JPS60134431A - ボンデイングボール形成のパルス幅制御 - Google Patents

ボンデイングボール形成のパルス幅制御

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JPS60134431A
JPS60134431A JP59249804A JP24980484A JPS60134431A JP S60134431 A JPS60134431 A JP S60134431A JP 59249804 A JP59249804 A JP 59249804A JP 24980484 A JP24980484 A JP 24980484A JP S60134431 A JPS60134431 A JP S60134431A
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JP
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lead wire
ball
pulse
shield
bonding
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ジヨン　エイ．カーツ
ドナルド　イー．コーセンズ
マーク　デイ．デユーフオー
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Fairchild Camera and Instrument Corp
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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】 本発明はリードワイヤボンディング装置のボンディング
工具内に保持されているボンディングワイヤ乃至はリー
ドワイヤの端部にボールを形成する為の新規な方法及び
新規な制御回路及び電源回路に関するものである。この
様なボール形成は集積回路チップのダイパッドへ細いＩ
Ｊ−トヮイヤをボールボンディングさせる場合に特に適
用可能なものである。本発明は、形成されるボールの上
方のリードワイヤに［ネック」乃至は弱体箇所を発生さ
せること無しに、例えば、アルミニウム又はその他の金
属からなるリードワイヤの端部に実質的に球状のボール
を最適に形成する為の迅速で制御された搬送及び精密な
タイミングを提供するものである。
外部回路に接続する為にリードフレーム上に取り付けら
れているマイクロ回路チップ乃至はダイへリードワイヤ
をボンディングする場合には通常ボールボンディングで
行なわれる。この技術によれば、細いリードワイヤ又は
ボンディングワイヤをキャビラリ工其内に保持し、リー
ドワイヤを該工具の端部を越えて突出させる。キャピラ
リ工具はボールボンディング装置の一部を構成しており
、該工具は集積回路チップのメタライズしたダイパッド
上方に適宜装着され位置決めされている。この様なポー
ルボンディング装置の例としては、米国特許第３，６４
３，３２１号に開示されており、ペンシルバニア１９０
４４．ホージャム、のクリツケアンドソファインダスト
リーズ（Ｋ＆Ｓ）によって製造されているモデル４７８
、高速ティルレス熱圧着ポールボンダーや、デジタルボ
ンディングヘッド付きのに＆Ｓモデル１４１８／１４１
９、自動高速ワイヤボンダーや、Ｋ＆Ｓモデル１４８２
、自動ワイヤボンダーや、米国特許第４，３４３，７５
９号及び第４，０９８，４４７号に開示されている英国
アビントンのザ・ウェルディング・インスティチュート
のポールボンディング装置等がある。
例えば、ボンディングワイヤと別の電極との間にアーク
放電を起こさせることによってリードワイヤ又はボンデ
ィングワイヤの端部にボールを形成する。リードツイヤ
の端部において金属の溶融部分が表面張力の下で球状の
ボールを形成する。
固化した後に、リードワイヤの端部の金属ボールをメタ
ライズさせたダイパッドと密着させ、通常、熱圧着乃至
は超音波ボンディングによってボンドを形成する。
リードワイヤをボンディングする為の従来のボール形成
方法は、ボール形成工程における制御がなされていない
為に種々の欠点を有しており、特に寸法、形状、全体的
な強度、品質が変動するとかボンディングボールが酸化
する等の問題がある。
特に、ボール形成における従来の方法における問題の１
つは屡々ボンディングボールの上方に発生するリードワ
イヤの細径化乃至は弱体化である。
この様なボールに隣接するステムにおけるリードワイヤ
の細径化乃至は弱体化は「ネッキングＪと呼称され、ボ
ールボンディングを行なう場所においてリードワイヤを
破断したり破壊したりする危険性がある。従来のボール
ボンディング装置及び方法のその他の欠点は「ボンディ
ングワイヤボール形成方法及び装置」という名称で本願
出願人に譲渡されている米国特許第４，３９０，７７０
号の「背景技術」の欄に記載されている。
米国特許第４，３９０，７７１号に記載されているボン
ディングワイヤボール形成用の改良された装置及び方法
によれば、キャピラリ工具から突出するボンディングワ
イヤの端部にボールを形成する場合に、ボンディングワ
イヤの端部をシュラウド乃至はシールド内に実質的に包
囲させ、該シュラウド乃至はシールド及びボンディング
ワイヤの端部を不活性ガスで充満させ、リードワイヤと
補助電極として機能するシュラウド乃至はシールドとの
間に制御した電気アーム放電を発生させている。該特許
に開示された方法によれば、電気パルスからなる制御し
たパルス列が発生され、ワイヤとシュラウドとの間にア
ーク放電を発生すべく給送され、従ってパルス列によっ
て供給されるエネルギ量は所望の寸法のボールを溶融す
るのに必要とされるエネルギ条件と精密に合致している
。
然し乍ら、本発明者等が知見したところによれば、一層
短期間で一層の迅速性を持って且つボールボンディング
装置の関連した協同動作に関してアーク放電エネルギの
タイミング制御を改善してボール形成エネルギを供給す
ることにより、［ネッキング」の問題を解消することが
可能であると共にボールの寸法及び品質の制御を行なう
ことが可能である。
本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、その
目的とするところは、上述した如き従来技術の欠点を解
消すると共に、ボールボンディング装置内においてアー
ク放電用のボール形成エネルギの供給に関して一層短期
間に一層精密なタイミング制御を提供することである。
本発明の別の目的とするところは、手動、半自動、及び
自動ボールボンディング装置におけるボンディングボー
ルの形成の為に新規なタイミング制御回路・電源回路を
提供することである。
本発明の更に別の目的とするところは、ボールの上方に
リードワイヤの［ネッキング」乃至は細径化を発生させ
ること無しに最適なボールを形成することの可能なアー
ク放電の最小と最大の期間の間の時間窓を決定すると共
にそれを使用する方法を提供することである。
本発明によれば、第１期間の間中シールドを介してカバ
ーガスを供給する為にボンディング装置上のカバーガス
供給シュラウド乃至はシールドの延長を制御する為の第
１期間の第１制御パルスを発生する第１タイミング要素
を具備した比較的低電圧の制御回路が提供される。第２
タイミング要素がボール形成を開始する前にカバーガス
移動遅延を導入する為に第２期間の第２制御パルスを発
生し、その際にシールド及びリードワイヤの端部から酸
素を排除させる。第３タイミング要素が、シールドとリ
ードワイヤとの間のアーク放電を開始させる為に第２制
御パルスに引き続いて第３期間の第３制御パルスを発生
する。第３制御パルスの期間はアーク放電の期間を制御
してそれがアーク放電の最小期間と最大期間との間の経
験的に決定された時間窓内のものであって且つ形成され
るボールの上方のリードワイヤにネッキングを発生させ
ること無しにリードワイヤの端部に実質的に球状のボー
ルである最適なボールが形成される様に調節されている
。第４タイミング要素は第３制御パルスに引き続いて第
４期間の第４制御パルスを発生し、ボールボンディング
の前にカバーガスの流れの中のリードワイヤの端部に形
成されたボールを冷却する為に冷却遅延を導入させてい
る。
本発明によれば、これらのタイミング要素は、例えばデ
ュアル再トリガー可能で再設定可能なマルチバイブレー
タとすることが可能であり、且つフリップフロップを調
節して第１制御パルスの第１期間が順次の第２、第３、
及び第４制御パルスの合成期間と実質的に同じであるか
又はそれよりも大きい様に構成しである。更に、第１制
御パルスは順次の第２、第３．及び第４制御パルスと時
間的に実質的に一致している。
本発明によれば、更に、比較的に高電圧の電源回路を提
供しており、それはカバーガス供給シールド乃至はシュ
ラウドとリードワイヤ、比較的高電圧の電圧源、抵抗、
°及びトランジスタスイッチ等の電子スイッチであって
それが導通状態にある場合には抵抗を介して比較的高電
圧の電圧源をシールド及びリードワイヤへ印加させ且つ
それが非導通状態にある場合には比較的高電圧の電圧源
をシールド及びリードワイヤから遮断させる電子スイッ
チを有している。更に、比較的低電圧のタイミング制御
回路は結合要素を介して比較的高電圧の電源回路に結合
されており、従って第３制御パルスは実効的に電子スイ
ッチの導通状態を制御している。
本発明の好適な実施形態においては、結合要素が光学的
結合を与えており、それにより比較的低電圧のタイミン
グ制御回路を比較的高電圧の電源回路から電気的に分離
している。例えば、該制御回路は、アーク放電タイミン
グパルスである第３制御パルスに対応する光学的パルス
を射出する発光ダイオードを有することが可能である。
電源回路は電子スイッチを制御する光学的トランジスタ
乃至はホトトランジスタ等の光学的リレーを具備してい
る。
本発明の好適範囲においては、例えば、３４０Ｖ乃至１
，３００Ｖの範囲のＤＣ電圧を、例えば、５オーム乃至
２００オームの範囲の抵抗を介してシールド及びリード
ワイヤへ印加させ、アーク放電ボール形成エネルギを迅
速に供給する。この範囲の下限である３４０ｖは、実現
可能なアーク放電を確立することが可能な下限電圧であ
る。選択した電圧及び抵抗に応じて、本発明では、ネッ
キングを発生すること無しに球状のボールの最適なボー
ルを形成することが可能な最長及び最小のアーク放電期
間を経験的に決定し、従って前記最長及び最小のアーク
放電期間の間の時間窓を経験的に決定する。例えば、１
．２５ミルのアルミニウムのリードワイヤを使用して約
５０オームの抵抗を介して４００乃至８５０ｖの範囲内
の電圧を印加することにより、ネッキングを発生するこ
と無しに最適なボールを形成する為のアーク放電期間の
範囲即ちアーク放電制御パルス乃至は第３制御パルスの
範囲は約０．６５乃至０．７０ミリ秒（ｍＳ）である。
最適ボール形成の為のアーク放電の最長期間及び最小期
間の全体的な長さは選択した高電圧及び抵抗に応じて変
化するものであるが、本発明者等が知得したところによ
れば、この様なアーク放電及びアーク放電制御パルス用
の最小及び最大期間の間の時間窓は選択された値の好適
範囲に渡って約０．０５乃至０．１ミリ秒の間に留まっ
ている。従って、ネッキングを発生すること無しに最適
なボール形成を行なうアーク放電の最小及び最大の期間
の間の時間窓が０．０５乃至０．１ミリ秒となる様に電
圧及び抵抗の値を選択する。
最初に、ボンディング工具の下側に延在するリードワイ
ヤのテール長さが所望のボール寸法及び質量を与える様
に選択する。基本的に、ボール形成過程中にテール長さ
全体がボールを形成する。
電圧、従って電力乃至はエネルギ供給率は、テール長さ
金属の質量が実質的に完全な球を形成するのに適切な特
定の車内のレベルに選択される。このことは、通常、本
発明によれば、ネッキングを発生せずに最適な球状のボ
ール形成を行なうアーク放電の最大及び最小期間の間の
０．０５ミリ秒乃至０．１ミリ秒の範囲内の時間窓内に
なる。この様な時間窓は、例えば、好適なパラメータと
した場合には、約０．６５乃至０．７０ミリ秒のアーク
期間内に納まる。
次いで、アーク放電期間を球状のボールを支持する為に
所望の径乃至は厚さのネックとする為に。
本発明に基づいて時間窓内の値に選択する。長い方の期
間の時間パルス端即ち時間窓の境界においてまっすぐの
ネックが形成され、又短い方の期間の時間パルス端即ち
時間窓の境界において太径化した即ち強化されたネック
が形成される。従って、時間窓も、最大の時間のパルス
が球状のボールの上方に直線状のネックを形成し且つ最
小の時間のパルスが球状のボールの上方に強化したネッ
クを形成する様なアーク放電時間パルスの期間の範囲と
して定義される。
従って、本発明によれば、ボンディング工具の下側に延
在するリードワイヤのテール長さを所望の寸法のボール
を与える様に選択し、テール長さの金属の質量の実質的
に完全な球を形成する為に電圧を特定の範囲内に選択し
、アーク放電及び第３時間パルスを所望のネック太さを
与える様な時間窓内の値に選択する。本発明の特徴及び
利点は、それが太径化されて強化されたネックによって
支持されて実質的に完全な球を実際に提供することが可
能であるということであり、この様な構成は本発明者等
の知る限りでは従来得ることが出来なかったものである
。
本発明は、新規なタイミング制御回路及び電源回路を操
作することにより、且つ前述した原理に基づいてボール
ボンディング装置を操作することにより制御したボンデ
ィングボール形成を行なう装置及び方法に関するもので
ある。本発明は、前に述べた様な既存のポールボンディ
ング装置や、新しい独立型のポールボンディング装置を
レトロフィツトする事によって実施することも可能であ
る。
以下、添付の図面を参考に本発明の具体的な実施の態様
に付いて詳細に説明する。
第１図は、例えば、公開された欧州特許出願節ｔ！Ｐ−
Ａ−０１１５９９８号及び第ＨＰ−Ａ−０１２０７４６
号に記載されているタイプのボールボンディング装置シ
ステム１０のブロック線図である。システム１Ｏは、従
来技術に関して前述したタイプの基本的なボールボンダ
ー乃至はポールボンディング装置１２を有している。ボ
ンダー１２は、超音波発生器１４から派生される超音波
エネルギをキャピラリボンディング工具で印加すること
によって、集積回路チップのダイパッドへリードワイヤ
のボールボンディングを行なうか、又はリードワイヤを
リードフレームフィンガへウェッジボンディングを行な
う。
欧州特許出願筒ＥＰ−Ａ−０１２０７４６号に記載され
る如く、ボールボンド又はウェッジボンドに続いて、論
理回路１５によってシステム遅延が与えられ、その際に
ボンディング工具がボンディング箇所の上方に上昇され
る。これに続いて、別の論理回路１６によって制御され
たセンス期間が与えられ、その間にボンド・溶接試み検
知器１８がボールボンド又はウェッジボンドの失敗があ
ったかどうかをセンスし検知する。第１図の実施例の特
定のシステムの更に詳細な説明は、欧州特許出願筒ＥＰ
−Ａ−０１２０７４６号に開示されており、特にその第
１２図及び第１２Ａ図に関して記載されている。ここで
は、本発明をこの様な実施例に関して説明するが、本発
明をどの様な特定のポールボンディング装置及びシステ
ムに関しても実施したり又はレトロフィツトさせたりす
ることが可能であることは明らかである。
本発明の要旨は第１図のブロック線図の下側の４つのブ
ロックに表さおでおり、それは部分的なフローチャート
として見ることが可能であり、即ちシールドアウト・カ
バーガス遅延タイミング要素はステップ２０に該当し、
フレームオフ制御乃至はアーク放電制御タイミング要素
はステップ２２に該当し、フレームオフ供給乃至は高電
圧アーク放電電源はステップ２４に該当し、カバーガス
遅延・シールド後退タイミング要素はステップ２５に該
当する。注意すべきことであるが、「フレームオフ」と
いう用語は、リードワイヤの端部にボールを形成する為
に如何なるタイプのものであってもエネルギを印加する
ことを表す技術用語である。本明細書においては、ボー
ル形成は制御したアーク放電によって達成されるもので
あるが、ボールボンディング技術の初期の段階において
は、ガスフレームは残存用語としても使用されていた。
第１図のブロック線図の下半分に付いて他の図面を参考
に以下詳細に説明する。
第２図の高電圧電源回路３０は商用電圧３２に接続され
ている。商用電圧から、バリアツク３３と、ステップア
ップ変圧器３４と、余波整流ブリッジ３５とを介して高
レベルＤＣ電圧が発生される。バリアツク３３を介して
のＡＣ商用電圧の変動が変圧器３４の２次側においてＡ
Ｃ電圧のレベルを、例えば、８３０乃至８５０Ｖ　（ピ
ーク・ピークＡＣ）の範囲迄制御する。従って、全波整
流ブリッジ３５の出力からの実効ＲＭＳＤＣ電圧は例え
ば、１２００乃至１３００ＶＤＣ迄変化させることが可
能である。フィルタ３６がスパイクをラウンドオフさせ
と共に、整流されたＤＣ電圧を平滑化させる。− トランジスタＴｌは高電圧ゲートランジスタであって、
それはカバーガス供給シールド乃至しシュラウドとリー
ドワイヤとを有するアーク放電回路への比較的高電圧の
ＤＣ電圧の印加を制御する為の電子スイッチとして高電
圧電源回路３Ｏ内で機能する。トランジスタ電子スイッ
チＴ１が導通状態にあると、正極性で整流されたフィル
タＤＣ電圧が抵抗３８を介してカバーガス供給シュラウ
ド乃至はシールド（不図示）ｌ＼印加される。このカバ
ーガス供給シールドは、例えば、米国特許第４．３９０
，７７１号の第４図及び第５図に示したタイプのもので
ある。
シュラウド側を正極性とし且つリードワイヤ側を負極性
乃至は陰極として確立する特徴及び利点は、リードワイ
ヤとシュラウドとの間の空気又はカバーガスにおいてリ
ードワイヤの鋭利な端部は一層迅速なブレークダウン及
びイオン化を発生させることを可能とするからである。
従って、アーク放電を一層迅速に且つより制御性をもっ
て起こさせることが可能である。更に、リードワイヤの
より小さな体積に対して負極性即ち陰極を確立すること
により、ワイヤは一層迅速に加熱され、ボール形成が一
層迅速に行なわれる。
第２図の例においては、比較的高いＤＣ電圧が印加され
る抵抗３８は、例えば、５０オームである。然し乍ら、
抵抗３８の抵抗値は、例えば、５乃至２０００オームの
範囲に渡って選択することが可能であり、又アーク放電
の開始を一層迅速なものとし且つエネルギを一層迅速に
供給する為には、例えば、５乃至２００オームの低い範
囲のものとすることが好適である。抵抗３８の値は、全
波ブリッジ３５の出力で選択される電圧に応じて変化さ
せることが可能である。これは、例えば、３４０乃至１
３００ＶＤＣの範囲に渡って変化させることが可能であ
り、以後に説明する実施例においては、４００乃至８５
０ＶＤＣの範囲内に選択されている。選択された電圧と
抵抗３８とを整合させる基準に付いては更に第５図を参
照して説明する。
これらの基準としては、所望の質量及び寸法のボールと
する為にボンディング工具の下側に延在するリードワイ
ヤのテール長さを選択すること、該テール長さ金属を実
質的に球状のボールに形成するのに適切な特定の範囲内
に電圧を選択すること、及び所望のネック太さを与える
為に本発明の基づく時間窓内にアーク放電期間を選択す
ること等がある。
トランジスタ電子スイッチＴ１の導通状態はホトトラン
ジスタＴ２の導通状態によって制御され、ホトトランジ
スタＴ２のコレクタ・エミッタ回路は抵抗３７を介して
トランジスタＴ１のベースへ接続されている。ホトトラ
ンジスタ即ち光学的応答性のトランジスタＴ２は、後述
する如く、第３図のタイミング制御回路によって供給さ
れる光パルス４０に応答する。光パルス４Ｏは低レベル
電圧制御パルスに対応し、それはトランジスタＴ１を導
通状態へスイッチさせることによってアーク放電を開始
させ、トランジスタＴ１の導通状態の期間を制御するこ
とによってアーク放電の期間を制御する。トランジスタ
Ｔ１のベースを駆動する為にホトトランジスタＴ２によ
って制御される低レベル電源電圧は、ステップダウン変
圧器４２及び第２低電圧余波整流ブリツジ４４を介して
商用電圧３２から派生される。この低レベル電圧電圧は
、全波ブリッジ４４の出力端において１例えば８乃至９
ＶＤＣであり、そ九はフィルタ要素４５によってフィル
タされ、且つトランジスタＴ１のベース・エミッタ回路
へベース駆動を与える為の低レベル電圧の印加を制御す
るホトトランジスタＴ２のコレクタ・エミッタ回路へ接
続されている。
２メグオームの抵抗４６が高電圧トランジスタＴ１から
の全ての漏れ電流を排出させる。
第２図の電源回路と後述するボールボンディング装置の
要素との間で同期し且つ協同する制御を行なう為のタイ
ミング制御回路５０を第３図に示しである。ブロックＩ
Ｃ１及びＩＣ３はデュアル再トリガー可能で再セツト可
能なマルチバイブレータであって、例えば、通常７４１
２：Ｕｌ！積回路と呼ばれているもの等であり、一方ブ
ロックＩＣ２はブリップフロップであって、例えば、通
常７４７６集積回路と呼ばれているもの等である。タイ
ミング制御回路５Ｏの動作及び以下の記載は第４図のタ
イミング線図を参照することにより一層良く理解するこ
とが可能である。ボール形成を開始する為にポールボン
ディング装置から派生される信号は端子５１においてＩ
Ｃ１の最初の半分即ち第１マルチバイブレータの入力端
子λ１へ印加される。
第１図のシステム実施例の意味合いにおいて端子５１に
おける信号も、ボンド溶接サイクルの完了及びリードワ
イヤの端部にボール形成することにより新たなボンド溶
接サイクルの為の準備を表すボンド・スラッシュ溶接試
み検知器１８がら派生させることも可能である。
端子５１及び工Ｃ１の入力端λ１にボール形成信号が現
れると、出力Ｑ１は低となり、フリップフロップＩＣ２
のラッチＳＤＩをセットする。従って、ＩＣ２の出力Ｑ
１は高となって高レベル出力信号を供給し、該信号がカ
バーガス供給シールド乃至はシュラウドをリードワイヤ
の端部における延長位置へ延長させ、且つ該シールドを
介してカバーガスをリードワイヤの端部への供給を行な
わせる。従って、ＩＣＩのる１出カによってセットされ
るフリップフロップＩＣ２は、第１制御パルスの第１期
間を介してシールドの延長乃至は突出とカバーガスの供
給とを制御する第１期間の第１制御パルスを発生する第
１タイミング要素を構成するものと考えることが可能で
ある。
ＩＣＩの第１出力Ｑ１も工Ｃ１の後の半分即ち第２マル
チバイブレータの入力端λ２へ接続されている。Ｑｌが
低となると、八２がセットされ、工Ｃ１の第２出力Ｑ２
が高となって出力パルスを発生し、該出力パルスはシー
ルド及びリードワイヤの端部近傍から空気及び酸素を除
去する為に、例えば、３ミリ秒の期間の間カバーガス移
動遅延を確立する。ＩＣ１の後の半分即ち第２マルチバ
イブレータはＩＣＩのＱ１出力によってセットされ、カ
バーガス移動遅延を制御する為の第２期間の第２制御パ
ルスを発生する第２タイミング要素を構成するものとし
て考えることが可能である。
注意すべきことであるが、工Ｃ２のＱ１出力における［
シールドアウト」第１タイミング制御パルス及びＩＣ１
のＱ２出力におけるカバーガス移動遅延タイミング制御
パルスは同時に開始される。
工Ｃ１のＱ２出力におけるカバーガス遅延タイミング制
御パルスが低となると、ＩＣ３の最初の半分即ち第１マ
ルチバイブレータの入力Ａ１がトリガーされ、ＩＣ３の
最初の半分のＱｌ出力が高となって、シールドとリード
ワイヤとの間のアーク放電の期間を制御する為の第３タ
イミング制御パルス即ちアーク放電制御パルスを開始さ
せる。
従って、ＩＣ３の最初の半分即ち第１マルチバイブレー
タは、アーク放電の期間を制御する為の第３タイミング
制御信号を発生する第３タイミング要素として機能する
。ＩＣ３のパラメータは第３Ａ図に関して以下に記載す
る如く調整されており。
従ってＱｌはネッキングを発生することなく球状のボー
ルを形成する最適なボール形成を行なうことの可能なア
ーク期間の最小と最大の期間の間の時間窓内において終
了するパルス期間の間、高状態を維持する。例えば、第
２図乃至第５図の例に関して説明すると、選択されたパ
ラメータに対して、ＩＣ３のＱ１出力を、例えば、０．
６５乃至０．７０ミリ秒の期間の間、高状態に維持すべ
くセットすることが可能である。　’Ｉ　Ｃ３のＱ１出
力が高状態を維持するパルス期間の間、増幅用トランジ
スタＴ３は導通状態となり発光ダイオード５２を介して
電流を供給する。発光ダイオードのＬＥＤ５２は第３制
御パルスのパルス期間即ちＩＣ３のＱ１出力におけるア
ーク放電制御パルスに対応する期間の光パルス４０を射
出する。光パルス４０は第２図の高電圧電源回路内のホ
トトランジスタＴ２によって受光され、トランジスタ電
子スイッチＴ１の導通状態を制御し、その際に最適なボ
ール形成を行なう為にシールドとリードワイヤとの間の
アーク放電の期間を開始させると共に制御する。
ＩＣ３のＱ１出力が低となると、アーク放電が終了する
。更に、ＩＣ３のＱ１出力はＩＣ３の後の半分即ち第２
マルチバイブレータのλ２入力へ接続されている。従っ
て、ＩＣ３のＱｌが負即ち低となると、ＩＣ３のＡ２が
トリガーされ、ＩＣ３の後の半分の出力Ｑ２が高となり
、冷却遅延を開始させると共に制御する第４タイミング
制御パルスを発生させる。ＩＣ３は、爾後のボールボン
ディングを行なう前にリードワイヤの端部に溶融されて
形成されているボールを冷却する為に、Ｑ２出力パルス
が例えば、３ミリ秒の期間を持つ様に調整されている。
従って、ＩＣ３の後の半分即ち第２マルチバイブレータ
は第４期間の第４タイミング制御パルスを発生する第４
タイミング要素を構成するものと見ることが可能である
。ＩＣ３のＱ２における第４タイミング制御パルスが低
となると、それはフリップフロップＩＣ２のＣＤＩをト
リガーし、該フリップフロップをクリアする。
従って、ＩＣ２のＱｌにおける第１タイミング制御信号
は低となる。カバーガス供給シールドが後退し、カバー
ガスの供給が終了する。
本発明の多数の特徴は第３図及び第４図を参照して注目
することが可能である。第２、第３、及び第４タイミン
グ制御パルスは直列的な態様で互いに順次に動作される
。ＩＣ２のＱｌに第１制御パルスが現れると同時に順次
的な第２、第３、及び第４制御パルスのシーケンスが開
始される。又、第２、第３．第４制御パルスのパルスシ
ーケンスもＩＣ２のＱｌにおける第１制御パルスと同時
に終了する。本発明方法によって実施される物理的なス
テップにおいて、シールドの延長とカバーガスの供給の
期間を制御する「シールドアウト」第１制御パルスは、
順次の第２．第３、第４制御パルスの合成期間と等しい
期間を有しており、且つ実際に第１制御パルスは実質的
にこれら３つの順次パルスと一致する。
タイミング制御パルスのパルス期間のセツティング、調
整、及び制御を示す為に、デュアル再トリガー可能で再
セツト可能なマルチバイブレータＩＣ３の１つを第３Ａ
図に詳細に示しである。第３Ａ図に示した如く、デュア
ルマルチバイブレータＩＣ３は最初の半分即ち第１マル
チバイブレータ５４と後の半分即ち第２マルチバイブレ
ータ５５とに分割されている。最初の半分５４は、ＩＣ
３のＱｌで第３制御パルス即ちアーク放電制御パルスを
発生する第３タイミング要素を構成している。このアー
ク放電制御パルスの期間は抵抗Ｒ３及びコンデンサＣ３
のパラメータを選択することによって調整され且つ設定
されており、従ってパルス期間はネッキング無しに球状
ボールの最適ボール形成を行なう様にアーク放電の最大
期間と最小期間との間の臨界的な時間窓内に入っている
。
ここに記載し、例えば第２図及び第３図において選択し
てパラメータに対する実施例において、第３制御パルス
即ちアーク放電制御パルスのパルス期間は約０．６５乃
至０．７０ミリ秒の臨界的な範囲内に実質的に設定され
ており、即ち最適なボール形成の為のアーク放電の最大
及び最小の期間の間の０゜０５乃至０．１ミリ秒の幅を
持った最適時間窓内に設定されている。
ＩＣ３の後の半分５５は、ＩＣ３のＱ２出力で第４制御
パルス即ち冷却遅延制御パルスを発生する第４タイミン
グ要素を実効的に形成している。
冷却遅延制御パルスの期間は抵抗Ｒ４及びコンデンサＣ
４に対するパラメータを選択することによって調整され
る。
第２図及び第３図の電源回路及び制御回路を使用し且つ
本発明方法に基づいてボール形成を行なった結果を第５
Ａ図乃至第５Ｅ図に示しである。
１．２５ミルのアルミニウムのリードワイヤのボンディ
ングの場合、抵抗５０オームを介して４００乃至８５０
ｖの範囲内のアーク放電用に高電圧のパラメータを選択
した。幅が０．０５乃至０．１ミリ秒のオーダーの最適
時間窓の外側で０．６５０及び０．７００ミリ秒のアー
ク放電期間の何れかの側へ多少とびでると、リードワイ
ヤ６０のネッキング乃至は弱体化が発生する。この様な
ネッキング乃至は弱体化６２は、例えば、第５Ａ図、第
５Ｄ図、第５Ｅ図、に示されている。更に、第５Ｂ図及
び第５Ｃ図に示した球状形状の最適ボール６５と対比し
て、第５Ａ図及び第５Ｅ図に示した不規則的なボール６
４に示される如く、最適なボール形成寸法、形状、及び
品質は最適時間窓の両側で崩れる。第５Ｃ図に示した如
く、ボール６５に隣接したネック乃至はステム６６は最
適時間窓の短い時間期間乃至は境界で実際に太径化及び
強化される。第５Ｂ図に示した如く、球状ボール６５に
隣接したリードワイヤ６０のネック乃至はステムは時間
幅の長いパルス期間の端部乃至は境界で直線状態を維持
している。ボール形成窓の最適条件は明らかに厳しいの
で、アーク放電の最小及び最大期間、及び最適なボール
形成を行なうことの可能なアーク放電制御パルス即ち第
３制御パルスは回路パラメータの各選択に対して経験的
に正確に決定されるべきであるが、最適ボール形成の時
間窓の場合最大のパルスと最小のパルスとの間で０．０
５乃至０．１ミリ秒の範囲内の時間窓を通常画定する。
従って、本発明においては、所望のボール寸法及び質量
を与える為にボンディング工具の下側へ延在するリード
ワイヤのテール長さを選択する工程と、前記テール長さ
の金属の質量を良好に形成した球へ形成するのに適当な
特定の範囲内のレベルに電圧を選択する工程と、ネッキ
ング無しに球状のボールの最適ボール形成を行なうアー
ク放電の最大と最小の期間及びこの様な最大及び最小の
時間パルス期間の間のボール形成最適化条件の時間窓を
経験的に決定する工程を有している。本発明者等の知得
したところによれば、選択したパラメータの好適範囲全
体に渡って、最適条件のボール形成窓、即ち最適ボール
形成を行なうアーク放電の最小と最大の期間の間の時間
窓は、０．０５乃至０．１ミリ秒のオーダーに実質的に
同一のままである。従って、本発明に基づく第３タイミ
ング制御パルス即ちアーク放電制御パルスの期間が所望
の太さのネックを与える様にボール形成最適条件の時間
窓内に入る様に調整される。
以上、本発明の具体的実施の態様に付いて詳細に説明し
たが、本発明はこれら具体例にのみ限定されるべきもの
では無く、本発明の技術的範囲を逸脱すること無しに種
々の変形が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
第１図は自動ボールボンディング装置の大型のシステム
において本発明に基づいて制御したボンディングボール
形成を行なう為の装置及び方法を示したブロック線図、
第２図は第１図のブロック線図内に示した本発明に基づ
く電源回路の概略図、第３図は本発明に基づくタイミン
グ制御回路の概略図、第３Ａ図は第３図のタイミング制
御回路内に組み込まれたデュアル再トリガー可能で再セ
ツト可能のマルチバイブレータの１つの更に詳細を示し
た概略図、第４図は第３図のタイミング制御回路の動作
を示したタイミング線図、第５Ａ図乃至第５Ｅ図はネッ
キングを発生すること無しに球状のボンディングボール
の最適ボール形成を行なうアーク放電の最小及び最大期
間の間に時間窓を経験的に決定する為にアーク放電の引
き続く期間で本発明に基づいて形成したボンディングボ
ールと好適な時間窓範囲とを示した各説明図、である。 （符合の説明） １Ｏ：ボールボンディング装置システム１２：ボールボ
ンディング装置 １４：超音波発生器 １５：論理回路 １６：論理回路 １８：ボンド・溶接試み検知器 ２０：シールドアウト・カバーガス遅延タイミング要素 ２２：フレームオフ制御（アーク放電制御）タイミング
要素 ２４：フレームオフ供給（高電圧アーク放電電源）回路 ２５：カバーガス遅延・シールド後退タイミング要素 特許出願人　フェアチアイルド　カメラアンド　インス
トルメント コーボレーシ３ン 第１頁の続き ０発　明　者　マーク　ディ、デユー　アメリカ合衆国
。 フォー　ト　ストリート メイン　０４１０１．ポートランド、グラン５

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、　リードワイヤボンディング装置のボンディング工
    其内に保持されているリードワイヤの端部において制御
    したボンディングボール形成を行なう装置において、前
    記ボール形成は前記ボンディング装置の延出及び後退可
    能なカバーガス供給シールドと前記リードワイヤとの間
    にアーク放電を起こさせることによって行なうものであ
    り、前記アーク放電により集積回路チップのダイパッド
    へボールボンディングを行なう為に前記リードワイヤの
    端部に溶融してボールを形成するボンディング装置にお
    いて、比較的低電圧の制御回路手段を設けてあり、該比
    較的低電圧の制御回路手段が、第１期間に渡って前記シ
    ールドの延出と前記シールドを介してのカバーガスの供
    給とを制御する為の第１期間の第１制御パルスを発生す
    る第１タイミング手段と、ボール形成前に前記カバーガ
    スシールドと前記リードワイヤの端部とから酸素取り除
    く為にカバーガス移動遅延を導入する為の第２期間の第
    ２制御パルスを発生する第２タイミング手段と、前記シ
    ールドとリードワイヤとの間にアーク放電を開始する為
    に前記第２制御パルスに逐次的に続く第３期間の第３制
    御パルスを発生する第３タイミング手段であって前記第
    ３タイミング手段と前記第３制御パルスの期間とが形成
    されるボールの上方のリードワイヤにネッキングを発生
    すること無しにリードワイヤの端部に実質的に球状のボ
    ールを最適形成するアーク放電の最小と最大の期間の間
    に経験的に決定される時間窓内に前記アーク放電の期間
    を制御すべく選択されている第３タイミング手段と、ポ
    ールボンディングの前にカバーガスでリードワイヤの端
    部に形成されたボールを冷却する為に冷却遅延を導入す
    る為に前記第３制御パルスに続いて第４期間の第４制御
    パルスを発生する第４タイミング手段と、を有しており
    、前記複数個のタイミング手段は前記第１制御パルスの
    第１期間が前記順次の第２、第３、及び第４制御パルス
    の合成期間と実質的に同じであるか又は大きく且つ前記
    第１制御パルスが前記順次の第２、第３、及び第４制御
    パルスと時間的には実質的に一致する様に構成されてお
    り、比較的高電圧の電源回路手段を設けてあり、前記電
    源回路手段が、前記シールド及びリードワイヤと、比較
    的高電圧の電圧源と、抵抗手段と、電子スイッチ手段と
    、を有しており、該電子スイッチ手段はそれが導通状態
    にある場合には比較的高電圧の電圧源を前記抵抗手段を
    介して前記シールド及びリードワイヤへ印加させ且つそ
    れが非導通状態にある場合には前記比較的高電圧の電圧
    源を前記シールド及びリードワイヤから遮断させ、前記
    第３タイミング手段及び第３制御パルスが実効的に前記
    電子スイッチ手段の導通状態を制御する用に前記比較的
    低電圧の制御回路手段と比較的高電圧の電源回路手段と
    を結合させる第１結合手段を設けてあり、前記比較的低
    電圧の制御回路手段とリードワイヤボンディング装置と
    を結合する第２結合手段であって前記ボンディング装置
    から信号を受け取って制御したボンディングボール形成
    を開始すると共に前記ボンディング装置へ信号を供給し
    てカバーガス供給シールドを制御する第２結合手段を設
    けたことを特徴とする装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記第１結合手段
    は光学的結合手段を有しており、前記比較的低電圧の制
    御回路手段を比較的高電圧の電源回路手段から電気的に
    分離していることを特徴とする装置。 ３、特許請求の範囲第２項において、前記比較的に低電
    圧の制御回路手段は前記第３制御パルスに対応する光学
    的パルスを射出する発光ダイオード手段を有しており、
    且つ前記比較的高電圧の電源回路手段は前記光学的パル
    スに応答して前記電子スイッチ手段の導通状態を制御す
    べく結合されている光学的に応答するリレ一手段を有し
    ていることを特徴とする装置。 ４、特許請求の範囲第１項において、前記第１タイミン
    グ手段は前記シールドの延出及びカバーガスの供給を制
    御する為に第１制御パルスを供給する為に前記リードワ
    イヤボンディング装置に接続されている出力端を持った
    フリップフロップを有しており、前記第２タイミング手
    段は制御したボール形成を開始する為に前記ボンディン
    グ装置から信号を受け取る為の入力端を持った第１デユ
    アルマルチバイブレータを有しており、前記第１デユア
    ルマルチバイブレータは前記シールドの延出とカバーガ
    スの供給を開始する為に前記フリップフロップに接続さ
    れた第１出力手段と前記第２制御パルスを供給する様に
    構成された第２出力手段とを有しており、前記第３及び
    第４タイミング手段は前記第１デユアルマルチバイブレ
    ータの前記第２出力手段へ接続された第２デユアルマル
    チバイブレータを有しており、前記第２デユアルマルチ
    バイブレータは前記第２制御パルスに続いて前記第３制
    御パルスを発生する第１出力手段を持っており、前記第
    ２デユアルマルチバイブレータの前記第１出力手段は前
    記結合手段を介して前記比較的高電圧の電源回路手段へ
    結合しており、前記第２デユアルマルチバイブレータは
    前記フリップフロップに接続されており且つ前記第４制
    御パルスの期間によって定義される冷却遅延に続いて前
    記カバーガスの供給を遮断すると共に前記シールドを後
    退させる為に前記第４制御パルスを発生して前記フリッ
    プフロップへ供給すべく構成されていることを特徴とす
    る装置。 ５、特許請求の範囲第１項において、前記リードワイヤ
    はアルミニウムのリードワイヤを有しており、前記電圧
    源は３４０乃至１３００Ｖの範囲内のＤＣ電圧を有して
    おり、且つ前記抵抗手段は５乃至２０００オームの範囲
    内の抵抗値を有していることを特徴とする装置。 ６、特許請求の範囲第５項において、前記電圧源は４０
    ０乃至１３００Ｖの好適範囲内のＤＣ電圧を有しており
    、前記抵抗手段は５乃至２００オームの好適範囲内の抵
    抗値を有しており、前記電圧と抵抗値はネッキングを発
    生すること無しに実質的に球状のボールの最適ボール形
    成を行なうアーク放電の最小期間と最大期間との間の時
    間窓が０．０５乃至０．１ミリ秒の範囲内である様に選
    択されでいること、を特徴とする装置。 ７．特許請求の範囲第６項において、前記第３タイミン
    グ手段が、前記第３制御パルスの期間が前記ボールに隣
    接したリードワイヤのネックの所望の太さを得る為にア
    ーク放電の前記最小期間及び最大期間の間の時間窓内に
    設定される様に構成されていることを特徴とする装置。 ８、特許請求の範囲第６項において、前記高電圧源約４
    ００乃至８５０ｖを有しており、前記抵抗手段は約５０
    オームを有しており、前記シールドとリードワイヤとの
    間の前記第３制御パルス及びアーク放電の期間は０．６
    ５乃至０．７０ミリ秒の範囲内にありその際にネッキン
    グを発生すること無しに最適ボール形成を行なうアーク
    放電の最小期間と最大期間の間の時間窓の幅は約０．０
    ５ミリ秒であることを特徴とする装置。 ９、特許請求の範囲第１項において、前記リードワイヤ
    が直径が約１．２５ミルのアルミニウムのリードワイヤ
    を有しており、前記高電圧源が約４００乃至８５０ＶＤ
    Ｃであり、前記抵抗手段が約５０オームであり、前記第
    ３制御パルス従って前記アーク放電のパルス期間は約０
    ．６５乃至０．７０ミリ秒の範囲内であり、且つネッキ
    ングを発生すること無しに最適ボール形成を行なうアー
    ク放電の最小期間と最大期間との間の時間窓は約０．０
    ５乃至０゜１ミリ秒の範囲無いであることを特徴とツる
    装置。 １０、リードワイヤボンディング装置のボンディング工
    其内に保持されているリードワイヤの端部に制御したボ
    ンディングボールを形成する方法で延出及び退避可能な
    ボンディング装置のカバーガス供給シールドと該ボンデ
    ィング工具を越えて突出するリードワイヤのテール長さ
    との間にアーク放電を起こすことによってボンディング
    ボールを形成する方法において、前記リードワイヤの端
    部にカバーガスを供給する為に前記ボンディング工具を
    越えて突出するリードワイヤの前記テール長さに隣接し
    て延出した位置へ前記シールドを移動させ、第１遅延期
    間中に前記リードワイヤのテール長さをカバーガスで充
    満させて前記シールド及び前記リードワイヤの端部から
    酸素を追いだし、前記第１遅延期間の後に前記リードワ
    イヤの端部をカバーガスで充満させながら前記シールド
    と・リードワイヤのテール長さとの間にアーク放電を電
    子的に開始させて前記リードワイヤのテール長さを溶融
    させてボンディングボールを形成し、前記アーク放電の
    期間を前記形成したボールの上方にリードワイヤのネッ
    キングを発生させること無しに前記リードワイヤの端部
    に実質的に球状のボールの最適ボール形成を行なうアー
    ク放電の最小期間と最大期間との間の時間窓内に電子的
    に制御し、ネッキングを発生させること無しに実質的に
    球状のボールの最適ボール形成を行なう為の前記時間窓
    内に前記アーク放電を電子的に終了させると共に第２遅
    延期間中前記リードワイヤの端部をカバーガスで継続的
    に充満させて前記リードワイヤの端部に形成したボンデ
    ィングボールを冷却させ、前記リードワイヤを集積回路
    チップのダイパッドにボールボンディングする為に前記
    第２遅延期間に続いて前記シールドを後退する、上記各
    工程を有することを特徴とする方法。 １１、特許請求の範囲第１０項において、前記電子的に
    アーク放電を開始する工程と、電子的にアーク放電の期
    間を制御する工程と、電子的にアーク放電を終了させる
    工程とが、比較的低電圧の第１回路内においてネッキン
    グを発生すること無しに実質的に球状のボールの最適ボ
    ール形成を行なうアーク放電の最小期間と最大期間の間
    の時間窓範囲内のパルス幅期間を持った比較的低電圧タ
    イミングパルスを発生し、前記比較的低電圧のタイミン
    グパルスの先端に応答して前記シールドとリードワイヤ
    のテール長さとの間にアーク放電を開始させる為に前記
    シールドとリードワイヤとを具備した比較的高電圧の第
    ２回路内の抵抗手段を介して比較的高電圧源を印加し、
    前記比較的に低電圧タイミングパルスの後端に応答して
    前記第２回路内の前記比較的高電圧を遮断することを特
    徴とする方法。 １２、特許請求の範囲第１１項において、前記比較的低
    電圧のタイミングパルスに応答して光学的タイミングパ
    ルスを発生し、且つ前記比較的低電圧の第１回路を前記
    比較的高電圧の第２回路と光学的に結合することを特徴
    とする方法。 １３、特許請求の範囲第１１項において、５乃至２００
    ０オームの範囲内の抵抗を介して４００乃至１３００Ｖ
    の範囲内の比較的高電圧源を印加する工程を有すること
    を特徴とする方法。 １４、特許請求の範囲第１３項において、５乃至２００
    オームの好適範囲内の抵抗を介して４０Ｏ乃至１３００
    Ｖの好適範囲内の比較的高電圧源を印加する工程と、前
    記電圧と抵抗とをネッキングを発生すること無しに最適
    ボール形成となるアーク放電の最小期間と最大期間との
    間の時間窓が０．０５乃至０．１ミリ秒の範囲無いとな
    う様に選択する工程とを有することを特徴とする方法。 １５、特許請求の範囲第１４項において、前記リードワ
    イヤは約１．２５ミルの直径を持ったアルミニウムのリ
    ードワイヤを有しており、且つ前記比較的低電圧パルス
    の期間は約０．６５乃至０．７０ミリ秒の範囲無いであ
    ることを特徴とする方法。 １６、特許請求の範囲第１１項において、所望の寸法及
    び質量のボールを提供する為にリードワイヤのテール長
    さを調節する工程と、前記テール長さを実施しできに球
    状のボールに形成するのに適切なレベルに選択したテー
    ル長さに応じて高電圧源及び抵抗手段を選択する工程と
    、前記ボールに隣接して特定した太さのリードワイヤネ
    ックを与える為に前記低電圧タイミングパルスの期間を
    前記時間窓内に入る様に調整する工程とを有することを
    特徴とする方法。 １７、特許請求の範囲第１６項において、前記リードワ
    イヤは約１．２５ミルの範囲の直径を持ったアルミニウ
    ムのリードワイヤを有しており、又約４００乃至８５０
    　ＶＤＣの範囲内に高電圧源を選択する工程と、前記抵
    抗手段を約５０オームの範囲内に選択する工程と、前記
    比較的低電圧パルスの期間を約０．６５乃至０．７０ミ
    リ秒の範囲内に調整する工程とを有することを特徴とす
    る方法。
JP59249804A 1983-11-28 1984-11-28 ボンデイングボール形成のパルス幅制御 Pending JPS60134431A (ja)

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US06/555,696 US4482794A (en) 1983-11-28 1983-11-28 Pulse-width control of bonding ball formation

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CA (1) CA1208304A (ja)

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US4482794A (en) 1984-11-13
CA1208304A (en) 1986-07-22
EP0146452A3 (en) 1987-11-19
EP0146452A2 (en) 1985-06-26

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