JP3128715B2 - ボンデイング装置 - Google Patents

ボンデイング装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はネイルヘッド超音波併用
熱圧着ワイヤボンデイング装置、超音波ウエッジワイヤ
ボンデイング装置、シングルタブボンデイング装置など
のボンデイング装置に係り、特に一方端に取付けられた
ボンデイングツールと電歪素子又は磁歪素子などの振動
発生源とを具備する超音波ホーンに関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、従来のネイルヘッド熱圧着ワイ
ヤボンデイング装置は、図３及び図４に示すような構造
になっている。即ち、ボンドアーム１には支軸２が固定
されており、支軸２は図示しないボンデイングヘッドに
直接又はリフタアームを介して回転自在に支承されてい
る。ボンドアーム１には、超音波ホーン３のホーン支持
部４が固定されている。超音波ホーン３は、図示しない
ワイヤが挿通されるキャピラリ５を一方端に取付けたホ
ーン本体６と、このホーン本体６にねじ結合された振動
子７とからなっている。
【０００３】前記振動子７は、振動発生源８をランジュ
バン型と呼ばれるねじ止め方式で取付けた構造よりな
り、ホーン本体６に取付けるホーン取付け部材９と、両
端部にねじ部が形成されホーン取付け部材９にねじ結合
される振動発生源取付け軸１０と、この振動発生源取付
け軸１０に嵌挿された絶縁パイプ１１と、ドウナツ形の
電歪素子又は磁歪素子を絶縁パイプ１１に嵌挿して数枚
積層した振動発生源８と、振動発生源取付け軸１０にね
じ結合して振動発生源８を締め付けるナット１２とから
なっている。
【０００４】従って、従来の超音波ホーン３は、振動発
生源８をホーン支持部４から見てキャピラリ５側と反対
側に取付けられている。また振動子７は、振動発生源８
の両側にホーン取付け部材９とナット１２を取付けて所
望の周波数に調整したものとなっており、振動子７の音
響的長さは、１／２波長（λ）の正数倍でなければなら
ないが、長く延ばす意味はないので１／２λの長さのも
のが用いられている。そして、振動子７は、解放端１３
が振動の腹（振幅が大）になると同時にホーン取付け部
材９のホーン取付け部１４も腹となって取付けが容易に
なっている。
【０００５】次に作用について説明する。振動発生源８
の振動が超音波ホーン３全体に伝わって超音波ホーン３
の中で定在波の振動を作り、キャピラリ５に必要なエネ
ルギーを供給する。無負荷の状態（ボンデイングしてい
ない状態）では、エネルギーは安定した状態で蓄えられ
ており、精巧に作られた超音波ホーン３ではホーン支持
部４に節ができるような寸法になっているので、超音波
ホーン３をボンドアーム１に取付けた状態でもホーン支
持部４の運動は小さく損失が少ない。この無負荷の状態
では、超音波ホーン３は音叉のように動作し、ホーン支
持部４は左右からの振動を対称に受けて左右には動かな
い。振動発生源８は、通常定電流駆動などにより振幅が
規定の値になるように駆動されており、キャピラリ５を
通してボンデイングのためにエネルギーが使われると、
振動発生源８側とキャピラリ５側のエネルギーの均衡が
破れて振動の節が運動し、均衡に必要なエネルギーを送
り込む。このようにして超音波を利用したボンデイング
が行なわれる。
【０００６】ところで、超音波ホーン３では、ホーン支
持部４がボンドアーム１に固定されているため、ホーン
支持部４が振動の節とならざるを得ない。従って、振動
できる条件は、ホーン支持部４（節）からの長さが音波
の長さで１／４λ、３／４λ、５／４λ等のように解放
端１３及びホーン取付け部１４が振動の腹となれる長さ
に限られる。また超音波ホーン３の形状及び構造は、ホ
ーン支持部４が作業の邪魔にならないことや、超音波ホ
ーン３自体の重量、強度を主眼に選ばれる。従来の超音
波ホーン３では、ホーン支持部４から見てキャピラリ５
の反対側に振動発生源８が配置され、振動発生源８の中
心に振動の節を持たせ、ホーン支持部４から解放端１３
までを音波の長さで３／４λの構造を採っている。この
構造は、超音波ワイヤボンデイングが始まって以来今日
の常識となっており、この長さが超音波の安定性にどの
ように関係するかと言う考察はなされなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】振動特性に影響を与え
る要素は、超音波ホーン３に溜まるエネルギーと消費さ
れるエネルギーの大きさである。電歪素子及び磁歪素子
を振動発生源８に用いた超音波ホーン３は、無負荷状態
におけるエネルギーの消費源としては、まず、振動発生
源８は接合面が多いので、振動発生源８の周辺の機械的
なロスがあげられる。ところが、超音波によるボンデイ
ング（接合）を行なう段階になると、キャピラリ５下の
図示しないワイヤと試料の接合面やキャピラリ５とホー
ン本体６との接合面等のエネルギー消費が増大し、Ｑ
（振動の良さを表す指数）の劣化が進み振動子７として
の特性が悪化する。超音波ホーン３自体は必ずしも一つ
の共振点を持っているわけではないので、相対的に別の
周波数のＱが高くなって周波数がジャンプしてしまうた
めである。キャピラリ５を振動させるのに好都合な周波
数のＱの劣化の度合いは、ボンデイング中に大きく変化
する再現性のないものであるため、エネルギーは制御が
困難になり、キャピラリ５の振動、振幅が過大、過少と
なるという問題が発生する。
【０００８】従来の超音波ホーン３は、ボンデイングさ
れる試料の温度が１００℃程度の低温で安定なボンデイ
ングを行なうことは極めて困難であった。低温では、ボ
ンデイングされる金属の硬さも固く、ワイヤの先端に形
成されたボールを変形させるにも、酸化膜を破って新生
面を広く得るためにも超音波に頼る傾向が大きくなるた
め、超音波振動エネルギーのふらつきがそのままボンデ
イング不良になるからである。またデバイスの条件によ
っては、超音波の加振は短時間、例えば５ｍｓでボンデ
イングが完成する場合も、長時間、例えば１５ｍｓかけ
ねば着かない場合もあった。それ故に、全てのパッド
（ワイヤがボンデイングされるデバイスの電極）でボン
デイングが可能なように時間を長めにセットされること
が多かった。しかし、ボンデイング（接合）が完成して
しまえば、その後の振動はボンデイングされた接合を破
壊するために使われることになり、不良を作る原因にな
ってしまう。
【０００９】従来の超音波ホーン３では、どの部分を変
更しても結果が変わるため問題を解決するために様々な
思考錯誤が行なわれてきた。即ち、ボンデイング不良発
生原理が判らないまま、より均一な超音波ホーン３が均
一な特性を作ると信じて振動の節をホーン支持部４の位
置により精密になるように設計を繰り返し、超音波ホー
ン３の構成部品の接合面の仕上げを精密に行なう等の努
力が行なわれてきたが効果は上がらなかった。
【００１０】本発明者は、従来のボンデイング装置で何
故ボンデイング不良が発生するかを調べた結果、次のよ
うなことが判明した。超音波ホーン３を無重力状態で振
動させると、その解放端１３及びホーン取付け部１４は
腹になって振動を行なう筈である。実際の実験では、超
音波ホーン３の振動の節の付近を糸で縛って吊り下げて
外力がかからない状態で無重力に近い状態になる。その
時、振動が可能な周波数は超音波ホーン３の全長を１／
２λ、λ、３／２λ、・・・とする共振条件に沿ったも
のとなるが、設計時に決めた周波数でホーン支持部４に
振動の節の部分がくる筈である。ところが、現実には振
動の節がホーン支持部４に正確に一致することは稀であ
り、一致し続けることは通常不可能である。従来、その
ようなずれが生ずる原因は、超音波ホーン３の構成部品
の精度が悪いためと思われる傾向があったが、本発明者
はそれが本質的な問題でないことを突き止めた。
【００１１】超音波ホーン３はアルミ、ステンレス等の
金属よりなるホーン本体６と電歪素子及び磁歪素子など
の振動子７で構成されているが、電歪素子及び磁歪素子
は、機械的なストレスと振動子７の電極から出入りする
電荷によって硬さが変わるため、組み付け条件、振幅に
よって共振周波数が変化する。即ち、電歪素子及び磁歪
素子の周波数は決まらないので、振動周波数は変化し、
振動の節は超音波ホーン３のホーン支持部４から外れる
ようになる。
【００１２】しかしながら、超音波ホーン３のホーン支
持部４を固定しない状態、即ち前述のように無重力又は
それに近い状態では、振動周波数が変わっても超音波ホ
ーン３の振動特性は殆ど変わらない。ところが、超音波
ホーン３のホーン支持部４を固定した状態では、ホーン
支持部４が強制的に節（振動できない状態）になろうと
するため、超音波ホーン３の前後は別々の共振周波数を
持つようになる。この共振周波数のずれがキャピラリ５
の振動条件を変化させる原因であり、超音波ホーン３の
構成部品の周波数が振幅や温度によって変化するもので
あるならば、キャピラリ５の振動と入力電流又は電圧と
キャピラリ５の振動の強さの相関を保つ方法を開発する
必要があると本発明者は考えた。
【００１３】次に更に問題の発生する原因を説明する。
超音波ホーン３はホーン支持部４の前後で異なる共振周
波数を持ったとしても、キャピラリ５取付け側のＱが反
対側（振動子７側）のＱよりも低い状態では、Ｑの高い
側の周波数に引き込まれて振動を行なっている。ところ
が、ボンデイング動作を行なうとキャピラリ５側のエネ
ルギー消費が大きくなるので、ホーン支持部４から見て
キャピラリ５側の振動は一種の唸り共振の状態になって
制御不能になる。このような悪い状態になる原因は、機
械加工精度、設計ミス、キャピラリ５重量の違い、ボン
デイングされるデバイスの構造、温度や振幅に依存する
振動発生源８の性質など多様である。しかし、ボンデイ
ング中の負荷が超音波ホーン３に加わることによる振動
条件が変化する状態は、超音波ホーン３の構成部品の精
度等が悪いためだけでないことが本発明者の研究によっ
て判明した。
【００１４】本発明の目的は、ボンデイング中の負荷の
増大によって振動発生源が不安定になることを防止する
ことができ、負荷条件及び温度条件の変動によるボンデ
イング品質の劣化を防止することができる超音波ホーン
を備えたボンデイング装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の構成は、一方端に取付けられたボンデイング
ツールと、電歪素子又は磁歪素子などの振動発生源とを
具備する超音波ホーンをボンドアームに取付けたボンデ
イング装置において、前記超音波ホーンは、該超音波ホ
ーンをボンドアームに取付けるためのホーン支持部の両
側の振動波長の長さを、ボンデイングツール側の反対側
で３に対してボンデイングツール側を７以上としたこと
を特徴とする。
【００１６】
【作用】上記構成は、種々実験を重ねた結果得られたも
ので、ホーン支持部の両側の振動波長の長さをボンデイ
ングツール側の反対側で３に対してボンデイングツール
側を７以上とすると、ボンデイング中の負荷の増大によ
って振動発生源が不安定になることを防止することがで
き、負荷条件及び温度条件の変動によるボンデイング品
質の劣化を防止することができる。
【００１７】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図１及び図２によ
り説明する。超音波ホーン２０は、一方端にキャピラリ
２１が取付けられたホーン本体２２を有し、ホーン本体
２２の他方端にはホーン支持部２３が形成されている。
ホーン支持部２３の端面には振動発生源取付け軸２４が
形成され、振動発生源取付け軸２４の端部にはねじ部２
５が形成されている。振動発生源取付け軸２４には絶縁
パイプ２６が嵌挿され、絶縁パイプ２６には複数個（実
施例は２個）の電歪素子又は磁歪素子よりなる振動発生
源２７が嵌挿されている。そして、振動発生源２７は、
ホーン本体２２のねじ部２５に螺合されたナット２８で
締め付けられてホーン本体２２に固定されている。ホー
ン支持部２３は、ボンドアーム２９と固定板３０とで挟
持され、固定板３０をボンドアーム２９にねじ３１で固
定することによりボンドアーム２９に固定されている。
【００１８】また本実施例においては、ホーン支持部２
３からキャピラリ２１と反対側の解放端３２までは、音
波の長さで１／４λ（λ＝音波の波長）に形成され、ホ
ーン支持部２３からキャピラリ２１側の解放端３３まで
は、音波の長さで３／４λに形成されている。このよう
に、ホーン支持部２３から解放端３２までの長さとホー
ン支持部２３から解放端３３までの長さの比は、１／４
λ対３／４λ、即ち１対３（比３）と３倍の比を採った
構造になっている。
【００１９】本発明者は、ネイルヘッドワイヤボンデイ
ング装置において、実験を重ねた結果、ホーン支持部の
両側の長さの比がボンデイング品質に重要な影響を及ぼ
すことを突き止めたものである。従来は、図３及び図４
に示すように、ホーン支持部４から解放端１３までの長
さとホーン支持部４から解放端１４までの長さの比は、
１対１（比１）又は３対５（比１．６７）であり、この
長さの比については特に配慮されていなかった。以下、
図１に示す本実施例と図３及び図４に示す従来例とを比
較した結果について述べる。
【００２０】従来用いられてきた図３に示す比１の超音
波ホーン３では、殆どのデバイスで超音波のばらつきに
よると思われるボンデイング不良、即ち不着、潰れ過ぎ
の問題があり、温度を下げるほど不良の発生頻度は増加
する傾向があった。また超音波ホーン３の性能のばらつ
きは極めて大きいが、ボンデイングされる試料の温度が
１００℃以下で充分な接合を行なえる超音波ホーン３は
存在しなかった。
【００２１】従来用いられてきた図４に示す比１．６７
の超音波ホーン３では、超音波ホーン３自体の歩留りは
高くないという問題があり、また一部のデバイスでボン
デイング不良はあるものの、微妙な調整を繰り返すこと
により実用可能なレベルにはある。しかし、低温のボン
デイングは不可能であり、ボンデイング条件はデバイス
や個々の装置によって微妙に調整する必要があり、半導
体組立現場での装置の管理は容易ではない。
【００２２】本実施例における図１に示す比３の超音波
ホーン２０では、ボンデイングされた金ボール（ワイヤ
の先端に形成された金ボール）の潰れは、与えられたパ
ワーに対してリニアに変化し安定している。また８０℃
以下から常温に近い温度でも従来よりも短時間の超音波
発振で安定なボンデイングを行なうことができた。シェ
アフォース、プルテスト、ボンデイング形状も従来では
ボンデイングされる試料の温度が２５０℃以上でないと
得られなかった品質が得られた。
【００２３】このように、本実施例の超音波ホーン２０
は、常温においても微妙な調整無しでボンデイングによ
るワイヤ配線の形成が可能であり、ボンデイングされる
試料の温度が１００℃以下の低温でも従来の２５０℃程
度の接合（ボンデイング）と変わらない充分な接合強度
を半分以下の超音波加振時間で得られた。低温で短時間
に接合できると言うことは、高温ではボンデイングされ
るデバイスの金属の活性も加わり、更に安定なボンデイ
ングが約束されることを意味する。またボンデイング
は、長時間の超音波を加えると一度完成したものが破壊
されるので、超音波の加振時間を短くすることにより拡
散が殆ど進まない内に接合（ボンデイング）が完成し、
損傷の発生を減らすことができる。
【００２４】半導体製品の保存温度よりも低い低温プロ
セスが可能であることの利点は、樹脂と複合されたリー
ドフレームの組立や、高温で酸化し易いハンダメッキリ
ードフレーム、銅フレームの扱いを容易にし、搬送中の
温度急変によるリードフレームの反りの発生が無くなる
など多様である。また超音波加振時間の短縮は、勿論ボ
ンデイング時間の短縮にも有効であり、相当の時間の短
縮（１０％以上）が可能になる。また極めて短時間のボ
ンデイングが可能になるので、ボンデイング動作時の機
械の振動と同期させて加重が理想的な状態にある時に発
振を行なえば、更に品質の向上が望める。
【００２５】以上の実験結果は、次のように理論付けら
れる。振動発生源２７に溜まるエネルギーは、振動の腹
の部分で最大になる運動エネルギーと節の部分を中心と
する歪み（バネを縮めた時の歪と等価）エネルギーで、
その２つがエネルギーのやりとりをして全体のエネルギ
ーを保っている。従って、超音波ホーン２０に溜まるエ
ネルギーは、ホーン支持部２３から解放端３３までの長
さによって決まる。共振は上記エネルギーのキャッチボ
ールが最も都合良く行なわれる周波数であり、その周波
数は振動している振動発生源２７の材質のスティフネス
と密度で決まることは一般に知られている。そこで、振
動性能を表すＱは蓄積されるエネルギーと消費されるエ
ネルギーの比であるので、ホーン支持部２３から解放端
３３までの長さが蓄積されるエネルギーに重要になるこ
とが判る。超音波ホーン２０の部分的な太さの違いは、
一体で振動している超音波ホーン２０であれば、単位長
さ当たりのエネルギーが同じでならないので重要ではな
い。
【００２６】前記した実験結果から、従来の比１．６７
の超音波ホーンは、従来の温度、超音波加振時間の条件
で不良が発生し始める状態にあり、従来の比１、比１．
６７及び本実施例に示す比３の品質の比較から、従来の
条件（温度、時間）で余裕を持ってボンデイングを行な
うには、比を２以上にする必要がある。実際の超音波ホ
ーンにおいて、２以上の比で設計が可能なものの最小の
比は７／３であり、その上の比は３及び５などである。
本発明者らが初めに比３の超音波ホーン２０で実験した
のは、所有する発振器の周波数とワイヤボンデイング装
置に取付けるための制約からである。本実施例に示す比
３では、常温に近い温度でもボンデイングが可能なこと
から、本実施例に示す比３の超音波ホーン２０は、従来
のボンデイング条件（温度、時間）では十分過ぎる余裕
があり、従来不可能であった構造のデバイスのワイヤボ
ンデイングが可能である。
【００２７】なお、上記各実施例においては、ネイルヘ
ッド超音波併用熱圧着ワイヤボンデイング装置に適用し
た場合について説明したが、超音波ウエッジワイヤボン
デイング装置及びシングルタブボンデイング装置にも適
用できることは勿論である。ネイルヘッド熱圧着ワイヤ
ボンデイング装置に適用した場合には、ボンデイングツ
ールはワイヤを挿通するキャピラリを用いるが、超音波
ウエッジワイヤボンデイング装置に適用した場合には、
ボンデイングツールはワイヤを挿通するウエッジを用
い、シングルタブボンデイング装置に適用した場合に
は、ボンデイングツールはタブリードを１本づつ半導体
素子に接合させるためのツールを用いることは言うまで
もない。
【００２８】
【発明の効果】本発明によれば、ホーン支持部の両側の
振動波長の長さをボンデイングツール側の反対側で３に
対してボンデイングツール側を７以上とした構成よりな
るので、ボンデイング中の負荷の増大によって振動発生
源が不安定になることを防止することができ、負荷条件
及び温度条件の変動によるボンデイング品質の劣化を防
止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になるボンデイング装置の超音波ホーン
部分の一実施例を示す要部断面図である。
【図２】図１の正面図である。
【図３】従来のボンデイング装置の超音波ホーン部分の
１例を示す要部断面図である。
【図４】従来のボンデイング装置の超音波ホーン部分の
他の例を示す要部断面図である。
【符号の説明】
２０ 超音波ホーン ２１ キャピラリ ２２ ホーン本体 ２３ ホーン支持部 ２７ 振動発生源 ２９ ボンドアーム ３２、３３ 解放端
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋池 雅 東京都武蔵村山市伊奈平２丁目51番地の １ 株式会社新川内 (56)参考文献 特開 平４−78147（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/60

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一方端に取付けられたボンデイングツー
    ルと、電歪素子又は磁歪素子などの振動発生源とを具備
    する超音波ホーンをボンドアームに取付けたボンデイン
    グ装置において、前記超音波ホーンは、該超音波ホーン
    をボンドアームに取付けるためのホーン支持部の両側の
    振動波長の長さを、ボンデイングツール側の反対側で３
    に対してボンデイングツール側を７以上としたことを特
    徴とするボンデイング装置。
  2. 【請求項２】 一方端に取付けられたボンデイングツー
    ルと、電歪素子又は磁歪素子などの振動発生源とを具備
    する超音波ホーンをボンドアームに取付けたボンデイン
    グ装置において、前記超音波ホーンは、該超音波ホーン
    をボンドアームに取付けるためのホーン支持部からボン
    デイングツール側の反対側の解放端までの長さを１／４
    波長とし、前記ホーン支持部からボンデイングツール側
    の解放端までの長さを３／４波長としたことを特徴とす
    るボンデイング装置。
  3. 【請求項３】 一方端に取付けられたボンデイングツー
    ルと、電歪素子又は磁歪素子などの振動発生源とを具備
    する超音波ホーンをボンドアームに取付けたボンデイン
    グ装置において、前記超音波ホーンは、該超音波ホーン
    をボンドアームに取付けるためのホーン支持部からボン
    デイングツール側の反対側の解放端までの長さを１／４
    波長とし、前記ホーン支持部からボンデイングツール側
    の解放端までの長さを５／４波長としたことを特徴とす
    るボンデイング装置。
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