JP7343941B2 - 超音波複合振動装置および半導体装置の製造装置 - Google Patents

Description

本明細書は、対象物を振動加工（接合、切削、研磨等）するための超音波加工機に用いられる超音波複合振動装置を開示する。

従来から対象物を振動加工するために、縦振動および捩り振動を発生させる超音波複合振動装置が提案されている。しかし、従来の超音波複合振動装置の多くは、縦振動の共振周波数と捩り振動の共振周波数とが互いに大きく異なっており、一つまたは近接した周波数で二つの振動を同時に発生させることができなかった。

そこで、一部では、一つまたは近接した周波数で、縦振動および捩り振動を生じさせることも提案されている。例えば、特許文献１には、段付き部を有するとともに電歪振動子を有する振動体と、段付き部を有するとともに振動素子を有さない振動体と、を組み合わせて、一つの超音波複合装置を構成する技術が開示されている。この特許文献１では、各振動体において、縦振動の腹から段付き部までの距離を調整することで、縦振動の共振周波数と、捩り振動の共振周波数と、を一致または近接させることが開示されている。

特開２００５－２８８３５１号公報

ところで、特許文献１では、段付き部が捩り振動の腹になるように調整している。しかし、通常、段付き部においては、振動の減衰が生じやすいこともあり、当該段付き部を捩り振動の腹にすることは難しい。また、特許文献１では、二つの振動体を組み合わせて、一つの超音波複合装置を構成している。したがって、超音波複合装置全体としては、二つの段付き部や、二つの振動体の接合面を有するため、その挙動が複雑であり、寸法や周波数の調整が難しい。

そこで、本明細書では、より簡易な構成でありながら、縦振動および捩り振動を一つまたは近接した周波数で発生させることができる超音波複合装置を開示する。

本明細書で開示する超音波複合振動装置は、超音波複合振動装置であって、縦振動および捩り振動を発生させる振動子を有した基端部と、前記基端部より大きな断面積を有する拡大部と、前記拡大部より小さな断面積を有する先端部と、が基端側から先端側に向かって直線状に並んでおり、前記拡大部に、前記捩り振動の節が位置し、前記超音波複合振動装置の基端面および先端面に、前記縦振動の腹および前記捩り振動の腹が位置し、前記拡大部の軸方向位置および軸方向寸法は、前記縦振動の共振周波数と、前記捩り振動の共振周波数が、ほぼ同じとなる位置および寸法に設定されている、ことを特徴とする。

この場合、前記拡大部の前記先端側の端面から前記先端部の前記先端側端面までの軸方向寸法が、前記捩り振動の１／４波長の奇数倍であってもよい。

また、前記先端部には、軸方向に進むにつれて周方向にも進む傾斜スリットが形成されていてもよい。

また、本明細書で開示する半導体装置の製造装置は、上述した超音波複合振動装置と、前記先端部に取り付けられ、ワイヤが挿通されるキャピラリと、を備え、前記振動子を、前記縦振動の共振周波数および前記捩り振動の共振周波数とほぼ同じ駆動周波数で駆動する。

本明細書で開示する技術によれば、簡易な構成でありながら、縦振動および捩り振動を一つまたは近接した周波数で発生させることができる。

半導体装置の製造装置の構成を示す図である。 超音波ホーンとして機能する超音波複合振動装置の斜視図である。 超音波複合振動装置の側面図および振動の波形を示す図である。 拡大部の軸方向寸法と共振周波数との相関を示すグラフである。 他の超音波複合振動装置の斜視図である。

以下、図面を参照して超音波複合振動装置５０およびこれを搭載した半導体装置の製造装置１０の構成について説明する。図１は、超音波複合振動装置５０を搭載した製造装置１０の構成を示す図である。

製造装置１０は、対象物３０に設けられた二つの電極間をワイヤ２６で接続することで半導体装置を製造するワイヤボンディング装置である。対象物３０は、例えば、半導体チップがマウントされたリードフレームである。通常、半導体チップおよびリードフレームには、それぞれ、電極が設けられており、これら電極をワイヤ２６で電気的に接続することで、半導体装置が製造される。

製造装置１０は、ＸＹステージ２０により水平方向に移動可能なボンディングヘッド１２を有する。このボンディングヘッド１２には、超音波ホーン１６およびカメラ２２が、垂直方向に移動可能に取り付けられている。超音波ホーン１６は、ホーンホルダ１４を介してボンディングヘッド１２に取り付けられている。超音波ホーン１６は、縦振動および捩り振動を発生させキャピラリに伝達する超音波複合振動装置５０である。キャピラリ１８は、超音波ホーン１６の末端に取り付けられるとともに、ワイヤ２６が挿通される筒状部材である。縦振動および捩り振動が、このキャピラリ１８を介して、ワイヤ２６に伝達される。さらに、キャピラリ１８の上方には、キャピラリ１８とともに移動し、ワイヤ２６を挟持するクランパ１９が設けられている。

カメラ２２は、必要に応じて、対象物３０を撮像する。コントローラ３２は、このカメラ２２で撮像された画像に基づいて、キャピラリ１８の対象物３０に対する位置を特定し、キャピラリ１８の位置決めを行う。ボンディングヘッド１２には、さらに、ワイヤ２６が巻回されたスプール２４が設けられており、必要に応じて、ワイヤ２６がスプール２４から繰り出される。コントローラ３２は、製造装置１０を構成する各部の駆動を制御する。例えば、コントローラ３２は、超音波ホーン１６（すなわち超音波複合振動装置５０）に設けられた振動子５８に、所定周波数の交流電圧を印加し、所定周波数の振動を発生させる。なお、こうした製造装置１０の構成は、一例であり、後に詳説する超音波複合振動装置５０は、他の構成の振動加工機に組み込まれてもよい。

次に、製造装置１０に搭載された超音波複合振動装置５０の構成について説明する。図２は、超音波複合振動装置５０の斜視図である。また、図３は、超音波複合振動装置５０の概略側面図である。なお、図３の上段において、実線ＷＶａは、縦振動の波形を、一点鎖線ＷＶｂは、捩り振動の波形を、それぞれ示している。また、説明を簡単にするために、図３において、超音波複合振動装置５０は、単純化して図示している。したがって、図３では、キャピラリ１８の取り付け部やフランジ５１の図示は省略されている。

超音波複合振動装置５０は、上述した通り、超音波ホーン１６として機能するもので、その末端には、キャピラリ１８が取り付けられている。この超音波複合振動装置５０は、その基端側から末端側にかけて、基端部５２、拡大部５４、先端部５６が、一直線状に並んでいる。基端部５２および先端部５６は、ほぼ同径の丸棒状である。基端部５２は、さらに、振動子５８と、振動子５８と拡大部５４との間に介在する中継部６０と、に大別される。振動子５８は、電圧信号を受けて、縦振動および捩り振動を発生させる振動発生源である。この振動子５８は、例えば、交流電圧を受けて振動するチタン酸ジルコン酸鉛（通称ＰＺＴ）を有し、ＰＺＴを金属のブロックではさみ、ボルトで締め付け圧力をかけたボルト締めランジュバン型振動子（通称ＢＬＴ又はＢＬ振動子）である。本例の振動子５８は、縦振動を発生させるＰＺＴ素子に加え、分極方向を変えることで捩り振動を発生さえるＰＺＴ素子も有している。したがって、振動子５８は、縦振動および捩り振動の双方を発生させることができる。

拡大部５４は、基端部５２および先端部５６よりも大径となる部分である。この拡大部５４の直径Ｄ２は、先端部５６の直径Ｄ１よりも大きければ特に限定されない。ただし、拡大部５４の直径Ｄ２が大きいほど、捩り振動の減衰効果が高まり、拡大部５４が、捩り振動の節になりやすくなる。そこで、拡大部５４の直径Ｄ２は、例えば、先端部５６の直径Ｄ１の１．５倍以上としてもよい。また、拡大部５４の軸方向寸法Ｗは、縦振動の共振周波数Ｆａおよび捩り振動の共振周波数Ｆｂが、一致または近接するように設定されるが、これについては、後述する。拡大部５４および中継部６０の間には、フランジ５１が設けられている。このフランジ５１は、超音波複合振動装置５０を、ホーンホルダ１４に取り付ける際に利用される。

先端部５６は、基端部５２とほぼ同径の丸棒状であり、この先端部５６の末端には、キャピラリ１８が取り付けられる。先端部５６の軸方向寸法Ｌ３は、特に限定されないが、通常、軸方向寸法Ｌ３は、捩り振動の１／４波長の奇数倍とほぼ同じになる。これは、拡大部５４が捩り振動の節になり、先端部５６の末端が、捩り振動の腹になるように、先端部５６で生じる捩り振動の波長λｂおよび位相が自動的に調整されるためである。したがって、捩り振動の波長をλｂとした場合、Ｌ３≒λｂ／４×（２ｎ＋１）となる。さらに、図３の上段に示すように、本例では、超音波複合振動装置５０の基端面５０ａおよび先端面５０ｂに、縦振動および捩り振動の腹が位置するように、それぞれの波長λａ，λｂを設定している。

次に、拡大部５４の軸方向寸法Ｗおよび振動子５８の駆動周波数Ｆ１の設定について説明する。振動子５８の軸方向寸法Ｌ１、中継部６０の軸方向寸法Ｌ２、および、超音波複合振動装置５０の軸方向寸法Ｌａｌｌを一定とした場合、拡大部５４の軸方向寸法Ｗを変化させることで、超音波複合振動装置５０の固有振動数が変化し、縦振動の共振周波数Ｆａおよび捩り振動の共振周波数Ｆｂが変化する。図４は、拡大部５４の軸方向寸法Ｗと、共振周波数Ｆａ，Ｆｂと、の相関を示すグラフである。図４において、横軸は、拡大部５４の軸方向寸法Ｗを、縦軸は、共振周波数を示している。また、図４において、実線は、縦振動の共振周波数Ｆａを、一点鎖線は、捩り振動の共振周波数Ｆｂをそれぞれ示している。

図４の例では、縦振動の共振周波数Ｆａは、軸方向寸法Ｗの増加に比例して、低下していく。一方、捩り振動の共振周波数Ｆｂは、軸方向寸法Ｗの増加に比例して、増加していく。そして、軸方向寸法Ｗが、所定の値Ｗ１のとき、縦振動の共振周波数Ｆａおよび捩り振動の共振周波数Ｆｂは一致しており、Ｆａ＝Ｆｂ＝Ｆ１となっている。

本例では、拡大部５４の軸方向寸法Ｗを、このＦａ＝Ｆｂ＝Ｆ１となるときの軸方向寸法Ｗ１としている。すなわち、Ｗ＝Ｗ１としている。また、超音波複合振動装置５０を駆動する際、振動子５８に印加する交流電圧の周波数、すなわち、駆動周波数を、Ｆ１としている。これにより、単一の周波数Ｆ１で、縦振動および捩り振動の共振を発生させることができ、超音波複合振動装置５０の駆動制御を簡易化できる。

なお、図４では、共振周波数Ｆａ，Ｆｂが、軸方向寸法Ｗに比例する例を挙げていが、共振周波数Ｆａ，Ｆｂと軸方向寸法Ｗとの相関関係は、超音波複合振動装置５０の形状や材質、振動子５８の特性等に応じて、適宜、異なる。そのため、軸方向寸法Ｗおよび駆動周波数Ｆ１は、超音波複合振動装置５０の設計段階において、実験またはシミュレーションにより特定する。

また、本例では、超音波複合振動装置５０の先端を縦振動および捩り振動の腹としているため、超音波複合振動装置５０の先端、すなわち、キャピラリ１８の取付部において、大きな縦振動および捩り振動を得ることができる。結果として、キャピラリ１８を面状に超音波振動させることができ、ワイヤボンディングの加工効率を向上できる。

なお、これまで説明では、ＷおよびＬ３＝Ｗａｌｌ－Ｌ１－Ｌ２－Ｗの値を変更することで、Ｆａ＝Ｆｂ＝Ｆ１となる駆動周波数Ｆ１を特定している。しかし、共振周波数Ｆａ，Ｆｂは、拡大部５４の軸方向寸法Ｗではなく、拡大部５４の軸方向位置によっても変化する。したがって、駆動周波数Ｆ１を特定するために、拡大部５４の軸方向位置を変化させてもよい。

例えば、超音波複合振動装置５０の基端面５０ａから拡大部５４の先端側端面までの距離をＰｙとし、振動子５８の軸方向寸法Ｌ１、超音波複合振動装置５０の軸方向寸法Ｌａｌｌおよび拡大部５４の軸方向寸法Ｗを一定に保つ場合を考える。この場合、中継部６０の軸方向寸法Ｌ２は、Ｌ２＝Ｐｙ－Ｗ－Ｌ１となり、先端部５６の軸方向寸法Ｌ３は、Ｌ３＝Ｌａｌｌ－Ｐｙとなる。つまり、中継部６０および先端部５６の軸方向寸法Ｌ２，Ｌ３が、拡大部５４の軸方向位置Ｐｙに応じて変化する。そして、これらの寸法Ｌ２，Ｌ３が変更されることで、超音波複合振動装置５０の固有振動数が変化し、共振周波数Ｆａ，Ｆｂが変化する。したがって、超音波複合振動装置５０を設計する際、拡大部５４の軸方向寸法Ｗではなく、拡大部５４の軸方向位置Ｐｙを変更して、適切な拡大部５４の位置および駆動周波数Ｆ１を特定してもよい。なお、この場合、拡大部５４の軸方向寸法Ｗの値は、特に限定されないが、例えば、捩り振動の波長λｂの１／４倍程度としてもよい。すなわち、Ｗ≒λｂ／４としてもよい。

いずれにしても、本例において、超音波複合振動装置５０に設けられる拡大部５４は、一つだけである。そのため、駆動周波数Ｆ１＝Ｆａ＝Ｆｂを特定するために、変更すべきパラメータの数を抑えることができる。結果として、超音波複合振動装置５０の最適な寸法および駆動周波数を容易に特定できる。

また、これまでの説明では、振動子５８で発生した縦振動を、そのまま、縦振動として先端に伝達している。しかし、先端部５６に、縦振動の一部を捩り振動に変換する振動変換部を設けてもよい。例えば、図５に示すように、先端部５６の周面に、軸方向に進むにつれて周方向にも進む傾斜状のスリット６４を設け、これにより、縦振動の一部を捩り振動に変換してもよい。かかる構成とすることで、先端部５６の末端、ひいては、キャピラリ１８に、捩り振動をより確実に作用させることができる。また、超音波複合振動装置５０の断面形状も円形に限らず、他の形状、例えば、矩形等でもよい。

また、これまでの説明では、超音波複合振動装置５０を、ワイヤボンディング装置に組み込んでいるが、本明細書で開示した超音波複合振動装置５０は、ワイヤボンディング装置に限らず、他の超音波加工機、例えば、超音波溶接装置等に組み込んでもよい。

１０ 製造装置、１２ ボンディングヘッド、１４ ホーンホルダ、１６ 超音波ホーン、１８ キャピラリ、１９ クランパ、２０ ＸＹステージ、２２ カメラ、２４ スプール、２６ ワイヤ、３０ 対象物、３２ コントローラ、５０ 超音波複合振動装置、５２ 基端部、５４ 拡大部、５６ 先端部、５８ 振動子、６０ 中継部、６４ スリット。

Claims (4)

1. 超音波複合振動装置であって、
   縦振動および捩り振動を発生させる振動子を有した基端部と、
   前記基端部より大きな断面積を有する拡大部と、前記拡大部より小さな断面積を有する先端部と、が基端側から先端側に向かって直線状に並んでおり、
   前記拡大部に、前記捩り振動の節が位置し、前記超音波複合振動装置の基端面および先端面に、前記縦振動の腹および前記捩り振動の腹が位置し、
   前記拡大部の軸方向位置および軸方向寸法は、前記縦振動の共振周波数と、前記捩り振動の共振周波数が、ほぼ同じとなる位置および寸法に設定されている、
   ことを特徴とする超音波複合振動装置。
2. 請求項１に記載の超音波複合振動装置であって、
   前記拡大部の前記先端側の端面から前記先端部の前記先端側端面までの軸方向寸法が、前記捩り振動の１／４波長の奇数倍である、ことを特徴とする請求項１記載の超音波複合振動装置。
3. 請求項１または２に記載の超音波複合振動装置であって、
   前記先端部には、軸方向に進むにつれて周方向にも進む傾斜状のスリットが形成されている、ことを特徴とする超音波複合振動装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波複合振動装置と、
   前記先端部に取り付けられ、ワイヤが挿通されるキャピラリと、
   を備え、前記振動子を、前記縦振動の共振周波数および前記捩り振動の共振周波数とほぼ同じ駆動周波数で駆動する、
   ことを特徴とする半導体装置の製造装置。

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