KR100327608B1 - 본딩장치 - Google Patents

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히로토 우라바야시
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후지야마 겐지
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Abstract

(과제) 스크러브 동작시 진동이 경감되어, 안정된 본딩 동작을 행할 수 있음과 동시에, 워크에 최적인 스크러브 동작의 타이밍 및 방향을 자유롭게 선택할 수가 있다.
(해결수단)
본딩툴(12)을 초음파혼(10)의 축심에 평행한 Y방향으로 진동시키는 Y방향용 압전소자를 가진 Y방향 구동수단(20)과, Y방향에 직각인 평면의 X방향으로 진동시키는 X방향용 압전자소자를 가진 X방향 구동수단(40)을 구비하고 있으며, 본딩시에 압전소자를 구동시켜 본딩툴(12)을 본딩 평면의 XY방향으로 진동시킨다.

Description

본딩장치{BONDING APPARATUS}
본 발명은 와이어 본딩장치, 다이본딩장치 등의 본딩장치에 관한 것이다.
(종래의 기술)
종래, 본딩시에 본딩툴에 진동을 부여하는 본딩장치는 크게 나누어 다음의 셋으로 분류된다.
제1은 본딩장치가 갖는 XY테이블을 진동시켜 스크러브 동작을 행하게 하는 것. 이 종류의 것으로서는, 예를들면 일본국 특허번호 2530224호, 특허번호 제2565009호가 열거된다.
제2는 하나의 압전소자로 본딩을 하기 위한 초음파용 진동과 스크러브 동작을 병용한 것. 이 종류의 것으로서는 예를들면 일본국 특개소 62-249437호 공보, 일본 특개소 63-239834호 공보가 열거된다.
제3은 복수개의 초음파 발진자를 갖고, 진동의 조합에 의하여 초음파를 인가하여 본딩을 행하는 것. 더욱이, 이 종류의 것으로서는 예를들면 일본 특개소 58- 161334호 공보가 열거된다.
상기 제1의 XY테이블에 의한 스크러브 동작은 질량이 큰 XY테이블 및 본딩헤드 전체를 움직이기 때문에 장치 전체의 진동에 의하여 본딩하중의 변동을 일으키고, 또 스크러브 동작의 진폭 및 주파수의 정밀한 제어가 곤난한 것 등에 의하여 안정된 본딩동작의 방해가 된다.
상기 제2의 하나의 압전소자로 초음파용 진동과 스크러브 동작을 병용하는방식은, 초음파 발진과 스크러브 동작에서는 요구되는 진폭에 큰 격차가 있다. 이 때문에, 초음파 발진에 적합한 압전소자에서는 변위량이 지나치게 작아, 스크러브 동작에는 적당치 않다. 변위량이 큰 다수 적층 타입의 압전소자는, 내부손실이 크고 초음파 발진용으로서 사용하는데는 손실이 크다. 또 적층매수가 많아질수록, 즉 변위량이 많이 얻어질수록 압전소자의 공진주파수가 낮게 되어, 초음파 발진에는 적합하지 않다.
상기 제3의 복수개의 초음파 발진자를 갖는 것은 스크러브 동작을 행하게 하는 것이 아니고, 다음과 같은 문제점을 갖는다.
초음파 발진에서의 진폭은 극히 작은 진폭으로부터 서서히 증가하는 것이고, 진동 1사이클당의 진폭의 증가는 극히 작다. 예를들면 초음파가 0.5ms로 1㎛까지 상승한다고 하면, 주파수가 60KHZ의 경우, 1㎛로 될 때까지 약 30회의 진폭이 있으므로, 1스트로크당 1/30㎛의 진폭의 증가라는 것으로 된다. 와이어를 본딩툴로 본딩면에 가압하면, 본딩면에 접하고 있는 와이어면이 본딩면의 요철에 파고 들어간다. 이 상태에서 초음파를 인가하면, 1진폭째에 요철이 파고들어간 와이어의 표면의 부분이 작은 진폭의 분량만큼 소성 변형하게 된다. 이 상태에서 1사이클마다 진폭이 서서히 증가하므로, 와이어 표면의 이 변형이 1사이클마다 극히 작은 진폭의 증가분량만큼 넓어진다.
이와 같이 변형이 서서히 넓어지면서 진폭이 최대로 도달하더라도 와이어의 면이 본딩표면의 산화막을 파괴하려고 하는 움직임양은 이 1사이클분의 미소한 증가분 뿐이므로, 본딩면의 산화막이 탄성 변형할 뿐이고 파괴하는데는 불충분하다.
이에 대하여 스크러브는, 최초의 1진폭째의 스트로크가 초음파 발진에 비하면 대단히 크기 때문에 산화막을 파괴하는데 충분하여 본딩을 가능하게 한다. 이와 같이, 스크러브 동작의 우위성은 진폭이 초음파 발진에 의한 스크러브의 여러배 있다라는 것 뿐만아니라, 최초의 진폭의 이동거리가 완전히 다르다라는 것이다.
본 발명의 과제는 스크러브 동작시의 진동이 경감되고, 안정된 본딩동작을 행할수 있음과 동시에, 워크에 최적인 스크러브 동작의 타이밍 및 방향을 자유롭게 선택할 수 있는 본딩장치를 제공하는 것에 있다.
도 1은 본 발명의 본딩장치의 일실시예의 형태를 도시한 측면도이다.
도 2는 도 1의 평면도이다.
도 3은 Y방향 구동수단을 도시하고, (a)는 평면도, (b)는 측면도이다.
도 4는 X방향 구동수단을 도시하고, (a)는 평면도, (b)는 측면도이다.
도 5는 본딩 및 스크러브 동작의 타이밍도이다.
도 6은 본 발명의 XY방향 구동수단의 다른 실시형태를 도시하고, (a)는 평면도, (b)는 측면도이다.
"도면의 주요부분에 대한 부호의 설명"
1: XY테이블2: 본딩헤드8: 본딩아암
10: 초음파혼12: 본딩툴13: 와이어
14: 리니어모터20: Y방향 구동수단21: Y방향 구동판
23: 압전소자30: 탄성변형부40: X방향 구동수단
41: X방향 구동판43: 압전소자50: 탄성변형부
70: XY방향 구동수단71: XY방향 구동판81: 압전소자
84: 탄성변형부91: 압전소자94: 탄성변형부
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1수단은, 일단에 본딩툴이 부착된 초음파툴을 구비한 본딩장치에 있어서, 본딩시에 상기 본딩툴을 본딩평면의 임의의 방향으로 각각 진동시키는 복수개의 압전소자를 설치한 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제2수단은, 상기 제1수단에 있어서 상기 압전소자는, 본딩툴을 초음파혼의 축심에 평행한 Y방향으로 진동시키는 Y방향용 압전소자와, 상기 Y방향에 직각인 평면의 X방향으로 진동시키는 X방향용 압전소자로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제3의 수단은, 일단에 본딩툴이 부착된 초음파혼을 구비한 본딩장치에 있어서, 본딩툴을 초음파혼의 축심에 평행한 Y방향으로 진동시키는 Y방향용 압전소자를 가진 Y방향 구동수단과, 상기 Y방향에 직각인 평면의 X방향으로 진동시키는 X방향용 압전소자를 가진 X방향 구동수단과를 구비하고 있으며, 본딩시에 상기 압전소자를 구동시켜 상기 본딩툴을 본딩평면의 XY방향으로 진동시키는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제4수단은, 일단에 본딩툴이 부착된 초음파혼을 구비한 본딩장치에 있어서, 본딩툴을 초음파혼의 축심에 평행한 Y방향으로 진동시키는 Y방향용 압전소자 및 상기 Y방향에 직각인 평면의 X방향으로 진동시키는 X방향용 압전소자를 가진 XY방향 구동수단을 구비하고 있으며, 본딩시에 상기압전소자를 구동시켜 상기 본딩툴을 본딩평면의 XY방향으로 진동시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시의 형태를 도 1 내지 도 5에 의하여 설명한다. 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 평면상의 XY방향으로 구동되는 XY테이블(1)상에는 본딩헤드(2)가 탑재되어 있다. 본딩헤드(2)에는, Y방향 구동수단(20)(상세히는 후기한다)이 볼트(3)로 고정되고, Y방향 구동수단(20)상에는 X방향 구동수단(40)(상세히는 후기한다)이 볼트(4)로 고정되어 있다. X방향 구동수단(40)의 전단부에는 십자형 상으로 배열설치된 판스프링(5)이 볼트(6)에 의하여 고정되고, 또 판스프링(5)은 볼트(7)에 의하여 본딩아암(8)에 고정되어 있다. 따라서 본딩아암(8)은 판스프링(5)을 중심으로 요동한다. 여기서, Y방향은, 후기하는 초음파혼(10)의 축심에 평행한 방향으로 가리키고, X방향은, 상기 Y방향에 직각인 평면의 방향을 가리킨다.
본딩아암(8)에는 초음파 진동원을 내장한 초음파혼(10) 및 와이어 클램퍼(11)가 부착되고 초음파혼(10)의 선단부에는 본딩툴(12)이 부착되어 있다.그리고, 도시하지 않는 와이어 스풀에 두루감겨진 와이어(13)는 와이어 클램퍼(11)를 통하여 본딩툴(12)에 삽통되어 있다. 또 본딩아암(8)의 후단부는 리니어모터(14)를 통하여 본딩헤드(2)에 연결되어 있다.
상기 Y방향 구동수단(20)은, 도 3에 도시된 바와 같은 구조로 되어 있다. Y방향 구동판(21)의 대략 중앙에는 압전소자부착용 직사각형 구멍(22)이 설치되어 있으며, 압전소자부착용 직사각형 구멍(22)에는 신축방향이 Y방향으로 되도록 배열설치된 압전소자(23)의 좌단부(23a)가 고정되어 있다. Y방향 구동판(21)의 좌측은 본딩헤드 고정부(24)로 되어 있고, 이 본딩헤드 고정부(24)에는 볼트(3)가 삽입되는 볼트삽입구멍(25)이 형성되어 있다. Y방향 구동판(21)의 우측은 X방향 구동판 고정부(26)로 되어 있고, 이 X방향 구동판 고정부(26)에는 볼트(4)가 나사결합되는 2개의 나사부(27)가 형성되어 있다.
상기 X방향 구동판 고정부(26)가 Y방향으로 변위될 수 있도록, 상기 압전소자부착용 직사각형 구멍(22)의 우단부는 X방향으로 뻗어 있는 슬릿(28)이 측단(26a)의 근방까지 형성되어 있다. 슬릿(28)에 근접하여 양측단(26a)으로부터 이 슬릿(28)에 평행하게 슬릿(29)이 형성되고, 슬릿(28,29)사이는 탄성변형부(30)로 되어 있다.
상기 X방향 구동수단(40)은, 도 4에 도시된 바와 같은 구조로 되어 있다. X방향 구동판(41)의 대략 중앙에는 압전소자부착용 직사각형 구멍(42)이 설치되어 있고, 압전소자부착용 직사각형 구멍(42)에는 신축방향이 X방향으로 되도록 배열설치된 압전소자(43)의 일단부(43a)가 고정되어 있다. X방향 구동판(41)의 우측은 Y방향 구동판 고정부(44)로 되어 있고 이 Y방향 구동판 고정부(44)에는 볼트(4)가 삽입되는 볼트삽입구멍(45)이 형성되어 있다. X방향 구동판(41)의 좌측은 판스프링 고정부(46)로 되어 있고, 이 판스프링 고정부(46)에는 볼트(6)가 나사 결합되는 나사부(47)가 표면에 2개, 측면에 2개 형성되어 있다.
상기 Y방향 구동판 고정부(44)가 X방향으로 변위될 수 있도록, 상기 압전소자부착용 직사각형 구멍(42)의 좌우단부는 X방향으로 뻗어 있는 슬릿(48)이 측단(44a)의 근방까지 형성되고, 더욱더 슬릿(48)의 단부에 연통하여 측부(44a)와 평행하게 슬릿(49)이 형성되며, X방향 구동판(41)의 측단(44a)과 슬릿(49) 사이는 탄성변형부(50)로 되어 있다.
다음에 Y방향 구동수단(20) 및 X방향 구동수단(40)의 작용에 대하여 설명한다. 압전소자(23,43)는 전원(55)에 접속되어 있다. 우선 Y방향 구동수단(20)의 작용에 대하여 설명한다. 압전소자(23)로의 전압을 온으로 하면(인가한다), 압전소자(23)는 신장된다. 압전소자(23)의 좌단부(23a)는 고정되어 있으므로, 신장은 전부 우단부(23b)에 전달된다. 우단부(23b)가 변위되면, 탄성변형부(30)가 탄성변형하여 X방향 구동판 고정부(26)가 -Y방향으로 변위한다. 다음에 압전소자(23)로의 전압을 오프(OV)로 하면, 압전소자(23)가 본래 길이로 되돌아가고, X방향 구동판 고정부(26)도 본래 위치로 되돌아간다.
X방향 구동판 고정부(26)에는 X방향 구동판(41)의 Y방향 구동판 고정부(44)가 고정되고, X방향 구동판(41)의 판스프링 고정부(46)에는 판스프링(5)을 통하여 본딩아암(8)이 부착되어 있으므로, 상기와 같이 X방향 구동판 고정부(26)가 Y방향으로 움직이면, 본딩툴(12)도 Y방향으로 이동한다.
다음에 X방향 구동수단(40)의 작용에 대하여 설명한다. 압전소자(43)로의 전압을 온으로 하면, 압전소자(43)는 신장한다. 압전소자(43)의 일단부(43a)는 고정되어 있으므로, 신장은 전부 타단부(43b)에 전달된다. 타단부(43b)가 변위하면, 탄성변형부(50)가 탄성변형하여 판스프링 고정부(46)가 +방향으로 변위한다. 다음에 압전소자(43)로의 전압을 오프로 하면 압전소자(43)가 본래 길이로 되돌아가고, 판스프링 고정부(46)도 본래 위치로 되돌아간다.
여기서, Y방향 구동수단(20) 및 X방향 구동수단(40)의 구동은 조합함으로서, 본딩면에 대하여 평행한 임의의 방향으로 본딩툴(12)을 구동시킬 수가 있다. 이 Y방향 구동수단(20) 및 X방향 구동수단(40)의 구동의 타이밍은, 도 5에 도시된 본딩의 타이밍으로 행해진다.
우선 스크러브 동작을 제외한 주지의 동작을 도 5를 참조하면서 설명한다. 리니어 모터(14)에 의한 Z축 방향의 구동에 의한 본딩툴(12)의 하강과, XY테이블(1)의 XY축 방향의 구동에 의한 평면이동에 의하여, 본딩툴(12)은 제1본딩면(60)에 맞닿고, 그 제1본딩면(60)보다도 약간 본딩툴(12)은 하강하게되어 와이어(13)의 선단에 형성된 도시하지 않는 볼이 가압(62)된다. 또, 와이어 가압후에 초음파혼(10)이 초음파 발진(64)을 행하여 본딩툴(12)에 초음파 진동이 인가된다. 이로서 제1본딩면(60)에 볼이 본딩된다.
다음에 본딩툴(12)을 상승, XY방향으로의 구동 및 하강하게 되어 와이어(13)의 풀어냄이 행해지고, 제2본딩면(61)에 본딩툴(12)은 맞닿고, 제1본딩면(60)의 본딩과 꼭같이 와이어(13)의 가압(63) 및 초음파 발진(65)이 행해지고, 제2본딩면(61)에 와이어(13)가 본딩된다. 그후, 본딩툴(12)이 상승하는 도중에 와이어 클램퍼(11)가 닫히고, 와이어(13)는 제2본딩면(61)의 근원부로부터 절단된다.
본 실시의 형태에 있어서는 상기된 가압(62,63)중에 압전소자(23) 또는 (43) 그렇지 않으면 압전소자(23,43)로의 전압을 온, 오프하고 스크러브 동작이 행해진다. 이 스크러브 동작은, 워크에 최적인 타이밍을 선택할 수가 있다. 예를들면 도 5의 ①에 도시하는 바와같이 초음파 발진(64,65)보다 그전에 압전소자(23, 43)를 온, 오프시켜도 좋고, 도 5의 ②에 도시된 바와같이 초음파 발진(64,65)중에 압전소자(23,43)을 온, 오프시켜도 좋고, 도 5의 ③에 도시된 바와 같이 초음파 발진(64,65)보다 이전에 압전소자(23,43)를 온으로 하여 초음파 발진(64,65)중에 압전소자(23,43)을 오프로 하여도 좋다.
이와 같이 초음파 발진(64,65)과 압전소자(23,43)에 의한 스크러브 동작을 동시에 행할 수가 있으므로, 타이밍의 조합을 자유로이 선택할 수가 있다. 이로서 워크에 최적인 스크러브 동작의 타이밍을 선택할 수 있다. 또 압전소자(23)로의 전압의 온, 오프와 압전소자(43)로의 전압의 온, 오프의 조합에 의하여, 제1본딩면(60), 제2본딩면(61)에 대하여 임의의 방향으로 스크러브 동작을 행할 수가 있다. 이로서 워크에 최적인 스크러브 동작의 방향이 자유로이 선택할 수가 있다.
더욱이, 상기 실시형태에 있어서는, Y방향 구동수단(20)상에 X방향 구동수단(40)을 고정하였지만, 역으로 X방향 구동수단(40)상에 Y방향 구동수단(20)을 고정하여도 좋다.
도 6은 본 발명의 다른 실시형태를 도시한다. 상기 실시의 형태에 있어서는, Y방향 구동수단(20)과 X방향 구동수단(40)의 조합으로 이루어져 있다. 본 실시형태는 하나의 XY방향 구동수단(70)으로 이루어져 있다. 이하, 도 6을 참조하면서 본 실시형태(72)로 이루어져 있고, 이 본딩헤드 고정부(72)에는 볼트(4)가 삽입되는 볼트 삽입구멍(73)이 형성되어 있다. XY방향 구동판(71)의 좌측은 판스프링 고정부(74)로 되어 있고, 이 판스프링 고정부(74)에는 볼트(6)가 나사 결합되는 나사부(75)가 표면에 2개, 측면에 2개 형성되어 있다.
본딩헤드고정부(72)와 판스프링 고정부(74) 사이에 있어서 본딩헤드 고정부(72)측에는, 압전소자 부착용 직사각형 구멍(80)이 설치되고, 압전소자부착용 직사각형구멍(80)에는 신축방향이 Y방향으로 되도록 배열설치된 압전소자(81)의 좌단부(81a)가 고정되어 있다. 또, 상기 판스프링 고정부(74)가 Y방향으로 변위할 수 있도록, 압전소자부착용 직사각형 구멍(80)의 우단부는 X방향으로 뻗어 있는 슬릿(82)이 양측단(71a)의 근방까지 형성되고, 또 슬릿(82)에 근접하여 양측단(71a)으로부터 슬릿(82)에 평행하게 슬릿(83)이 형성되고, 슬릿(82와 83)사이는 탄성변형부(84)로 되어 있다.
본딩헤드 고정부(72)와 판스프링 고정부(74)사이에 있어서 판스프링 고정부(74)측에는 압전소자부착용 직사각형 구멍(90)이 설치되고, 압전소자부착용 직사각형 구멍(90)에는, 신축방향이 X방향으로 되도록 배열설치된 압전소자(91)의 일단부(91a)가 고정되어 있다. 또 상기 판스프링 고정부(74)가 X방향으로 변위될수 있도록, 압전소자 부착용 직사각형 구멍(90)의 좌우 단부는 X방향으로 뻗어 있는 슬릿(92)이 양측단(71a)의 근방까지 형성되고, 더욱더 슬릿(92)의 단부와 연통하여 측단(71a)과 평행하게 Y방향으로 뻗어 있는 신장한 슬릿(93)이 형성되고, 측단(71a)과 슬릿(93) 사이는 탄성변형부(94)로 되어 있다.
여기서, Y방향 구동수단(20)의 크기에 상당하는 블록(도시하지 않음)을 도 1에 도시된 본딩헤드(2)에 볼트(3)로 고정하고, 상기 블록에 본 실시의 형태의 XY방향 구동수단(70)을 볼트(4)로 고정한다. 기타의 구성은 상기 실시형태와 같다.
다음에 작용에 대하여 설명한다. 압전소자(81)로의 전압을 온으로 하면 압전소자(81)는 Y방향으로 신장한다. 압전소자(81)의 좌단부(81a)는 고정되어 있으므로, 신장은 전부 타단부(81b)에 전달된다. 타단부(81b)가 변위하면, 탄성변형부(84)가 탄성 변형하여 판스프링 고정부(74)가 +Y방향으로 변위한다. 다음에 압전소자로의 전압을 오프로 하면, 압전소자(81)가 본래의 길이로 되돌아가고, 판스프링 고정부(74)로 본래의 위치로 되돌아간다.
압전소자(91)로의 전압을 온으로 하면, 압전소자(91)는 X방향으로 신장한다. 압전소자(91)의 일단부는 고정되어 있으므로, 신장은 전부 타단부(91b)로 전달된다. 타단부(91b)가 변위하면, 탄성변형부(94)가 탄성변형하여 판스프링 고정부(74)가 +X방향으로 변위한다. 다음에 압전소자(91)로의 전압을 오프로 하면, 압전소자(91)가 본래의 길이로 되돌아가고, 판스프링 고정부(74)도 본래의 위치로 되돌아간다.
상기한 바와 같이 판스프링 고정부(74)가 Y방향으로 움직이면, 본딩툴(12)도Y방향으로 이동하고, 또 판스프링 고정부(74)가 X방향으로 움직이면, 본딩툴(12)도 X방향으로 이동한다. 그래서, 압전소자(81 및 91)의 구동을 조합시키므로서 본딩면에 대하여 평행한 임의의 방향으로 본딩툴(12)을 구동시킬 수가 있고, 상기 실시의 형태와 꼭같은 효과가 얻어진다.
더욱이, 상기 각 실시의 형태에 있어서는 본딩아암(8)을 판스프링(5)을 통하여 X방향 구동수단(40) 또는 XY방향 구동수단(70)에 부착하였지만, 본딩아암(8)을 지지축을 통하여 X방향 구동수단(40) 또는 XY 방향 구동수단(70)에 요동자유로이 부착하여도 좋다.
본 발명에 의하면 본딩시에 상기 본딩툴을 본딩 평면의 임의의 방향으로 각각 진동시키는 복수개의 압전소자를 설치하였으므로 스크러브 동작의 진동이 경감되고, 안정된 본딩동작을 행할 수 있음과 동시에, 워크에 최적인 스크러브 동작의 타이밍 및 방향을 자유롭게 선택할 수가 있다.

Claims (2)

  1. 일단에 본딩툴이 부착된 초음파혼을 구비한 본딩장치에 있어서, 본딩툴을 초음파혼의 축심에 평행한 Y방향으로 진동시키는 Y방향용 압전소자를 가진 Y방향 구동수단과, 상기 Y방향에 직각인 평면의 X방향으로 진동시키는 X방향용 압전소자를 가진 X방향 구동수단을 구비하고, 본딩시에 상기 압전소자를 구동시켜 상기 본딩툴을 본딩평면의 XY방향으로 진동시킴으로써 스크러브 동작을 행하는 것을 특징으로 하는 본딩장치.
  2. 일단에 본딩툴이 부착된 초음파혼을 구비한 본딩장치에 있어서, 본딩툴을 초음파혼의 축심에 평행한 Y방향으로 진동시키는 Y방향용 압전소자 및 상기 Y방향에 직각인 평면의 X방향으로 진동시키는 X방향용 압전소자를 가진 XY방향 구동수단을 구비하고, 본딩시에 상기압전소자를 구동시켜 상기 본딩툴을 본딩평면의 XY방향으로 진동시킴으로써 스크러브 동작을 행하는 것을 특징으로 하는 본딩장치.
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