JPS5859811A - 超音波ボンデイング方法及び装置 - Google Patents

超音波ボンデイング方法及び装置

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JPS5859811A
JPS5859811A JP57157936A JP15793682A JPS5859811A JP S5859811 A JPS5859811 A JP S5859811A JP 57157936 A JP57157936 A JP 57157936A JP 15793682 A JP15793682 A JP 15793682A JP S5859811 A JPS5859811 A JP S5859811A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波ボンディング方法及び装置に関し、更に
詳細には、ボンディングの品質を判定して良質の溶接を
可能にする超音波ボンディング方法及び装置に関する。
超音波ボンディングは電子工業において多くの応用例を
有する、例えば、トランジスタや集積回路等の半導体部
品を基板又はパッケージに取付ける事は周知である。半
導体部品の端子は相互に接続されるか、又は基板の導体
回路に超音波ポンデインクによって取付けられる小さい
直径の線で接続される。当該技術分野において周知の如
く、超音波ボンディングは、ボンディング器具又はウェ
ッジを端子に接触する線に押しつけ、次にその器具を超
音波周波数、例えば６０　ＫＨｚで振動させる、電力、
持続時間、下方への力、及びワーク・ピースの位置決め
等のボンディング・パラメータの正確な制御の可能な各
種の超音波ボンディング機械が市販され、広く利用され
ている。
超音波ポンディングに伴なう半導体工業上の問題は、各
ボンド（接着又は溶接）の品質を評価することであった
。接着品質の評価をすることによって、操作者は接着設
定条件を変更してより高い品質を得ることができる。ま
た、品質の低い接着部は除去するか又は放棄することが
でき、より高い信頼性のある製品を提供することができ
る。多くの装置において、特に軍事用装置では、信頼性
が最も重要である。
従来の超音波ボンディング評価方法の１つは、ある割合
（パーセンテージ）の接着部について引き離す力に必要
なカを測定するものがある。この方法は破壊されない接
着部の信頼性に関する予測ができるデータを提供するけ
れども、欠陥のある接着を選別して信頼性を高めること
ができない。
更に、この方法は時間がががり、破壊された接着がむだ
になり、そして破壊する割合（数量）が大きくないと信
頼性に欠けるものとなる。
接着の信頼性を予測する従来の別の評価方法は破壊しな
いで引っ張る試験方法で、良好な接着部が引き離されて
しまうレベル以下の予め設定された機械的力な加える。
この方法は、時間がかがる以外に、接着を実際に引き離
すのに必要なカについての接着品質データを得ることが
できない。また、この方法は引っ張らなければ受けない
であろうダメージを接着部に与えてしまう。
米国特許第３．８２７，６１９号に記載される別の方法
は、超音波ボンディング器具の横方向への運動に比例す
る電圧とボンディング中に加えられる力の接線方向の成
分に比例する電圧とを利用する。
概述すれば、この方法は、接着品質がボンディング工程
中に加えられるＸ及びＹ方向のカに比例するということ
に基いている。この方法は、破壊しないで引っ張る点で
利点があるけれども、各超音波）ンディングの実際の品
質を正確に判定する必要性には応じられない。
従って、本発明の目的は、超音波ポンディングの各々に
ついての品質を表わす出力を操作者に示すことである。
本発明の他の目的は、超音波接着部から器具を引き離す
力に対応する信号を記憶し、ボンディング品質の傾向に
ついて統計的分析を与えることである。
本発明によれば、超音波ボンディング器具を使用して線
を導電性端子にボンディングし、線から器具を分離する
のに必要なカに相応する信号を発生し、その信号に応答
して表示を与え（ディスプレイ）、線と導電性端子との
接着の品質に関するデータを操作者に示す、ステップか
ら成る高信頼性超音波ボンディング方法が開示される。
線を端子に接着するのには市販の超音波ボンディング装
置を使用することが望ましい。線は丸形又はリボン状の
ものを使用することができる。導電性端子は電子部品又
は基板の導体回路上にある。線から器具を分離又は引き
上げるのに必要なカに相応する信号は基板が載せられる
トランスジューサによって発生される。表示は電圧計が
ら成り、該電圧計トドランスジューサとの間に接続され
るチャージ増幅器に結合される。
ディスプレ”イに接続する代りに、信号が所定範囲を越
えたとき付勢される警報器に信号を結合することもでき
る。所定の信号範囲は、例えば、１０〜３０グラムの引
き上げカに相応する電圧範囲である。
本発明は、また、発生した信号をディジタル計算装置に
一合して複数の信号に関して統計的処理を行う。例えば
、標準偏差を計算することができる。また、ボンディン
グ品質の長期間の傾向を提供することもできる。
本発明は、また、超音波ボンディング器具を使用して線
を導電性端子にボンディングする装置と、線から前記器
具を引き離すのに必要な力に相応する信号を発生する装
置と、該信号に応答するディスプレイを設は導電性端子
への線の接着品質についてのデータを操作者に示す装置
と、から構成される高信頼性超音波ボンディング・シス
テムを開示する。導電性端子への線の接着品質について
の傾向を判定するため、前記信号はモニタされることが
望ましい。
本発明は、更に、ボンディング器具を有する超音波ボン
ディング装置と、該器具に近接してワーク・ピースを支
持しワーク・ピース上で前記器具によって超音波ボンデ
ィングを行う装置と、超音波ボンディング処理後ワーク
・ピースから器具を分離するのに要する力に対応する信
号を発生する装置と、の組合せを開示する。
本発明を以下実施例に従って詳細に説明する。
第１図を参照すると、ボンディング器具１０（ボンディ
ング・ウェッジ）が示される。これは市販の超音波ワイ
ヤ・ボンディング装置、例えばＫｕｌｉｃｋｅ＋５ｏｆ
ｆａ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ　　製のモデル４８４超音
波・ワイヤ溶接機の一部である。超音波ワイヤ・ボンデ
ィング装置は電子工業において広く利用され、電子部品
と基板の導体回路との間の小さい直径の接続線を接着す
るのに通常使用される。
一般に、超音波ボンディングのパラメータが操作者によ
って設定された後、正確な位置決め装置を使用して部品
又は回路の端子を器具１０の下に配置する。ボンディン
グ領域を正確に位置決めし点検するために通常顕微鏡が
使用される。次に、超音波ワイヤ・ボンディング装置が
作動され、線１１と接触した器具は、線が端子と接触す
る迄下げられる。器具は下方への圧力を加えた状態で、
例えば、６０ＫＨｚ　　の周波数で水平面内において振
動する。線は平らに伸ばされて接着される。次に器具は
引き上げられ、そして線がスプール１５から次の接着が
行なわれるリードの他端に送られる。スプールの線は次
の接着部で切断され、二つの端子間の接続線となる。
第１図及び第２図を参照すると、超音波ワイヤ・ボンデ
ィング装置の一部であるチャック支持ペデイスタル１２
が示される。チャック１４はトランスジューサ１６を支
持し、該トランスジューサには基板１８（ワーク・ピー
ス）が結合される。従来の装置では、チャックは基板を
保持又はクランプするのに使用される。チャック１４は
、従って従来のチャックでも良く、トランスジューサ１
６を支持するのに使用され、また、新しい型のものでも
よい。重要なことは、トランスジューサ１６が基板１８
に結合され、トランスジューサのチャ−ジ信号が基板に
加えられる垂直方向の力に対応することである。チャッ
ク１４はトランスジューサに取り付けられてもよく、そ
のときトランスジューサは周知の技術、例えば、クラン
プ又は接合（セメント）等を使用して基板に取り付けら
れる。
また、市販のトランスジューサの中にはねじ式のものが
ありチャック１４に設けられたねじに締めつけられる。
図示はしないが、別の実施例としてトランスジューサを
チャック１４の中ではなくボンディング器具の方に取り
付けることも可能である。
トランスジューサ１６は、例えばＫｒｉｓｔｌｅｒＩｎ
ｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製モデル９
２０１又は９２０３、等の水晶式のものが望ましい。他
のタイプのトランスジューサーを使用することはできる
けれども、水晶のトランスジューサは周波数応答が良く
、大きな負荷に対しても変位が小さく、大きな静的負荷
の下で小さな動的力に感度がよく、そして負及び正の力
を感知するという望ましい特徴を有する。第１図及び第
２図に示すように、ライン２０がトランスジューサ２２
とチャージ増幅器２４を接続している。基板１８上の垂
直方向力に応答してトランスジューサ１６から与えられ
るライン２０上のチャージ信号は、チャージ増幅器２４
によって比例する出力電圧に変換される。このチャージ
増幅器はＫｒ１ｓｔｌｅｒ　ＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓＣｏ
ｒｐｏｒａｔｉｏｎ製のモデル５００２シユアル・チャ
ージ増幅器を使用することができる。本発明によれば、
超音波ボンディング工程中、線を端子に接着するばかり
でなくポンディング器具に線を接着してしまう。従って
、器具が持ち上げられるとき、器具と線との接着が切断
される迄上方への力が線更には基板に及ぼされる。第４
図を参照すると、ワイヤ・ボンディングの１サイクルに
動的力を測定した典型−的例が示される。点４０で零レ
ベルの力は、線を結合した器具がボンディング面に下げ
られるとき図示するような下方へ（正）の力となる。イ
ンパクトの時点は点４２で示され、続いてリンギングが
生じる。図示の如く、そのときの力は典型的には約３０
グラムである。リンギングが減衰した後で水平方向の超
音波振動が加えられる。この振動は主に水平方向で行な
われるけれども、垂直方向の成分も４４で示すように現
われる。次に、器具が点４６で引き上げられるとき、図
示のように上方（負）の力が器具と線との接着を分離す
るのに必要となる。器具が線から離れると、基板上の力
は点４８で零になる。
本発明は、線と端子との主要接着と、線と器具との付随
的接着との間に相関関係を見い出した。
更に、付随的接着をモニタすることによって、主要接着
の品質についての予測を非常に高い信頼性第４図に示す
ような基板上の上方及び下方の力に対応する電圧が本発
明の装置によって与えられる。
再び第１図を参照すると、この電圧は負ピーク検出器２
６に結合され、器具を線から引き離すピーク引き上げ力
を操作者に可視表示する。
第６図を参照すると、第１図の負パルス・ピーク検出器
２６の回路例が示されろ。第６図の回路は周知のもので
あるので簡単に説明する。チャージ増幅器２４かもの入
力にはダイオード２８が設けられ正方向への振動が制限
される。入力信号はインバータ６０に結合され、該イン
バータは演算増幅器から構成することが望ましい。従っ
て、ラインろ２上の重要な信号は、器具を引き離す間の
基板１８における上方への力で正極性である。ボンディ
ング工程中に器具によって基板１８に生じる下方への力
はライン３２上の負電圧に対応し、これはピーク検出器
３４によっては検出されない。
ピーク検出器ろ４は、Ｂｕｒｒ−Ｂｒｏｗｎｆ７’）　
Ｂ　Ｂ　４０８５ハイブリツド・マイクロ回路ピーク検
出器が望ましい。ピーク検出器６４が制御パネルろ６に
よって制御されて検出モードにあるとき、器具の引き上
げ力に対応する正電圧のピークが検出され、ピーク検出
器の状態表示出力の論理状態を変化させる。この状態変
化に応答して、７４１２１　集積回路から成るパルス発
生器３７が電圧計６８にパルスを供給する。電圧計３８
はディジタル電圧計で構成することができ、パルス発生
器からのパルスに応答して、入力される電圧をサンプル
及びホールドしそれを電圧計パネルに表示する。ポテン
ショメータろ９は較正用である。電圧計３８はアナログ
表示にすることも可能である。更に、制御パネル３６は
装置をリセットする手段を備えている。
第３図に示すように、電圧計３８にはコンピュータろ５
が接続される。接着器具をモニタするにはコンピュータ
を必ずしも必要としないけれども、コンピュータ３５に
よって種々の処理が可能となる。例えば、コンピユーニ
ア３５をマイクロプロセッサから構成し、サンプリング
したすべてのデータを受は入れることができる。このデ
ータからコンピュータろ５は標準偏差を連続的に計算す
ることがテキる。また、コンピュータ６５は、接着が電
子部品か回路導体パッドかによって補整して正常と異常
の許容範囲を変更することができる。もし、接着引き離
し力がある型式の接着に対する許容範囲からはずれると
きにはベルを鳴らすこともできる。また、コンピュータ
ろ５は内在する傾向について操作者に警報を出すことも
できる。表示データを電圧計６８の表示パネルに転送す
ることもできる。
試験結果によって、接着強度と引き上げ力との相互関係
が明らかに存在することが示される。低い引き上げ力で
は、線と端子間の付着が不充分で接着は弱いものである
。これに対し、非常に強い引き上げ力の場合、線を過度
に歪ませ、線の接着が非常にうすい切れ端となって弱く
なる。従って、使用するボンディング材とボンディング
装置のボンディング・パラメータ設定との関数として変
化する引き上げ力の最適範囲がある。更に詳述すれば、
接着強度と引き離し力との相互関係は、線（又はリボン
）の性質、ボンディング表面の性質。
線のサイズ、ボンディング器具のサイズ、及び他のパラ
メータによって影響を受ける。換言すれば、特定の適用
に対しては、引き離し力を測定する制御した実験を行な
い、これらを破壊試験で決定した各接着強度と比較する
ことが望ましい。従って、特定の適用に対して、また、
標準と比較される将来の接着引き離し力に対して最適範
囲を決定することができ、高い信頼性の接着が保証され
る。種々の適用に対して取った試験データによって、接
着強度と引き離し力との関係が常に存在することが確認
された、これは基板がよごれている場合であっても当て
はまる。
第５図を参照すると、金−クロムでスパッタリングした
％インチ（１，２７ｃ７ｒＬ）　、Ｘ％インチのアルミ
ニウム基板と、１ミル（０，０２５ｍｍ）の９９％アル
ミニウム、１チシリコンの丸形ワイヤを使用した試験デ
ータが示される、ボンディング中の器具の力は一定のボ
ンディング期間中６０グラムに維持される。プロットし
た点を結んだ線は各引き離し力に対する接着力の平均を
示している。各点から垂直方向の矢印を付けた線は標準
偏差を示す、第５図において、引き離し力が５グラム以
下の領域は、引張り試験で端子から接着基部が分離する
型の欠陥が多い品質の良くない範囲で、線が端子に充分
接着する程変形していないことが多かった。
５乃至１０グラムの引き離し力の範囲は、接着力が低く
主な欠陥が接着から線に関するものが多くなる推移領域
である。１０乃至３５グラムの引き離し力の領域は、す
べてが線に関する欠酩で標準偏差が非常に低くなる。６
５グラム以上の領域は欠陥の種類は線についてのもので
あるが、接着部とリード線との間の切れ端部で線が非常
にうすくなるために接着力が低下する。要約すると、一
定の範囲、例えば１０乃至３５グラムの範囲では非常に
高い信頼性の接着を得ることができることをデータは示
している。
本発明を特定の実施例に従って説明したが、本発明の範
囲内で他の多くの変更及び修正が可能であることは明ら
かである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明のボンディング装置の図解説明図であ
る。 第２図は、第１図のボンディング部の拡大図である。 第３図は、第１図の負パルス・ピーク検出器の回路図で
ある。 第４図は、典型的超音波ボンディング操作中のボンディ
ング器具によって基板に加えられる力を時間の関数とし
て示す。 第５図は、引き離し力に対する接着力について実際にと
ったデータをプロットした図である。 （符号説明） １０：ボンディング器具 １２：ベデイスタル １４：チャック　　１６：トランスジユーサ１８：基板
　　　　２４：チャージ増幅器２６：負パルス・ピーク
検出器

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 （１）超音波ボンディング装置な使用して線を導電性端
    子にボンディングし。 前記ボンディング装置を前記線から分離するのに必要な
    力に相応する信号を発生し、前記信号をモニタし、前記
    線と導電性端子とのボンディングの品質を決定する、 ステップから構成される高信頼性超音波ボンディング方
    法。 （２）超音波ボンディング装置を使用して線を導電性端
    子にボンディングする装置と、 前記ボンディング装置を前記線から引き離すのに必要な
    力に相応する信号を発生する装置と、 前記信号をモニタし、前記線と導電性端子とのボンディ
    ングの品質を決定する装置と、から構成される高信頼性
    超音波ボンディング・システム。 （６）前記信号発生装置が前記導電性端子の基板に結合
    されたトランスジューサから成るところの特許請求の範
    囲第２項記載のシステム。 （４）前記モニタ装置がデジタル電圧計から成るところ
    の特許請求の範囲第２項記載のシステム。 （５）前記モニタ装置がデジタル・コンピュータから成
    るところの特許請求の範囲第２項記載のシステム。
JP57157936A 1981-09-10 1982-09-10 超音波ボンデイング方法及び装置 Granted JPS5859811A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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US06/300,728 US4373653A (en) 1981-09-10 1981-09-10 Method and apparatus for ultrasonic bonding
US300728 1981-09-10

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Publication Number Publication Date
JPS5859811A true JPS5859811A (ja) 1983-04-09
JPH0141031B2 JPH0141031B2 (ja) 1989-09-01

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CA (1) CA1181933A (ja)
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