JP3568496B2 - 超音波ワイヤボンディング用共振器 - Google Patents

超音波ワイヤボンディング用共振器 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置を製造する際に、超音波でボンディングワイヤの溶接を行う超音波ボンディングに用いられる共振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来の半導体装置製造に用いられる超音波ボンディングマシンを示し、金線のようなボンディングワイヤ１０１がクランパ１０２を経由して超音波ホーン１０３の先端部分に設けられたキャピラリー１０４の内部に形成されたワイヤ通路１０５に通された状態において、キャピラリー１０４の先端部分より下方に突出したボンディングワイヤ１０１の先端部分を超音波ホーン１０３及びキャピラリー１０４と一緒に下降させて接合対象たる図外の半導体装置やリードフレーム等における電極に重ね合せて電極とキャピラリー１０４とで挟み付けた後に、超音波ホーン１０３及びキャピラリー１０４を超音波振動させることで、ボンディングワイヤ１０１の先端部分を電極に接合する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来例はキャピラリー１０４を超音波ボンディングマシンに片支持に取付けられた超音波ホーン１０３の先端部分に設けた構造であるので、ボンディングワイヤ１０１を電極に接合する場合の加圧力で、超音波ホーン１０３が超音波ボンディングマシンに対する支持点を支点として傾くように撓み、ボンディングワイヤ１０１と電極との接合位置が微妙に変化し、適切な接合を行うことができなかった。
【０００４】
そこで、本発明は、超音波ホーンをキャピラリーの両側で支持することでボンディングワイヤと電極との接合位置を正確に維持し、適切な接合を行うことができる超音波ボンディング用共振器を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明にあっては、超音波ホーンは、振動子から伝達された超音波振動の共振周波数の少なくとも１波長に等しい長さと、当該超音波ホーンの１つの最大振動振幅点から両側に離れた最小振動振幅点に位置する支持部分と、上記１つの最大振動振幅点において超音波ホーンの少なくとも外側下面への貫通孔として形成したボンディングワイヤを通すためのワイヤ通路とを有し、キャピラリーはボンディングワイヤを通すためのワイヤ通路を有し、超音波ホーンのワイヤ通路とキャピラリーのワイヤ通路とを接続するように、キャピラリーが上記１つの最大振動振幅点において超音波ホーンの外側面に取付けられたことより、超音波ホーンが支持部分を介して図外のボンディングマシンに両支持に取付けられ、ボンディングワイヤの先端部分が超音波ホーンのワイヤ通路からキャピラリーのワイヤ通路を経由してキャピラリーより下方に突出し、このボンディングワイヤの先端部分が接合対象とキャピラリーとで所定の加圧力で挟み付けられる場合において、ボンディングワイヤを接合対象に接合する場合の加圧力で、超音波ホーンがボンディングワイヤと接合対象との接合位置を中心として撓み、ボンディングワイヤと接合対象との接合位置を正確に維持することができ、ボンディングワイヤと接合対象とを適切に接合することができる。キャピラリーを中心として超音波ホーンがボンディングマシンに両支持に取付けられるので、接合時にキャピラリーからボンディングワイヤに加わる加圧力が左右でバランスの取れた状態となることから、ボンディングワイヤとして細線は勿論のこと太線や高分子材料で被覆されたワイヤも使用することが可能となる。また、本発明にあっては、キャピラリーが超音波ホーンと別体であれば、超音波ホーンとキャピラリーとを容易に形成することができる。また、本発明にあっては、キャピラリーが上部に結合部と軸方向に延びるワイヤ通路とを有したり、または、キャピラリーの結合部の雄ねじが超音波ホーンのキャピラリー結合部の雌ねじに締結されることによって、キャピラリーが超音波ホーンに取付けられれば、超音波ホーンと別体のキャピラリーとの結合が容易である。本発明にあっては、接合作用部がキャピラリーと別体の板状に構成され、この接合作用部がキャピラリーの底面に接合剤で接合されれば、接合作用部をキャピラリーと別で接合に適しかつ耐久性の高い材質で形成することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１〜図３は一実施形態であって、図１は共振器１を横方向に切断した断面を示し、図２はキャピラリー３の先端部分の断面を示し、図３は共振器１の上面を示す。
【０００７】
図１を参照し、実施形態における共振器１の主要な部分について説明する。共振器１は超音波ホーン２とキャピラリー３とを備える。超音波ホーン２は振動子４から伝達された超音波振動の共振周波数の少なくとも１波長の長さ（最大振動振幅点ｆ１から最大振動振幅点ｆ５までの長さ）を有する棒状であって、アルミニウム又はチタンのような合金又は焼入れされた鉄等のような音響特性の良い素材により、ワイヤ通路５とキャピラリー結合部分６と部品結合部分７及び図３に示す支持部分８を備えた単一ボディとして形成される。ワイヤ通路５はボンディングワイヤ９を通すために超音波ホーン２の最大振動振幅点ｆ３に位置するように形成された貫通孔である。キャピラリー結合部分６はワイヤ通路５の一端部分に同軸状に形成された雌ねじが形成されたねじ孔である。部品結合部分７は超音波ホーン２に振動子４又は図外のブースタを無頭ねじ１０により同軸状に取付けるための雌ねじが形成されたねじ孔であって、超音波ホーン２の最大振動振幅点ｆ１；ｆ５が存在する左右端面の中央に形成される。
【０００８】
キャピラリー３はボンディングワイヤ９を通すために超音波ホーン２の外側面である下面に最大振動振幅点ｆ３に位置するように設けられる。キャピラリー３はアルミニウム又はチタンのような合金又は焼入れされた鉄等のような音響特性の良い素材により超音波ホーン２とは別体に形成された直線的な棒状であって、上部に連結部分１１を備え、内部にワイヤ通路１２を軸心方向に貫通するように備える。連結部分１１は外周面に雄ねじを有する。ワイヤ通路１２はドリルのような工具でキャピラリー３の連結部分１１の上面より下面に向けて穴あけ加工され、ワイヤ通路１２の下部は図２に示すようにドリルの先端形状を反映した上方より下方に行くに従って徐々に直径が小さくなる円錐形となってキャピラリー３の下面に貫通する。そして、連結部分１１の雄ねじがキャピラリー結合部分６の雌ねじに締結されることにより、キャピラリー３は超音波ホーン２に超音波ホーン２の下面より突出するように取付けられる。このようにキャピラリー３が超音波ホーン２に取付けられると、キャピラリー３のワイヤ通路１２と超音波ホーン２のワイヤ通路５とが同軸状に連なる。
【０００９】
キャピラリー３の下面にはキャピラリー３とは別体に形成された板状の接合作用部分１３がろう材のような接合剤１４で接合される。接合作用部分１３はハイス鋼のような超硬鋼を板状に形成したものであって、その板状のまま接合剤でキャピラリー３の外側面に接合された後、接合作用部分１３には接合作用部分１３の外側面からキャピラリー３の側に向けて小孔１５が放電加工やワイヤ加工又はウォーター加工等により形成された後、接合作用部分１３の外側面が研磨される。小孔１５はボンディングワイヤ９が通過可能な大きさであって、図２に示すようにキャピラリー３の下面に貫通したワイヤ通路１２の開口に同軸状に連なる。
【００１０】
図３に示すように、支持部分８はキャピラリー３と直交するように最大振動振幅点ｆ３より左右両側に等距離の最小振動振幅点ｆ２；ｆ４の位置で超音波ホーン２の前後の外側面に位置しており、超音波ホーン２に中心線Ｌ２及び最大振動振幅点ｆ３を通り中心線Ｌ２に直交する中心線Ｌ３を線対称軸とする対称位置に配置され、かつ、前後左右対称形である。支持部分８は根元部分１６と中間部分１７と取付部分１８とを備える。根元部分１６は最小振動振幅点ｆ２；ｆ４の位置で超音波ホーン２より外側に振動方向Ｘと直交するようにまっすぐ突出する厚肉な板状である。中間部分１７は根元部分１６と取付部分１８とを繋ぐものであって、振動方向Ｘと平行する方向の薄肉な板状である。取付部分１８は振動方向Ｘと平行する方向の厚肉な板状である。根元部分１６と中間部分１７と取付部分１８とよりなるクランク形状は前後左右対称形状であるが、左右同じ向きでも良い。超音波ホーン２の中間部分１７にはくびれ部１９を形成したが、くびれ部１９は設けられないこともある。
【００１１】
本実施形態の構造によれば、超音波ホーン２がキャピラリー３より両側へ等距離だけ離れた最小振動振幅点に位置するように設けられた支持部分８の取付部分１８を介して図外のボンディングマシンに両支持に取付けられる。その状態において、図１に示すように、ボンディングワイヤ９が共振器１とは別に設けられたクランパ２０を経由して超音波ホーン２のワイヤ通路５よりキャピラリー３のワイヤ通路１２を経由して接合作用部分１３の小孔１５より下方に通された状態において、ボンディングワイヤ９が超音波ホーン２及びキャピラリー３と一緒に下降されることにより、接合作用部分１３の先端より下方に突出したボンディングワイヤ９の先端部分が接合対象である図外の半導体装置又はリードフレーム等における電極に重ね合せられて電極と接合作用部分１３とで所定の加圧力で挟み付けられる。
【００１２】
特に、超音波ホーン２がキャピラリー３より両側へ等距離だけ離れた最小振動振幅点に位置するように設けられた支持部分８を有した構造であるので、超音波ホーン２が支持部分８を介して図外のボンディングマシンに両支持に取付けられることにより、ボンディングワイヤ９の先端部分が接合対象としての電極とキャピラリー３の接合作用部分１３とで所定の加圧力で挟み付けられる場合において、ボンディングワイヤ９を電極に接合する場合の加圧力で、超音波ホーン２がボンディングワイヤ９と電極との接合位置を中心として撓み、ボンディングワイヤ９と電極との接合位置を正確に維持することができる。
【００１３】
ボンディングワイヤ９と電極との接合位置が正確に維持された状態において、振動子４が超音波振動を発振する。この超音波振動に超音波ホーン２及びキャピラリー３並びに接合作用部分１３が矢印Ｘ方向に共振し、その共振による超音波振動が接合作用部分１３からボンディングワイヤ９の先端部分及び接合対象としての電極との接触部分に作用し、ボンディングワイヤ９の先端部分と電極とを適切に接合することができる。
【００１４】
実施形態ではボンディングワイヤ９を通すために超音波ホーン２とキャピラリー３とに渡ってワイヤ通路５；１２を上下方向に直線的に貫通するように形成したが、ワイヤ通路５を超音波ホーン２の中間部から径方向外側に貫通するようにして、ボンディングワイヤ９を超音波ホーン２の途中から小孔１５に通しても同様に適用できる。又、超音波ホーン２からワイヤ通路５を省略し、ワイヤ通路１２をキャピラリー３の中間部から径方向外側に貫通するように形成して、ボンディングワイヤ９をキャピラリー３の途中から小孔１５に通しても同様に適用できる。接合作用部分１３をキャピラリー３とは別部材で形成したが同一部材でキャピラリー３と一体的に形成すれば、接合作用部分１３のキャピラリー３への接合剤１４での結合は必要ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の共振器の内部構造を示す断面図。
【図２】実施形態のキャピラリー先端部分を示す断面図。
【図３】同実施形態の共振器を示す平面図。
【図４】従来例を示す模式図。
【符号の説明】
１ 共振器
２ 超音波ホーン
３ キャピラリー
８ 支持部分
９ ボンディングワイヤ

Claims (5)

  1. 超音波ホーンは、振動子から伝達された超音波振動の共振周波数の少なくとも１波長に等しい長さと、当該超音波ホーンの１つの最大振動振幅点から両側に離れた最小振動振幅点に位置する支持部分と、上記１つの最大振動振幅点において超音波ホーンの少なくとも外側下面への貫通孔として形成したボンディングワイヤを通すためのワイヤ通路とを有し、キャピラリーはボンディングワイヤを通すためのワイヤ通路を有し、超音波ホーンのワイヤ通路とキャピラリーのワイヤ通路とを接続するように、キャピラリーが上記１つの最大振動振幅点において超音波ホーンの外側面に取付けられたことを特徴とする超音波ワイヤボンディング用共振器。
  2. キャピラリーが超音波ホーンと別体であることを特徴とする請求項１記載の超音波ワイヤボンディング用共振器。
  3. キャピラリーが上部に結合部と軸方向に延びるワイヤ通路とを有することを特徴とする請求項１記載の超音波ワイヤボンディング用共振器。
  4. キャピラリーの結合部の雄ねじが超音波ホーンのキャピラリー結合部の雌ねじに締結されることによって、キャピラリーが超音波ホーンに取付けられたことを特徴とする請求項３記載の超音波ワイヤボンディング用共振器。
  5. 接合作用部がキャピラリーと別体の板状に構成され、この接合作用部がキャピラリーの底面に接合剤で接合されたことを特徴とする請求項１記載超音波ワイヤボンディング用共振器。
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