JP5930423B2 - ボンディング装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ボンディング装置に関し、特に、ワイヤを接合するボンディングツールとしてのキャピラリの先端部を自在にコントロールすることが可能なボンディング装置に関する。
従来、半導体チップの電極と基板上に形成された配線用のリードとをワイヤで接合するワイヤボンディング装置が知られている。
ワイヤボンディング装置は、ワイヤの先端部に形成されたボールを半導体チップの電極に超音波振動と共に押圧して接合するとともに、ワイヤをリードに超音波振動と共に押圧して、半導体チップの電極と基板上のリードとを接合するものである。
ワイヤボンディング装置には二次元方向に移動可能なＸＹテーブル上にボンディングヘッドが載置固定されている。ボンディングヘッドを成すボンディングアームは、支持軸を中心として回転可能な構成となっており、ボンディングアームの一方の先端にはボンディングツールとしてのキャピラリが取り付けられた超音波ホーンと、他方に超音波ホーンを介してキャピラリに超音波振動を印加する超音波印加手段としての超音波振動子とを有している。
しかしながら、従来のボンディングアームにおける超音波ホーンは、λ（音波長）／２を基本とした長さが必要であり、また、ボンディングアームとしてボンディングヘッドに取付ける際には、λ／４の節の位置を固定するため、その長さ及び支持方法等に制約があった。
このため、これらの制約を解消すべく、特許文献１には、ボンディングアームのキャピラリ取付け近傍に、キャピラリに電歪又は磁歪効果により振動を伝達する圧電素子を組み込んだワイヤボンディング装置が開示されている。
また、特許文献２には、キャピラリに振動発生機構を組み込んだ低質量振動子が開示されている。
特開平５−２７５５０２号公報 ＵＳ５８９０６４３号公報
特許文献１で開示されたワイヤボンディング装置は、ボンディングアームのキャピラリ取付け近傍に、キャピラリに振動を伝達する圧電素子を組み込んだ構成となっている。特許文献１におけるボンディングアームは、圧電素子の振動が枠状の振動伝達部を介してキャピラリに伝搬される。
しかしながら、圧電素子が駆動する負荷としての振動伝達部の質量が大きくなっていた。また、重い負荷を駆動するために圧電素子を大型にする必要があった。
また、圧電素子は、ボンディングアームに設けた枠状の穴に固定されており、枠を介して圧電素子に加圧が掛けられるため、枠の剛性が圧電素子の伸びを阻害して振動振幅が効率的に発生させられない問題があった。
また、特許文献２では圧電素子を用いた振動発生機構をキャピラリに組み込むために専用のキャピラリが必要になり、通常使用されているキャピラリに振動発生機構を設けることが困難であった。更に、消耗品であるキャピラリに振動発生機構を組み込んでいるため、高価になってしまう。
このため、ボンディングアームの圧電素子が駆動する振動伝達部等の負荷の軽量小型化を図り、また、安定した振動をキャピラリに伝達することが求められている。更に、被ボンディング部品は多種に渡り、ワイヤの先端部に形成されたボールを半導体チップの電極にスクラブ振動と共に押圧して接合する際に、キャピラリ先端部を自在にコントロールすることが求められている。
また、ボンディング装置は、ボンディングにおけるボンディングアームの長手方向にキャピラリが振動するスクラブ動作で、接地面での負荷によってキャピラリの動きが妨げられて、キャピラリが傾くことがある。キャピラリが傾くと、例えば、ボールと半導体チップの電極との接合面でのボンディング不良が発生する恐れがある
そこで本発明は、多様なボンディング部品に対応すべく、キャピラリの軸方向に対して、キャピラリ保持部を介して２つの圧電素子をキャピラリの軸方向に沿って配するようにして、２つの圧電素子は、キャピラリの軸方向に対して垂直の方向に各々伸縮し、この２つの圧電素子を個別に振動させることにより、キャピラリ先端部の自在のコントロールが可能なボンディング装置を提供することを目的とする。
また、複数の各圧電素子に印加する電圧波形に係る振幅、位相、周波数及び／又は波形の関数的操作を加えることによって、キャピラリの傾きを補正して振動させることも可能なボンディング装置を提供することを目的とする。
上記目的達成のため、本発明のボンディング装置は、キャピラリを振動させる振動駆動部を備えたボンディング装置であって、前記振動駆動部は、ボンディングアームの先端部に一端が固定され、当該ボンディングアームの軸方向に沿って伸縮する複数の圧電素子と、当該複数の圧電素子の各々の他端に各々固定され、キャピラリの基端側周面に接触する複数のキャピラリ保持部と、前記ボンディングアームに少なくとも一端側が固定され、他端側が前記キャピラリの前記基端側周面の前記キャピラリ保持部とは反対側に接触して、前記キャピラリを前記複数のキャピラリ保持部に押圧して挟持する押圧保持部と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明のボンディング装置における前記振動駆動部は、共振を利用しないことを特徴とする。
また、本発明のボンディング装置における前記複数の圧電素子は、前記キャピラリの軸方向に沿って配されることを特徴とする。
また、本発明のボンディング装置における前記複数の圧電素子は、前記キャピラリの軸方向に沿って配される２つの圧電素子であって、第１の圧電素子と、当該第１の圧電素子よりも下方に配された第２の圧電素子であることを特徴とする。
また、本発明のボンディング装置は、前記複数の圧電素子を駆動する電圧波形を制御する制御部と、前記制御部からの指令に基づいて、前記複数の圧電素子に所定の電圧波形を印加して駆動する発振器とをさらに備え、前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子に同相の電圧波形を印加することを特徴とする。
また、本発明のボンディング装置は、前記複数の圧電素子を駆動する電圧波形を制御する制御部と、前記制御部からの指令に基づいて、前記複数の圧電素子に所定の電圧波形を印加して駆動する発振器とをさらに備え、前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子に同一周波数で互いに１８０°位相差を有する電圧波形を印加することを特徴とする。
また、本発明のボンディング装置は、前記複数の圧電素子を駆動する電圧波形を制御する制御部と、前記制御部からの指令に基づいて、前記複数の圧電素子に所定の電圧波形を印加して駆動する発振器とをさらに備え、前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子に印加する電圧の振幅を変更可能であることを特徴とする。
また、本発明のボンディング装置は、前記複数の圧電素子を駆動する電圧波形を制御する制御部と、前記制御部からの指令に基づいて、前記複数の圧電素子に所定の電圧波形を印加して駆動する発振器とをさらに備え、前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子に供給される電圧波形が同相であり、前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子における電圧波形の振幅比が異なることを特徴とする。
また、本発明のボンディング装置は、前記複数の圧電素子を駆動する電圧波形を制御する制御部と、前記制御部からの指令に基づいて、前記複数の圧電素子に所定の電圧波形を印加して駆動する発振器とをさらに備え、前記複数の圧電素子の各圧電素子への駆動電圧波形に対して、振幅、位相、周波数又は波形の関数的操作を加えることによって、ボンディング接合に必要なキャピラリの動作が可能であることを特徴とする。
また、本発明のボンディング装置は、前記複数の圧電素子を駆動する電圧波形を制御する制御部と、前記制御部からの指令に基づいて、前記複数の圧電素子に所定の電圧波形を印加して駆動する発振器とをさらに備え、前記キャピラリの接地面における負荷によって、前記キャピラリの先端が引っ張られることによって生じる当該キャピラリの傾きを、前記複数の圧電素子の各圧電素子への駆動電圧波形に対して、振幅、位相、周波数又は波形の関数的操作を加えることによって、前記キャピラリの傾きを補正して振動させることを特徴とする。
また、本発明のボンディング装置は、前記押圧保持部は、糸状体、テープ状体又は枠体であることを特徴とする。
また、本発明の前記ボンディング装置は、ワイヤボンディング装置であって、前記キャピラリの先端にはワイヤが繰り出されていることを特徴とする。
本発明のボンディング装置は、キャピラリを振動させる複数の圧電素子を備えたボンディング装置であって、当該ボンディング装置は、前記複数の圧電素子を駆動する電圧波形を制御する制御部と、前記制御部からの指令に基づいて、前記複数の圧電素子に所定の電圧波形を印加して駆動する発振器とをさらに備え、前記キャピラリの接地面における負荷によって、前記キャピラリの先端が引っ張られることによって生じる当該キャピラリの傾きを、前記複数の圧電素子の各圧電素子への駆動電圧波形に対して、振幅、位相、周波数又は波形の関数的操作を加えることによって、前記キャピラリの傾きを補正して振動させることを特徴とする。
本発明によれば、キャピラリの軸方向に対して、キャピラリ保持部を介して複数、特には２つの圧電素子をキャピラリの軸方向に沿って配するようにして、２つの圧電素子は、キャピラリの軸方向に対して垂直の方向に各々伸縮し、この２つの圧電素子を個別に振動させることにより、キャピラリ先端部の自在のコントロールが可能となる。これにより、多様なボンディング部品に対応することができる。
また、本発明のボンディング装置は、複数の各圧電素子に印加する電圧波形に係る振幅、位相、周波数又は波形の関数的操作を加えることによって、ボンディング中のキャピラリの傾きを補正して振動させることができる。これにより、ボールと半導体チップの電極との接合面でのボンディング不良の発生を防止することができる。
また、キャピラリを複数のキャピラリ保持部に押圧して挟持する押圧保持部は、糸状体、テープ状体又は枠体を成し、質量、体積が小さい材質で構成することにより、圧電素子が駆動する負荷の軽量化を図ることができるため、キャピラリの応答性が良くなり、ダイレクトでキャピラリを駆動することができる。
また、本発明のボンディング装置は、複数の各キャピラリに印加する電圧波形に係る振幅、位相、周波数をボンディング中に可変することができるため、例えば、最初はスクラブ動作によって表面の酸化膜を除去して、その後キャピラリの最適な振動形態でボール又はワイヤを接合することが可能になる。
ボンディング装置におけるボンディングアームの先端に取り付けた、キャピラリを振動させる振動駆動部の構成を示す斜視図である。 ボンディング装置におけるボンディングアームの先端に取り付けた、キャピラリを振動させる振動駆動部の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 振動駆動部におけるキャピラリ保持部のキャピラリの取り付け部分を拡大した平面図である。 圧電素子を駆動する発振器の構成を示すブロック図である。 電力増幅器から圧電素子に供給される電圧の波形の一例を示す図である。 電力増幅器から圧電素子に供給される正のバイアス電圧を印加した電圧の波形の一例を示す図である。 キャピラリの第１の振動形態を説明するモデル図であり、（ａ）は、上部圧電素子及び下部圧電素子に同相の正極性の最大電圧が印加されたときの振動形態のモデル図、（ｂ）は、上部圧電素子及び下部圧電素子に同相の負極性の最大電圧が印加されたときの振動形態のモデル図である。 電力増幅器から圧電素子に供給される互いに１８０°位相差を有する電圧の波形を示す図である。 キャピラリの第２の振動形態を説明するモデル図であり、（ａ）は、上部圧電素子に正極性の最大電圧を、下部圧電素子に負極性の最大電圧が印加されたときの振動形態のモデル図、（ｂ）は、上部圧電素子に負極性の最大電圧を、下部圧電素子に正極性の最大電圧が印加されたときの振動形態のモデル図である。 上部圧電素子と下部圧電素子とに供給される電圧波形が同相であり、上部圧電素子と下部圧電素子との電圧波形の振幅比が１対２のときの電圧波形を示す図である。 キャピラリの第３の振動形態を説明するモデル図であり、（ａ）は、上部圧電素子及び下部圧電素子に同相で振幅比が１対２の正極性の電圧が印加されたときの振動形態のモデル図、（ｂ）は、上部圧電素子及び下部圧電素子に同相で振幅比が１対２の負極性の電圧が印加されたときの振動形態のモデル図である。 上部圧電素子と下部圧電素子とに供給される電圧波形が同相であり、上部圧電素子と下部圧電素子との電圧波形の振幅比が２対１のときの電圧波形を示す図である。 キャピラリの第４の振動形態を説明するモデル図であり、（ａ）は、上部圧電素子及び下部圧電素子に同相で振幅比が２対１の正極性の電圧が印加されたときの振動形態のモデル図、（ｂ）は、上部圧電素子及び下部圧電素子に同相で振幅比が２対１の負極性の電圧が印加されたときの振動形態のモデル図である。 ボンディングアームに振動駆動部を実装したワイヤボンディング装置の構成を示すブロック図である。 ループ状に形成した糸状体を使用した振動駆動部の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 上部ボンディングアーム部の下面と下部ボンディングアーム部とのボルトによる結合前の状態を示す図である。 キャピラリの移動に伴うキャピラリの傾きを説明する図であり、（ａ）は、無負荷時のキャピラリが矢印Ｒ、Ｌで示す方向に移動する際のキャピラリの状態を示し、（ｂ）は、接合中のキャピラリが矢印Ｒ、Ｌで示す方向に移動する際のキャピラリの傾きを示す。 上下の圧電素子に同相の正弦波電圧波形を印加してボンディングを行った場合の、ボール底面の状態を示す模式図であり、ボールの底面を接合面から剥離したときのものである。 （ａ）は、図１７（ｂ）で示すキャピラリを逆方向の傾きになるようにキャピラリの姿勢を補正した状態を示し、矢印Ｒ、Ｌは、キャピラリを移動させる方向を示す図であり、（ｂ）は、図１７（ｂ）で示すキャピラリを逆方向の傾きになるようにキャピラリの姿勢を補正して、キャピラリを移動させたときのキャピラリの姿勢を示す図である。 キャピラリを予め、望ましくない傾きと、逆方向の傾きになるようにキャピラリの姿勢を補正してボンディングを行った場合の、ボール底面の状態を示す模式図であり、ボールの底面を接合面から剥離したときのものである。 枠体を使用した振動駆動部の構成を示す斜視図である。
以下、図面を参照して、本発明によるボンディング装置を実施するための形態について説明する。尚、本発明のボンディング装置は、振動駆動部としてボンディングアームの先端部に一端が固定され、ボンディングアームの軸方向に沿って伸縮する２つの圧電素子と、複数の圧電素子の各々の他端に各々固定され、キャピラリの基端側周面に接触する２つのキャピラリ保持部と、ボンディングアームに少なくとも一端側が固定され、他端側がキャピラリの基端側周面のキャピラリ保持部とは反対側に接触して、キャピラリを複数のキャピラリ保持部に押圧して挟持する押圧保持部とを備え、２つの圧電素子は、キャピラリの軸方向に対して垂直の方向に各々伸縮し、２つの圧電素子を個別に振動させることにより、キャピラリ先端部の自在のコントロールすることを可能とするものである。
以下に振動駆動部を用いたボンディング装置として、半導体チップの電極（パッド）と基板上に形成された配線用のリードとをワイヤで接合するワイヤボンディング装置について説明する。
［ボンディング装置の第１実施形態］
最初に、本発明に係るボンディング装置の第１実施形態について、図１乃至図１４を用いて説明する。
［振動駆動部の構成］
図１は、ボンディング装置におけるボンディングアームの先端に取り付けた、キャピラリを振動させる振動駆動部の構成を示す斜視図、図２（ａ）は、振動駆動部の構成を示す平面図、図２（ｂ）は、振動駆動部の構成を示す側面図 、図３は、振動駆動部におけるキャピラリ保持部のキャピラリの取り付け部分を拡大した平面図である。
図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、キャピラリ２０を振動させる振動駆動部７は、ボンディングアーム３の先端に取り付けられており、圧電素子１０と、キャピラリ保持部１５と、キャピラリ２０をキャピラリ保持部１５に固定し、圧電素子１０に予圧を付与する糸状体２３と、を有している。
圧電素子１０は、セラミック等から成る薄い圧電素子を積み重ねて一体にしたものであり、電極端子に電圧を印加して変位を生じさせる。例えば、圧電素子１０の電極端子に高周波電圧を印加することにより、高周波電圧の周波数、振幅等に応じた変位を繰り返して、振動が発生する。
図１及び図２（ｂ）に示すように、振動駆動部７には上下に配置された二つの圧電素子１０が、ボンディングアーム３の先端に取り付けられている。尚、図２（ｂ）に示す側面視で、上に位置する圧電素子１０を上部圧電素子１１と記し、下に位置する圧電素子１０を下部圧電素子１２と記す。なお、上部圧電素子１１は、請求項に記載の第１の圧電素子に相当し、下部圧電素子１２は、請求項に記載の第２の圧電素子に相当するものである。第２の圧電素子は、第１の圧電素子よりも下方に配されている。
圧電素子１０のボンディングアーム３に接する面は、接着等によりボンディングアーム３に固定されている。上部圧電素子１１と下部圧電素子１２は、それぞれが独立して駆動することが可能となっており、各々の圧電素子１０は、ボンディングアーム３の軸方向に沿って伸縮する。
キャピラリ保持部１５は、圧電素子１０とキャピラリ２０との間に位置し、キャピラリ２０を保持し、圧電素子１０の振動を効率的に伝達するものであり、小型化、軽量化が図られている。尚、図２（ｂ）に示す側面視で、上に位置するキャピラリ保持部１５を上部キャピラリ保持部１６と記し、下に位置するキャピラリ保持部１５を下部キャピラリ保持部１７と記す。
また、キャピラリ保持部１５の圧電素子１０と接する面は、接着等により圧電素子１０に固定されており、上部キャピラリ保持部１６は上部圧電素子１１に固定され、下部キャピラリ保持部１７は下部圧電素子１２に固定されている。
キャピラリ保持部１５の一方の端は、圧電素子１０に固定されており、キャピラリ保持部１５の他端は、キャピラリ２０を保持する凹部（湾曲面）１５ａを形成している。また、キャピラリ２０の基端側周面は、キャピラリ保持部１５に接触するように取り付けられている。
図３は、振動駆動部におけるキャピラリ保持部のキャピラリの取り付け部分を拡大した平面図である。図３に示すように、キャピラリ保持部１５によるキャピラリ２０の保持は、湾曲面１５ａの先端付近の両端面とキャピラリ２０の外周表面の２カ所をキャピラリ２０の軸方向に沿って直線状に接触することにより行われる。このため、キャピラリ保持部１５の湾曲面１５ａとキャピラリ２０の表面との間に間隙ができている。
このように、キャピラリ２０の軸方向に対して、上部キャピラリ保持部１６と下部キャピラリ保持部１７を介して対応する上部圧電素子１１と下部圧電素子１２の２つの圧電素子が、キャピラリ２０の軸方向に沿って上下に配されている。上部圧電素子１１と下部圧電素子１２は、キャピラリ２０の軸方向に対して垂直の方向に各々伸縮し、かつ、キャピラリ２０と反対側の面は、ボンディングアーム３に固定されている。
図１に示すように糸状体２３は、引張機構２５によってキャピラリ２０のキャピラリ保持部側に接する面と反対側の面の外周に沿って張られている。このように糸状体２３は、キャピラリ２０の基端側周面のキャピラリ保持部とは反対側の半周面に巻き回されている。尚、キャピラリ２０を複数のキャピラリ保持部１５に押圧して挟持する押圧保持部２１は、糸状体２３と引張機構２５とで構成されている。
キャピラリ２０をキャピラリ保持部１５に固定する糸状体２３には、線径を細くして、質量、体積を極めて小さくするために、十分な引張強度、可撓性を有する金属、高強力繊維又はそれらの複合材を使用することができる。
糸状体２３は、引張機構２５により引っ張られることにより張力が発生し、キャピラリ２０を保持する。また、 図２（ｂ）に示す側面視において、糸状体２３は、上部キャピラリ保持部１６と下部キャピラリ保持部１７との間と、上部圧電素子１１と下部圧電素子１２との間を通過するようにして、キャピラリ２０の軸方向に対して垂直を成すようにボンディングアーム３の外周に沿って張られている。
尚、糸状体２３として、所定の幅を有するテープ状の部材（テープ状体）によりキャピラリ２０を押圧保持するようにしてもよい。テープ状体は、引張強度、可撓性を有し、質量、体積が小さい材質のものを使用するようにする。
図２（ａ）に示すように引張機構２５は、糸状体２３の両端を引っ張るようにして、糸状体２３に対して任意の張力を調整・保持する機能を有する。引張機構２５は、ボンディングアーム取付部４側の両側面に配された棒状体２６を有し、糸状体２３の端付近を棒状体２６によって巻くようにして、糸状体２３に張力を与えるものである。尚、棒状体２６をトルクドライバにより、所定のトルクで回転させることにより、キャピラリ２０への予圧を調整するようにする。
キャピラリ２０は、糸状体２３でボンディングアーム３の圧電素子１０側に押しつけられてキャピラリ保持部１５で保持される。また、糸状体２３には引張機構２５で張力を発生させ、キャピラリ２０を押しつけることによって、キャピラリ保持部１５を介してボンディングアーム３先端に取り付けられた圧電素子１０に必要な予圧を付与する。
図２（ａ）に示す引張機構２５は、糸状体２３の端付近を棒状体２６によって巻くようにして、糸状体２３に張力を与えるものであるが、糸状体２３の端の一方を固定して、糸状体２３の端の他方を引っ張ることにより、糸状体２３に張力を付与するようにしてもよい。
このように、圧電素子１０の伸縮によるキャピラリ２０への作用は、上部キャピラリ保持部１６及び下部キャピラリ保持部１７を介して行われる。
従来技術のような超音波振動は、圧電素子が、負荷となるホーンを振動させて、キャピラリに振動振幅を伝達する。このため、ホーンの共振を利用して、ホーン上に位置するキャピラリを最大振幅で振動させなければならなかった。本発明では、ホーンを介することなしに、圧電素子１０から直接キャピラリ２０に振動を伝達しているため、圧電素子１０の共振を利用することなく、圧電素子１０が有する固有周波数領域の範囲内で自由に超音波振動を行い、ボンディングすることができる。
このように、従来技術の超音波振動は、ホーン上でキャピラリを最大振幅で振動させる必要があったため、ホーンの長さ及びキャピラリの取付位置は、超音波振動の半波長の整数倍となるように制限されていた。本発明は、ホーンの共振を前提とした振動を使用していないため、これらの制限を受けることがない。
キャピラリ保持部１５は、小型化、軽量化が図られているため、圧電素子１０によって直接キャピラリ２０を駆動するダイレクトドライブが可能となり、効率良くキャピラリ２０を振動させることができる。
また、引張強度、可撓性を有する金属、高強力繊維又はそれらの複合材を糸状体２３に使用することにより、糸状体２３の線径を細くすることができ、質量、体積を極めて小さくすることができる。
また、質量、体積が極めて小さい糸状体２３により予圧を行っているため、圧電素子１０が駆動する負荷の軽量小型化が図れ、圧電素子１０の伸縮動作を阻害することなく安定した振動をキャピラリ２０に伝達することが可能となる。
［圧電素子の駆動回路］
次に、振動駆動部に組み込まれた圧電素子を駆動する発振器について図４を用いて説明する。図４は、圧電素子を駆動する発振器の構成を示すブロック図である。
図４に示すように、上部圧電素子１１と下部圧電素子１２を駆動する発振器３５は、波形発生器３６と電力増幅器３８、３９とを有している。波形発生器３６は、ボンディング装置１の制御部３３からの指令に基づいて、所定の周波数を有する正弦波の信号を電力増幅器３８、３９に出力する。
ボンディング装置１の制御部３３は、上部圧電素子１１と下部圧電素子１２を駆動する電圧波形を生成するための正弦波の周波数、振幅、上部圧電素子１１と下部圧電素子１２との電圧波形の位相差、電圧のバイアス値の各データを波形発生器３６に出力する。
波形発生器３６は、ボンディング装置１の制御部３３からのデータに基づいて内蔵されている発振器（図示せず）の正弦波の振幅、周波数、電圧波形の位相差、電圧のバイアス値等の駆動条件を設定する。ボンディング装置１の制御部３３からの指令により、波形発生器３６は電力増幅器３８、３９に信号を出力する。
尚、波形発生器３６から電力増幅器３８、３９に出力される信号は、波形発生器３６に設定された上部圧電素子１１と下部圧電素子１２のそれぞれの正弦波である電圧波形の振幅、電圧波形の周波数、上部圧電素子１１と下部圧電素子１２との電圧波形の位相差、電圧波形のバイアス値に基づいて生成されたものである。
電力増幅器３８、３９は、波形発生器３６からの信号を電力増幅して、電力増幅器３８は、上部圧電素子１１に出力し、電力増幅器３９は、下部圧電素子１２に出力する。尚、電力増幅器３８、３９は、波形発生器３６からの指令電圧に基づいて圧電素子１０を定電圧駆動するために必要な電圧、電流容量を備えている。
このように、ボンディング装置１の制御部３３から波形発生器３６に出力される指令によって、正弦波の振幅、周波数、電圧波形の位相差等が制御される。尚、発振器３５は電圧のバイアス値を設定することにより、正極性のみの電圧を出力することもできるため単電圧型圧電素子を用いることも可能である。
また、上部圧電素子１１と下部圧電素子１２の各圧電素子１０は、自己の共振周波数未満の周波数範囲で使用するようにする。これにより、キャピラリ２０を低周波から高周波までの広範囲の周波数で安定した振動をさせることができる。
［圧電素子の駆動波形及びキャピラリの第１の振動形態］
次に、振動駆動部のキャピラリの振動形態について説明する。最初に、上部圧電素子と下部圧電素子に同相の電圧波形を印加したときの、キャピラリの第１の振動形態について説明する。
図５は、電力増幅器から圧電素子に供給される電圧の波形の一例を示す図である。図５に示すように、電力増幅器３８、３９から圧電素子に供給される電圧の波形は、同相の正弦波電圧波形である。尚、図５では、上部圧電素子１１の駆動波形と下部圧電素子１２の駆動波形とは同一波形であるため、駆動波形を実線で示す。
図５に示す例では電圧波形の振幅が５０Ｖ、バイアス電圧が０Ｖであり、正極性の最大電圧は５０Ｖ、負極性の最大電圧は−５０Ｖである。また、図５に示すｔ０からｔ４までが１周期を示し、このときの周波数は、１／（ｔ４−ｔ０）である。
また、正極電圧のみで圧電素子を駆動することも可能である。例えば、圧電素子が単電圧型圧電素子の場合には、駆動電圧が負電圧にならないよう正のバイアス電圧を印加するようにする。
図６は、電力増幅器から圧電素子に供給される正のバイアス電圧を印加した電圧の波形の一例を示す図である。図６に示すように、上部圧電素子１１と下部圧電素子１２は、ｔ０においてそれぞれバイアス電圧７５Ｖが印加されて、ｔ１において上部圧電素子１１と下部圧電素子１２は最大電圧１２５Ｖが印加された状態である。また、ｔ２、即ち半周期においてそれぞれバイアス電圧７５Ｖが印加された状態に戻り、ｔ３において上部圧電素子１１と下部圧電素子１２は最小電圧２５Ｖが印加される。その後ｔ４においてそれぞれバイアス電圧７５Ｖが印加された状態となる。
次に、上部圧電素子と下部圧電素子に同相の電圧波形を印加したときの、キャピラリの第１の振動形態について図７を用いて説明する。
図７（ａ）、（ｂ）は、キャピラリの第１の振動形態を説明するモデル図であり、キャピラリの中心軸に対する糸状体による予圧、圧電素子の変位による上部キャピラリ保持部及び下部キャピラリ保持部の移動に伴うキャピラリの変位状態の一例を示すものである。
図７（ａ）は、上部圧電素子及び下部圧電素子に同相の正極性の最大電圧が印加されたときの振動形態のモデル図、図７（ｂ）は、上部圧電素子及び下部圧電素子に同相の負極性の最大電圧が印加されたときの振動形態のモデル図である。
図７（ａ）、（ｂ）に示す破線Ｌｃは、上部圧電素子１１及び下部圧電素子１２に電圧が印加されていないとき、即ち、上部圧電素子１１及び下部圧電素子１２の変位量が０（ゼロ）におけるキャピラリ２０の中心軸の原点位置を示し、太い直線Ｃｃは、キャピラリ２０の中心軸を示す。また、矢印Ｐ１は、キャピラリ２０の中心軸に作用する糸状体２３による予圧を示す。キャピラリ２０の中心軸Ｃｃに接する上部に位置する三角形（符号１６で示す）は、上部キャピラリ保持部１６をモデル化したものであり、中心軸Ｃｃに接する下部に位置する三角形（符号１７で示す）は、下部キャピラリ保持部１７をモデル化したものである。
キャピラリの中心軸Ｃｃに接する上部キャピラリ保持部１６の交点Ｔ１は、上部キャピラリ保持部１６がキャピラリ２０に作用する中心点、又はキャピラリ２０が上部キャピラリ保持部１６に作用する中心点を示す。同様に、キャピラリの中心軸Ｃｃに接する下部キャピラリ保持部１７の交点Ｔ２は、下部キャピラリ保持部１７がキャピラリ２０に作用する中心点、又はキャピラリ２０が下部キャピラリ保持部１７に作用する中心点を示す。
また、図７（ａ）のｂ１は、上部圧電素子及び下部圧電素子に同相の正極性の最大電圧が印加されたときのキャピラリ２０の先端の移動量を示し、図７（ｂ）のｂ２は、上部圧電素子及び下部圧電素子に同相の負極性の最大電圧が印加されたときのキャピラリ２０の先端の移動量を示す。
キャピラリ２０の中心軸の右側に位置する矢印ｄ１は、上部圧電素子１１の変位による上部キャピラリ保持部１６の基準位置（上部圧電素子１１の変位量が０（ゼロ）の位置）からの移動量の大きさ及び移動方向を示し、矢印ｄ２は、下部圧電素子１２の変位による下部キャピラリ保持部１７の基準位置（下部圧電素子１２の変位量が０（ゼロ）の位置）からの移動量の大きさ及び移動方向を示す。
また、図７（ｂ）に示す矢印ｄ３は、上部圧電素子１１の変位による上部キャピラリ保持部１６の基準位置からの移動量の大きさ及び移動方向を示し、矢印ｄ４は、下部圧電素子１２の変位による下部キャピラリ保持部１７の基準位置からの移動量の大きさ及び移動方向を示す。
即ち、矢印ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４は、上部圧電素子１１、下部圧電素子１２に電圧を印加したときの、上部圧電素子１１、下部圧電素子１２の変位の大きさを矢印の長さで示し、変位の方向を矢印の方向で示す。尚、各圧電素子の変位の大きさは、圧電素子に印加する電圧波形の振幅の大きさに依存し、また、各圧電素子の変位の方向は、圧電素子に印加する電圧波形の極性によって決定される。
上部圧電素子１１及び下部圧電素子１２の圧電素子１０に電圧が印加されない状態で、引張機構２５によって糸状体２３を引っ張るようにして、所定の張力でキャピラリ２０を上部キャピラリ保持部１６及び下部キャピラリ保持部１７のキャピラリ保持部１５に押しつけ、キャピラリ保持部１５を介して圧電素子１０に予圧を与える。このとき、引張機構２５によって所定の荷重で引っ張られることにより、糸状体２３は伸びる。糸状体２３の伸び量は、糸状体２３の断面積、ヤング率（縦弾性係数）、長さにより決まる。
上部圧電素子１１及び下部圧電素子１２の圧電素子１０にプラスの電圧を印加することにより、圧電素子１０が伸びるように変位して、キャピラリが糸状体２３を伸ばすように移動して、外力としての荷重が糸状体２３に作用して、糸状体２３が引き延ばされる。
［圧電素子が所定の振幅で振動するために必要な力］
糸状体に予圧を掛けた状態で、圧電素子が所定の振幅で振動するために必要な力について説明する。
例えば、糸状体の予圧（張力）をＰ（Ｎ）、糸状体のヤング率をＥ（ＧＰａ）とすると、Ｅ（ＧＰａ）は、Ｅ（ＧＰａ）＝１０００Ｅ（Ｎ／ｍｍ２）である。
糸状体のひずみをε、糸状体の断面積をＡ（ｍｍ２）とすると、糸状体の予圧（張力）Ｐは、式（１）で示される。
Ｐ＝１０００Ｅ×ε×Ａ ・・・ （１）
糸状体を半径ｒ（ｍｍ）の円柱とすると、
Ｐ＝１０００Ｅ×επ×ｒ＊＊２ 但し、＊＊２は２乗を表す。
糸状体の材質をザイロン（登録商標）としたときのヤング率Ｅは、
Ｅ＝２７０（Ｇｐａ）＝２７００００（Ｎ／ｍｍ２）である。
糸状体の半径ｒ＝０．１（ｍｍ）、π＝３．１４とすると、予圧Ｐは、式（２）で示される。
Ｐ＝２７００００×ε×３．１４×０．１＊＊２＝８４７８×ε ・・・ （２）
片側の糸状体の長さを１００ｍｍとすると、糸状体の全長Ｌは、Ｌ＝２００ｍｍとなる。また、糸状体に１００Ｎの予圧を掛けた状態での、糸状体のひずみεは、
式（２）より、ε＝１００／８４７８＝０．０１１８
糸状体のひずみεは、ε＝ΔＬ／Ｌで示される。予圧１００Ｎでの糸状体の伸びは、
ΔＬ１＝ε×Ｌ＝２．３６ｍｍとなる。
また、圧電素子の最大振幅をａとし、ａ＝３ｕｍ＝０．００３ｍｍをとすると、
糸状体の圧電素子による変形量は、ΔＬ２＝２ａ＝２×０．００３＝０．００６ｍｍ
糸状体全体の変形量ΔＬは、ΔＬ＝ΔＬ１＋ΔＬ２＝２．３６＋０．００６＝２．３６６ｍｍとなる。
このときの糸状体のひずみεは、
ε＝ΔＬ／Ｌ＝２．３６６／２００＝０．０１１８３
また、糸状体に作用している予圧（張力）Ｐ１は、式（２）より、
Ｐ１＝８４７８×ε＝８４７８×０．０１１８３＝１００．２９４７Ｎ
これにより、糸状体に印加される力、即ち、予圧１００Ｎで圧電素子が３ｕｍ変位するのに必要な力は、１００．２９４７Ｎとなる。これにより、圧電素子は、変位により１００．２９４７Ｎを超える力を有するものを使用する。
また、予圧１００Ｎで圧電素子が３ｕｍ変位することにより、糸状体に印加される力は、０．２９４７Ｎであるため、予圧に与える影響は、０．３％以下である。このため、圧電素子の伸縮変位によって予圧に影響を与えることがないため、糸状体による予圧を一定に保つことができる。
次に、糸状体に予圧を掛けた状態における糸状体の強度について説明する。ザイロン（登録商標）の引張強度５．８（Ｇｐａ）は５８００（Ｎ／ｍｍ２）であり、半径ｒ＝０．１（ｍｍ）での最大張力（糸状体に掛かる力）ｆは、
ｆ＝５８００×３．１４×０．１＊＊２＝１８２Ｎとなり、糸状体の片側の予圧５０Ｎの張力に対して、５０／１８２×１００＝２７％となる。これにより、糸状体の強度は最大張力に対して３倍以上となり、十分な余裕を持つことができる。
このように、圧電素子１０の振幅は数マイクロメータであり、糸状体２３も数マイクロメータ引き延ばされる。しかしながら、糸状体２３の長さは、引張機構２５からキャピラリ２０までの長さが１００ミリメートル程度であるため、全長は２００ミリメートル程となり、１００Ｎの予圧状態での糸状体２３の伸びは、２．３６ｍｍであり、これに対する、数マイクロンメータの変化は、微少な値であるため、圧電素子１０への予圧の変動が少ない。
また、圧電素子１０の変位が０（ゼロ）、即ち、圧電素子１０に電圧が印加されない状態で、糸状体２３は、張力設定時の伸び量に戻る。
更に、圧電素子１０に負極性の電圧を印加することにより、圧電素子１０が縮むように変位して、糸状体２３の伸び量が減少するが、その量は微少であるため、圧電素子への予圧の変動が少ない。
このように、圧電素子１０の伸縮による糸状体２３のひずみは、予圧発生のための糸状体２３のひずみに対して微少であるため、安定した予圧を維持することができる。
発振器３５によって、駆動波形の半周期毎にキャピラリ２０の変位方向が変化し、高周波電圧を連続して上部圧電素子１１と下部圧電素子１２の圧電素子１０に印加することにより、キャピラリ２０に振動が発生する。
また、キャピラリ２０の振動数は、上部圧電素子１１と下部圧電素子１２の圧電素子１０を駆動する高周波電圧の周波数によって決まる。上部圧電素子１１と下部圧電素子１２の圧電素子１０は、発振器３５からの高周波電圧により、振動が誘起されて上部キャピラリ保持部１６と下部キャピラリ保持部１７を介してキャピラリ２０に振動が伝搬される。
上部圧電素子と下部圧電素子に同相の電圧波形を印加したときには、図７（ａ）に示すように、上部キャピラリ保持部１６の移動量の大きさ及び移動方向ｄ１及び下部キャピラリ保持部１７の移動量の大きさ及び移動方向ｄ２は、それぞれ同一であり、また、図７（ｂ）に示すように、上部キャピラリ保持部１６の移動量の大きさ及び移動方向ｄ３及び下部キャピラリ保持部１７の移動量の大きさ及び移動方向ｄ４は、それぞれ同一であるため、キャピラリ２０は垂直状態のまま水平に移動する。また、キャピラリ２０の先端の移動量は、平面に対して原点位置Ｌｃからの移動量ｂ１、ｂ２である。
尚、２つの圧電素子を使用したキャピラリの第１の振動形態について説明したが、圧電素子の個数は２個に限定するものではなく、１個であってもよく、また、３個以上であってもよい。
［キャピラリの第２の振動形態］
次に、圧電素子に同一周波数で互いに１８０°位相差を有する波形の電圧を印加した場合のキャピラリの第２の振動形態について説明する。
図８は、電力増幅器から圧電素子に供給される互いに１８０°位相差を有する電圧の波形を示す図である。
図９は、キャピラリの第２の振動形態を説明するモデル図であり、（ａ）は、上部圧電素子に正極性の最大電圧を、下部圧電素子に負極性の最大電圧が印加されたときの振動形態のモデル図、（ｂ）は、上部圧電素子に負極性の最大電圧を、下部圧電素子に正極性の最大電圧が印加されたときの振動形態のモデル図である。
図８に示すように、電力増幅器３８、３９から出力される供給電圧の波形は、同一周波数で互いに１８０°位相差を有する正弦波電圧波形である。上部圧電素子１１には、発振器３５からの実線で示す正弦波の波形を有する高周波電圧が印加される。また、下部圧電素子１２には、上部圧電素子１１に印加される正弦波の高周波電圧の位相を１８０度ずらした点線で示す正弦波の波形を有する高周波電圧が、発振器３５から印加される。
図８に示すｔ１での最大電圧が印加されたときには、図９（ａ）に示すように、上部圧電素子１１の振動面が伸びるように動作して、上部キャピラリ保持部１６を介してキャピラリは、矢印ｄ５で示すように、ボンディングアーム３側と反対の方向に移動する。また、下部圧電素子１２の振動面が縮むように動作して、下部キャピラリ保持部１７を介してキャピラリは、矢印ｄ６で示すように、ボンディングアーム３側に移動する。
一方、図８に示すｔ３での最大電圧が印加されたときには、図９（ｂ）に示すように、上部圧電素子１１の振動面が縮むように動作して、上部キャピラリ保持部を介してキャピラリは、矢印ｄ７で示すように、ボンディングアーム３側に移動する。また、下部圧電素子１２の振動面が伸びるように動作して、下部キャピラリ保持部１７を介してキャピラリは、矢印ｄ８で示すように、ボンディングアーム３側と反対側の方向に移動する。
このように、糸状体２３とキャピラリ２０とが接している弧の位置を支点（図９に示す円の中心Ｓ１）として、キャピラリ２０が振れる。即ち、支点ｓ１より下のキャピラリ２０の先端が、ボンディングアーム３側に振れたときには、キャピラリ２０の上部の他端は、キャピラリ２０の先端とは反対側の方向に振れる。
図８に示す１８０°位相差を有する電圧の波形によって上部圧電素子及び下部圧電素子を駆動することにより、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、糸状体２３がキャピラリ２０と接する位置を支点ｓ１として、キャピラリ２０の先端部分が、原点位置Ｌｃを中心として円弧（楕円）動作を行う。このときのキャピラリ２０の先端の移動量は、平面に対して原点位置Ｌｃからｂ３、ｂ４である。
また、上部圧電素子及び下部圧電素子に印加する電圧の振幅を変えることにより、円弧動作における径の大きさを可変することができる
また、反転動作では、同相動作と比較して、キャピラリ先端の振幅（振れ量）は円弧動作によって拡大することができる。
また、反転動作では、各圧電素子がプッシュプル動作となるため、キャピラリ２０に接触している糸状体２３の位置が支点となり、糸状体２３の伸びが発生しないため、予圧のバネ定数変化を打ち消し、予圧のバネ性が圧電素子の伸びを阻害することによる効率低下をさらに防止することが可能である。
［キャピラリの第３の振動形態］
以下に、各圧電素子の駆動電圧波形の振幅比を変えたときのキャピラリの第３の振動形態について説明する。図１０は、上部圧電素子と下部圧電素子とに供給される電圧波形が同相であり、上部圧電素子と下部圧電素子との電圧波形の振幅比が１対２のときの電圧波形を示す図である。
図１１は、キャピラリの第３の振動形態を説明するモデル図であり、（ａ）は、上部圧電素子及び下部圧電素子に同相で振幅比が１対２の正極性の電圧が印加されたときの振動形態のモデル図、（ｂ）は、上部圧電素子及び下部圧電素子に同相で振幅比が１対２の負極性の電圧が印加されたときの振動形態のモデル図である。
図１０に示すように、電力増幅器３８、３９から出力される供給電圧の波形は、同一周波数で同相の正弦波電圧波形である。上部圧電素子１１には、発振器３５から下部圧電素子１２の電圧波形の半分の振幅を有する実線で示す正弦波の高周波電圧が印加される。また、下部圧電素子１２には、上部圧電素子１１に印加される正弦波の振幅が２倍の点線で示す正弦波の高周波電圧が、発振器３５から印加される。
図１０に示すｔ１での最大電圧が印加されたときには、図１１（ａ）に示すように、上部圧電素子１１の振動面が伸びるように動作して、上部キャピラリ保持部１６を介してキャピラリ２０は、矢印ｄ９で示すように、ボンディングアーム３側と反対の方向に移動する。また、下部圧電素子１２の振動面が伸びるように動作して、下部キャピラリ保持部１７を介してキャピラリ２０は、矢印ｄ１０で示すように、ボンディングアーム３側と反対の方向に移動する。
このときの矢印ｄ１０の移動量（矢印の長さ）は、矢印ｄ９の移動量の２倍である。これにより、キャピラリ２０の先端は、キャピラリ２０の中心軸Ｃｃの最上点を支点ｓ２として、移動量ｂ５を移動する。
また、図１０に示すｔ３での最大電圧が印加されたときには、図１１（ｂ）に示すように、上部圧電素子１１の振動面が、縮むように動作したときには、上部キャピラリ保持部１６を介してキャピラリ２０は、矢印ｄ１１で示すように、ボンディングアーム３側の方向に移動する。また、下部圧電素子１２の振動面が、縮むように動作したときには、下部キャピラリ保持部１７を介してキャピラリ２０は、矢印ｄ１２で示すように、ボンディングアーム３側の方向に移動する。
このときの矢印ｄ１２の移動量（矢印の長さ）は、矢印ｄ１１の移動量の２倍である。これにより、キャピラリの先端は、キャピラリの中心軸はＣｃの最上点を支点ｓ２として、ボンディングアーム３側に移動する。このときのキャピラリの先端の移動量はｂ６である。
［キャピラリの第４の振動形態］
次に、図１０に示す各圧電素子の駆動電圧波形の振幅比と異なる振幅比におけるキャピラリの第４の振動形態について説明する。図１２は、上部圧電素子と下部圧電素子とに供給される電圧波形が同相であり、上部圧電素子と下部圧電素子との電圧波形の振幅比が２対１のときの電圧波形を示す図である。
図１３は、キャピラリの第４の振動形態を説明するモデル図であり、（ａ）は、上部圧電素子及び下部圧電素子に同相で振幅比が２対１の正極性の電圧が印加されたときの振動形態のモデル図、（ｂ）は、上部圧電素子及び下部圧電素子に同相で振幅比が２対１の負極性の電圧が印加されたときの振動形態のモデル図である。
図１２に示すように、電力増幅器３８、３９から出力される供給電圧の波形は、同一周波数で同相の正弦波電圧波形である。上部圧電素子１１には、発振器３５から下部圧電素子１２の電圧波形の２倍の振幅を有する実線で示す正弦波の高周波電圧が印加される。また、下部圧電素子１２には、上部圧電素子１１に印加される正弦波の振幅が半分の点線で示す正弦波の高周波電圧が、発振器３５から印加される。
図１２に示すｔ１での最大電圧が印加されたときには、図１３（ａ）に示すように、上部圧電素子１１の振動面が伸びるように動作して、上部キャピラリ保持部１６を介してキャピラリ２０は、矢印ｄ１３で示すように、ボンディングアーム３側と反対の方向に移動する。また、下部圧電素子１２の振動面が伸びるように動作して、下部キャピラリ保持部１７を介してキャピラリ２０は、矢印ｄ１４で示すように、ボンディングアーム３側と反対の方向に移動する。
このときの矢印ｄ１４の移動量（矢印の長さ）は、矢印ｄ１３の移動量の半分である。これにより、キャピラリの中心軸Ｃｃは、中心軸Ｃｃの最下点を支点ｓ３として、キャピラリ２０の先端は移動しない。
また、図１２に示すｔ３での最大電圧が印加されたときには、図１３（ｂ）に示すように、上部圧電素子１１の振動面が縮むように動作して、上部キャピラリ保持部１６を介してキャピラリ２０は、矢印ｄ１５で示すように、ボンディングアーム３側の方向に移動する。また、下部圧電素子１２の振動面が縮むように動作して、下部キャピラリ保持部１７を介してキャピラリ２０は、矢印ｄ１６で示すように、ボンディングアーム３側の方向に移動する。
このときの矢印ｄ１５の移動量（矢印の長さ）は、矢印ｄ１６の移動量の２倍である。これにより、キャピラリ２０の中心軸Ｃｃは、中心軸Ｃｃの最下点を支点ｓ４として、キャピラリの先端は移動しない。
以上述べたように、本発明のボンディング装置における圧電素子の駆動では、キャピラリに様々な動作を行うようにすることが可能である。例えば、図７の圧電素子の同相動作において、各圧電素子の駆動電圧波形の振幅比を変えることによって、キャピラリの円弧動作の支点の位置を変えることが可能である。
また、例えば、図１２に示す電圧波形で圧電素子を駆動することにより、ボンディング時に、キャピラリによって接合を阻害する異物を接合面から掃き出させる動きをさせることも可能となる。
本発明のボンディング装置は、２つの圧電素子を使用した構造により、各圧電素子への駆動電圧波形に対して、様々な関数的操作（振幅、位相、周波数、波形）を加えることによって、ボンディング接合に必要な効果を得るためのキャピラリ動作をすることが可能である。尚、２つの圧電素子を使用した実施形態について説明したが、圧電素子の個数は２個に限定するものではなく、３個以上であってもよい。
［ワイヤボンディング装置］
次に、ボンディングアームに振動駆動部を実装したワイヤボンディング装置について図１４を用いて説明する。図１４は、ボンディングアームに振動駆動部を実装したボンディング装置の構成を示すブロック図である。
図１４に示すように、ボンディング装置１としてのワイヤボンディング装置１のボンディングアーム３は、ボンディングアーム取付部４を介してボンディングヘッド２の駆動アームに取り付けられている。
ボンディングヘッド２の駆動アームには、ボンディングアーム３を上下方向に揺動するリニアモータ４０と、ボンディングアーム３におけるキャピラリ２０の位置を検出するエンコーダ４１を備えている。
リニアモータ４０は、駆動ユニット４５により制御されて、リニアモータ４０の可動部が上下移動することにより、支持軸４２を介してボンディングアーム３は上下方向に揺動する。ボンディングヘッド２は、ＸＹテーブル４７上に搭載されており、駆動ユニット４５によりＸＹテーブル４７を制御することにより、ボンディングアーム３のキャピラリ２０をワーク上のボンディング点の直上に位置させることができる。
尚、図１４に示すボンディング装置１としてのワイヤボンディング装置１は、ボンディングヘッド２にワイヤ５３の把持を行うワイヤクランプ機構（図示せず）、キャピラリ先端にボールを形成するためのトーチロット（図示せず）及びワイヤを供給するワイヤ供給機構（図示せず）等を有している。
ボンディング動作は、ＸＹテーブル４７によりキャピラリ２０が、ボンディング点の直上に位置するように制御する。ボンディングヘッド２は、リニアモータ４０によりボンディングアームを下降させて、エンコーダによりキャピラリ２０の先端がボンディング点にタッチしたかを検出する。
尚、通常は、第１のボンディング点は、半導体素子５０のパッドであり、第２のボンディング点は、リードフレーム５１のリードである。キャピラリの先端には、第１のボンディング点に接合するボール５２又は第２のボンディング点に接合するワイヤが繰り出されている。
キャピラリ２０の先端がボンディング点にタッチしたことをエンコーダ４１の信号から確認後、ボンディングアーム３のキャピラリ２０にボンディング荷重を印加し、また、発振器３５から圧電素子１０に駆動電圧を供給してキャピラリ２０を振動させて、ボンディングを行う。
圧電素子１０は、発振器３５からの駆動電圧の周波数で振動し、また、駆動電圧の大きさに応じた振動振幅で超音波振動する。圧電素子１０の振動は、キャピラリ保持部１６、１７を介してキャピラリ２０に伝搬される。
キャピラリ２０にボンディング荷重及び超音波振動を所定の時間印加後に、ボンディング点でのボンディングが完了する。
尚、本発明のボンディング装置は、ワイヤボンディング装置に限らず、例えば、半導体チップのパッドと外部引出し用端子とを重ね合わせてボンディングするシングルポイントボンディング装置、半導体チップのパッド上にワイヤのボールでバンプを形成するバンプボンディング装置等にも適用することができる。
以上述べたように、本発明のボンディング装置は、キャピラリの軸方向に対して、キャピラリ保持部を介して複数、特には２つの圧電素子をキャピラリの軸方向に沿って配するようにして、２つの圧電素子は、キャピラリの軸方向に対して垂直の方向に各々伸縮し、この２つの圧電素子を個別に振動させることにより、キャピラリ先端部の自在のコントロールが可能となる。これにより、多様なボンディング部品に対応することができる。
また、本発明のボンディング装置は、複数の各圧電素子に印加する電圧波形に係る振幅、位相、周波数及び／又は波形の関数的操作を加えることによって、ボンディング中のキャピラリの傾きを補正して振動させることができる。これにより、ボールと半導体チップの電極との接合面でのボンディング不良の発生を防止することができる。
また、キャピラリを複数のキャピラリ保持部に押圧して挟持する押圧保持部は、糸状体、テープ状体又は枠体を成し、質量、体積が小さい材質で構成することにより、圧電素子が駆動する負荷の軽量化を図ることができるため、キャピラリの応答性が良くなり、ダイレクトでキャピラリを駆動することができる。
また、本発明のボンディング装置は、複数の各キャピラリに印加する電圧波形に係る振幅、位相、周波数をボンディング中に可変することができるため、例えば、最初はスクラブ動作によって表面の酸化膜を除去して、その後キャピラリの最適な振動形態でボール又はワイヤを接合することが可能になる。
［キャピラリの傾き補正］
次に、ボンディングにおけるキャピラリの傾きに関する補正について説明する。キャピラリの基端側はスクラブ動作に伴い、圧電素子の振動と共に圧電素子と同じ伸縮分振動するのに対して、キャピラリの先端側は、接地面での負荷によってキャピラリの動きが妨げられる。このキャピラリの動きの妨げにより、キャピラリが傾くことがある。
本発明に係るボンディング装置は、複数の各圧電素子に印加する電圧波形に係る振幅、位相、周波数及び／又は波形の関数的操作を加えることによって、キャピラリの傾きを補正して振動させることも可能である。
図１７は、キャピラリの移動に伴うキャピラリの傾きを説明する図であり、図１７（ａ）は、無負荷時のキャピラリが矢印Ｒ、Ｌで示す方向に移動する際のキャピラリの状態を示し、図１７（ｂ）は、接合中のキャピラリが矢印Ｒ、Ｌで示す方向に移動する際のキャピラリの傾きを示す。無負荷時のキャピラリは、例えば、図５に示す圧電素子に同相の正弦波電圧が供給された場合には、図１７（ａ）に示すように、キャピラリ２０が矢印Ｒ、Ｌで示す方向に移動して（移動後のキャピラリを２０ａ、２０ｂと記す）、キャピラリ２０ａ、２０ｂの中心軸は、平面に対して、垂直に平行移動する。
しかしながら、ボンディング中のキャピラリ２０は、図１７（ｂ）に示すように、キャピラリ２０が矢印Ｒで示す方向に移動する際に、キャピラリ２０ａの先端のボール５２ａが半導体素子５０（図１４参照）の接合面５５に圧着されて負荷が掛かると、キャピラリ２０ａは、垂直に移動することができずに、傾いてしまう（以下、このキャピラリの傾きを望ましくない傾きと記す）。キャピラリ２０ａが、接地面の負荷によって動きが妨げられて傾くと、キャピラリ２０ａの先端に位置するボール５２ａも傾いてしまい、このため、図１７（ｂ）に符号Ｕで示すように、ボール５２ａの接地面５５に隙間ができて、ボール５２ａと接触面５５とにむらが生じて、接合不良が発生する恐れがある。
同様に、図１７（ｂ）に示すように、キャピラリ２０が矢印Ｌで示す方向に移動する際に、キャピラリ２０ｂの先端のボール５２ｂが接合面５５に圧着されて負荷が掛かると、キャピラリ２０ｂが、垂直に移動することができずに、傾いてしまう。
図１８は、上下の圧電素子に同相の正弦波電圧波形を印加してボンディングを行った場合の、ボール底面の状態を示す模式図であり、ボールの底面を接合面から剥離したときのものである。図１８に示すように、ボール５２裏面の接合面では、キャピラリ２０の矢印で示す振動方向におけるボール５２の両端に未接合領域（白で示す部分）５２ｂが存在し、また、狭い接合領域（斜線で示す部分）５２ａが複数発生しており、広範囲に均一な接合領域５２ａが形成されていないため、接合むらが発生している。また、ボール５２裏面の色の濃い領域は、接合領域５２ａにおけるダメージ部５２ｃを示す。ダメージ部５２ｃは、電極面の内部までボールが到達する等の過度な接合により生じる。このため、図１８のように接合領域５２ａにおいてもダメージが発生する場合がある。
そこで、各圧電素子の駆動振幅・位相を調整し、キャピラリを予め、望ましくない傾きと、逆方向の傾きになるようにキャピラリの姿勢を補正して振動させる。これにより、キャピラリは、接地面での負荷が与えられた状態において、平行振動となるようにする。図１９（ａ）は、図１７（ａ）で示すキャピラリを逆方向の傾きになるようにキャピラリの姿勢を補正した状態を示し、矢印Ｒ、Ｌは、キャピラリを移動させる方向を示す図である。図１９（ｂ）は、図１７（ｂ）で示すキャピラリを逆方向の傾きになるようにキャピラリの姿勢を補正して、キャピラリを移動させたときのキャピラリの姿勢を示す図である。
図１９（ａ）に示すように、キャピラリ２０を逆方向の傾きになるようにキャピラリ２０ａに示す姿勢に補正して、矢印Ｒの方向にキャピラリ２０ａを移動させる。これにより、図１９（ｂ）に示すように、キャピラリ２０ａは、矢印Ｒの方向に移動後に、接合面５５に対して垂直状態となる。同様に、図１９（ａ）に示すように、キャピラリ２０を逆方向の傾きになるようにキャピラリ２０ｂに示す姿勢に補正して、矢印Ｌの方向にキャピラリ２０ｂを移動させる。これにより、図１９（ｂ）に示すように、キャピラリ２０ｂは、矢印Ｌの方向に移動後に、接合面５５に対して垂直状態となる。
図２０は、キャピラリを予め、望ましくない傾きと、逆方向の傾きになるようにキャピラリの姿勢を補正してボンディングを行った場合の、ボール底面の状態を示す模式図であり、ボールの底面を接合面から剥離したときのものである。図２０に示すように、ボール５２裏面の接合面では、未接合領域（白で示す部分）５２ｂがボール５２の外周付近に見られるが、接合領域（斜線で示す部分）５２ａがボール５２全体に均一に広がっており、接合むらが少なくなっている。
これにより、キャピラリを予め、望ましくない傾きと、逆方向の傾きになるようにキャピラリの姿勢を補正して振動させることにより、移動後のキャピラリを垂直に保持することができる。このため、ボールの接地面に隙間ができることがなく、接触面にむらが生じないため、接合不良の発生を押さえることができる。
［ボンディング装置の第２実施形態］
次に、本発明に係るボンディング装置の第２実施形態について、図１５、図１６を用いて説明する。
図１５は、ループ状に形成した糸状体を使用した振動駆動部の構成を示す図であり、図１５（ａ）は平面図、図１５（ｂ）は側面図である。図１６は、上部ボンディングアーム部の下面と下部ボンディングアーム部とのボルトによる結合前の状態を示す図である。ボンディング装置の第２実施形態において、第１実施形態と同様な部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
ボンディング装置の第１実施形態での図１及び図２に示す糸状体は、端を有しているが、端を有する糸状体に代えて、端を有しない、即ち、無端状（ループ状）に形成した糸状体を使用することも可能である。以下に、ボンディング装置の第２実施形態におけるループ状に形成した糸状体を使用した振動駆動部について説明する。
図１５（ａ）、（ｂ）、図１６に示すように、振動駆動部６０は、圧電素子１０と、キャピラリ保持部１５と、キャピラリ２０をキャピラリ保持部１５に固定し、圧電素子１０に予圧を付与するループ状に形成された糸状体６２と、糸状体６２に張力を付与する引張機構７０を有している。尚、キャピラリ２０を複数のキャピラリ保持部１５に押圧して挟持する押圧保持部６１は、糸状体６２と引張機構７０とで構成されている。
引張機構７０は、ボンディングアーム６５内に設けられて、ボンディングアーム６５の長手方向に対し垂直に配され、両端がボンディングアーム６５の両側面から突出し、一方の長手方向の側面８５ａにループ状の糸状体６２が巻き回されており、他方の長手方向の側面８５ｂが押圧される押え板８５と、押え板８５を押圧してボンディングアーム６５の長手方向に移動させるためのボルト９０を有している。このように、糸状体６２は、キャピラリ２０の基端側周面のキャピラリ保持部１５とは反対側の半周面と、押え板８５の長手方向の側面８５ａとに巻き回されて、ループを形成している。
ボンディングアーム６５は、上部ボンディングアーム部６７と下部ボンディングアーム部８０から成り、上部ボンディングアーム部６７は、下面側に設けられた第１の凹部７２と第２の凹部７４と、第１の凹部７２と第２の凹部７４の間に位置するメネジ部７７とが設けられている。また、上部ボンディングアーム部６７の上面には、第１の凹部７２と第２の凹部７４のそれぞれに、貫通した開口部７３、７５が設けられている。
ボルト９０は、上部ボンディングアーム部の第１の凹部７２と第２の凹部７４の間に、メネジ部７７を介して取り付けられている。第２の凹部７４に位置するボルト９０の先端部は、押え板８５の側面に接触しており、ボルト９０を回すことにより、ボルト９０の先端部が移動して押え板８５をボンディングアーム６５の長手方向に移動させることができる。図１５（ｂ）に示すように、引張機構７０は、ボルト９０の先端部を矢印で示す方向に移動させて押え板の位置を調整することにより、ループ状の糸状体６２に張力が発生し、キャピラリ２０を押しつけることによって、キャピラリ保持部１５を介してボンディングアーム６５先端に取り付けられた圧電素子１０に必要な予圧を付与する。更に、引張機構７０は、押え板の位置を調整することにより、キャピラリ２０への予圧を調整することができる。
また、図１６に示すように、ボンディングアーム６５内に設けられた引張機構７０は、上部ボンディングアーム部６７にボルト９０、押え板８５、ループ状の糸状体６２を取り付けた後に、上部ボンディングアーム部６７の下面と、下部ボンディングアーム部８０の上面とを固定用ボルト９２により結合固定するようにして組み立てる。
［ボンディング装置の第３実施形態］
次に、本発明に係るボンディング装置の第３実施形態について、図２１を用いて説明する。
図１に示す振動駆動部７は、糸状体２３に代えて、枠体を使用することも可能である。図２１は、枠体を使用した振動駆動部の構成を示す斜視図である。なお、ボンディング装置の第３実施形態において、第１実施形態と同様な部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。
図２１に示すように、振動駆動部９３は、圧電素子１０と、キャピラリ保持部１５と、キャピラリ２０をキャピラリ保持部１５に固定し、圧電素子１０に予圧を付与する枠体９４と、枠体９４を固定する固定部９５を有している。
枠体９４は、略Ｕ字形状を成し、固定部９５は、枠体９４に形成された長孔９６にボルト９７を介してボンディングアーム３の側面に枠体９４を固定するようにする。
尚、キャピラリ２０を複数のキャピラリ保持部１５に押圧して挟持する押圧保持部９８は、枠体９４と固定部９５とで構成されており、長孔９６におけるボルト９７の締結位置を調整することにより、第１実施形態及び第２実施形態の引張機構同様にキャピラリ２０への予圧を調整することができる。
この発明は、その本質的特性から逸脱することなく数多くの形式のものとして具体化することができる。よって、上述した実施形態は専ら説明上のものであり、本発明を制限するものではないことは言うまでもない。
１ ボンディング装置（ワイヤボンディング装置）
２ ボンディングヘッド
３ ボンディングアーム
４ ボンディングアーム取付部
７ 振動駆動部
１０ 圧電素子
１１ 上部圧電素子（第１の圧電素子）
１２ 下部圧電素子（第２の圧電素子）
１５ キャピラリ保持部
１５ａ 凹部（湾曲面）
１６ 上部キャピラリ保持部
１７ 下部キャピラリ保持部
２０ キャピラリ
２１ 押圧保持部
２３ 糸状体
２５ 引張機構
２６ 棒状体
３３ 制御部
３５ 発振器
３６ 波形発生器
３８、３９ 電力増幅器
４０ リニアモータ
４１ エンコーダ
４２ 支持軸
４５ 駆動ユニット
４７ ＸＹテーブル
５０ 半導体素子
５１ リードフレーム
５２ ボール
５２ａ 接合領域
５２ｂ 未接合領域
５２ｃ ダメージ部
５３ ワイヤ
５５ 接合面
６０ 振動駆動部
６１ 押圧保持部
６２ 糸状体
６５ ボンディングアーム
６７ 上部ボンディングアーム部
７０ 引張機構
７２ 第１の凹部
７３ 開口部
７４ 第２の凹部
７５ 開口部
７７ メネジ部
８０ 下部ボンディングアーム部
８５ 押え板
９０ ボルト
９２ 固定用ボルト
９３ 振動駆動部
９４ 枠体
９５ 固定部
９６ 長孔
９７ ボルト
９８ 押圧保持部

Claims (13)

  1. キャピラリを振動させる振動駆動部を備えたボンディング装置であって、
    前記振動駆動部は、ボンディングアームの先端部に一端が固定され、当該ボンディングアームの軸方向に沿って伸縮する複数の圧電素子と、
    当該複数の圧電素子の各々の他端に各々固定され、キャピラリの基端側周面に接触する複数のキャピラリ保持部と、
    前記ボンディングアームに少なくとも一端側が固定され、他端側が前記キャピラリの前記基端側周面の前記キャピラリ保持部とは反対側に接触して、前記キャピラリを前記複数のキャピラリ保持部に押圧して挟持する押圧保持部と、を備えたことを特徴とするボンディング装置。
  2. 前記振動駆動部は、共振を利用しないことを特徴とする請求項１に記載のボンディング装置。
  3. 前記複数の圧電素子は、前記キャピラリの軸方向に沿って配されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のボンディング装置。
  4. 前記複数の圧電素子は、前記キャピラリの軸方向に沿って配される２つの圧電素子であって、第１の圧電素子と、当該第１の圧電素子よりも下方に配された第２の圧電素子であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１に記載のボンディング装置。
  5. 前記ボンディング装置は、前記複数の圧電素子を駆動する電圧波形を制御する制御部と、
    前記制御部からの指令に基づいて、前記複数の圧電素子に所定の電圧波形を印加して駆動する発振器とをさらに備え、
    前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子に同相の電圧波形を印加することを特徴とする請求項４に記載のボンディング装置。
  6. 前記ボンディング装置は、前記複数の圧電素子を駆動する電圧波形を制御する制御部と、
    前記制御部からの指令に基づいて、前記複数の圧電素子に所定の電圧波形を印加して駆動する発振器とをさらに備え、
    前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子に同一周波数で互いに１８０°位相差を有する電圧波形を印加することを特徴とする請求項４に記載のボンディング装置。
  7. 前記ボンディング装置は、前記複数の圧電素子を駆動する電圧波形を制御する制御部と、
    前記制御部からの指令に基づいて、前記複数の圧電素子に所定の電圧波形を印加して駆動する発振器とをさらに備え、
    前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子に印加する電圧の振幅を変更可能であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のボンディング装置。
  8. 前記ボンディング装置は、前記複数の圧電素子を駆動する電圧波形を制御する制御部と、
    前記制御部からの指令に基づいて、前記複数の圧電素子に所定の電圧波形を印加して駆動する発振器とをさらに備え、
    前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子に供給される電圧波形が同相であり、前記第１の圧電素子及び前記第２の圧電素子における電圧波形の振幅比が異なることを特徴とする請求項４に記載のボンディング装置。
  9. 前記ボンディング装置は、前記複数の圧電素子を駆動する電圧波形を制御する制御部と、
    前記制御部からの指令に基づいて、前記複数の圧電素子に所定の電圧波形を印加して駆動する発振器とをさらに備え、
    前記複数の圧電素子の各圧電素子への駆動電圧波形に対して、振幅、位相、周波数又は波形の関数的操作を加えることによって、ボンディング接合に必要なキャピラリの動作が可能であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうち、いずれか１に記載のボンディング装置。
  10. 前記ボンディング装置は、前記複数の圧電素子を駆動する電圧波形を制御する制御部と、
    前記制御部からの指令に基づいて、前記複数の圧電素子に所定の電圧波形を印加して駆動する発振器とをさらに備え、
    前記キャピラリの接地面における負荷によって、前記キャピラリの先端が引っ張られることによって生じる当該キャピラリの傾きを、前記複数の圧電素子の各圧電素子への駆動電圧波形に対して、振幅、位相、周波数又は波形の関数的操作を加えることによって、前記キャピラリの傾きを補正して振動させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうち、いずれか１に記載のボンディング装置。
  11. 前記押圧保持部は、糸状体、テープ状体又は枠体であることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のうち、いずれか１に記載のボンディング装置。
  12. 前記ボンディング装置は、ワイヤボンディング装置であって、前記キャピラリの先端にはワイヤが繰り出されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のうち、いずれか１に記載のボンディング装置。
  13. キャピラリを振動させる複数の圧電素子を備えたボンディング装置であって、
    当該ボンディング装置は、前記複数の圧電素子を駆動する電圧波形を制御する制御部と、
    前記制御部からの指令に基づいて、前記複数の圧電素子に所定の電圧波形を印加して駆動する発振器とをさらに備え、
    前記キャピラリの接地面における負荷によって、前記キャピラリの先端が引っ張られることによって生じる当該キャピラリの傾きを、前記複数の圧電素子の各圧電素子への駆動電圧波形に対して、振幅、位相、周波数又は波形の関数的操作を加えることによって、前記キャピラリの傾きを補正して振動させることを特徴とするボンディング装置。
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