JPS6240852B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は部品操作自動化装置に関する。特に、
本発明は精密部品の位置決めを自動的に行なう装
置であつて、自動化製造系において部品の位置決
めを正確に行なう装置に関する。

殆んどどのような製品の自動化製造において
も、処理中の部品を自動化工具に対して正確に位
置決めすることは必要な工程である。例えば、半
導体集積回路の製造では、一つの工程として半導
体素子（「チツプ」と呼ばれる）上の種々のコン
タクト点と装置外筐を介して外部回路素子に到る
電気的接続を与える電気的リードとの間の電気的
接続を行なうことが含まれている。こうした接続
処理はかつて手動制御ボンデイング機（ボンダ）
でなされたが漸次Adams等の米国特許第3641660
号、Heimの米国特許第3773240号およびAdams
等の米国特許第3776447号（これらの米国特許は
すべて本出願人に譲渡されている）に記載されて
いるような計算機制御自動化ボンデイング機で行
なわれるようになつてきている。大型集積回路チ
ツプ用に改造されたこれら従来装置では、ボンデ
イングは小型計算機たとえば米国テキサス州ダラ
スのテキサス・インストルメンツ・インコーポレ
ーテツドのテキサスインストルメント960A小型
計算機によつて制御される。計算機はボンデイン
グ機によりボンデイングされる集積回路チツプの
特定の形（種類）に応じたプログラムを記憶して
いる。第１番目のボンデイングに際して、ボンデ
イング機中のボンデイング工具先端部の割出し
（インデツクス）位置に対して集積回路チツプを
具備したリードフレームが正確に位置決めされた
後に、計算機がボンデイング機を作動し、その結
果、14〜20もしくはそれ以上の多くの異つた位置
の間で必要とされるすべての接続が自動的に遂行
される。一般に従来技術で特に集積回路チツプを
用いる場合には、第１番目のボンデイングに対す
る最初の組体位置決めを金属顕微鏡もしくは高倍
率テレビジヨンモニタを用いてオペレータが手動
により行なつている。

第１番目のボンデイング時のボンデイング先端
部に対する最初の割出しに関係するチツプリード
フレームの手動位置決めとその他の各ボンデイン
グ位置へのボンデイング先端部の自動的移動とは
極めて正確でなければならない。なぜならば、集
積回路上のボンデイング位置すなわち「パツド」
は普通わずか４ミル平方にすぎず、また１ミルの
接続ワイヤの端に形成されるボンデイングボール
の径は約３ミルであるからである。それにもかか
わらず、熟練したオペレータで位置合せに約1.1
秒かかり、ボンデイング動作には通常さらに３〜
４秒かかる。

本発明によれば、かような初期位置合せやそれ
に続くボンデイング動作を全自動化する。一例で
は、集積回路を通常半田付、合金化もしくは導電
性エポキシ接着により取り付けたリードフレーム
をボンデイング機の作業台に加えそこに締着す
る。リードフレームはボンデイング機作業台にか
なりの正確さで位置決めされ得るが、集積回路チ
ツプをリードフレームに取り付ける精度はｘ、ｙ
方向で通常±５ミル、配向で約±５度である。リ
ードフレームの「指状部」上のボンデイングパツ
ドは約17ミル平方であるが、前述のようにチツプ
ボンデイングパツドは４ミル平方にすぎず、チツ
プ自身をボンデイング先端部の割出し位置に対し
て正確に位置決めし配向させることが必須とな
る。

本発明によるチツプの位置決め過程では、結像
装置がリードフレームチツプ組体のデイジタルな
「絵」を発生する。このリードフレームの「模
様〕（シーン）は斜方向から光照射されるので集
積回路チツプはデイジタル像として簡単に認識で
きる区別された「影」を形成する。

チツプ領域のデイジタル像は続いて計算機へ与
えられ、計算機は処理されるチツプの特定な種類
に応じた顕著な特徴の像を探索する。この特徴は
予かじめ計算機のメモリに記憶されている。チツ
プの特徴が検出され該特徴の位置、配向が決まる
と、計算機はボンデイング制御計算機の記憶され
たプログラムに補正を加えるための情報を供給す
る。本発明の装置によれば、チツプは1/4ミル精
度内のｘ、ｙ座標および0.1度の配向精度内で位
置決めされる。

本発明の装置は速さの点でも従来装置よりも優
れている。例えば、自動化ボンデイングのための
チツプ位置合せを約60ミリ秒で行なう。さらに、
チツプ表面上の機能的パターンの顕著な特徴を認
識して集積回路チツプの位置決めを行なうもので
あるから、特別なパターンを各チツプパターンに
付加しなくとも自動処理ができる。例えば従来の
手動位置合せ装置ではしばしば、専ら位置合せの
目的で顕微鏡のレテイクルを集積回路チツプの周
縁に置かれた特別な付加メタライズパターンに合
わせていた。

本発明の装置は多くの方法で実施できる。例え
ば従来の手動初期位置合せ形に用いる既存の計算
機制御工具に別個の計算機および結像装置を使用
できる。もちろん、１個の計算機をプログラミン
グして部品の位置合せと製造工程との両者を制御
してもよく、また１個の計算機を用いて多数の異
なつた自動化工具を同時に使用した部品位置合せ
制御を行つてもよい。

したがつて、本発明の目的は工具に対し部品を
正確に且つ高速度で位置決めすることにより工具
を作動して１つ以上の製造工程を部品に対し加え
る全自動装置を提供することにある。

本発明の他の目的は集積回路チツプとリードフ
レームパツケージとの間のボンデイングされた相
互接続を与える全自動装置を提供するにある。

本発明のさらに他の目的は自動高速集積回路リ
ードボンデイング装置を提供するにある。

本発明のさらに他の目的は専ら位置割出しの目
的でチツプ上に特別な表面特徴を加えることなく
殆んどの集積回路チツプに容易に適応し得る集積
回路リードボンデイング装置を提供するにある。

以下、集積回路装置における位置決めおよび相
互接続を自動的に行なう装置の具体例を用いて本
発明の装置を説明する。

第１図は保護外筐で囲つたり保護プラスチツク
中にカプセル封止したりする前の製造段階での代
表的集積回路組体を示す。この組体は金属製リー
ドフレーム１を有しそのフレームのチツプパツド
部２に半導体集積回路素子すなわち「チツプ」３
が取り付けられる。小さな金属製端子すなわちボ
ンデイングパツド４により集積回路チツプの内部
素子への電気的接続がなされる。外部装置への電
気的接続は前記ボンデイングパツド４をリードフ
レーム指状部５に接続する通常約１ミル径の小さ
な金のワイヤ２３によつて行なう。完成された装
置では破線７の内部の全素子が保護外筐もしくは
外囲器に収納される。装置を外囲器に収納してか
らリードフレームのレール８および支持ウエブ９
を切削もしくは他の方法で除去した後、リードフ
レーム指状部の外側部分が完成装置の外部リード
すなわちコンタクト６を形成する。

従来技術ではボンデイングパツド４とリードフ
レーム指状部５との間のワイヤ接続はすべて計算
機制御ボンデイング機を用いて自動的に行なわれ
ていた。しかしながら、ボンデイングプログラム
を実行する前にオペレータは手動で各リードフレ
ーム組体を位置決めもしくは割出ししなければな
らなかつた。本発明によればチツプ・リードフレ
ーム組体の位置割出しが自動化される。

第２図に本発明の装置のブロツク図を示す。こ
の装置は前述の米国特許第3641660号、第3773240
号および第3776447号に開示されている種類のデ
イジタル制御ボンデイング機１０を備えている。
該ボンデイング機はテキサス・インストルメンツ
960Aのような小型計算機であるボンデイング機
制御計算機１１によつて制御される。この型の計
算機は、前述のように、ボンデイング機が集積回
路上の種々のコンタクトとリードフレーム指状部
との間の多数の電気的接続をなすのに必要なボン
デイング動作スケジユールを遂行するようプログ
ラムされている。したがつて、ボンデイング機制
御計算機は、ワイヤを接続して特定の形のチツプ
に対する接続パターンを作る際にボンデイング先
端部に要求される動きをそのメモリに記憶してお
く。ボンデイング機１０、制御計算機１１は手動
チツプ割出し機構とともに前述した従来の装置を
構成する。

本発明の装置はさらにビデオモジユール１２
（これは光学系１３および結像装置１４と、デイ
ジタル化装置１５とメモリインターフエース電子
回路１６と、テレビジヨンモニタ１８とを含む）
と、装置制御計算機１７と、手動制御可能な可変
強度光源１９とを備える。本発明装置の動作時
に、チツプリードフレーム組体はボンデイング機
１０の作業台に加えられ周知のように締着され
る。例えば、リードフレームは梯子に似た１つの
組体となるよう一緒に接続されたものであつて、
周知のようにスプロケツト駆動によりボンデイン
グ機に孔２１で供給されそして位置決め孔２２
（第１図）を介して割出しピンにより締着され
る。

ボンデイング機の作業台に締着されたチツプ・
リードフレーム組体は光源１９で照射されるので
あるが、後に詳細に説明するようにこの光源は斜
方向から照射を行なつて影を生じるような配置と
される。前記組体のチツプ領域の模様は光学系１
３により結像装置１４のセンサアレイに結像され
る。結像装置の出力信号はデイジタル化装置１５
でデイジタル化されてから装置制御計算機１７へ
供給される。この装置制御計算機１７に適した計
算機としてはテキサス・インストルメンツ980A
計算機がある。装置制御計算機１７では、チツプ
の前記特定の形のある顕著な特徴についての情報
（この情報は前記計算機のメモリに記憶されてい
る）を用いてデイジタル化されたチツプ模様像が
分析される。各チツプ・リード組体をこのように
分析することによりボンデイング機制御計算機１
１へ供給される補正因子が定まるので、前記特定
組体の正確なボンデイングに対するｘ−ｙ位置の
差および角度配向の差を考慮するようにプログラ
ムで予定された各ボンデイング点が調整される。
また、装置制御計算機１７は制御電子回路１６に
も入力を与えてビデオモジユール１２の結像走
査、デイジタル化その他の機能と装置制御計算機
１７のタイミングとの同期をとる。このように装
置制御計算機１７がビデオモジユール１２のタイ
ミングを直接制御しかつその同期をとるのでデイ
ジタル像を制御計算機の直接メモリアクセス端子
へ供給することができ、計算機の入出力端子を用
いた従来の方法よりもはるかに速い像データの伝
送が可能となる。

結像装置１４としてはビジコンすなわち固体電
荷結合形結像装置のような現在市販のものをどれ
か使用すればよい。長さもしくは幅が12〜400ミ
ルの範囲の大きさの多数の異なる種類のチツプに
使用して良好な装置の場合でも、比較的低廉
（300ドル以下）なビジコンを使用でき、これによ
つて400画素×250画素の像を作れば充分であるこ
とがわかつた。２進（２つのグレーレベル）信号
にデイジタル化されたこのような像は便利な大さ
きのメモリに容易に記憶できる一方装置の動作に
対して十分な分解能を与えることがわかつた。

デイジタル化された像は装置制御計算機１７へ
送られ、同時にテレビジヨンモニタ１８上に表示
できる。このような像を第３図に示す。第３図の
リードフレームチツプパツド部２にはチツプ３が
半田付または合金化される。先に述べたように本
発明の光照射装置はその光源がチツプの若干上方
でかつチツプからずれた位置にあるから像にはチ
ツプの２つの縁に沿い影２５が生じる。このよう
な影があるということは装置の動作にとつて重要
であるが、影の大きさとか形状は重要でない。例
えば、影の幅はチツプ厚さ、半田の厚さ、光源の
位置に応じて組体が異なれば大幅に変化する。チ
ツプの位置決めという通常最も難しい自動化工程
に対して前記影が役立つのである。

装置制御計算機には処理される各種類のチツプ
の像の顕著な特徴を代表する情報が前以つて供給
されている。記憶された情報およびボンデイング
機作業台上のチツプのデイジタル像の分析にもと
づいて装置制御計算機１７は各チツプ上に正確な
位置のボンデイングを形成するようなプログラム
調整情報を決定しこの情報をボンデイング機制御
計算機１１へ供給する。

装置制御計算機によるデイジタル像の分析は従
来の装置と異なり「パターン認識」の方法をとる
ものではなく、厳密に言えば特徴分析法である。
したがつて、計算機１７はデイジタル像の供給を
受けると例えば先ず水平、垂直方向の探索を行な
つて顕著な影２５の特徴を決める。影は影の形状
によるよりも像の残りの部分に対する明瞭なコン
トラストによつて認識される。例えば、第３図に
示す像ではデイジタル化装置のデイジタル化閾値
に加えて光照射が原因してチツプパツド部２を明
るくした。しかし、チツプパツドは影２５に比較
すれば小さい面積の不規則な暗部を通常は有して
いる。チツプの隅もしくは縁のメタライズパター
ン２６などはボンデイングパツド２８同様に明る
いかもしくはくすんだ白のような識別特徴を示
す。また、チツプそのものの表面は暗くなるが第
３図では図示を明瞭にするためそのようには示し
ていない。デイジタル像の影の探索はどこから始
めてもよいが第３図の像のような場合は通常像の
左側もしくは上部から開始する。（その場合の探
索過程が第４図のフローチヤートに示されてい
る） 次に、影２５は既定大きさの暗い画素（ピクセ
ル）のアレイによつて検出される。影の全体的な
位置を見出した計算機は次にメモリに記憶された
情報を参照して探索する識別特徴の形を決定する
とともに影に対する大きさとか概略位置のような
特徴の特性を決定する。例えばメタライズされた
縁２６は影２５の右下縁に沿う長い連続的な明る
い領域となる。もし、チツプが縁のメタライズパ
ターンを含まない種類のものであれば、チツプの
左辺に沿う４個のボンデイングパツド２８とチツ
プ上辺に沿う４個のボンデイングパツドの直線パ
ターン、間隔および位置が接近して定められそし
て見出される。

計算機の分析が進行して例えば左側影領域の位
置が決められると、影領域の右辺の急激な変化線
に沿つてデータがとられ、これらのデータから、
チツプ上の左メタライズ縁を定める線の位置と方
向についての最初の推測計算がなされる。この推
測計算は影の上部領域探索を正確に決めるのに用
いられる。影の上部領域が定まつた後に、該上部
領域の下縁についてのデータがとられてその位置
の推測計算を行なう。この推測計算を用いること
によつて左縁位置の推測計算が改善される。この
段階で、影領域の位置が決まるのでチツプ上のメ
タライズされた左縁および上縁の位置が良好に推
測計算される。

次に、これらの近似は一対のデータを構成する
一対の窓を定めるのに用いられる。これらデータ
窓はデイジタル像の長く狭い部分であつてチツプ
のメタライズされた縁で急激な遷移領域を含む。
したがつて一方の約100ピクセル×16ピクセルの
データ窓は左メタライズ縁上に位置され他方のデ
ータ窓は上部メタライズ縁上に位置される。そし
て、各データ窓を横切つてデータ処理が進むにつ
れてメタライズ縁の線に沿つてすべてのピクセル
が明らか暗に遷移すると、ｘ、ｙの対で示される
メタライズ縁線を定めるデータ点が与えられる。
これらのｘ、ｙ対はメタライズ縁の実際位置を最
もよく表わす「最小自乗」線を決めるのに用いら
れる。左縁の計算機分析に使用される簡単な式は
例えばＸ＝ａ_vＹ＋ｂ_vである。上縁に対しては式
Ｙ＝ａ_hＸ＋ｂ_hに用いられるｘ、ｙ対を与えるよ
うに分析がなされる。同様な技術が左ボンデイン
グパツドアレイの左縁に沿う線および上部ボンデ
イングパツドアレイの上縁に沿う線を決めるのに
用いられ得ることが容易に理解されよう。これら
の線の配向および交差点とは像中のチツプの位置
および配向を完全に表わすものであり、このよう
な情報はボンデイング機制御プログラム中の各ボ
ンデイング点に供給されるべき補正因子に簡単に
変換される。

特定の型のチツプの作業を装置で行なうに際し
て、代表的なチツプ・リードフレーム組体がボン
デイング作業台に締着される。オペレータが装置
制御計算機に作業チツプの種類についての情報を
与えると、装置制御計算機はそのメモリから前記
種類のチツプに対する基本ボンデイングプログラ
ムを供給しこれをボンデイング機制御計算機１１
へ送る。また、装置制御計算機１７はこの特定種
類のチツプを配列するのに用いられるチツプの識
別特徴に一致するデータを自身のメモリから選択
する。次に、オペレータはテレビジヨンモニタ１
８のデイジタルチツプ像を見ながら、必要があれ
ば光源１９の入射角および強さを調整してチツプ
配列のために分析される特徴がデイジタル像上で
最も顕著になるようにする。続いてオペレータは
装置に１番目の接続をなすよう伝える。オペレー
タは可視顕微鏡を用いてボンデイング位置の正確
さを検査する。もしボンデイング位置が正確でな
いとオペレータは速やかに装置を再較正する。

まれな場合として処理するチツプの大きさが大
幅に異なるために光学系の調整が必要とされたり
望ましいことがあり、また、異なつた倍率が要求
される。そして、デイジタル像は常に画素（本実
施例では250×400画素）の設定数により定まるの
に対してこの像で表わされる実際の寸法は光学系
の倍率の関数であるので較正もしくは再較正が必
要である。装置制御計算機１７はオペレータが与
える４個の情報点の入力から装置を自動的に較正
するようにプログラムされている。像表示上のカ
ーソルを手動操作したりボンデイングチツプの手
動移動ができる。したがつて、光学系倍率を設定
した後にオペレータは副尺を動かして像表示上の
特定ボンデイング点を指示し手操作でボンデイン
グ機先端部をチツプ上の同一ボンデイング点へ移
動させる。これら２個のデータ点と表示上のボン
デイング点とチツプ上のボンデイング点に対応す
る２個の追加データ点が計算機へ供給されさえす
れば計算機は光学系の特定倍率設定に応じた装置
較正を計算する。

しばしばボンデイングされるチツプは最も暗い
影領域であるべき部分に明るい領域を生じるとい
うような欠陥もしくは擾乱特徴を有する。これを
第３図に番号３０で示す。このような欠陥領域は
個々のチツプを親半導体スライスから分離するの
に用いられるレーザビーム加工の残渣に起因して
いる。この欠陥は第２の影があるかどうかを定め
もしあればこの第２の影の右縁を特徴分析に用い
るといつた探索を備えることで克服でき、装置制
御計算機のプログラムは簡単にこのような構成と
される。また、第３図に示されたような分析特徴
中の欠陥データ点は、これらの欠陥データ点を誤
りのデータとして認識し処理プログラムで無視し
ないと誤まつた分析がなされる結果となる。

なお、第４図に本発明装置の全体動作を示すフ
ローチヤート、第５図に本発明装置のチツプ探し
出し動作を示すフローチヤート、そして第６図に
本発明装置のチツプ位置決めおよび配向を指示す
る線の計算を示すフローチヤートを示した。

デイジタル化された像アレイ中の画素の数は本
発明装置の動作に重要な影響を与えるものではな
いが設計上の理由により概ね100〜900もしくはそ
れ以上の画素が用いられる。さらに、装置に使用
される計算機の種類は特定のものに限られない。

以上、自動化デイジタル制御ボンデイング動作
のために集積回路素子を自動的に位置決めする装
置について説明した。本発明の装置は、装置制御
計算機と装置のビデオモジユールとの間の独特な
接続系および従来のパターン認識法に要求される
計算処理に比較して特徴分析法の簡単な計算処理
のために従来装置よりも速い動作ができる。さら
に、本発明装置は２つのグレーレベル像系を使用
すると共にパターン認識ではなく特徴分析法を用
いているためにそのメモリは従来の装置よりもは
るかに小さくて済むという利点がある。

本発明の装置は他の多くの工業上の課題たとえ
ば自動部品操作もしくは自動部品移送にも適用で
きる。

例えば、本発明装置により、もつぱら特定部品
の特定動作のための案内、配向取付具を用いずと
もロボツトアームで時計ケースをコンベヤベルト
から試験取付具へ容易に移送することができる。
このような応用例では、時計ケースが結像装置の
視野内にあるときにベルトコンベイヤは自動的に
停止される。該視野は部品に対して比較的大きく
できるのでコンベイヤの停止点をそれほどきびし
くする必要はない。分析される時計ケースの特徴
を強調するよう整えた光照射を用いれば、デイジ
タル像の計算機分析により時計ケースの中心が決
まり、単にこの中心からの所定距離を探索するの
みで時計ケースの腕輪のアンカーが見出されるの
でアンカーの方位したがつて時計ケースそのもの
の方位が定まる。こうして、所定割出し位置で時
計ケースを掴むためにロボツトアームへの指令が
時計ケースと割出し位置との間のｘ、ｙ方位差に
より変えられ、ロボツトアームは特定の時計ケー
スに対しても「標準的」な掴み取りをしてこれを
試験取付具へ移動させる。

同じ方法で他の部品の具体的特徴がデイジタル
化された像から分析され得る。表示窓が非常に明
るいかあるいは非常に暗くなるように例えば計算
器が点灯するので計算機によつて簡単に分析され
て既知の基準位置に対する計算器の正確な位置お
よび配向が決められる。

本発明はその特許請求の範囲を逸脱しないかぎ
り当業者には多くの変更が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置により自動的ボンデイン
グ接続をなすのに適した代表的リードフレーム・
集積回路チツプ組体の概略図、第２図は本発明装
置のブロツク図、第３図は本発明装置での自動ボ
ンデイング過程でチツプの位置決め、配向に用い
られるある顕著な特徴を示す代表的集積回路チツ
プのデイジタル化像を示す図、第４図は本発明装
置の全体動作を示すフローチヤート、第５図は本
発明装置のチツプ探し出し動作を示すフローチヤ
ート、第６図は本発明装置のチツプ位置決めおよ
び配向を指示する線の計算を示すフローチヤート
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (a) デイジタル信号に応答して動作する工具
   装置と、 (b) （ｂ−１）デイジタル信号を記憶する記憶手
   段と、（ｂ−２）該記憶手段から前記工具装置
   へ一連のデイジタル信号を供給し、前記工具装
   置に対して既知の割り出し位置に置かれた部品
   へ所定の一連の操作を行なわせる手段とを有
   し、更に、プログラム修正信号にも応答する工
   具装置制御手段と、 (c) 前記割り出し位置近傍であつて且つ前記工具
   装置の操作範囲内に最初に部品を配置させる手
   段と、 (d) 前記部品を斜め方向から照射して隆起領域の
   少なくとも２つの縁の影を生じさせることによ
   り前記部品の既知の特徴を強調させる光照射手
   段と、 (e) 最初に置かれた位置の前記部品の前記影を含
   む可視像を表わす電気信号を生じさせる撮像手
   段と、 (f) 前記電気信号を受信し、デイジタル化して前
   記影を含む可視像の特徴部分の明るさレベルを
   表わす一連のデイジタル電気信号を発生させる
   手段と、 (g) （ｇ−１）前記既知の割り出し位置に置かれ
   た前記部品の少なくと２つの既知の特徴の相対
   位置を表わす一連の２進信号を記憶する手段
   と、（ｇ−２）前記デイジタル電気信号と前記
   記憶された２進信号とを受信し、解析して前記
   部品の２つの縁の影に沿つた２つの線の位置及
   びこれらの線の向きを計算し前記部品の実際の
   ｘ−ｙ座標位置と向きを決定しプログラム修正
   信号を発生する手段と、（ｇ−３）前記プログ
   ラム修正信号を前記工具制御手段に転送する手
   段とを有するプログラム修正信号発生手段と、 を備えている部品操作自動化装置。