JPH0451054B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ 産業上の利用分野 この発明は、ワイヤの接合に関するものであり
特に、極めて細いワイヤの、金属表面への溶接
（ウエルデイング）に関するものである。具体的
には、この発明は、直径３リ未満の極めて細いワ
イヤを、電子部品の端子に接合するマイクロウエ
ルデイングの装置および方法の改良を指向したも
のである。

Ｂ 従来技術 集積回路の電子パツケージングは、ますます超
小型化され、それとともに回路接合技術がますま
す要求されるようになつた。集積回路では、数百
もの端子が支持基板上のメタラジ・パツドに接合
されなければならない。また、パツケージの基板
もますます複雑化し、130もの集積半導体装置を
支持し、必要な回路相互接続配線を行う場合もあ
る。基板の複雑性と、高いコストを考慮して、回
路に設計変更を加えたり、相互接続メタラジの欠
陥を修正したりしなければならない場合が多い。
これらの目的を実行するのに必要な接続は、装置
および基板のいずれかまたは両方の、選択された
パツドに接合した極めて細いワイヤを使用すると
便利である。

最も一般に行われている微細ワイヤ・ボンデイ
ング技術は、超音波ボンデイングと呼ばれる。こ
の方法では、接合するワイヤの端部を、先端のワ
イヤ・ガイド・ホールにより、ボンデイング・チ
ツプ中に置く。チツプに負荷をかけることによ
り、ワイヤを基板のランド、またはチツプ・パツ
ドに押しつける。基板に対してチツプを水平に、
周期的な変位を超音波周波数で所定の時間発生さ
せると、この超音波運動によりワイヤとランドの
境界面に摩擦が生じ、酸化物皮膜その他の皮膜を
破壊して、境界面に清浄な金属と清浄な金属の接
触を形成し、室温で表面金属の浅い拡散を生じ、
合金化する。これにより、ワイヤとランドまたは
パツドとの金属接合が行われる。境界面における
超音波運動により生ずる摩擦熱により、おそらく
室温よりも幾分高い拡散が行われるであろうと考
えられる。

この超音波ボンデイングは、特に米国特許第
4245273号明細書に記載されているような種類の
多層セラツク（MLC）基板のメタラジ・システ
ムを変更し、またはその欠陥を修正するのに使用
する場合には、著しい欠点を有する。すなわち、
超音波ボンデイング法には、ボンデイング・パツ
ドまたは表面が、厚みが少くとも10ミクロンの、
厚い金層で形成されていることが必要である。こ
のようなMLC基板の製作には、この厚い金層は
電気メツキでなければ付着させることができな
い。これには、コストを高める一連の工程を追加
し、基板を、収率が低下するような環境下に置か
なければならない。

細いワイヤは、米国特許第4171477号明細書に
開示されているような、マイクロウエルデイング
法により接合することができることが知られてい
る。この方法では、電気的に分離された１対の電
極を、金属表面と接触するワイヤ上に置き、電極
間に電圧を印加すると、先端と、電極に接触する
非常に短い部分のワイヤとに電流が流れる。

これにより、ワイヤが瞬間的に加熱され、ワイ
ヤの部分が溶融して金属表面に溶着する。この種
の接合は、超音波ボンデイングに必要な厚い金層
を必要としない。しかし、得られた溶接部は、質
および強度のばらつきが大きく、溶接チツプの寿
命が比較的短かい。

Ｃ 発明が解決しようとする問題点 この発明の目的は、細いワイヤと金属表面との
間に、優れた溶接による結合を安定して行うこと
のできる、改良されたマイクロウエルデイングの
装置および方法を提供することにある。

この発明の他の目的は、耐用寿命の長い、新し
い溶接チツプを有する改良されたマイクロウエル
デイング装置を提供することにある。

Ｄ 問題点を解決するための手段 上記の、この発明の目的に従つて、直径３ミリ
以下のワイヤを導電性の金属表面に接合するため
の、マイクロウエルデイング装置が提供される。
この装置は、電流が溶接チツプに接触した部分の
ワイヤの部分を流れるもので、直線的な垂直運動
をする溶接チツプを支持し、溶接操作中のワイヤ
の溶融する間に、溶接チツプとワイヤの表面との
電気的接触を維持するのに必要な、高速運動が可
能な10グラム未満の可動質量を有する支持手段
と、この溶接チツプ支持手段を、金属表面上のワ
イヤと噛み合うようにする手段からなるものであ
る。

Ｅ 実施例 第１図および第２図は、フレーム（図示されて
いない）上に、上下動可能に取付けた、この発明
の溶接装置１０を示す。この装置１０には、可動
ステージ１６で支持された基板１４上に位置する
溶接チツプが取付けられている。ステージ１６
は、基板１４をXY両方向に動かすことが可能
で、これにより溶接チツプを、いかなる点にも位
置させることができる。

溶接装置１０の目的は、溶接チツプ１２を、溶
接するワイヤ上に正確に支持し、ワイヤ上にかか
るチツプの圧力を変化させるとともに、ワイヤを
部分的に変形させて、ワイヤとの良好な電気的接
触を行わせるために、最初に高目の圧力を与える
ことである。重要な目的は、ワイヤが溶融してチ
ツプの表面から後退し始めた時に、アークを生じ
ないように電気的接触を保つために、チツプがワ
イヤの表面に追従する能力を有するよう、チツプ
支持エレメントを低質量にすることである。電気
のアークを生じると、制御ができなくなり、溶接
部が不均一となり、欠陥となることがある。

溶接装置１０は、取付けブロツク１３および２
つの取付けた側面部材７６から成るフレーム１１
を有する。溶接チツプ１２は、チツプ支持ブロツ
ク６４に取付けられ、誘電体すなわち絶縁材料で
作られている。ブロツク６４は、２つの平行なス
プリング・リーフ・エレメント４０および４２に
取付けられている。スプリング４０および４２の
反対側の端部は、これも電気絶縁材料で作られた
スプリング取付けブロツク６６に取付けられてい
る。ブロツク６６は、エア・ベアリング７０に摺
動可能に取付けられた２つの垂直心出しシヤフト
６８に取付けた横材７２に取付けられている。こ
のように、溶接チツプおよび付随の上記エレメン
トは、ベアリング７０中で１つのユニツトとして
垂直に移動することができる。リーフ・スプリン
グ４０および４２は、動作中屈曲して、チツプ支
持ブロツク６４を単独に移動させる。溶接チツプ
とブロツク６４の合計重量は非常に軽く、溶接の
間にワイヤが溶融して部分的に崩壊する時、ワイ
ヤの表面の移動に追従することができる。

負荷、すなわち溶接されているワイヤに対する
溶接チツプの圧力は、第１０図に示すように旋回
可能なバランス・バー７８に制御される。バー７
８は、フレーム１１に取付けたベアリング８１に
旋回可能に取付けたクロス・バー７９により支持
される。ローラ８０は、バー７８の一端上で横材
７２の底部に接し、溶接チツプ支持機構に上向き
の力を与える。おもり８２は、バー７８の他端に
調節可能に取付けられ、横材７２に加えた上向き
の力を変える手段を構成する。

チツプ１２に最初に力を加え、溶接中のワイヤ
を押し付け、溶接前に部分的に変形させる機構が
設けられている。変形により、ワイヤを溶接チツ
プとの接触表面積が増し、電気的接触が改善され
る。この機構は、第１０図に略図で示した２つの
平行なレバー・エレメント８４からなる。レバ
ー・エレメント８４は、ベアリング８７で旋回可
能に支持されたピボツト止めされた横材８６上に
支持されている。レバー８４の一端には、調節可
能なバランス・ウエイト８８が取付けられてい
る。ウエイト８８の調節は、フレームのスロツト
９０を通してねじ８９をゆるめ、旋回可能の横材
８６に対してウエイトを移動させることにより行
う。レバー・エレメント８４の他端は、チツプ支
持ブロツク６４のスロツト７５内にあるクロス・
バー７４により接続している。横材８６から上方
にアーム９２が延びている。アーム９２には、エ
ア・シリンダ９４が取付けられており、レバー８
４を介して溶接チツプ１２に調節可能な力を加え
る。このように、最初のワイヤを変形させる力
は、シリンダ９４により与えられる。

溶接を行うための電流は、第１１図に示すよう
に、誘電層３６により分離されたチツプ・エレメ
ント３２および３４を通じて溶接チツプ１２に与
えられる。電導性のチツプ部材３２および３４
は、それぞれ電導性の電極９６および９８に接触
する。支持ねじ９９は、チツプ１２と電極との接
触を保持すると同時に、チツプ１２をブロツク６
４に固定させる。第１のリード１００は電極９８
をリーフ・スプリング４２に、第２のリード１０
２は電極９６をリーフ・スプリング４０に接続す
る。第４図は、４０のスプリングを、絶縁材料で
作られたプレート１０８上に取付けたリード端子
１０５に接続するリード１０４を示す。同様に、
リード１０６は、スプリング４０を、プレート１
１０上に取付けた端子１０７に接続する。端子１
０５および１０７は、溶接を行うのに適した電流
を発生する適当な電源に接続されている。

第５Ａ図および第５Ｂ図は、従来技術の溶接チ
ツプの構成、および溶接前、溶接後のワイヤの断
面を示す。溶接チツプは、１対の並置された導電
性のチツプ部材１８および２０からなる。部材１
８および２０はそれぞれ、溶接の間ワイヤ２２に
接触する平滑面１９および２１を有する。図示す
るように、チツプ部材１８および２０は、離して
取付けられている。誘電層２８は高温に曝され、
動作中急速に浸食されて、空間２４を生じる。チ
ツプ部材１８および２０をワイヤ２２と接触させ
ると、低電圧、大電流の電流が、チツプ部材と接
触するワイヤ２２の小部分を通つて、チツプ部材
の一方から他方へ流れる。これによりワイヤの部
分が溶融し、下の金属パツド２６の表面に溶着す
る。ワイヤが溶融すると、第５Ｂ図に示すよう
に、変形して、空間２４中へ上向きに流動する。
電流のパルスが終ると、ワイヤは第５Ｂ図に示す
形状のまま固化する。直径の小さいワイヤは、比
較的薄い金属パツドに溶接することができること
が知られている。

第６Ａ図および第６Ｂ図は、この発明の装置お
よび方向による溶接前および溶接後の、ワイヤの
断面を示す。溶接チツプ３０は、間隔を設け、誘
電材料の層３７、通常はガラスにより電気的に分
離された２つの導電性チツプ部材３２および３４
を有する。ワイヤ２２と電気的に接触する底面３
３および３５は、１対の上向きに傾斜した、交差
する面を形成する。面の水平との傾斜角は、15な
いし20度である。このチツプの構成は、チツプ３
０を溶接の準備のため引下げてワイヤ２２と接触
させる時、ワイヤを中央に寄せる作用を有する。
チツプ部材３２および３４の間の空間３６は、従
来技術における溶接チツプのチツプ部材の間の空
間よりかなり小さい。チツプ部材３２と３４の間
隔は通常８ないし13ミクロン、好ましくは９ない
し11ミクロンである。使用中、誘電層は表面３３
および３５から浸食されて後退する。しかし、チ
ツプ部材間の間隙が従来技術に比較して小さいた
め、溶接操作中にワイヤ２２の金属がチツプ部材
の間を流れる傾向が少い。このことを第４Ｂ図の
溶接したワイヤの断面図で示す。

この発明の溶接操作では、基板支持プラツトフ
オーム１６を、プローブの先端が、ワイヤを溶接
する基板１４上のパツドの真上に位置するように
移動させる。適当な位置決め装置を使つて、ワイ
ヤ２２を金属パツドの上方で位置決めし、溶接チ
ツプ１２がワイヤ２２と接触するまで、溶接アセ
ンブリを下げる。前述のように、シリンダ９４を
始動させて装置をさらに下げ、溶接チツプ３０に
より弱い圧力がワイヤにかかるようにすると、良
好な電気的接触が行われる。前述のスプリング４
０および４２が屈曲して、装置１０を下方に移動
させる。この時点で、ワイヤは溶接される位置に
置かれ、溶接チツプ３０の表面３３および３５
は、ワイヤと電気的に接触する。適当な電流パル
スを、ワイヤ２２の部分を通してチツプ部材３２
から３４へ流す。ワイヤの太さ、およびワイヤと
パツドの材質に適したものであれば、どのような
電流パルスを用いてマイクロウエルデイングを行
うことも可能である。通常電圧1Vで50ないし
60Aの電流を生じる。電流パルスの継続時間は、
通常約４ミリ秒である。ワイヤを融点まで加熱す
ると、急速に平坦化する。この装置および方法の
重要な特徴は、溶接チツプおよびホルダ６４の質
量が小さいことで、これによりチツプ部材の表面
が下がり、部分的に溶融し、平坦になる金属表面
に追従することができる。これにより、電流パル
スの残りの時間にも電気的接触が保たれ、部分的
に溶融したワイヤと、ワイヤを溶融する金属パツ
ドの表面との接触が維持される。第７図に示すよ
うに、溶接チツプ３０が、傾斜した接触面により
加えられる圧力により、ワイヤの一部をワイヤ・
リード２２に向つて押ちつけられ、わずかなふく
らみ２３を形成する。このふくらみにより、ワイ
ヤの接着が強固になる。溶接チツプ３０がワイヤ
と接触する表面は、(1)表面の交差がチツプの縦軸
に直角になるよう、装置のチツプ３０を傾斜した
位置に取付けるか、または(2)チツプを垂直に取付
け、ワイヤと接触する表面をパツド上のワイヤに
対して傾斜するように加工することにより、傾斜
させることができる。表面３３および３５の交差
により生ずる線が、パツド２６上に位置するワイ
ヤの縦軸から５ないし10度傾斜することが好まし
い。

第８図は、この発明の溶接チツプ４０の接触面
の１実施例を示す。２つの並置されたチツプ部材
５２および５４で形成され、薄いガラスの層４１
で分離された溶接チツプ４０は、２組の交差する
表面４６，４７および４８，４９を有する。これ
らの表面対の交差により形成された線は、溶接チ
ツプ４０の縦軸に垂直な中央線から上方に傾斜し
ている。溶接チツプ４０の表面構造の利点は、ワ
イヤ２２がチツプのいずれの方向からも出せるこ
とである。自動ワイヤ位置決め機構を有する自動
溶接装置では、ワイヤはパツドからどちらの方向
へも出すことができる。傾斜した表面により、チ
ツプと接するワイヤのいずれの方向にもふくらみ
２３を形成させることができる。

第９図は、この発明の溶接チツプの他の実施例
を示す。ガラスの薄層５６で分離された２つの並
置されたチツプ部材５２′および５４′から形成さ
れた溶接チツプ５０は、２組の交差した傾斜面４
６，４７および４８，４９を有する。

これらの接触面は、溶接チツプ３０について説
明したのと同じ作用をする。第９図に示す溶接チ
ツプ５０と、溶接チツプ４０との相違は、溶接チ
ツプ部材が、異なる平面に配されたガラス層によ
り分離されていることである。溶接チツプ５０で
は、ワイヤに加える圧力により、チツプ部材がは
がれる傾向はない。また、溶接チツプ５０中の電
流は、溶接中ワイヤの軸に対して長さ方向に流れ
るが、溶接チツプ４０では、電流はワイヤの軸に
対して直角方向に流れる。

Ｆ 発明の効果 以上説明したように、この発明によれば、細い
ワイヤと金属表面との間に、信頼性の高い溶接を
安定して行う装置およびマイクロウエルデイング
法が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の溶接装置の１実施例の部
分側面、第２図は、第１図のこの発明の溶接装置
の平面図、第３図は、この発明の装置の溶接チツ
プ支持機構の詳細を示す部分拡大側面図、第４図
は、第３図に示す構造の部分平面図、第５Ａ図お
よび第５Ｂ図は、従来技術による方法および装置
によつて、溶接部を形成する前後におけるボンデ
イング・チツプ・ワイヤおよびパツドの断面を拡
大した図、第６Ａ図および第６Ｂ図は、この発明
による方法および装置によつて、溶接部を形成す
る前後におけるボンデイング・チツプ、ワイヤお
よびパツドの断面を拡大した図、第７図は、接合
後の溶接チツプおよびワイヤの側面図、第８図
は、この発明による溶接チツプの１実施例の斜視
図、第９図は、この発明による溶接チツプの他の
実施例の斜視図、第１０図は、構成要素を覆うプ
レート部材を除去した、回転、摺動可能要素の側
面概略図、第１１図は、溶接チツプを支持する構
造を、非常に拡大した上面図である。 １０……溶接装置、１２……溶接チツプ、１４
…基板、１６……可動ステージ、２２……ワイ
ヤ、２６……金属パツド、３０，４０，５０……
溶接チツプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 直径３ミル以下のワイヤを導電性金属表面に
   接触させ、該ワイヤの一部に溶接チツプを接触さ
   せて該ワイヤの一部に電流を流すことによりワイ
   ヤを導電性金属表面に溶接するための溶接装置に
   おいて、 (a) 上記溶接チツプを垂直方向に移動可能に支持
   するための支持手段であつて、該支持手段の、
   上記溶接チツプとともに移動し上記溶接チツプ
   を物理的に支持する部分は、上記溶接チツプと
   上記ワイヤの溶融部分の間でアークを生じない
   ように電気的接触を維持するために必要な迅速
   な移動を可能ならしめる10グラム以下である溶
   接チツプ支持手段と、 (b) 上記溶接チツプ支持手段を、上記導電性金属
   表面上のワイヤと係合する位置へ付勢するため
   の手段を具備し、 (c) 上記溶接チツプ支持手段は、少なくとも２つ
   の平行な板ばねを有し、該板ばねの一端は上記
   溶接装置に固定され、該板ばねの他端は上記溶
   接チツプに固定されてなる、 ワイヤ・ボンデイング溶接装置