JP5974472B2 - ワイヤボンディング装置およびワイヤボンディング方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品あるいは半導体素子等の組み立ての際に、金線やアルミニウム線等のボンディングワイヤの接続を行うワイヤボンディング装置およびワイヤボンディング方法に関する。

従来、この種のワイヤボンディング方法として、特許文献１に記載されているように、ボンディング作業中のボンディングツールの振動を検出して周波数解析を行うとともに、ボンディング開始時とは異なる数ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ程度の特定の振動周波数を予め設定しておき、上記周波数解析によって上記特定の振動周波数が検出されたならば、そのタイミングをもってボンディングを終了またはボンディングツールの振動出力を低下させるようにしたものが提案されている。

特開平７−３３５７００号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、ボンディング周波数を例えば３７ｋＨｚまたは６０ｋＨｚ程度とするならば、上記特定の振動周波数としてボンディング周波数よりも低周波の数ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ程度の、比較的低い振動周波数に着目しているため、周辺設備が発する振動や雑音等のノイズを影響を受けてそのノイズを上記特定の振動周波数の振動と認識してしまうおそれがあり、設備稼働率の低下を招くとともに、ボンディング品質の良否判定結果の信頼性の面でなおも課題を残している。

また、ボンディング周波数よりも振幅信号強度の低い数ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ程度の低周波の振動周波数を検出するために高精度で且つ高価な振動解析装置が必要となり、設備費の高騰を招くこととなって好ましくない。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、周囲のノイズに影響されずに精度良くボンディング品質の良否判定を行うことができて、その良否判定結果の信頼性の向上を図ったワイヤボンディング技術を提供するものである。

本発明は、ボンディング中におけるツールの振動周波数をモニタリング（監視）して、ボンディング開始時から所定時間経過後の振動周波数の増加量と振動周波数の増加速度を算出し、その算出した振動周波数の増加量と予め設定してある閾値との比較、および算出した振動周波数の増加速度と予め設定してある閾値との比較をもってボンディング品質の良否判定を行うようにしたものである。

本発明によれば、ボンディング中におけるツール周波数の増加量と予め設定してある閾値との比較をもって良否判定を行うことにより、周囲の他の低周波振動や雑音等の影響を受けずに精度良くボンディング品質の良否判定を行うことができ、判定結果の信頼性が向上する。また、高精度で且つ高価な周波数解析装置が不要であるため、設備コストの面でも有利となる。

ワイヤボンディングの基本原理を示す説明図。 本発明に係るワイヤボンディング装置の実施の形態を示すブロック回路図。 図２のワイヤボンディング装置での周波数解析の手順を示す説明図。 同じく図２のワイヤボンディング装置での周波数解析の手順を示す説明図。 図４で取得した周波数をプロットしたグラフ。 図５の各区間での周波数の増加量の変化を示すグラフ。 図６のグラフに閾値レベルを加えたグラフ。 図２のワイヤボンディング装置のうちボンディング品質判定装置での処理手順を示すフローチャート。

図１はワイヤボンディングの基本原理を示し、また図２は図１の原理を前提とした本発明に係るワイヤボンディング装置を実施するためのより具体的な形態を示している。

図１，２に示すように、ワイヤボンディング装置では、超音波振動の加振源であるトランスデューサ１に棒状のボンディングツール（以下、単にツールと言う。）２を支持させるとともに、例えば電子制御機器の金属端子面等の所定のボンディング面３に対してアルミニウム線あるいは金線等のボンディングワイヤ（以下、単にワイヤと言う。）４の始端部を直立姿勢のツール２にて所定の押し付け荷重Ｆのもとで押し当てる。この状態でツール２に超音波振動を加えることでボンディング面３に対するワイヤ４の接合が行われる。なお、トランスデューサ１は後述するように駆動電源電圧に応じた周波数、例えば設備基本超音波周波数として６０ｋＨｚ近傍の周波数でツール２を振動させる。また、ワイヤ４は図２に示したワイヤ供給装置５によって適宜繰り出される。

ボンディング面３に対してワイヤ４が正しく接合された場合には、ワイヤ４とボンディング面３が接合・一体化し、押し付け荷重Ｆが加えられているツール２とトランスデューサ１の共振周波数が増加する。その一方、ボンディング面３に対してワイヤ４が正しく接合されていない場合には、ツール２に加えた押し付け荷重Ｆが逃げてしまい、ボンディング処理中にツール２に十分に押し付け荷重Ｆが加わらず、ツール２とトランスデューサ１の共振周波数が増加しない。このような現象の下に、本発明者がボンディング処理中における上記共振周波数の増加量（変位量）とボンディング品質の良否（ボンディング面３とワイヤ４との接合状態の良否または適否）との相関関係を調べたところ、両者の間には特定の相関関係があることが判明した。本実施の形態では、かかる相関関係を利用してワイヤボンディングの品質管理を行うものである。

図２において、トランスデューサ１には電源電圧源装置であるトランスデューサ駆動電源装置６によって駆動電源電圧Ｖ１が印加される。トランスデューサ駆動電源装置６の起動時には予め定められた所定周波数の駆動電源電圧Ｖ１をトランスデューサ１に出力してトランスデューサ１を駆動するとともに、起動後には位相同期回路であるところのＰＬＬ制御装置７からの駆動電源電圧周波数指令Ｋに基づいた周波数の駆動電源電圧Ｖ１をトランスデューサ１に出力する。なお、トランスデューサ駆動電源装置６からの駆動電源電圧Ｖ１は同時に後述するボンディング品質判定装置８にも出力される。

ＰＬＬ制御装置７にはトランスデューサ駆動電源装置６からの駆動電源電圧Ｖ１およびトランスデューサ１に流れる駆動電流Ａ１がフィードバックされ、ＰＬＬ制御装置７はトランスデューサ１に流れる駆動電流Ａ１を検出するとともに、検出した駆動電流Ａ１と駆動電源電圧Ｖ１の位相とを比較し、駆動電源電圧Ｖ１の位相が駆動電流Ａ１の位相と一致するように、トランスデューサ駆動電源装置６に駆動電源電圧周波数指令Ｋを出力する。

上記ＰＬＬ制御装置７にフィードバックされるトランスデューサ１の駆動電流Ａ１は同時に電流信号解析装置９にも取り込まれる。この電流信号解析装置９ではトランスデューサ１に流れる駆動電流Ａ１を検出した上で、例えばフーリエ変換等の手法にて周波数解析を行って、上記トランスデューサ１に流れる駆動電流Ａ１の振幅に基づいて振動周波数Ｆ１を求め、その値をボンディング品質判定装置８に出力する。

図２に示したトランスデューサ１の近傍には振動検出手段としてのレーザードップラー振動測定器１０が配置されるとともに、そのレーザードップラー振動測定器１０の出力は振動解析装置１１に出力される。レーザードップラー振動測定器１０はレーザー光を用いてツール２（トランスデューサ１）の振動Ｍを非接触にて測定した上で電圧に変換して振動解析装置１１に出力する。振動解析装置１１ではレーザードップラー振動測定器１０から入力された振動Ｍの周波数を例えばフーリエ変換等の手法にて周波数解析を行って、上記ツール２そのものの振動振幅に基づいて振動周波数Ｆ２を求めた上でボンディング品質判定装置８に出力する。なお、以下では振動周波数を単に周波数とも記載する。

上記ボンディング品質判定装置８には、トランスデューサ駆動電源装置６からの駆動電源電圧信号Ｖ１のほか、電流信号解析装置９および振動解析装置１１のそれぞれの出力信号Ｆ１，Ｆ２が入力され、ボンディング品質判定装置８はこれらの信号Ｆ１，Ｆ２をリアルタイムで監視（モニタリング）している。そして、このボンディング品質判定装置８では、上記入力信号Ｖ１，Ｆ１，Ｆ２のうちいずれかの入力信号をもとにボンディング品質の良否判定（ＯＫまたはＮＧの判定）を行うことになる。ただし、ボンディング品質判定装置８に対する三つの入力信号Ｖ１，Ｆ１，Ｆ２はそれら全てを併用する必要はなく、少なくともいずれか一つを用いれば所期の目的を達成できる。

例えばトランスデューサ駆動電源装置６からの駆動電源電圧信号Ｖ１を用いる場合には、ボンディング品質判定装置８において、トランスデューサ駆動電源装置６からの駆動電源電圧Ｖ１についてフーリエ変換等の手法にて周波数解析を行って、そのトランスデューサ駆動電源装置６から実際に出力されるの駆動電源電圧Ｖ１の振幅に基づいてその周波数をボンディング開始時からの経過時間毎に検出するとともに、上記駆動電源電圧Ｖ１の周波数の増加量と傾き（増加速度）をボンディング開始時からの経過時間毎に検出する。そして、ボンディング開始時からの経過時間に応じた振動周波数の増加量と傾き（増加速度）の閾値を予め用意してある相関マップに基づいてそれぞれ設定し、上記実測値と閾値との対比をもってボンディング品質の良否判定を行うことになる。なお、ボンディング品質の良否判定に関する詳細な手順は後述する。

ここで、上記ボンディング品質判定装置８の入力信号としてトランスデューサ駆動電源装置６からの駆動電源電圧Ｖ１に代えて、電流信号解析装置９または振動解析装置１１からの出力信号を用いる場合には、それぞれの解析装置９または１１において既に周波数解析が行われているので、ボンディング品質判定装置８において改めて周波数解析を行う必要はない。

また、トランスデューサ駆動電源装置６からの駆動電源電圧Ｖ１の周波数は、ＰＬＬ制御装置７からの駆動電源電圧周波数指令Ｋに応じた周波数のものであるため、実際のトランスデューサ駆動電源電圧Ｖ１の周波数に代えてＰＬＬ制御装置７からの駆動電源電圧周波数指令Ｋを用いても良い。

さらに、ボンディング品質判定装置８の入力信号として、トランスデューサ駆動電源装置６からの駆動電源電圧信号Ｖ１に代えて、電流信号解析装置９からの出力信号Ｆ１または振動解析装置１１からの出力信号Ｆ２を用いることができることは先に述べたとおりである。これは、実際のトランスデューサ駆動電源電圧Ｖ１の周波数はツール２の振動周波数と同じであるとともに、トランスデューサ１に流れる電流Ａ１の振動周波数Ｆ１とも同じであることに基づいている。

上記ボンディング品質判定装置８での運用にあたっては、前もって行う信頼性試験等により、ボンディングワイヤ接合部に要求されるシェア強度およびプル強度を予め決定するものとする。その上で、これらのシェア強度およびプル強度を満たすボンディングパラメータ、例えば図１，２に示したツール２の押し付け荷重Ｆ、超音波振動のパワー（振幅）およびボンディング時間等を決定する。

かかる事項を前提に、上記ボンディング品質判定装置８での処理の概略を説明するならば下記のとおりである。

最初に設備基本超音波周波数として６０ｋＨｚ近傍の信号を取得する。取得方法としては、先に述べたように、ボンディング処理中に図２のトランスデューサ駆動電源装置６からの駆動電源電圧Ｖ１を周波数解析することで得られる電圧振幅、もしくは図２の電流信号解析装置９での周波数解析の結果として得られる電流振幅、または図２の振動解析装置１１での周波数解析の結果として得られる振動振幅からボンディング処理中の基本周波数を取得する。なお、取得した振幅波形の一例を図３に示し、同図のようにボンディング処理時間を例えば２００ｍｓｅｃとする。

さらに、取得した６０ｋＨｚ近傍の基本周波数の振幅信号を図４のように例えばＡ区間、Ｂ区間およびＣ区間の３区間に分割する。Ａ区間はボンディング処理の初期区間に該当し、同様にＢ区間は中期区間に、Ｃ区間は末期区間にそれぞれ該当する。なお、必要に応じてさらに細分化して分割しても良い。分割したそれぞれの区間に対してフーリエ変換を行い、Ａ〜Ｃの各区間毎に平均周波数を取得する。図４の周波数データをプロットしてグラフ化したものを図５に示す。

その上で、上記周波数をもってボンディング品質の良否判定を行うのに必要な閾値を決定する。ここでは、予め実験等によって求めたデータをもとに、上記ボンディングパラメータのうち一例としてシェア強度を充足するのに必要な周波数の閾値を決定するものとし、先に取得した周波数データとシェア強度との相関を求める。

図６は上記Ａ区間での周波数を基準にした場合のＢ区間およびＣ区間での周波数の変位量をプロットしてグラフ化したもので、同時に枠囲み数字としてシェア強度の数値を付記してある。さらに、図７は図６のグラフに所定の傾きをもつ閾値レベルＰ１およびＰ２を書き加えたものである。

閾値レベルＰ２は、Ｂ区間での周波数変位量（増加量）である０．１２５の数値（絶対値）そのものと、Ｃ区間での周波数変位量（増加量）である０．１５の数値（絶対値）そのものとともに、Ａ区間からＢ区間に至る過程における周波数の変位（増加）の傾き（勾配）である増加速度、およびＢ区間からＣ区間に至る過程における周波数の変位（増加）の傾き（勾配）である増加速度とをもって規定したものである。

同様に、閾値レベルＰ１は、Ｂ区間での周波数変位量（増加量）である０．０５の数値（絶対値）そのものと、Ｃ区間での周波数変位量（増加量）である０．０７５の数値（絶対値）そのものとともに、Ａ区間からＢ区間に至る過程における周波数の変位（増加）の傾き（勾配）である増加速度、およびＢ区間からＣ区間に至る過程における周波数の変位（増加）の傾き（勾配）である増加速度とをもって規定したものである。

そして、例えばＣ区間での周波数の変位量でボンディング品質の良否を判定する場合を想定するに、例えば２１００ｇ以上のシェア強度を良品と判定するには、Ｃ区間での周波数の変位量（増加量）として０．１５ｋＨｚ以上のものを良品と判定すれば良いことになる。また、ワイヤ４の未接合（不付き）を不良品と判定するには、Ｃ区間での周波数の変位量（増加量）として０．０７５ｋＨｚ以上のものを良品と判定すれば良いことになる。なお、上記ワイヤ４の未接合（不付き）は、ボンディング面３での異物や油脂成分の事前の除去が十分でない場合に発生することがある。

また、Ｂ区間およびＣ区間での通過点を指定して判定する場合を想定するに、上記と同様に例えば２１００ｇ以上のシェア強度を良品と判定するには、Ｂ区間での周波数の変位量（増加量）として０．１２５ｋＨｚ以上で、且つＣ区間での周波数の変位量（増加量）として０．１５ｋＨｚ以上のものを良品と判定すれば良いことになる。

さらに、上記と同様にＢ区間およびＣ区間での通過点を指定して、ワイヤ４の未接合（不付き）を不良品と判定する場合を想定するに、Ｂ区間での周波数の変位量（増加量）として０．０５ｋＨｚ以上で、且つＣ区間での周波数の変位量（増加量）として０．０７５ｋＨｚ以上のものを良品と判定すれば良いことになる。

なお、上記閾値レベルＰ１，Ｐ２とは別に、ボンディング処理の終了を判定するためのボンディング終了判定閾値を予め設定しておくものとする。このボンディング終了判定閾値は、上記閾値レベルＰ１またはＰ２のＣ区間での周波数の変位量（増加量）の数値を用いても良く、あるいはこれらとは別の数値であっても良い。

図８は、これまでに説明した手法をもとに、図１に示したボンディング品質判定装置８で実行される処理手順のフローチャートを示している。ここでは、ボンディング品質判定装置８に対する三つの入力信号Ｖ１，Ｆ１，Ｆ２のうち、トランスデューサ駆動電源装置６からの駆動電源電圧信号Ｖ１（すなわちツールの振動周波数）を用いてボンディング品質の良否判定を行う場合の例を示している。

図８に示すように、トランスデューサ駆動電源装置６からトランスデューサ１への駆動電源電圧Ｖ１の供給開始に同期してボンディング品質判定装置８での処理を開始するものとする。すなわち、ワイヤボンディングの開始とともに図示外のタイマー回路にて計時を開始するとともに（ステップＳ１）、先に述べたように駆動電源電圧Ｖ１の振幅をもとに図３，４に示したようにＡ〜Ｃの区間毎の駆動電源電圧の周波数を検出する（ステップＳ２）。

次のステップＳ３では、図５，６に示したように、先に求めた駆動電源電圧Ｖ１の周波数をもとに、Ａ区間での駆動電源電圧Ｖ１の周波数を基準にＢ区間およびＣ区間での駆動電源電圧Ｖ１の周波数の増加量を実測値として算出するとともに、ステップＳ４において、同様にＢ区間およびＣ区間での駆動電源電圧Ｖ１の周波数の増加速度を実測値として算出する。

さらに、ステップＳ５では、ボンディング開始からの経過時間に基づいて、Ｂ区間およびＣ区間での駆動電源電圧Ｖ１の周波数の増加量の閾値を設定する。同様に、ステップＳ６では、ボンディング開始からの経過時間に基づいて、Ｂ区間およびＣ区間での駆動電源電圧Ｖ１の周波数の増加速度の閾値を設定する。これらの駆動電源電圧の周波数の増加量に関する閾値および駆動電源電圧の周波数の増加速度に関する閾値は、いずれも経過時間と周波数増加量または増加速度との相関を表すマップを予め実験等によって求めてボンディング品質判定装置８の格納部に記憶しておき、先に述べたように例えば所定のシェア強度を満たすのに必要な傾きをもつ図７のような閾値レベルＰ１またはＰ２として自動設定される。なお、シェア強度に代えて先に述べたプル強度を用いることももちろん可能である。

こうして図７のような閾値レベルＰ１またはＰ２が設定されたならば、図８のステップＳ７において、周波数増加量の実測値と周波数増加量の閾値とを比較し、周波数増加量の実測値が周波数増加量の閾値以上のものをボンディング品質に関して良品と判定する。同様に図８のステップＳ８において、周波数増加速度の実測値と周波数増加速度の閾値とを比較し、周波数増加速度の実測値が周波数増加速度の閾値以上のものをボンディング品質に関して良品と判定する。そして、上記ステップＳ７およびＳ８において良品と判定されたもの以外はボンディング品質に関して不良品と判定されて、ステップＳ９において異常表示がなされることになる。

そして、ボンディング品質判定装置８では、ボンディング開始からの経過時間の標準時間を所定時間として予め定めておき、図８のステップＳ１０において、ボンディング開始からの経過時間が所定時間以上であることを条件にボンディング処理を終了する。または、Ｃ区間での周波数増加量が先に述べたボンディング終了判定閾値以上であることを条件にボンディング処理を終了する。

このように本実施の形態によれば、ボンディング中における基本となる周波数をモニタリングしてボンディング品質の良否判定を行うため、周囲の低周波の振動や雑音に影響されることなく、精度良くボンディング品質の良否判定を行えるため、その判定結果の信頼性が高いものとなる。

また、周波数の増加量だけに着目してもボンディング品質の良否判定は行えるものの、先の実施の形態のように周波数増加量に周波数増加速度を併用してボンディング品質の良否判定を行うと、誤判定が少なくなってボンディング品質の良否判定の信頼性が高いものとなる。

なお、上記実施の形態においては、Ａ区間での駆動電源電圧Ｖ１の周波数を基準にＢ区間およびＣ区間での駆動電源電圧Ｖ１の周波数の増加量の実測値と周波数の増加量の閾値とを比較している。しかしながら、Ａ区間での駆動電源電圧Ｖ１の周波数が予め予測できるならば、予め予測したＡ区間での駆動電源電圧Ｖ１の周波数に対して経過時間に基づいた駆動電源電圧Ｖ１の周波数の増加量閾値を加算した値を周波数の閾値（絶対値）として設定し、この設定した周波数の閾値（絶対値）とＢ区間およびＣ区間での周波数の実測値（絶対値）とを比較することにより、Ａ区間での駆動電源電圧Ｖ１の周波数を基準としたＢ区間およびＣ区間での駆動電源電圧Ｖ１の周波数の増加量の実測値が増加量閾値を超えたか否かを判定しても良い。

１…トランスデューサ
２…ボンディングツール
３…ボンディング面
４…ボンディングワイヤ
６…トランスデューサ駆動電源装置
８…ボンディング品質判定装置
９…電流信号解析装置
１０…レーザードップラー振動測定器
１１…振動解析装置
Ｐ１…閾値レベル
Ｐ２…閾値レベル
Ｖ１…駆動電源電圧信号

Claims (8)

1. 振動するツールによりボンディング面に対してボンディングワイヤをボンディングする装置であって、
   上記ツールによるボンディング品質の良否判定を行うボンディング品質管理装置を備えていて、
   上記ボンディング品質管理装置では、
   ボンディング中における上記ツールの振動周波数を監視して、ボンディング開始時に対する所定時間経過後の上記振動周波数の増加量と、ボンディング開始時から所定時間経過後までの振動周波数の増加速度を算出し、
   算出した上記振動周波数の増加量と予め設定してある閾値との比較、および算出した上記振動周波数の増加速度と予め設定してある閾値との比較をもってボンディング品質の良否判定を行うものであることを特徴とするワイヤボンディング装置。
2. 上記ボンディング品質管理装置では、
   上記振動周波数の増加量の算出はボンディングに要する時間を複数の区間に分けた上で各区間ごとに行うとともに、
   算出した振動周波数の増加量と各区間ごとに予め設定してある閾値との比較をもってボンディング品質の良否判定を行うものであることを特徴とする請求項１に記載のワイヤボンディング装置。
3. 上記ボンディング品質管理装置では、
   上記振動周波数の増加速度の算出はボンディングに要する時間を複数の区間に分けた上で各区間ごとに行うとともに、
   算出した振動周波数の増加速度と各区間ごとに予め設定してある閾値との比較をもってボンディング品質の良否判定を行うものであることを特徴とする請求項２に記載のワイヤボンディング装置。
4. 上記ボンディング品質管理装置は、
   上記ツールの振動周波数を振動駆動源の駆動電圧振幅もしくは駆動電流振幅または振動測定手段によるツールの実測振幅に基づいて監視するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のワイヤボンディング装置。
5. 振動するツールによりボンディング面に対してボンディングワイヤをボンディングする方法であって、
   ボンディング中における上記ツールの振動周波数を監視して、ボンディング開始時に対する所定時間経過後の上記振動周波数の増加量と、ボンディング開始時から所定時間経過後までの上記振動周波数の増加速度を算出し、
   算出した上記振動周波数の増加量と予め設定してある閾値との比較、および算出した上記振動周波数の増加速度と予め設定してある閾値との比較をもってボンディング品質の良否判定を行うことを特徴とするワイヤボンディング方法。
6. 上記振動周波数の増加量の算出はボンディングに要する時間を複数の区間に分けた上で各区間ごとに行うとともに、
   算出した振動周波数の増加量と各区間ごとに予め設定してある閾値との比較をもってボンディング品質の良否判定を行うことを特徴とする請求項５に記載のワイヤボンディング方法。
7. 上記振動周波数の増加速度の算出はボンディングに要する時間を複数の区間に分けた上で各区間ごとに行うとともに、
   算出した振動周波数の増加速度と各区間ごとに予め設定してある閾値との比較をもってボンディング品質の良否判定を行うものであることを特徴とする請求項６に記載のワイヤボンディング方法。
8. 上記ツールの振動基本周波数を振動駆動源の駆動電圧振幅もしくは駆動電流振幅または振動測定手段によるツールの実測振幅に基づいて監視することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一つに記載のワイヤボンディング方法。

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