JP4043495B2 - ワーククランプ及びワイヤボンディング装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ワーククランプ及びそれを用いたワイヤボンディング装置に係わり、特に、酸化防止ガスの使用量を少なくしてもボンディングエリアの酸化を十分に抑制することができるワーククランプ及びワイヤボンディング装置に関する。
図５は、従来のワイヤボンディング装置のワーククランプを示す断面図である。このワーククランプは、ボンディング対象物がベアカッパーリードフレームである場合もしくはボンディングワイヤが銅である場合に銅の酸化を防ぐ機構を有するものである。この機構は、ボンディングエリアに通じる開口１７に窒素ガス等の不活性ガスを導入するものである。
ダイ１８を保持するリードフレーム１２の形態の半導体デバイスが、ワイヤボンディング装置のプラットフォーム又は上部プレート２９に配置される。上部プレート２９は、リードフレーム１２の温度を上げるための加熱機構を有する。ウインドクランプ１６は、上部プレート２９上にリードフレーム１２を固定するためのものである。ウインドクランプ１６の開口１７は、ワイヤボンディング作業によるボンディングエリアへのアクセスを与えるようにリードフレーム１２上に配置される。つまり、ダイ１８とリードフレーム１２の一部とを含むボンディングエリアは開口１７によって露出される。
ウインドクランプ１６は、開口１７に結合されるキャビティ２２を有している。カバー２０がウインドクランプ１６の上面に配置され、キャビティ２２をカバーし、酸素を含む大気にキャビティが晒されることを制限する。また、ウインドクランプ１６は、その内側に、窒素ガスをキャビティ２２へ向けて方向転換する導管２４を有する。導管２４は、窒素ガスがキャビティ２２を通過した後で開口１７に送られるように配置される。窒素ガスは、ウインドクランプ１６のガス入り口２６から導入される。ガス入り口２６、キャビティ２２、及び開口１７は、互いに流通連通する。この構造では、導管２４からキャビティ２２に導入される窒素ガスの圧力に比べて、キャビティ２２から開口１７に導入される窒素ガスの圧力を低減させるために、キャビティ２２は導管２４よりも大きな断面積を有する。
ウインドクランプ１６及び上部プレート２９又はプラットフォーム間のウインドクランプ１６の底面には中空スペース２８もある。スペース２８は、ガス入り口２６から窒素ガスを受け取り、導管２４を介してキャビティ２２へ向けて窒素ガスを通す役目を果たす。さらに、スペース２８は、リードフレーム１２を酸化から保護するためにリードフレーム１２に窒素ガスを分配するものである。ボンディングエリア１７から遠いスペース２８の端部では、大気がスペース２８に直接通じている（例えば特許文献１参照）。
ＵＳ２００５／０１６１４８８（図４）
上述したように従来のワーククランプにおける窒素ガスの流れは次のとおりである。ガス入り口２６から導入された窒素ガスが、一度中空スペース２８に放出され、この中空スペース２８より導管２４を通ってキャビティ２２へ入り、このキャビティ２２で流速を落としてボンディングエリアである開口１７に流される。このようにガス入り口２６から窒素ガスを流入させて外気がボンディングエリアに混入するのを防ごうとしている。これにより、中空スペース２８ではリードフレーム１２の酸化を防ごうとし、開口１７ではボンディングエリアの酸化を防ごうとしている。
しかしながら、上記従来のワーククランプでは、ガス入り口２６から導入された窒素ガスを一度中空スペース２８に放出し、この中空スペース２８から導管２４を通してキャビティ２２に導入しているため、ボンディングエリアの酸化を防ぐのに十分な量の窒素ガスをキャビティ２２に導入することができない。つまり、中空スペース２８の端部は大気に繋がっているため、中空スペース２８に流された窒素ガスの多くは端部から大気に放出されてしまい、導管２４を通ってキャビティ２２に導入される窒素ガスの量が不十分となる。その結果、ボンディングエリアの酸化を十分に抑制することができない。
また、中空スペース２８において一度リードフレーム１２に吹きかけた窒素ガスを導管２４、キャビティ２２及び開口１７に流してボンディングエリアの酸化防止に用いるため、窒素ガスの使用量が多くなり、ボンディングコストが増大することになる。また、上記従来のワーククランプでは、窒素ガスの使用量を多くしてもボンディングエリアの酸化を十分に抑制することができない。
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、酸化防止ガスの使用量を少なくしてもボンディングエリアの酸化を十分に抑制することができるワーククランプ及びワイヤボンディング装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明に係るワーククランプは、ワイヤボンディング装置において用いられるワーククランプであって、
ワークのボンディングエリアに対してボンディングを行う際に酸化防止ガスの雰囲気にする内部中空部と、
前記内部中空部の下に設けられ、前記内部中空部に前記ボンディングエリアを入れるための下部開口部と、
前記内部中空部の上に設けられ、前記ボンディングエリアを露出させる上部開口部と、
前記内部中空部を覆い、且つ前記上部開口部の開口面積より広い面積を有するキャビティと、
前記キャビティに設けられ、前記キャビティに前記酸化防止ガスが導入されるガス導入口と、
前記キャビティの下方に繋げられ、前記ガス導入口から導入された前記酸化防止ガスを前記ワークのボンディングエリア以外の部分に吹き付ける孔と、
を具備することを特徴とする。
上記ワーククランプによれば、ワイヤボンディングを行う際に、ワーククランプのガス導入口からキャビティ、内部中空部を通して上部開口部に酸化防止ガスを流してボンディングエリアを酸化防止ガスの雰囲気とする。これにより、酸化防止ガスの使用量を少なくしてもボンディングエリアの酸化を十分に抑制することができる。
また、本発明に係るワーククランプにおいて、前記ワークのボンディングエリアに対してボンディングを行う際に、前記酸化防止ガスは、前記ガス導入口から前記キャビティに導入され、前記キャビティから前記内部中空部に流されると共に前記キャビティから前記孔を通して前記ボンディングエリア以外の部分に吹き付けられ、前記内部中空部から前記上部開口部を通して外部に放出されることが好ましい。
また、本発明に係るワーククランプにおいて、前記孔は、前記内部中空部の周囲に配置されることが好ましい。
また、本発明に係るワーククランプにおいて、前記ガス導入口は、前記上部開口部から最も遠い側に位置することが好ましい。
本発明に係るワイヤボンディング装置は、ワークのボンディングエリアに対してワイヤボンディングを行う装置であって、
前記ワークを載置するステージと、
前記ワークを前記ステージ上に固定するワーククランプと、
前記ワークに対してボンディングを行うボンディングツールと、
を具備し、
前記ワーククランプは、
前記ワークのボンディングエリアが配置される内部中空部と、
前記内部中空部の上に設けられ、前記ボンディングエリアを露出させる上部開口部と、
前記内部中空部を覆い、且つ前記上部開口部の開口面積より広い面積を有するキャビティと、
前記キャビティに設けられ、前記キャビティに酸化防止ガスが導入されるガス導入口と、
前記キャビティに繋げられ、前記ステージ上に載置された前記ワークにおけるボンディングエリア以外の部分の上方に位置する孔とを有することを特徴とする。
また、本発明に係るワイヤボンディング装置において、前記孔と前記ボンディングエリア以外の部分との間に設けられたスペースを具備し、前記酸化防止ガスを、前記ガス導入口から前記キャビティに導入し、前記キャビティから前記内部中空部に流すと共に前記キャビティから前記孔を通して前記スペースに流し、前記内部中空部から前記上部開口部を通して外部に放出しながらボンディングを行うことも可能である。
以上説明したように本発明によれば、酸化防止ガスの使用量を少なくしてもボンディングエリアの酸化を十分に抑制することができるワーククランプ及びワイヤボンディング装置を提供することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態によるワイヤボンディング装置を示す斜視図である。図２は、図１に示すワーククランプの上面図である。図３は、図２に示すワーククランプによってワークをステージ上に保持してボンディングを行う状態を示す断面図であって、図２に示す矢印３−３に沿ったワーククランプの断面に相当する部分を示している。図４（Ａ）は、図２に示すワーククランプをガス経路に沿った面で切断した断面図である。
図１に示すように、ワイヤボンディング装置１は、ボンディングヘッド２、ワーククランプ９、レール４を有している。ワーククランプ９の下にはボンディングステージが配置されている。図３に示すボンディングチップ５が載置されたリードフレーム６がボンディング対象のワークである。このワークが複数連なったものがレール４上を移動し、ワークのボンディングエリア（即ちボンディングチップ及びその周辺のリード部分）をボンディングヘッド２の下方に位置させ、ボンディングヘッド２のボンディングツール（キャピラリ）８によって前記ボンディングエリアにワイヤボンディングを行う。一つのボンディングエリアにボンディングを行った後、レール４上でワークを移動させ、その隣のワークのボンディングエリアをボンディングヘッド２の下方に位置させ、ワイヤボンディングを行うという作業が繰り返される。
図３に示すように、ボンディングステージ２７の下にはヒーター７が設けられている。このヒーター７は、ボンディングステージ２７上にワークを載置してボンディングを行う時にワークを３０〜５００℃程度に加熱するためのものである。このようにワークを加熱してボンディングを行うため、ワークやボンディングワイヤが銅である場合に銅の酸化が問題となる。そこで、ワークをボンディングステージ２７上に保持する図２に示すワーククランプ９には酸化を抑制する機構が設けられている。
図３に示すように、ワイヤボンディングを行う際は、ボンディングステージのヒーター７上にボンディング対象のワークであるリードフレーム６がワーククランプ９によって保持される。つまり、ボンディングステージ２７上にリードフレーム６が載置され、このリードフレーム６はワーククランプ９によってボンディングステージ２７に押さえられて保持される。
図２及び図３に示すように、ワーククランプ９は、ボンディングを行う際にワークのボンディングエリアであるボンディングチップ５とその周囲のリードフレーム６に対して酸化防止ガスの雰囲気にする内部中空部１０を有している。この内部中空部１０の下には、内部中空部１０にボンディングチップ５を入れるための下部開口部１１ａが設けられている。この下部開口部１１ａは、リードフレーム６を押さえる押さえ部９ａの先端によって形成されている。この押さえ部９ａの先端はリードフレーム６のボンディングエリアを囲みながら押さえるものである。押さえ部９ａにおける内部中空部１０側及び外側それぞれは傾斜面を有しており、押さえ部９ａによってリードフレーム６を押さえた際にはリードフレーム６とワーククランプ９との間にスペース２５が形成される。
内部中空部１０の上には、ボンディングエリアであるボンディングチップ５及びその周囲にリードフレーム６を露出させる上部開口部１１が設けられている。この上部開口部１１は、ボンディングを行う際に、ボンディングチップ５及びリードフレーム６の上でキャピラリ８を動かすためのものである。上部開口部１１は蓋部２３に設けられている。
また、ワーククランプ９はキャビティ１３を有しており、このキャビティ１３は内部中空部１０の周囲を覆い、且つ上部開口部１１の開口面積より広い面積を有している。つまり、キャビティ１３と内部中空部１０は空間的に繋がっており、キャビティの平面形状の面積は上部開口部の開口面積より広い面積を有している。また、キャビティ１３は蓋部２３の下に位置している。
キャビティ１３にはガス導入口１４ａ〜１４ｄ（図２、図３、図４（Ａ）参照）が設けられており、ガス導入口１４ａ〜１４ｄはキャビティ１３内に酸化防止ガスである不活性ガスや還元ガス（例えばＮ２ガスやＮ２混合ガス、Ａｒガス）を導入するためのものである。ガス導入口１４ａ〜１４ｄそれぞれは管状のガス経路１５ａ〜１５ｄによってガス入り口１９ａ，１９ｂに繋げられている。即ち、ガス経路１５ａ，１５ｂそれぞれの一端にはガス入り口１９ａ，１９ｂが設けられ、ガス経路１５ａ，１５ｂそれぞれの他端にはガス導入口１４ａ，１４ｂが設けられている。また、ガス導入口１４ａ〜１４ｄは、図４（Ａ）に示すように上部開口部からほぼ最も遠い側（なるべく遠い位置）に配置されている。本実施の形態では、上部開口部１１がワーククランプ９のセンターにないため、ガス導入口がキャビティの一方側に偏って配置されている。
また、ワーククランプ９は複数の孔（又は導管）２１を有している。複数の孔２１は、キャビティ１３の下方に繋げられており、ガス導入口１４ａ〜１４ｄから導入された前記酸化防止ガスをワークのボンディングエリア以外の部分（即ちボンディングエリアの周囲のリードフレーム６）に吹き付けるためのものである。孔２１は、図２に示すように内部中空部１０の周囲に配置される。
次に、ワーククランプ９の酸化を抑制する機構について説明する。
ワークをヒーター７によって加熱してボンディングを行う際、ボンディングワイヤ、ボンディングチップ５及びリードフレーム６の酸化を防止するために、内部中空部１０に酸化防止ガスを導入して酸化防止ガスの雰囲気とする。詳細には、まずガス入り口１９ａ〜１９ｄから酸化防止ガスをガス経路１５ａ〜１５ｄに導入し、その酸化防止ガスをガス導入口１４ａ〜１４ｄからキャビティ１３に導入し、その酸化防止ガスをキャビティ１３から内部中空部１０に流すと共にキャビティ１３から複数の孔２１を通してスペース２５に導入してリードフレーム６に吹き付け、内部中空部１０から上部開口部１１を通してワーククランプの外部に酸化防止ガスを放出し、スペース２５のボンディングエリアから遠い側の端部から外部に酸化防止ガスを放出する。
上記実施の形態によれば、ワーククランプ９に酸化防止ガスを流して内部中空部１０に酸化防止ガスを供給することにより、ボンディングエリアである銅のボンディングワイヤ及びベアカッパーリードフレームの酸化を防止することができる。
詳細には、ガス入り口１９ａ〜１９ｄから酸化防止ガスを流すことにより外気（大気）がワーククランプ９内に混入するのを抑制し、複数の孔２１からリードフレーム６に酸化防止ガスを吹き付けることによりリードフレームの酸化を抑制し、キャビティ１３及び内部中空部１０に酸化防止ガスを導入することによりボンディングエリアの酸化を抑制することができる。ガス経路１５ａ〜１５ｄを通ってガス導入口１４ａ〜１４ｄからキャビティ１３に酸化防止ガスが入る。そして、キャビティ１３に充満した酸化防止ガスは内部中空部１０のボンディングエリアと孔２１を通ってワーククランプの外部に放出される。孔２１は複数あり、ボンディング対象のワークによって孔２１の数やサイズを変更することによりリードフレームの酸化を効果的に抑制することが可能である。
また、キャビティ１３を設けることにより、ボンディングエリア上の上部開口部１１から放出されるガスの流速を遅くすることができる。また、ガス導入口を複数（本実施の形態では４つ）設けることにより、上部開口部１１での酸化防止ガスの対流速度を遅くすることができる。その結果、上部開口部１１からの大気の巻き込みが少なくなるため、ボンディングエリアの酸化を抑制することができ、尚且つ上部開口部１１を大きくすることが可能となる。つまり、上部開口部１１はボンディングエリアを露出させるものであるから、ボンディングエリアの大きさに合わせた開口部を設ける必要がある。このため、上部開口部１１の大きさをボンディングエリアより小さくすることができない。このような上部開口部では、内部中空部１０のボンディングエリアに上部開口部からの大気を巻き込みやすく、従来技術では上部開口部からの大気の巻き込みを少なくすることができないのに対し、本実施の形態では上部開口部からの大気の巻き込みを少なくすることができる。よって、ボンディングエリアの酸化を十分に抑制することができる。
また、ガス導入口を複数設ける理由は、ガス導入口を一つにすると、キャビティに供給する酸化防止ガスの流量を十分に確保するためにガス導入口から流れる酸化防止ガスの流速を速くする必要があり、その流速が速いと上部開口部から大気を巻き込みやすくなり、ボンディングエリアの酸化を十分に抑制することができなくなるからである。
また、本実施の形態では、ベアカッパーリードフレームの酸化を防止できるため、リード表面をメッキ処理する必要がなくなり、メッキ工程にかかる時間、費用を削減することができる。
また、ワーククランプ内に酸化防止ガスを流すことにより、内部中空部１０のボンディングエリア上の空間の熱を効率よく逃がすことができる。このため、ボンディングワイヤの先端にボールを形成する時の熱と風の影響を低減でき、安定したワイヤボンディングを行うことが可能となる。また、ボンディングエリアの周辺温度の上昇を抑制することができるため、ワイヤボンディング装置のホーン、カメラなどの膨張を抑制でき、その結果、ボンディングの位置精度を向上させることができる。
尚、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、本実施の形態では、ボンディングチップ５が載置されたリードフレーム６をボンディング対象のワークとしているが、これに限定されるものではなく、ワークとしてテープ状のものを用いることも可能である。
図４（Ｂ）は、本実施の形態によるワーククランプの変形例１を示すものであって、図４（Ａ）と同様の部分を切断した断面図である。図４（Ｂ）において、図４（Ａ）と同一部分には同一符号を付し、異なる部分についてのみ説明する。
図４（Ｂ）に示すように、上部開口部１１がワーククランプ９のセンターに配置されている。これに伴い、ガス導入口１４ａ〜１４ｄを、上部開口部１１からなるべく遠い位置であるキャビティ１３の四隅に配置している。これにより、キャビティ全体に酸化防止ガスを略均等に行き渡らせることができる。
上記変形例１においても上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
図４（Ｃ）は、本実施の形態によるワーククランプの変形例２を示すものであって、図４（Ａ）と同様の部分を切断した断面図である。図４（Ｃ）において、図４（Ａ）と同一部分には同一符号を付し、異なる部分についてのみ説明する。
図４（Ｃ）に示すように、上部開口部１１の開口面積が上記実施の形態に比べて大きく形成されている。これと共に、上部開口部１１がワーククランプ９のセンターに配置されている。これに伴い、キャビティ１３の面積を上記実施の形態より大きくし、それによりボンディングエリアでの酸化防止ガスの流速を遅くすると共に、キャビティガス導入口１４ａ〜１４ｄを、上部開口部１１からなるべく遠い位置であるキャビティ１３の四隅に配置している。
上記変形例２においても上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
本発明の実施の形態によるワイヤボンディング装置を示す斜視図である。 図１に示すワーククランプの上面図である。 図２に示すワーククランプによってワークをステージ上に保持してボンディングを行う状態を示す断面図である。 （Ａ）は、図２に示すワーククランプをガス経路に沿った面で切断した断面図であり、（Ｂ）は、実施の形態によるワーククランプの変形例１を示す断面図であり、（Ｃ）は、実施の形態によるワーククランプの変形例２を示す断面図である。 従来のワイヤボンディング装置のワーククランプを示す断面図である。
符号の説明
１…ワイヤボンディング装置
２…ボンディングヘッド
４…レール
５…ボンディングチップ
６…リードフレーム
７…ヒーター
８…ボンディングツール（キャピラリ）
９…ワーククランプ
１０…内部中空部
１１…上部開口部
１１ａ…下部開口部
１２…リードフレーム
１３…キャビティ
１４ａ〜１４ｄ…ガス導入口
１５ａ〜１５ｄ…ガス経路
１６…ウインドクランプ
１７…開口
１８…ダイ
１９ａ〜１９ｄ…ガス入り口
２０…カバー
２１…孔
２２…キャビティ
２３…蓋部
２４…導管
２５…スペース
２６…ガス入り口
２７…ボンディングステージ
２８…中空スペース
２９…上部プレート

Claims (4)

  1. ワイヤボンディング装置において用いられるワーククランプであって、
    酸化防止ガスの雰囲気にしながらワークのボンディングエリアに対してボンディング作業を行う空間である内部中空部と、
    前記内部中空部の下に設けられ、前記内部中空部に前記ボンディングエリアを入れるための下部開口部と、
    前記内部中空部の上に設けられ、前記ボンディングエリアを露出させる上部開口部と、
    前記上部開口部と前記下部開口部との間に位置する前記内部中空部の側方全体を覆い、且つ前記上部開口部の開口面積より広い面積を有するキャビティと、
    前記キャビティの側方の外周に設けられ、前記ワーククランプ内に設けられた第１内壁と、
    前記キャビティ上に設けられ、前記上部開口部に繋げられ、前記ワーククランプ内に設けられた第２内壁と、
    前記キャビティ下に設けられ、前記下部開口部に繋げられ、前記ワーククランプ内に設けられた第３内壁と、
    前記キャビティに設けられ、前記キャビティに前記酸化防止ガスが導入されるガス導入口と、
    前記第３内壁から前記ワーククランプの外部に貫通して設けられ、前記ガス導入口から前記キャビティに導入された前記酸化防止ガスを前記ワークのボンディングエリア以外の部分に吹き付ける孔と、
    を具備することを特徴とするワーククランプ。
  2. 請求項１において、前記ワークのボンディングエリアに対してボンディングを行う際に、前記酸化防止ガスは、前記ガス導入口から前記キャビティに導入され、前記キャビティから前記内部中空部に流されると共に前記キャビティから前記孔を通して前記ボンディングエリア以外の部分に吹き付けられ、前記内部中空部から前記上部開口部を通して外部に放出されることを特徴とするワーククランプ。
  3. ワークのボンディングエリアに対してワイヤボンディングを行う装置であって、
    前記ワークを載置するステージと、
    前記ワークを前記ステージ上に固定するワーククランプと、
    前記ワークに対してボンディングを行うボンディングツールと、
    を具備し、
    前記ワーククランプは、
    酸化防止ガスの雰囲気にしながら前記ワークのボンディングエリアに対してボンディング作業を行う空間である内部中空部と、
    前記内部中空部の下に設けられ、前記内部中空部に前記ボンディングエリアが入れられる下部開口部と、
    前記内部中空部の上に設けられ、前記ボンディングエリアを露出させる上部開口部と、
    前記上部開口部と前記下部開口部との間に位置する前記内部中空部の側方全体を覆い、且つ前記上部開口部の開口面積より広い面積を有するキャビティと、
    前記キャビティの側方の外周に設けられ、前記ワーククランプ内に設けられた第１内壁と、
    前記キャビティ上に設けられ、前記上部開口部に繋げられ、前記ワーククランプ内に設けられた第２内壁と、
    前記キャビティ下に設けられ、前記下部開口部に繋げられ、前記ワーククランプ内に設けられた第３内壁と、
    前記キャビティに設けられ、前記キャビティに前記酸化防止ガスが導入されるガス導入口と、
    前記第３内壁から前記ワーククランプの外部に貫通して設けられ、前記ガス導入口から前記キャビティに導入された前記酸化防止ガスを前記ステージ上に載置された前記ワークにおけるボンディングエリア以外の部分に吹き付ける孔とを有することを特徴とするワイヤボンディング装置。
  4. 請求項３において、前記孔と前記ボンディングエリア以外の部分との間に設けられたスペースを具備し、前記酸化防止ガスを、前記ガス導入口から前記キャビティに導入し、前記キャビティから前記内部中空部に流すと共に前記キャビティから前記孔を通して前記スペースに流し、前記内部中空部から前記上部開口部を通して外部に放出しながらボンディングを行うことを特徴とするワイヤボンディング装置。
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