JPH0642498B2 - レーザ・ワイヤ・ボンデイング装置におけるモニタ装置 - Google Patents

レーザ・ワイヤ・ボンデイング装置におけるモニタ装置

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JPH0642498B2
JPH0642498B2 JP63316574A JP31657488A JPH0642498B2 JP H0642498 B2 JPH0642498 B2 JP H0642498B2 JP 63316574 A JP63316574 A JP 63316574A JP 31657488 A JP31657488 A JP 31657488A JP H0642498 B2 JPH0642498 B2 JP H0642498B2
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アルナバ・グプタ
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Description

【発明の詳細な説明】 Ａ．産業上の利用分野 本発明はレーザ・ワイヤ・ボンディングに関し、さらに
具体的には、レーザ・ワイヤ・ボンディング中に、ボン
ディングされるワイヤの反射率の変化を利用してレーザ
処理を制御するという、フィードバック制御機構を含む
光プロセス・モニタに関するものである。
Ｂ．従来技術 レーザ・ワイヤ・ボンディングは、従来、金属加工片を
相互に接合するのに使用され、具体的には電子回路の実
装で、コンタクト・パッドを微細なワイヤまたはリボン
と接合するのに使用されてきた。
このボンディング法では、光ファイバを用いてレーザ・
エネルギーをキャピラリー上のボンディング・チップに
供給することが必要である。レーザ・エネルギーでチッ
プが加熱され、この局所的加熱と、ワイヤを押しつけて
コンタクト・パッドと密着させるために加えられる圧力
とがあいまって、ワイヤがコンタクト・パッドにボンデ
ィングされる。レーザ・ボンディング工程を実施するた
めのこうした一つの装置が、本出願人と同一の出願に係
るＮ．Ｇ．エインズリー(Ainslie)等の“表面熱ボンデ
ィング装置（Apparatus for Thermo Bonding Surface
s）”と題する米国特許第４５３４８１１号に記載され
ている。
ボンディング工程はレーザ・エネルギーによって起こる
熱作用に基づくので、加えるエネルギーの出力レベルや
持続期間等、レーザ・エネルギーのある種の変数または
パラメータを制御することが重要である。加熱し過ぎる
と、ワイヤが融け過ぎたり、またコンタクト・パッドを
支持するセラミック基板内の熱応力によって亀裂が生じ
たりする恐れがある。加熱が不十分だと、ボンディング
が不十分となる。コンタクト・パッドの加熱条件は基板
上の位置によって変わるので、予め所定のレーザ出力レ
ベルとレーザ・パルス持続期間を用いて、様々な位置に
あるコンタクト・パッドをすべて十分にボンディングす
ることが必ずしも常に可能ではない。たとえば、ガラス
・セラミック基板上のコンタクト・パッドにワイヤをボ
ンディングするとき、ビアの真上にあるコンタクト・パ
ッドにボンディングする方がビアの上にないコンタクト
・パッドにボンディングするよりも２倍もエネルギーが
必要である。この所要エネルギーの違いは、ビア中にあ
る熱伝導率の高い銅の吸熱作用の結果である。コンタク
ト・パッドの下のワイヤ位置は十分に画定されていない
ことが多いので、様々なコンタクト・パッド位置でボン
ディングを行なうためのレーザ・エネルギーを制御する
モニタを設けることが重要である。
従来のボンディング監視方法では、熱電対センサを使っ
てボンディング部位の瞬間温度を測定していた。こうし
た配置は、Ｐ．チャルコ（Chalco）等の論文“レーザ・
エネルギーを用いた離散式ワイヤ・ボンディング（Disc
rete Wire Bonding Using Laser Energy）”、１９８７
年度国際マイクロエレクトロニクス・シンポジウム報告
要旨集（Proceedings of the 1987 International Symp
osium on Microelectronics）、１９８７年９月２８−
３０日のｐ．４３５以下に記載されている。
Ｃ．開示の概要 大部分の金属では、温度が上がるにつれて反射率が着実
に減少し、融点に達すると急激な低下が見られる。本発
明では、ボンディング中に温度変化と溶融されるワイヤ
の形状の変化とによって起こるワイヤの反射率の変化を
監視する。監視したワイヤの反射率を、レーザ・ワイヤ
・ボンディングに使用するレーザに対するフィードバッ
ク制御として処理する。こうした実時間モニタの仕様に
より、基板上のすべての位置でコンタクト・パッドに適
切なボンディングを行なうことが可能となる。
したがって、本発明の主目的は、レーザ・ワイヤ・ボン
ディング装置でフィードバック制御を行なうための反射
率モニタを提供することである。
本発明の第２の目的は、レーザ・ワイヤ・ボンディング
装置で、ワイヤ・ボンディングに使うレーザの工程パラ
メータを制御するためのフィードバック信号を供給する
反射率モニタを提供することである。
本発明のその他の目的は、下記の明細書を添付の図面と
合わせ読めばさらに明らかになる。
Ｄ．実施例 第１図には、基板１８上のパッド１４にワイヤ１２をボ
ンディングするのに使うＮｄ：ＹＡＧレーザ１０（以下
ではＹＡＧレーザと呼ぶこともある）を示す。通常、ワ
イヤ１２は直径５０ミクロンの銅線を２０００Åの金属
で被覆したものであり、コンタクト・パッド１４は０．
２ミクロンの金／ニッケル・パッドである。好ましい実
施例では、レーザは、波長１．０６ミクロン、連続出力
レベル２０ないし４０ワットで動作する。Ａｒイオン・
レーザ、ＣＯ2レーザ、Ｃｕ蒸気レーザなど、他の高出
力のパルス・レーザまたは連続波レーザをワイヤのボン
ディングに使ってもよい。
上記のエインズリー等の特許に記載されているように、
タングステン製ボンディング・チップ１８には中心孔２
０が付いている。孔２０は、入口開口部２２から出口孔
２４へと先細形になっている。チップ先端または出口孔
２４は、ワイヤ１２の一般的寸法と合った形になってい
る。チップ１８は、ワイヤに圧力をかけてコンタクト・
パッド１４と密着させるため、図のように垂直方向に移
動する。ワイヤ１２をコンタクト・パッド１４にボンデ
ィングするのに必要な熱は、孔２０の先細部分で形成さ
れる黒体円錐体から発生される。この円錐体は光ファイ
バ２６を経てチップ１８に伝わった入射レーザ光線のエ
ネルギーを吸収して、チップ先端部２４の温度を上昇さ
せる。別法として、第１図のチップ１８の破線３２で示
すように、ファイバ２６からワイヤ１２に直接レーザ・
エネルギーを送ってもよい。加えた圧力と発生する熱が
あいまって、ワイヤをコンタクト・パッドにボンディン
グする。
ボンディングは、ワイヤ１２とコンタクト・パッド１４
の間で適切なボンディングを確保するために重要なレー
ザ１０の諸パラメータを制御する熱過程である。
ＹＡＧレーザ光線の反射率を測定することは可能である
が、光ファイバ２６の先端２８からの反射による背景信
号及び比較的大きなチップ寸法のために、反射信号の小
さな変化が観察し難くなり、別の測定法が必要である。
好ましい別法は、ＹＡＧレーザの波長とは異なる波長で
動作する低出力Ｈｅ−Ｎｅレーザ３０の使用と必要とす
るものである。好ましい実施例では、レーザ３０は６３
３ｎｍの波長で動作する。レーザ３０からの光経路はＹ
ＡＧレーザ光線と共直線性であり、あるいは後で第３図
の実施例に関して説明するように、コールド・ミラーを
使ってＹＡＧレーザ光線と合成する。６３３ｎｍ反射光
線の方が反射ＹＡＧレーザ光線よりも大きな信号の変化
が観察されるので、ボンディングの間、Ｈｅ−Ｎｅレー
ザ光線の反射率の変化を監視する。当業者には自明のこ
とであるが、ボンディングされたワイヤから反射される
低出力の可視レーザまたは赤外レーザを、Ｈｅ−Ｎｅレ
ーザ３０の代わりに使ってもよい。
ＹＡＧレーザ１０からのレーザ・エネルギー・ビーム
は、ビーム・シャッタ１１、ビーム・スプリッタ３６及
びレンズ３４を経て光ファイバ２６に入る。光ファイバ
はレーザ・エネルギーをボンディング・チップ１８のチ
ップ出口２４及びパッド１４にボンディングされるワイ
ヤ１２の近傍に伝播する。
レーザ３０は、ＹＡＧレーザ光線と共直線性で出力レベ
ルが５ミリワット程度の連続波の形の線偏光ビームを光
ファイバ２６を経て送る。チップ１８中の破線３２で示
すレーザ光線は、非偏光ビームとしてワイヤ１２から反
射され、ファイバ２６中を、ワイヤをボンディングする
ためのエネルギーを供給するレーザ光線の方向とは逆の
方向に伝播する。反射光線がレンズ３４を通過して軸が
平行にされた後、光線の一部がビーム・スプリッタ３６
で偏向される。偏向されたビームは直交偏光子３８とも
う一つの集束レンズ４０を経て反射鏡４２に達し、そこ
で反射されてプリズム４４に入り、そこで低出力レーザ
光線がＹＡＧレーザ光線から空間的に分離され、絞り４
６を経てシリコン光検出器４８または光電子倍増管上に
集束される。光検出器または光電子倍増管からの出力信
号は、反射された低出力レーザ光線の振幅に比例し、以
下ではこれを反射信号と呼ぶ。光電子倍増管は、１．０
６ミクロンの放射線に対する感度が非常に低い。光路中
の検出器４８の前にＨｅ−Ｎｅ線フィルタ５０を置い
て、散乱したＹＡＧレーザ光線を濾波することができ
る。
Ｈｅ−Ｎｅレーザ光線経路中の直交偏光子３８は、ファ
イバ２６の前端部５１から反射される偏光光線を打ち消
して、背景信号を大幅に減少させる。その上、ファイバ
２６の先端２８から反射される非偏光光線の振幅も、偏
光子３８によって半減される。
第２図に、第１図の実施例を用いたときの反射信号の波
形を示す。第２図で、曲線（ａ）はボンディング・チッ
プ１８がワイヤ１２と接触していないとき、光検出器４
８で検出される信号を示す。曲線（ｂ）は、チップ１８
がワイヤ１２と接触し、ＹＡＧレーザが４０ワットの出
力を６０ミリ秒のパルスの形で送るときの反射信号を示
す。
曲線２（ａ）に示す信号は、チップ先端２４とワイヤ１
２の間に接触がないときに発生し、Ｈｅ−Ｎｅビームが
ファイバ２６の前端部２８及びチップ１８の狭い先端２
４から反射されることによる背景信号によるものであ
る。曲線２（ｂ）に示す信号は、ワイヤ１２から反射さ
れたレーザ光線と背景信号を合成したものである。当業
者には自明のことであるが、ボンディングの間のワイヤ
１２の反射率の変化ははっきり見え、したがって測定可
能である。反射信号による信号レベルの増大は、ワイヤ
の融点に達するまではほぼ一定（領域５２）のままであ
り、融点に達した後は、信号の振幅が比較的急激に減少
する（領域５４）。
第３図に示した別の好ましい実施例では、Ｎｄ：ＹＡＧ
レーザ１０がシャッタ１１を通してレーザ・エネルギー
を伝える。シャッタ１１の開閉は、反射信号に応答する
制御信号によって、あるいは、たとえば後で第５図に関
して説明するようにパーソナル・コンピュータから供給
される所定の時間持続する制御信号によって制御する。
シャッタ１１を通過したレーザ光線は、コールド・ミラ
ー５６を通過する。同時に、Ｈｅ−Ｎｅレーザ３０から
出た低出力レーザ光線がビーム・スプリッタ５８を経て
コールド・ミラー５６に達し、そこでＹＡＧレーザ１０
からのレーザ光線とＨｅ−Ｎｅレーザ３０からのレーザ
光線が合成される。合成された光線はレンズ６０を通っ
て光ファイバ２６に入る。光線は、第１図の実施例に関
して説明したように、ボンディング・チップ１８との間
をファイバ２６に沿って伝播する。２つのレーザ光線の
アラインメントは、第３図に示した配置を用いると容易
に行なえる。
戻ってきた反射レーザ光線は、光ファイバ２６を出てレ
ンズ６０を通過し、コールド・ミラー５６とビーム・ス
プリッタ５８で反射される。次に、光線は偏光子６２を
通過し、そこで光ファイバの前端部５１から反射された
信号が除去される。偏光子６２を通過したビームは光検
出器４８で検出される。反射信号は、シャッタ１１のフ
ィードバック制御信号として処理するために、あるいは
別の配置ではＹＡＧレーザ１０からの出力を制御するた
めに、導線６６に沿って供給される。
第４図に、第３図の好ましい実施例を用いたときの反射
信号の波形を示す。これらの波形は、それぞれワイヤを
ボンディングする表面上に同じ厚さの層を備えた、アル
ミナ、サファイア及び石英基板での結果を示す。どの場
合にも、同じボンディング用レーザ出力を加える。第２
図の波形とは違って、融点での信号振幅の減少はずっと
顕著であり、ずっと検出しやすい。当業者には自明のこ
とであるが、比較的熱不良導体である石英基板にボンデ
ィングしたワイヤは、アルミナやサファイア基板上と熱
良導体にボンディングしたワイヤよりも早く融解する。
アルミナを主体とする基板での試験では、十分なボンデ
ィングを実現するために、ワイヤの表面融解が検出され
てから２０ないし３０ミリ秒の間ＹＡＧレーザでレーザ
・エネルギーを供給するのが好ましいことが観察され
た。“オン”タイムでＹＡＧレーザ１０の調節を行なう
ために、反射信号を導線６６に沿ってコンピュータに供
給する。コンピュータは、後で説明するように、データ
獲得・割当てソフトウェアを用いて処理を行なう。各パ
ッド位置でワイヤの融解開始が検出されると、コンピュ
ータは、事前設定した時間後にシャッタ１１を閉じて、
ＹＡＧレーザ１０からの光線を遮断させる。第５図の配
置は、パッド位置の熱環境がどうであれ、十分なボンデ
ィングを保証する。同様に、後で第６図に関して説明す
るように、ボンディング・サイクル中にＹＡＧレーザ１
０の出力を制御することができる。当業者には自明のよ
うに、レーザ１０の監視と制御はソフトウェアを用いて
実施できる。
第５図に示した配置では、第３図のレーザ光線経路中の
レーザ１０の前に置いたシャッタ１１の開閉によって、
ＹＡＧレーザ光線のパルス振持続時間を制御する。
アクチュエータ７０からシャッタ制御装置７２に信号が
送られると、ボンディング工程が開始する。アクチュエ
ータ７０は、手動押ボタン始動スイッチでも、接合すべ
き部分が正しい位置にあることをセンサが感知するのに
応答する自動アクチュエータでも、あるいはレーザ・ワ
イヤ・ボンディングに使用される既知の他のアクチュエ
ータでもよい。
第３図に関して先に説明したようなボンディング工程中
に、光電子倍増管４８は反射Ｈｅ−Ｎｅレーザ光を連続
的に監視して、実時間アナログ信号を時間制御回路７４
に供給する。好ましい実施例では時間制御回路は、パー
ソナル・コンピュータに内蔵された適当にプログラミン
グされたＤＡＣカードである。光電子倍増管４８からの
反射信号は、導線６６を経てアナログ・ディジタル変換
器７６に送られ、そこで信号が２ＫHzの速度で抽出され
る。微分した反射信号の方が反射信号よりも融解開始を
示す指標として有用なことが認められた。したがって、
アナログ・ディジタル変換器７６の出力信号を微分器７
８の入力端に供給し、その出力信号として、やはり速度
２ＫHzで入力信号の１次時間導関数を供給させる。微分
器７８からの微分出力信号は速度比較回路８０に供給さ
れ、比較回路８０はその上限に達したとき時間遅延回路
８２に開始信号を供給する。時間遅延回路はＹＡＧレー
ザの出力に応じて設定することができ、通常は０から５
０ミリ秒の間の値をとる。時間遅延の完了後、シャッタ
制御装置７２に停止信号が供給されてシャッタ１１を閉
じ、あるいは他の方法でレーザ光線を妨害する。また、
通常のタイマ回路（図示せず）が設けられており、所定
の時間後に停止信号を供給する。この所定時間は、光電
子倍増管４８からの信号の変化が時間制御回路７４で検
出、測定されなかった場合に、予想制御時間を超える。
時間制御回路７４に関して先に説明した諸要素は、適当
なハードウェアの設計及び適当なソフトウェアのプログ
ラミング技術の当業者には周知である。
第６図に、出力制御式レーザ構成の好ましい実施例を示
す。第５図と共通の素子は同じ参照番号で示し、第５図
に関して先に説明したのと同じ機能を実行する。第６図
の実施例では、ＹＡＧレーザ１０を制御するために、シ
ャッタ制御装置７２の代わりに音響光学式変調ドライバ
９０を使用する。同様に、音響光学式変調器は第１図及
び第３図のシャッタ１１の代用にもなる。
始動信号がアクチュエータ７０からランプ・エネーブル
回路８４に供給されると、ボンディング工程が開始す
る。エネーブル回路８４はランプ波形発生器８６にエネ
ーブル信号を供給する。ランプ波形発生器８６は、エネ
ーブル信号に応答して、予めプログラミングした勾配ま
たは上昇速度をもつ正に向かうランプ波形信号を発生さ
せる。発生器８６から出たランプ波形信号は、ディジタ
ル・アナログ変換器８８に供給される。ディジタル・ア
ナログ変換器８８は、ランプ波形信号に比例する変換さ
れたアナログ信号をアナログ音響光ドライバ９０に供給
する。ドライバ９０は、ボンディング時間中、音響光変
調器（図示せず）に、ＹＡＧレーザ１０の光線が、第１
図に関して一般的に説明したレーザ・ワイヤ・ボンディ
ング・システムを通過できるようにさせる。時間遅延回
路８２がその遅延時間を完了した後、出力制御回路９２
中で、発生器８６に、負に向かうランプ波形出力信号を
ディジタル・アナログ変換器８８に供給させるための信
号が、導線９４に沿ってランプ波形発生器８６に供給さ
れる。ディジタル・アナログ変換器８８は、音響光変調
器にＹＡＧレーザ１０の光線を偏光させるための変換さ
れた信号をアナログ音響光ドライバ９０に供給する。第
６図の好ましい実施例では、ＹＡＧレーザ１０は連続的
に出力を発生させる。したがって、音響光変調器を含む
光学的構成は、さらに、音響光変調器の回析パターンの
使用されない閉塞部分と整列したビーム・ダンプまたは
ビーム負荷を含む。レーザ光線の出力は、出力制御回路
９２及び音響光変調器のおかげで反射信号に応答して変
調される。
当業者には自明のことであるが、第６図の実施例は、通
常の回路を用いても、また好ましいプログラミング手段
によっても構成することができる。
上記の反射モニタは、十分なワイヤ・ボンディングを確
保することに関して使用したが、この一般原理が適用で
きる適用分野は、他にも多数ある。たとえば、同じ原理
を応用して、タブ自動ボンディング用のレーザ・ボール
・テープ工程を制御することができる。さらに、加熱領
域から放出される赤外線を、光ファイバを経てボンディ
ング領域から赤外検出器に送り、ＹＡＧレーザを制御す
ることもできる。
もう一つの適用例では、検出された信号を使って、ファ
イバ２６の前端の摩耗または劣化、あるいはファイバ末
端の損傷また研摩を監視することができる。上記の実施
例で濾波される、検出信号の様々な部分がこの目的で監
視される。
さらにもう一つの適用例では、モニタはワイヤの熱環境
を検出することができる。その端部領域またはその付近
でボンディングされたワイヤは、その長さ全体にわたっ
て１つの直線方向のみに熱を発散させる。端部領域から
離れた中心領域にボンディングされた別のワイヤは、ワ
イヤの長さ全体にわたって直線方向に両方向に熱を発散
させる。熱発散速度が異なるため、モニタは中心領域よ
りも端部領域に近い所でボンディングが行なわれるとき
の方がワイヤの融解を早く検出することができる。こう
した位置監視は、１本のワイヤによる多重ボンディン
グ、あるいはワイヤの長手方向に沿って所期の位置でボ
ンディングを行ないたい場合に有用である。
【図面の簡単な説明】
第１図は、レーザ・ワイヤ・ボンディングの間に反射レ
ーザ光線を検出するための構成の概略図である。 第２図は、第１図の構成を使用するときのワイヤ・ボン
ディング工程中の反射レーザ光線のグラフである。 第３図は、本発明を実施するための別の構成の概略図で
ある。 第４図は、第３図の構成を使用するときのワイヤ・ボン
ディング工程中の反射レーザ光線のグラフである。 第５図は、レーザ・ワイヤ・ボンディング中にレーザの
持続時間制御を行なうための回路構成の概略図である。 第６図は、レーザ・ワイヤ・ボンディング中にレーザの
出力レベル制御を行なうための回路構成の概略図であ
る。 １０……Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、１２……ワイヤ、１４…
…コンタクト・パッド、１６……基板、１８……ボンデ
ィング・チップ、２０……中心孔、２２……入口開口、
２４……出口孔、２６……光ファイバ、２８……ファイ
バ前端部、３０……低出力Ｈｅ−Ｎｅレーザ、３２……
レーザ光線、３４、４０、６０……レンズ、３６、５８
……ビーム・スプリッタ、３８、６２……偏光子、４
２、５６……ミラー、４４……プリズム、４６……絞
り、４８……光検出器、５０……線フィルタ。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１の波長における高出力レーザ・エネル
    ギー・ビームを用いてボンディング・ワイヤをコンタク
    ト・パッドにボンディングするためのレーザ・ワイヤ・
    ボンディング装置における前記高出力レーザ・エネルギ
    ーを制御するためのモニタ装置であって、 前記高出力レーザ・エネルギー・ビームと共通する線型
    性を有し、ボンディング中にワイヤにより反射されるた
    めの、第２の波長において低出力レーザ・エネルギーを
    放出するレーザ手段と、 前記反射された低出力レーザ・エネルギーを検知すると
    ともにその検知値に比例する反射信号を発する検知手段
    と、 前記反射信号に応じて前記高出力レーザ・エネルギー・
    ビームを制御する制御手段と、 を有するレーザ・ワイヤ・ボンディング装置におけるモ
    ニタ装置。
JP63316574A 1988-03-08 1988-12-16 レーザ・ワイヤ・ボンデイング装置におけるモニタ装置 Expired - Lifetime JPH0642498B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US165319 1980-07-02
US07/165,319 US4845354A (en) 1988-03-08 1988-03-08 Process control for laser wire bonding

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH01241139A JPH01241139A (ja) 1989-09-26
JPH0642498B2 true JPH0642498B2 (ja) 1994-06-01

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