JP5592029B2 - 酸化防止ガス吹き出しユニット - Google Patents

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Description

本発明は、ワイヤボンディング装置に取り付けられる酸化防止ガス吹き出しユニットの構造に関する。
ワイヤボンディング装置では、ボンディングツールであるキャピラリの先端から延出させたワイヤテールをスパークによってフリーエアボールに形成し、フリーエアボールをキャピラリの先端で半導体素子あるいは、基板の電極の上にボンディングするボールボンディングが多く行われている。
従来、ワイヤボンディングにおいては、金ワイヤが用いられることが多かったが、より安価で電気特性の優れる銅ワイヤを用いたボンディングが行われるようになってきている。しかし、金と異なり、銅ワイヤは酸化しやすいため、スパークによってフリーエアボールを形成する際にボールの表面に酸化皮膜ができてしまう。この酸化皮膜はボールと電極の付着性を低下させ、ボンディング不良を引き起こす場合があった。そこで、銅ワイヤを用いてボンディングを行う際には例えば、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスの中でフリーエアボールを形成し、ボール表面が酸化することを抑制する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかし、特許文献1に記載されたボンディング装置のように、フリーエアボールを形成する領域に一方から不活性ガスを吹き付けた場合には、不活性ガスの流れによって形成さされたフリーエアボールに偏芯が発生したり、フリーエアボールの形成領域に空気を巻き込むことによる酸化が発生したりする場合があるという問題があった。このため、フリーエアボールを形成するキャビティの周囲に多孔質部材を配置し、この多孔質部材の細かな穴で不活性ガスの速度を落とし、キャビティの中に均一に不活性ガスを広げる方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
一方、ボンディングの際のフリーエアボールの表面温度が低下すると、フリーエアボールと電極との接合強度が低下する場合や、フリーエアボールの異形化(丸くならない等)が発生する場合があるという問題があった。このため、加熱した還元性ガスをフリーエアボール形成の前後及びフリーエアボール形成中にその周辺に流すことによってフリーエアボールの温度を高く保ち、ボンディング強度を確保する方法が提案されている(例えば、特許文献3参照)。また、加熱した不活性ガスを流した状態でフリーエアボールの形成を行うことによって、ボール表面の酸化を抑制すると共にフリーエアボールの温度を高く保ってボンディングする方法が提案されている(例えば、特許文献4参照)。
しかし、特許文献3,4に記載された従来技術のように、ガスノズルから加熱した不活性ガスを噴出する構造の場合、不活性ガス雰囲気を維持するために不活性ガスの流量を大きくすることが必要となる。このため、不活性ガスを加温するためのヒータも大きなものが必要となり、ボンディング装置が大型となってしまったり、動作が遅く高速でのボンディングが難しくなってしまったりするという問題があった。
特開2007−294975号公報 特開2008−130825号公報 特開昭63−164230号公報 特開昭63−266845号公報
そこで、本発明は、コンパクトな構造で効果的にフリーエアボールを加温することができる酸化防止ガス吹き出しユニットを提供することを目的とする。
本発明の酸化防止ガス吹き出しユニットは、内部に酸化防止ガス流路が形成された中空板状の基体部と、キャピラリが抜き差しされるように基体部の厚さ方向に貫通し、酸化防止ガス流路に連通して酸化防止ガスが流出する貫通穴と、貫通穴の周りの基体部の外面に取り付けられるフィルムヒータと、を備えることを特徴とする。
本発明の酸化防止ガス吹き出しユニットにおいて、酸化防止ガス流路は、貫通穴の中心に向かって酸化防止ガスを吹き出す複数の吹き出し口を備えていること、としても好適であるし、酸化防止ガス流路に酸化防止ガスを流入させる酸化防止ガス入り口を備え、酸化防止ガス流路は、酸化防止ガス入り口から各吹き出し口までの間に、流れの方向を少なくとも2回変更するラビリンスを備えていること、としても好適である。
また、本発明の酸化防止ガス吹き出しユニットにおいて、ラビリンスは、貫通穴の周縁に配置され、その間の周方向の各隙間が各吹き出し口を形成する複数の内周側ブロックと、各内周側ブロックの外周側で、その間の周方向の各隙間が内周側ブロックの各隙間と周方向にずらして配置される複数の外周側ブロックと、を備えることとしても好適である。
また、本発明の酸化防止ガス吹き出しユニットにおいて、フィルムヒータは、ラビリンスの配置されている領域の基体部の外面に取り付けられていること、としても好適であるし、キャピラリの先端から延出したワイヤテールとの間でスパークを発生させ、ワイヤテールをフリーエアボールに形成するトーチ電極が、基体部の外側に配置されていること、としても好適であるし、基体部の内側に配置されていること、としても好適である。
本発明は、コンパクトな構造で効果的にフリーエアボールを加温することができる酸化防止ガス吹き出しユニットを提供することができるという効果を奏する。
本発明の実施形態における酸化防止ガス吹き出しユニットが取り付けられたワイヤボンディング装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態における酸化防止ガス吹き出しユニットの構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態における酸化防止ガス吹き出しユニットの酸化防止ガス流路を示す説明図である。 図3に示した酸化防止ガス流路の拡大図である。 本発明の実施形態における酸化防止ガス吹き出しユニットの酸化防止ガスの吹き出し状態を示す説明図である。 本発明の他の実施形態における酸化防止ガス吹き出しユニットの酸化防止ガス流路を示す説明図である。 本発明の他の実施形態における酸化防止ガス吹き出しユニットの構成を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態における酸化防止ガス吹き出しユニットの酸化防止ガスの吹き出し状態を示す説明図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図1に示すように、本実施形態の酸化防止ガス吹き出しユニット100は、内部に酸化防止ガス流路53,54が形成された中空板状の基体部10と、酸化防止ガス流路53,54に酸化防止ガスを流入させる酸化防止ガス入り口20と、キャピラリ72が抜き差しされるように基体部10の厚さ方向に貫通し、酸化防止ガス流路53,54に連通して酸化防止ガスが流出する貫通穴30と、貫通穴30の周りの基体部10の外面に取り付けられるフィルムヒータ40と、を備えている。酸化防止ガス流路53は、貫通穴30の中心に向かって酸化防止ガスを吹き出す複数の吹き出し口35を備えている。そして、酸化防止ガス流路53,54は、酸化防止ガス入り口20から各吹き出し口35までの間に、流れの方向を少なくとも2回変更するラビリンス50を備えている。ラビリンス50は、貫通穴30の周縁に配置される複数の内周側ブロック51と、複数の外周側ブロック52とを含んでおり、各ブロック51,52の周方向の隙間はそれぞれ酸化防止ガス流路53,54を構成している。また、基体部10のラビリンス50の配置されている領域の外面には酸化防止ガス流路53,54を流れる酸化防止ガスを加熱するフィルムヒータ40が取り付けられている。また、基体部10の下側には、キャピラリ72の先端から延出するワイヤテール73との間でスパークを発生させてワイヤテール73をフリーエアボールに形成するトーチ電極80が取り付けられている。
ボンディング動作の際には、キャピラリ72はボンディングアーム71によって上下方向に移動してキャピラリ72の先端に形成したフリーエアボールを半導体ダイあるいは基板の電極に押し付けてワイヤを電極に接合(ボンド)する。酸化防止ガス吹き出しユニット100は、ボンディングアーム71が取り付けられているボンディングヘッド(図示せず)に取り付けられ、ボンディングアーム71、キャピラリ72と共にXY方向に移動する。酸化防止ガスは窒素あるいはアルゴンなどの不活性ガスであってもよいし、例えば、水素などの還元性のガスを混合したガスを用いてもよい。
図2を参照しながら酸化防止ガス吹き出しユニット100の詳細について説明する。基体部10は、内部に凹部60を備える本体11と、本体11の上に取り付けられて本体11の内部の凹部60との間で酸化防止ガスの流れる中空部を形成する蓋12とを備えている。基体部10の蓋12の上にはフィルムヒータ40が取り付けられ、その上にカバープレート13が取り付けられている。蓋12には本体11の凹部60に酸化防止ガスを流入させる酸化防止ガス入り口20が設けられ、カバープレート13には蓋12の酸化防止ガス入り口20に対応する位置に酸化防止ガス入り口20に連通するガス穴21が設けられている。カバープレート13のガス穴21には酸化防止ガスを導入する酸化防止ガス導入管22が取り付けられている。また、本体11、蓋12、フィルムヒータ40、カバープレート13にはそれぞれキャピラリ72が貫通する各穴31,32,41,34が設けられている。本実施形態では、本体11、蓋12、カバープレート13はそれぞれセラミック製であり、図2に示すように、本体11、蓋12、フィルムヒータ40、カバープレート13の順に重ね合わせて焼結形成されたり、接着剤で組み立てられたりする。
本体11の内部に設けられた凹部60は、蓋12の酸化防止ガス入り口20に連通する幅の狭い入り口領域61と、両側から幅方向に延びる突起58の酸化防止ガス入り口20側の幅の広くなっている中間部62と、突起58よりも穴31側のラビリンス領域63との3つの領域を備えている。凹部60のラビリンス領域63には、キャピラリ72が抜き差しされる穴31が設けられ、凹部60の底面から立ち上がった複数の内周側ブロック51と、内周側ブロック51の外周側に設けられ、凹部60の底面から立ち上がった複数の外周側ブロック52と、突起58と直列に配置され、凹部60の底面から立ち上がった直方体の第1入り口側ブロック57と、第1入り口側ブロック57と平行に配置され、第1入り口側ブロック57よりも長さの長い直方体の第2入り口側ブロック56とが設けられている。
図3に示すように、本実施形態では、穴31の周縁に配置された内周側ブロック51は、第1内周側ブロック51aから第5内周側ブロック51eの5つのブロックを含んでおり、外周側ブロック52は第1外周側ブロック52aから第5外周側ブロック52eの5つのブロックを含んでいる。
図4に示すように、第1〜第5内周側ブロック51a〜51eは、略台形形状の斜辺部分に外周方向に突出する小さな突起を設けた形状となっている。より詳細には、第1〜第5内周側ブロック51a〜51eは、穴31の外周に沿った部分円筒面である内面511a〜511eと、各内面511a〜511eから外周側に向かって延びる左右の側面512a〜512eと、各内面511a〜511eに対向する平面状の外面514a〜514eと、外面514a〜514eよりも外周側に突出した角部513a〜513eとを備えている。第1〜第5内周側ブロック51a〜51eの各側面512a〜512eは互いに平行であり、第1〜第5内周側ブロック51a〜51eの外周側から穴31に向かう酸化防止ガス流路53a〜53eを形成している。また、各酸化防止ガス流路53a〜53eの穴31側の端面は、それぞれ第1〜第5吹き出し口35a〜35eを形成し、第1〜第5内周側ブロック51a〜51eの各内面511a〜511eと本体11、蓋12に設けられた各穴31,32とは基体部10を貫通する貫通穴30を形成する。
第1〜第5内周側ブロック51a〜51eの外周側には、円弧状の第1〜第5外周側ブロック52a〜52eが設けられている。第1〜第5外周側ブロック52a〜52eは各左端部524a〜524eと各右端部523a〜523eとがそれぞれ第1〜第5内周側ブロック51a〜51eの外面514a〜514eに向かうような曲率となっており、各左端部524a〜524eと各右端部523a〜523eと第1〜第5内周側ブロック51a〜51eの各角部513a〜513eとの間に酸化防止ガスを流す流路を形成している。第1〜第5外周側ブロック52a〜52eのそれぞれの間の隙間は酸化防止ガス流路54a〜54eを形成する。そして、酸化防止ガス流路54a〜54eの周方向位置は、第1内周側ブロック51aから第5内周側ブロック51eのそれぞれの間の隙間である酸化防止ガス流路53a〜53eの周方向位置とずらして配置されている。本実施形態では、各酸化防止ガス流路53a〜53eと各酸化防止ガス流路54a〜54eとが周方向に互い違いで等中心角度で配置されている。
図2に示す酸化防止ガス導入管22からガス穴21、酸化防止ガス入り口20を通って本体11の凹部60の入り口領域61に導入された酸化防止ガスは、図3の矢印に示すように、凹部60の中間部62に流れ、中間部62から突起58と第1入り口側ブロック57との間を通って凹部60のラビリンス領域63に入る。ラビリンス領域63に入った酸化防止ガスは、第2入り口側ブロック56に当たり、第2入り口側ブロック56によって本体11の幅方向に流れの方向を変えて第2入り口側ブロック56に沿って流れ、第2入り口側ブロック56と凹部60の幅方向の側面との間から流出し、第1〜第5内周側ブロック51a〜51eと第1〜第5外周側ブロック52a〜52eとからなるラビリンス50に向かって流れていく。
そして、図3に示すように、酸化防止ガスは、第1外周側ブロック52aから第5外周側ブロック52eのそれぞれの間の隙間である酸化防止ガス流路54a〜54eを通って穴31に向かって流れ、それぞれ第1内周側ブロック51aから第5内周側ブロック51eの各外面514a〜514eに当たって流れの方を穴31に向かう方向と反対側に変えた後(第1回目の流れの方向の変更)、図4に示す角部513a〜513eを回って第1内周側ブロック51aから第5内周側ブロック51eのそれぞれの間の隙間である酸化防止ガス流路53a〜53eに入り(第2回目の流れの方向の変更)、酸化防止ガス流路53a〜53eを通って第1〜第5吹き出し口35a〜35eから穴31の中心に向かって吹き出す。
図2、図3に示すように、蓋12の本体11の凹部60のラビリンス領域63に対応する領域にフィルムヒータ40が取り付けられているので、ラビリンス領域63に入った酸化防止ガスはフィルムヒータ40によって加熱されていく。ラビリンス領域63には、第1〜第5内周側ブロック51a〜51eと、第1〜第5外周側ブロック52a〜52eによって構成されるラビリンス50が設けられており、酸化防止ガスを加熱する面が大きくなっていることから、酸化防止ガスはラビリンス50によって効果的に加熱されて適当な温度となって第1〜第5吹き出し口35a〜35eから穴31の中心に向かって吹き出す。
図5に示すように、第1〜第5吹き出し口35a〜35eから吹き出した酸化防止ガスは、本体11の穴31を通って酸化防止ガス吹き出しユニット100の下側(基板90側)に流出すると共に、蓋12、フィルムヒータ40、カバープレート13の各穴32,41,34を通って酸化防止ガス吹き出しユニット100の上側に流出する。そして、酸化防止ガス吹き出しユニット100の貫通穴30の内部と酸化防止ガス吹き出しユニット100の上側と下側とに広がる酸化防止ガス領域65を形成する。そして、トーチ電極80とキャピラリ72の先端から突出したワイヤテール73の間でスパークを発生させ、ワイヤテール73の酸化を抑制しつつフリーエアボール74に形成する。
図2から図4を参照して説明したように、ラビリンス50は、酸化防止ガスの流れの方向を少なくとも2回変更することによって凹部60のラビリンス領域63に流入した酸化防止ガスの酸化防止ガス入り口20から穴31に向かう方向の速度成分を低減し、その流れの方向を第1〜第5吹き出し口35a〜35eから穴31の中心に向かう方向に揃えると共に、第1〜第5吹き出し口35a〜35eから吹き出す酸化防止ガスの流量を均等にすることができるので、図5に示す酸化防止ガス吹き出しユニット100の上側、下側に延びる酸化防止ガス領域65はキャピラリ72の軸方向に沿って略垂直方向となる。このため、ワイヤテール73あるいはフリーエアボール74をキャピラリ72の軸と直角の水平方向に移動させる流体力が抑制され、フリーエアボール74の偏芯を抑制し、ボンディングの品質を向上させることができる。
また、本実施形態の酸化防止ガス吹き出しユニット100は薄い板状の構造となっており、酸化防止ガスを第1〜第5吹き出し口35a〜35eから均等に吹き出すことができるので、酸化防止ガスの流量が少なくも良好に酸化防止ガス領域65を形成することができることとラビリンス50によって十分な熱交換面積を確保していることから、小容量のフィルムヒータ40によって、酸化防止ガスの温度を100℃程度まで上昇させることができる。これによってフリーエアボール74を適切に加熱してボンディング品質を確保することができる。また、コンパクトな構成とすることができるのでワイヤボンディング装置に容易に組み込むことができる上、軽量構造とできるので、XY方向への高速移動が可能となり、ボンディング速度を向上させることができるという効果を奏する。
また、本実施形態では、トーチ電極80を薄板状の酸化防止ガス吹き出しユニット100の下側に配置しているので、酸化防止ガスの流れがトーチ電極80によって偏ることがないので、より酸化防止ガスを第1〜第5吹き出し口35a〜35eから均等に吹き出すことができ、良好に酸化防止ガス領域65を形成することができる。
図6を参照して本発明の他の実施形態について説明する。図1から図5を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。先に説明した実施形態では、第1〜第5内周側ブロック51a〜51eは、略台形形状の斜辺部分に外周方向に突出する小さな角部513a〜513eを設けた形状として説明したが、酸化防止ガスの流量によっては、角部513a〜513eを設けず、図6に示す様に略台形状としてもよい。また、先に説明した実施形態では、第1〜第5外周側ブロック52a〜52eは各左端部524a〜524eと各右端部523a〜523eとがそれぞれ第1〜第5内周側ブロック51a〜51eの外面514a〜514eに向かうような曲率となっていることとして説明したが、このように大きな曲率となっていなくてもよく、図6に示すような単純な部分円環を等間隔で配置したような構成としてもよい。
更に、ラビリンス50は、内周側ブロック51と外周側ブロック52の2段の構成として説明したが、穴31の周囲に3段あるいはそれ以上の段数のブロックを配置するようにしてもよいし、フィルムヒータ40は、薄型のヒータであればフィルム状でなくともよく複数の薄型のヒータを分散して蓋12の上に配置するようにしてもよい。本実施形態は、先に図1から図5を参照して説明した実施形態と同様の効果を奏する。
次に、図7、図8を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。図1から図6を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。本実施形態は、図7、図8に示すように、トーチ電極80を酸化防止ガス吹き出しユニット100の内側に配置するようにしたものである。図7、図8に示すように、本実施形態では、トーチ電極80は、本体11の端面から、本体の表面と平行に差し込まれ、凹部60の入り口領域61を通り、第1、第2入り口側ブロック57,56、外周側ブロック52の一つを貫通した後、内周側ブロック51の間の酸化防止ガス流路53を通って穴31の上面に達するよう配置されている。また、図8に示すように、トーチ電極80は、本体11の凹部60内部で上下方向の中央よりも下側に配置されており、キャピラリ72の先端のフリーエアボール74が本体11の厚さ方向の中央で貫通穴30の中心に位置する際に、フリーエアボール74より少し下側でフリーエアボール74よりも貫通穴30の周辺にずれて位置している。この位置にトーチ電極80を配置することにより良好にフリーエアボール74を形成することができる。トーチ電極80は、外部から抜き差し可能で、その先端位置を調整することが可能となるよう本体11に取り付けられている。
本実施形態は、先に図1から図6を参照して説明した実施形態と同様の効果のほかに、トーチ電極80が酸化防止ガス領域65の中に配置されているので、トーチ電極80の表面の酸化が抑制され、長期間にわたって安定した放電を行うことができるという効果を奏する。
本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲により規定されている本発明の技術的範囲ないし本質から逸脱することない全ての変更及び修正を包含するものである。
10 基体部、11 本体、12 蓋、13 カバープレート、20 酸化防止ガス入り口、21 ガス穴、22 酸化防止ガス導入管、30 貫通穴、31,32,41,34 穴、35,35a〜35e 酸化防止ガス吹き出し口、40 フィルムヒータ、50 ラビリンス、51,51a〜51e 内周側ブロック、52,52a〜52e 外周側ブロック、53,53a〜53e,54,54a〜54e 酸化防止ガス流路、56 第2入り口側ブロック、57 第1入り口側ブロック、58 突起、60 凹部、61 入り口領域、62 中間部、63 ラビリンス領域、65 酸化防止ガス領域、71 ボンディングアーム、72 キャピラリ、73 ワイヤテール、74 フリーエアボール、80 トーチ電極、90 基板、100 酸化防止ガス吹き出しユニットユニット、511a〜511e 内面、512a〜512e 側面、513a〜513e 角部、514a〜514e 外面、523a〜523e 右端部、524a〜524e 左端部。

Claims (8)

  1. 内部に酸化防止ガス流路が形成された中空板状の基体部と、
    キャピラリが抜き差しされるように前記基体部の厚さ方向に貫通し、前記酸化防止ガス流路に連通して酸化防止ガスが流出する貫通穴と、
    前記貫通穴の周りの前記基体部の外面に取り付けられるフィルムヒータと、
    を備える酸化防止ガス吹き出しユニット。
  2. 請求項1に記載の酸化防止ガス吹き出しユニットであって、
    前記酸化防止ガス流路は、前記貫通穴の中心に向かって酸化防止ガスを吹き出す複数の吹き出し口を備えている酸化防止ガス吹き出しユニット。
  3. 請求項2に記載の酸化防止ガス吹き出しユニットであって、
    酸化防止ガス流路に酸化防止ガスを流入させる酸化防止ガス入り口を備え、
    前記酸化防止ガス流路は、前記酸化防止ガス入り口から各吹き出し口までの間に、流れの方向を少なくとも2回変更するラビリンスを備えている酸化防止ガス吹き出しユニット。
  4. 請求項3に記載の酸化防止ガス吹き出しユニットであって、
    前記ラビリンスは、
    前記貫通穴の周縁に配置され、その間の周方向の各隙間が前記各吹き出し口を形成する複数の内周側ブロックと、
    前記各内周側ブロックの外周側で、その間の周方向の各隙間が前記内周側ブロックの各隙間と周方向にずらして配置される複数の外周側ブロックと、を備える酸化防止ガス吹き出しユニット。
  5. 請求項3に記載の酸化防止ガス吹き出しユニットであって、
    前記フィルムヒータは、前記ラビリンスの配置されている領域の前記基体部の外面に取り付けられている酸化防止ガス吹き出しユニット。
  6. 請求項4に記載の酸化防止ガス吹き出しユニットであって、
    前記フィルムヒータは、前記ラビリンスの配置されている領域の前記基体部の外面に取り付けられている酸化防止ガス吹き出しユニット。
  7. 請求項3または6のいずれか1項に記載の酸化防止ガス吹き出しユニットであって、
    前記キャピラリの先端から延出したワイヤテールとの間でスパークを発生させ、前記ワイヤテールをフリーエアボールに形成するトーチ電極が、基体部の外側に配置されている酸化防止ガス吹き出しユニット。
  8. 請求項3または6のいずれか1項に記載の酸化防止ガス吹き出しユニットであって、
    前記キャピラリの先端から延出したワイヤテールとの間でスパークを発生させ、前記ワイヤテールをフリーエアボールに形成するトーチ電極が、基体部の内側に配置されている酸化防止ガス吹き出しユニット。
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