され、全てのＩＣチップのボンディング接
続を終了する。
【００３８】なお、本実施例においては、ゴシックアー
チ形断面形状のキャピラリ挿通孔を形成する接合面１ｊ
の数が４面に設定されているが、４面に限定するもので
はなく、必要に応じて適宜可変である。
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ボンディングツール挿通用としてボンディングアームに
形成された挿通孔が、各々がボンディングツールの円筒
状接合部の半径よりも大なる曲率半径を以て形成され且
つ隣接するもの同士が互いに交差するように配設されて
なる少なくとも４面の接合面を有するゴシックアーチ形
断面形状となされている。かかる構成によれば、上記挿
通孔内にボンディングツールが挿通されると、ゴシック
アーチ状の上記各接合面が全て均等にボンディングツー
ルに接合し、両者の密着度は高まり、ボンディングアー
ムからボンディングツールに対する超音波エネルギーの
伝達効率が増大する。また、この場合、ボンディングツ
ールと上記挿通孔の加工精度はそれ程高めなくとも所要
の効果が得られるから、コストの低減も達成されるもの
である。更に、本発明によるワイヤボンディング装置に
おいては、上記ボンディングアームに、上記挿通孔の略
中心を横切るようにスリットが形成され、該スリットに
より分たれる両部位に上記ゴシックアーチ様接合面が少
なくとも２面ずつ形成され、該両部位を締結手段によっ
て締結することによってボンディングツールを固着して
いる。このように、スリットによって分れる両部位に複
数ずつの接合面を配し、締結手段によって該両部位を締
結する構成においては、各接合面がボンディングツール
に対して強固に接合し、エネルギー伝達効率がより増大
する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施例としてのワイヤボンデ
ィング装置の要部の、一部断面を含む側面図である。
【図２】図２は、図１に関するＡ−Ａ矢視図である。
【図３】図３は、図１に示した構成の一部の、一部断面
を含む拡大図である。
【図４】図４は、図３に関するＣ−Ｃ矢視図である。
【図５】図５は、図４に関するＤ−Ｄ断面図である。
【図６】図６は、図４における部分Ｅの拡大図である。
【図７】図７は、図１に示した構成の動作の工程を示す
図である。
【図８】図８は、従来のワイヤボンディング装置の要部
の、一部断面を含む平面図である。
【図９】図９は、図８における部分Ｆの拡大図である。
【図１０】図１０は、図９に関するＧ−Ｇ矢視図であ
る。
【符号の説明】
１ ホーン １ｇ スリット １ｊ 接合面 ２ 保持枠 ４ キャピラリ（ボンディングツール） ３０ 振動子 ３３ ワイヤ ３５ ボルト ４１ ＩＣチップ ５０ ボンディング手段 ５３ リード
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 21/60 301 H01L 21/607

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ボンディングツールが装着されたボンデ
    ィングアームを作動させることによって該ボンディング
    ツールをボンディング対象に対して近接させると共に、
    超音波励振手段が発する超音波振動を該ボンディングア
    ームを介して該ボンディングツールに伝達して励振させ
    るワイヤボンディング装置において、前記ボンディング
    ツールは少なくとも前記ボンディングアームに対する接
    合部が略円筒状に形成され、これに対応して、前記ボン
    ディングアームの該ボンディングツールとの接合部は該
    ボンディングツールが挿通される挿通孔となされ、該挿
    通孔は、各々前記ボンディングツールの接合部の半径よ
    りも大なる曲率半径を以て形成され且つ隣接するもの同
    士が互いに交差するように配設されてなる少なくとも４
    面の接合面を有するゴシックアーチ形断面形状となされ
    ていることを特徴とするワイヤボンディング装置。
  2. 【請求項２】 前記ボンディングアームには、前記挿通
    孔の略中心を横切るが如くスリットが形成され、該スリ
    ットにより分たれる両部位に前記接合面が少なくとも２
    面ずつ形成され、該両部位を締結手段によって締結する
    ことによって前記ボンディングツールを固着しているこ
    とを特徴とする請求項１記載のワイヤボンディング装
    置。
  3. 【請求項３】 ボンディングツールとの接合部が該ボン
    ディングツールが挿通される挿通孔となされ、該挿通孔
    は、各々前記ボンディングツールの接合部の半径よりも
    大なる曲率半径を似て形成され且つ隣接するもの同士が
    互いに交差するように配設されてなる少なくとも４面の
    接合面を有するゴシックアーチ形断面形状となされてい
    ることを特徴とするボンディングアーム。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104350587A (zh) * 2012-08-03 2015-02-11 株式会社华祥 接合装置
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