KR101511893B1 - 와이어 본딩 장치 및 와이어 본딩 방법 - Google Patents

와이어 본딩 장치 및 와이어 본딩 방법 Download PDF

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Abstract

가열된 공기 또는 가스를 본딩에 필요한 영역과 시간에 한정해서 공급하도록 하고 본딩성을 개선, 가열에 수반하는 악영향을 경감하고, 생산성과 품질 향상을 도모하기 위해, 내부에 순간적으로 가열 가능한 저항 온도 계수가 큰 금속으로 이루어지는 히터를 내장하고, 선단으로부터 본딩점을 포함하는 본딩 부재에 열풍을 내뿜는 취출구와 타단에 압축 기체가 유입하는 유입구를 갖는 노즐 형상의 케이싱과, 히터를 가열하는 가열 제어 수단과, 케이싱으로의 압축 기체의 공급, 차단을 실행하는 압축 기체 공급 제어 수단을 갖추고, 가열 제어 수단 및 압축 공기 공급 제어 수단은 본딩점마다 열풍의 온도, 열풍의 취출 타이밍을 가변하도록 하고, 본딩 중에서의 본딩 툴이 본딩점에 착지하고 있지 않은 동안 중, 적어도 어느 하나의 기간에 있어서, 열풍이 케이싱으로부터 본딩 부재에 공급되지 않는 기간을 마련하도록 제어한다.

Description

와이어 본딩 장치 및 와이어 본딩 방법{WIRE BONDING DEVICE AND WIRE BONDING METHOD}
본 발명은 와이어 본딩 장치 및 와이어 본딩 방법에 관해서, 특히 안정된 본딩이 가능한 와이어 본딩 장치 및 와이어 본딩 방법에 관한 것이다.
종래, IC칩 상의 패드와 외부 리이드를 접속하는 본딩 장치로서는 도 8에 나타나는 것과 같은 와이어 본딩 장치가 알려져 있다. 도 8은 종래의 와이어 본딩 장치의 구성을 나타내는 도이다.
도 8에 나타나듯이, 종래의 와이어 본딩 장치(30)는 초음파 진동자(도시하지 않음)를 갖추고, 선단에 장착된 본딩 툴(34)로서의 캐필러리(34)를 갖는 초음파 혼(33)과, 한쪽의 선단에 초음파 혼(33)을 갖추고, 다른 쪽이 지축(36)에 결합되어 있는 본딩 암(32)과, 본딩 암(32)의 선단에 장착된 캐필러리(34)의 위치를 검출하 는 위치 검출 수단으로서의 엔코더(35)와, 본딩 암(32)을 지축(36)을 중심으로해, 상하로 구동하는 리니어 모터(37)를 갖는 본딩 헤드(31)와, 본딩 헤드(31)를 탑재하여 X방향 및/또는 Y방향으로 2차원적으로 이동해서 위치 결정하는 위치 결정 수단으로서의 XY스테이지(40)와, IC칩(60) 등을 마운트한 리이드 프레임을 탑재해서, 캐필러리(34)에 의해 본딩 작업을 실행하는 본딩 스테이지(43)와, 본딩 스테이지(43)의 하부에 마련되어, 본딩 스테이지(43)상의 리이드 프레임 등을 가열하는 히터 블록(45)과, 마이크로 프로세서를 포함하는 컨트롤 유닛(50)과, 이 컨트롤 유닛(50)으로부터의 지령 신호에 따라서 본딩 헤드(31) 및 XY스테이지(40)로의 구동 신호를 발하는 구동 유닛(55)으로 이루어진다. 또, 와이어 본딩 장치(30)는 본딩 개시 전에 피본딩 부품의 표면을 촬상해서 IC칩(60), 리이드(61)의 위치 어긋남을 검출하기 위한 촬상 수단으로서의 카메라(38)가 본딩 헤드에 탑재되어 있다.
본딩 스테이지(43)상에서 IC칩의 패드와 외부 리이드를 금, 은 또는 동을 주된 성분으로 하는 와이어로 접속하는 와이어 본딩에서는 히터(45a)를 내장한 히터 블록(45)에 의해 가열된 히터 플레이트(46)상에 리이드 프레임이 재치되고, 리이드 프레임 상의 IC칩(60) 및 리이드(61)가 가열된 상태에서, 초음파 혼(33)에 의한 캐필러리(34)의 초음파 진동 및 하중을 IC칩의 패드와 리이드에 인가해서 와이어와의 접합이 실행된다.
그러나, 히터 블록(45)에 의한 가열에서는 히터 플레이트(46), 기판(리이드 프레임), 칩의 순으로 열이 전해지기 때문에, 기판의 종류, 재질(세라믹, 수지 등)에 따라서는 열 전도가 나쁘고, IC칩까지의 가열에 시간이 걸리고, 또한, 다음 공정에 보내기 위한 냉각 시간도 필요로 하고 있었다.
또, IC칩을 기판(리이드 프레임)에 고정하는 페이스트나 접착제, 또는 기판의 종류(세라믹, 수지 등)에 따라서는 열에 의한 변질이나 변형을 피하기 위해서 충분한 가열이 되지 않고, 접합성을 확보하기 위해 초음파 진동에 과잉으로 의존하는 결과, 안정한 접합 품질이 얻어지지 않게 될 우려가 있다.
또, 히트 싱크를 갖는 리이드 프레임에 LED나 파워 반도체의 칩이 부착되어 있는 것이 있지만, 이러한 리이드 프레임에서는 히트 싱크로부터 열이 달아나기 때문에 본딩 스테이지(43)에서의 히터 블록(45), 히터 플레이트(46)에 의한 가열에 시간을 필요로 하기 때문에, 생산 수가 저하될 수 있다. 또한, 대형의 기판을 본딩할 때, 본딩을 실행하는 영역은 약간임에도 불구하고, 기판 전체를 가열할 필요가 있기 때문에 전력이 낭비가 될 뿐만 아니라, 본딩 전후의 가열·냉각에 많은 시간이 걸리고, 생산성이 저하되고 있었다. 또 가열이 필요한 것은 접합의 순간뿐이지만, 와이어 본딩 장치의 가동 중은 항상 본딩 스테이지(43)의 히터 블록(45)을 계속 가열할 필요가 있으며, 전력이 쓸데없이 소비된다.
또, 초음파 혼(33)은 금속제이며, 히터 블록(45)에서 가열되는 본딩 스테이지(43)의 위쪽에 위치하기 때문에, 가열에 따른 열 팽창에 의해서, 초음파 혼(33)에 의해 유지되는 본딩 툴의 위치가 변화하고, 본딩 위치 정밀도가 저하된다. 또, 금속 팽창에 의해 초음파 혼(33)의 진동 특성이 변화하고, 초음파 진동의 진폭이 변화하여 접착 품질이 저하될 우려가 있다.
또, 본딩 헤드(31)에 탑재되고, IC칩 등의 위치 검출을 실행하는 카메라(38)는 히터 블록(45)에서 가열된 본딩 스테이지(43)의 위쪽에 위치하기 때문에, 가열에 의한 열 팽창으로 IC칩 등의 위치 검출의 정밀도가 저하된다. 또한, IC칩과 렌즈 간의 공기가 열에 흔들리는 것에 의해서도 위치 검출의 정밀도가 저하된다. 위치 검출의 정밀도의 저하는 최종적으로 본딩 위치 정밀도의 저하로 될 우려가 있다.
또, 동(銅) 프레임에의 본딩에서는 본딩시의 가열에 의한 동 프레임 표면의 산화를 방지하기 위해서, 본딩 스테이지 전체를 불활성 또는 환원 분위기로 유지할 필요가 있다.
또, 동 와이어는 보존중에 그 표면이 산화한다. 동 볼 본딩에서는 방전에 의한 볼 형성을 환원 분위기 중에서 실행하기 때문에, 제 1 본딩에서는 접합하는 동 볼 표면은 산화되지 않았다. 그러나, 제 2 본딩에 있어서는 동 와이어 표면의 산화에 의해 접합 강도가 저하하는 경우도 있다.
또한, 본딩 스테이지(43)상에서 기판(리이드 프레임) 전체를 가열하기 위해서, IC칩을 기판(리이드 프레임)에 접착하는 페이스트나 접착제, 또는 기판에 포함되는 화학 물질이 열에 의해 아웃 가스로 되어 방산되고, 초음파 혼(33)이나 본딩 헤드(31), 카메라(38), XY스테이지(40), 그리고 본딩 스테이지(43)상의 기판의 고정 지그 등, 주변의 기구 부품을 오염시키고 장치의 기능을 손상시키는 경우가 있다.
이 때문에, 열 전도율이 낮은 본딩 부재, 예를 들면, 복수의 IC칩을 탑재한 대형의 하이브리이드 기판 등의 본딩에서는 IC칩의 패드에서의 가열이 충분히 실행되지지 않기 때문에, 이를 개선하기 위해 본딩면 위쪽으로부터 열 광선을 조사해서 본딩면을 직접 가열하는 와이어 본딩 장치가 특허 문헌1에 개시되어 있다.
또, 반도체 칩 및 실장 부재의 표면에 열풍을 공급해서 결선 부분을 가열하는 가열 제어 수단과, 반도체 칩 및 실장 부재의 표면에 냉각풍을 공급하여, 결선 부분을 냉각하는 냉각 수단을 갖고, 본딩 개시 전에 가열 제어 수단에 의해 가열을 소정 시간 실행하고, 가열 종료 후에 본딩을 실행하고, 본딩 종료 후에 냉각 수단에 의해 강제 냉각을 실행하는 와이어 본딩 장치가 특허 문헌 2에 개시되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본국 특허공개공보평성 제10-125712호 특허 문헌 2 : 일본국 특허공개공보 제2001-110840호
최근, 적층된 패키지를 본딩하는 경우, 1단째의 IC칩을 본딩 후에 일단 전 공정으로 되돌려서 2단째의 칩을 적층하고, 재차 와이어 본딩 장치로 되돌려 2단째의 IC칩을 본딩한다. 이 공정을 반복하는 것에 의해, 다단으로 적층된 IC칩의 본딩을 실행한다. 그 때, 하층의 칩 일수록 본딩에 수반하는 많은 열 이력이 축적하고, 품질의 저하를 초래할 우려가 있다. 또, 상단의 IC칩 일수록 본딩 스테이지로부터의 열이 전해지기 어렵고, 접합 온도가 저하하며, 접합 강도의 확보가 곤란해진다. 또, 공중에 밀려나온 IC칩에서는 공중으로 열이 방산해 버리고, 더욱 접합 강도가 저하할 우려가 있다.
또, LSI칩에는 수백을 넘는 패드(전극)를 갖는 것이 있다. 이러한 LSI칩에서는 초기에 본딩되는 패드는 본딩이 실행된 후에도 모든 패드의 본딩이 끝날 때까지 가열되고 있다. 한편, 최종 패드는 본딩 후 바로 본딩 스테이지로부터 배출되기 때문에 본딩 후의 가열 시간이 적다. 본딩이 행해진 패드는 본딩 후에도 가열에 의해 볼과의 접합이 진행한다. 이 때문에, 동일한 LSI칩 내에서 초기에 본딩된 패드와 말기에 본딩된 패드에서는 박리 강도 등의 접합 강도가 크게 다를 수 있다. 이것에 의해 박리 강도의 측정에 있어서 표준 편차의 증대로서 나타나고, 공정 능력 지수 Cpk의 저하로 되어 버린다. 공정 능력 지수 Cpk의 저하를 보완하기 위해서, 필요 이상의 접합 강도를 확보할 필요가 있고, 본딩의 조건 산출(조정)이 곤란해진다
또, IC칩 측의 패드와 기판(리이드 프레임)측의 리이드에서는 그 재질, 형상이 크게 다르고, 하중이나 초음파 진동의 강도 등의 본딩 조건도 크게 다른 경우가 많다. 그러나, 현재의 본딩 스테이지 전체를 가열하는 시스템에서는 제 1 본딩이 행해지는 IC칩의 패드와 제 2 본딩이 행해지는 리이드 프레임의 리이드는 히터 플레이트 상에서 동일 온도로 가열되기 때문에, 제 1 본딩점(패드) 및 제 2 본딩점(리이드)에서의 각 본딩점에서 최적의 온도를 설정할 수 없었다.
특허 문헌 1의 와이어 본딩 장치는 종래의 기판의 배면에 위치하는 히터 플레이트에 의한 가열과, 본딩면의 위쪽으로부터 열 광선을 조사해서 본딩면을 직접 가열의 양자의 가열을 병용한 것이며, HIC기판 등의 부재의 열 전도율이 낮은 경우에는 가열 효과를 기대할 수 있다. 그러나, 적층된 패키지의 본딩이나, 다(多)핀의 리이드 프레임에서의 본딩과 같이 장시간 가열 상태가 계속되는 바와 같은 경우에는 접합 강도의 편차 등이 발생할 우려가 있다.
또, 특허 문헌 2에 개시된 와이어 본딩 장치에 있어서는 가열 종료 후에 본딩을 실행하고, 본딩 종료 후에 냉각 수단에 의해 강제 냉각을 실행하기 때문에, 다음의 행정에서의 냉각 시간이 불필요하게 되고, 공정간의 손실을 줄일 수 있지만, 본딩 전에 반도체 칩 및 실장 부재의 표면이 균일하게 가열되기 때문에, 제 1 본딩점(패드) 및 제 2 본딩점(리이드)에서의 각 본딩점에서 최적의 온도를 설정할 수 없을 우려가 있다.
그래서, 본 발명은 본딩 헤드 또는 본딩 암에 부착된 초소형의 열풍 히터로부터의 가열된 공기 또는 가스에 의해 칩, 기판(리이드 프레임), 볼, 본딩 툴, 또는 본딩 와이어를 가열하도록 하고, 가열된 공기 또는 가스를 본딩에 필요한 영역과 시간에 한정하여 공급하는 것에 의해, 본딩성을 개선할 뿐 아니라, 가열에 수반하는 악영향을 경감하고, 생산성과 품질의 향상을 동시에 얻는 것이 가능한 와이어 본딩 장치 및 와이어 본딩 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목표 달성을 위해서, 본 발명의 와이어 본딩 장치는 본딩 툴에 의해 본딩점으로서의 반도체 칩 상의 전극(패드)과 외부 단자(리이드)를 와이어로 접속하는 와이어 본딩 장치로서, 내부에 순간적으로 가열 가능한 저항 온도 계수가 큰 금속으로 이루어지는 히터를 내장하고, 선단으로부터 본딩점을 포함하는 본딩 부재에 열풍을 내뿜는 취출구와 타단에 압축 기체가 유입하는 유입구를 갖는 노즐 형상을 이루는 케이싱과, 상기 히터를 가열하는 가열 제어 수단과, 상기 케이싱으로의 압축 기체의 공급, 차단하는 실행하는 압축 기체 공급 제어 수단을 갖고, 본딩 중에서의 상기 본딩 툴이 본딩점에 착지하고 있지 않은 동안 중, 적어도 어느 하나의 기간에 있어서 상기 열풍이 상기 케이싱에서 본딩 부재에 공급되지 않는 기간을 마련하도록 제어하도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 와이어 본딩 장치에서 상기 가열 제어 수단 및 상기 압축 공기 공급 제어 수단은 상기 본딩점마다 열풍의 온도, 열풍의 취출 타이밍을 가변하도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 와이어 본딩 장치에서 상기 가열 제어 수단은 통전에 의해 상기 히터의 저항값이 소정의 값을 유지하도록 제어해서, 온도 센서를 이용하는 일 없이 상기 히터의 발열 온도를 제어하도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 와이어 본딩 방법은 본딩 툴에 의해 본딩점으로서의 반도체 칩 상의 전극(패드)과 외부 단자(리이드)를 와이어로 접속하는 와이어 본딩 방법으로서, 내부에 순간적으로 가열 가능한 저항 온도 계수가 큰 금속으로 이루어지는 히터를 내장하고, 선단으로부터 본딩점을 포함하는 본딩 부재에 열풍을 내뿜는 취출구와, 타단에 압축 기체가 유입하는 유입구를 갖는 노즐 형상의 케이싱과, 상기 히터를 가열하는 가열 제어 수단과, 상기 케이싱으로의 압축 기체의 공급, 차단을 실행하는 압축 기체 공급 제어 수단을 갖고, 본딩 중에서의 상기 본딩 툴이 본딩점에 착지하고 있지 않은 동안 중, 적어도 어느 하나의 기간에 있어서, 상기 가열 제어 수단 및 상기 압축 공기 공급 제어 수단에 의해, 상기 열풍이 상기 케이싱에서 본딩 부재에 공급되지 않는 기간을 마련하도록 제어하도록 한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 본딩 중에 있어서의 본딩 툴이 본딩점에 착지하고 있지 않은 동안 중, 적어도 어느 하나의 기간에 있어서, 열풍이 공급되지 않은 기간을 마련하도록 제어하도록 해서, 접합에 필요한 최소한의 시간만큼 최적의 가열을 실행하는 것이 가능하다. 그 결과, 부재로의 열의 침투나, 주변부로의 확산을 피하고, 전극 표면, 본딩 와이어, 본딩 툴 선단부와 같은 접합에 기여하는 부분만을 선택적인 가열을 실행할 수 있다.
또, 제 1 본딩점, 제 2 본딩점의 본딩점마다, 가열 온도가 가변 가능하기 때문에, 최적의 가열 온도에서 본딩을 실행할 수 있다.
또, 적층된 패키지의 본딩에 있어서, 상면 가열에 의하기 때문에, 전극 표면을 확실하게 가열 가능한 동시에, 순간 가열이기 ?문에, 칩으로의 열의 침투가 억제되고, 하층 칩의 열 이력 축적을 방지할 수 있다.
또, 가열 제어 수단은 통전에 의해 케이싱 내의 히터의 저항값이 소정의 값을 유지하도록 제어하는 것에 의해, 온도 센서를 이용하는 일 없이, 히터의 발열 온도를 제어하는 것이 가능하게 되고, 히터의 온도 검출용 센서가 불필요하게 되며, 케이싱 내의 구성을 간소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 본딩 장치의 구성을 나타내는 도이다.
도 2는 열풍 히터의 구성을 나타내는 도이다.
도 3은 열풍 히터를 구동하기 위한 열풍 히터 구동 유닛의 구성을 나타내는 도이다.
도 4는 히터 구동 회로의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 5는 히터 구동 회로의 동작을 나타내는 타이밍 도이다.
도 6은 본딩 동작에서의 열풍의 인가의 타이밍을 나타내는 도이다.
도 7은 본딩 동작에서의 열풍 인가의 제어를 나타내는 흐름도이다.
도 8은 종래의 와이어 본딩 장치의 구성을 나타내는 도이다.
이하, 도면을 참조해서 본 발명에 의한 와이어 본딩 장치 및 와이어 본딩 방법을 실시하기 위한 형태에 대해서 설명한다. 또한, 본 발명은 본딩 헤드 또는 본딩 암에 부착된 초소형의 열풍 히터로부터의 가열된 공기 또는 가스 등의 기체에 의해, 칩, 기판(리이드 프레임), 볼, 본딩 툴 또는 본딩 와이어를 가열하도록 해서, 가열된 공기 또는 가스를 본딩에 필요한 가열 영역에 시간을 한정해서 공급하는 것에 의해, 본딩성을 개선하고, 종래의 히터 플레이트에 의한 가열에 수반하는 악영향을 경감하고, 생산성과 품질의 향상을 도모하도록 한 것이다.
[본딩 장치의 구성]
도 1은 본 발명의 본딩 장치의 구성을 나타내는 도이다. 또한, 도 8에 나타나는 종래의 와이어 본딩 장치의 구성 부분과 동일한 것에 관해서는 동일한 부호를 사용하며, 구성에 관한 상세한 설명은 생략한다.
도 1에 나타나듯이, 와이어 본딩 장치(1)는 본딩 헤드(31)와, 본딩 헤드(31)를 탑재하고 XY축의 2차원 방향으로 이동 가능한 XY스테이지(40)와, 피본딩 부품으로서의 IC칩(60)을 탑재한 리이드 프레임을 재치하는 본딩 스테이지(39)와, 와이어 본딩 장치(1)의 제어를 실행하는 컨트롤 유닛(30)을 갖고 있다. 또, 본딩 헤드(31) 또는 본딩 암(32)에 열풍 히터(5)가 부착되어 있다. 열풍 히터(5)는 가열된 공기 또는 가스를 IC칩, 기판(리이드 프레임), 볼, 본딩 툴 또는 본딩 와이어에 공급하는 것에 의해서, 이들 본딩 부재를 가열하는 것이다.
컨트롤 유닛(30)으로서의 마이크로 컴퓨터는 와이어 본딩 장치(1)의 본딩 동작 등의 제어를 실행하는 프로그램을 내장하고 있고, 마이크로 컴퓨터는 프로그램을 실행하여 와이어 본딩 장치(1)에서의 열풍 히터(5)의 동작을 포함하는 각종 동작의 제어를 실행하도록 구성되어 있다.
[열풍 히터의 구성]
도 2는 열풍 히터의 구성을 나타내는 도이다. 도 2에 나타나듯이, 열풍 히터(5)는 케이싱(7)과, 케이싱(7)에 내장된 발열체(히터)(6)와, 케이싱(7)의 외주에 마련된 지지체(8)로 구성된다. 케이싱(7)은 노즐 형상을 이루고, 선단으로부터 가열된 고압 공기 또는 가스 등의 기체를 내뿜는 열풍 취출구(7b)와 타단에 고압의 기체가 유입하는 공기 유입구(7a)를 가진다. 발열체(히터)(6)는 코일 형상의 필라멘트(6)로 이루어지며, 필라멘트(6)는 저항 온도 계수가 크고, 또한, 가열의 반복으로 저항 온도 계수가 안정되어있는 부재가 바람직하다. 발열체(히터)(6)의 부재로서, 백금이 바람직하다. 필라멘트(6)의 양단은 리이드선(6a)에 접속되어 있으며, 리이드 선(6a)에 외부의 히터 구동 회로(도 3에 나타냄)로부터 전류를 흘려서 줄 열에 의해, 필라멘트(6)가 가열된다. 열풍 히터(5)는 공기 유입구(7a)로부터 공급된 기체가 필라멘트(6)에서 가열되고, 가열된 기체가 노즐 형상의 케이싱(7) 선단의 열풍 취출구(7b)로부터 뿜어져 나오도록 구성되어 있다.
케이싱(7)의 외주에 마련된 지지체(8)는 열풍 히터(5)를 본딩 헤드(31) 또는 본딩 암(32)에 부착하기 위한 것이며, 부착 금구(28)를 통해서 열풍 취출구(7b)가 본딩점으로서의 IC칩의 패드, 기판(리이드 프레임)의 리이드, 본딩 툴 선단의 볼, 또는 본딩 와이어의 방향에 위치하도록 부착되어 있다.
부착 금구를 이용해서, 열풍 히터(5)를 본딩 헤드(31)에 부착한 경우, XY스테이지에 의해서 열풍 히터(5)는 항상 본딩 헤드(31)와 일체가 되어 이동한다. 열풍 히터(5)로부터 취출하는 열풍의 목표 위치를 본딩 툴의 착지점으로 조정하면, 본딩의 타이밍에 맞추어 열풍을 공급하는 것에 의해, IC칩, 기판(리이드 프레임), 볼, 본딩 툴을 본딩 시에 가열할 수 있다.
또, 부착 금구를 이용해서 열풍 히터(5)를 본딩 암(32)에 부착한 경우, 열풍 히터는 XY스테이지에 의해서 본딩 헤드(31)와 일체가 되어 이동할 뿐만 아니라, 본딩 암(32)과 동시에 상하 동작한다. 열풍 히터(5)로부터 취출하는 열풍의 목표 위치를 본딩 툴(34)의 선단 부근으로 조정하면, 본딩의 타이밍에 맞추어 열풍을 공급하는 것에 의해, IC칩, 기판(리이드 프레임), 볼, 본딩 툴을 본딩시에 가열할 수 있다. 이 경우는 또 루핑 동작시에 열풍으로 본딩 와이어를 가열하고 연화시키는 것에 의해, 와이어의 킹크에 수반하는 스트레스를 경감할 수 있다.
[열풍 히터 구동 유닛의 구성]
도 3은 열풍 히터를 구동하기 위한 열풍 히터 구동 유닛의 구성을 나타내는 도이다. 도 3에 나타나듯이, 열풍 히터 구동 유닛(10)은 열풍 히터(5)의 필라멘트(6)에 통전을 실행하는 히터 구동 회로(11)와, 열풍 히터(5)의 공기 유입구(7a)에 기체를 공급하는 배관에 삽입된 전자 개폐 밸브(26)와, 전자 개폐 밸브(26)와 가스 공급원의 사이에 가변 스트롤 밸브(27)가 마련되어 있다. 히터 구동 회로 (11) 및 전자 개폐 밸브(26)는 컨트롤 유닛(30)에 접속되어 있고, 컨트롤 유닛에 의해 열풍 히터(5)의 필라멘트(6)로의 통전 제어, 열풍 히터(5)로의 가스의 공급, 차단이 실행된다. 또, 히터 구동 회로(11)는 통전에 의해 히터의 저항값이 소정의 값을 유지하도록 제어하고, 온도 센서를 이용하는 일 없이, 열풍 히터(5)의 필라멘트(6)의 발열 온도를 제어하도록 구성되어 있다. 이것에 의해, 컨트롤 유닛(30)으로부터의 제어에 의해서, 본딩 동작에 따라 히터 전류의 온／오프(ON/OFF), 설정 온도의 데이터 설정 등이 이루어진다. 열풍 히터(5)로의 가스의 배관에는 전자 개폐 밸브(26)가 삽입되고, 와이어 본딩 장치(1)의 컨트롤 유닛(30)에 의해 본딩 동작에 따른 가스 등의 공급의 개폐가 행해진다. 본딩 중에서 가스의 영향이나 불필요한 가열을 피하기 위해서, 개폐의 응답 속도(바람직하게는 1ms이하)의 빠른 전자 개폐 밸브(26)가 바람직하다. 또, 가스 압력의 응답 지연을 줄이기 위해서, 열풍 히터(5)와 전자 개폐 밸브(26)는 가능한 한 짧게 배관하도록 한다. 전자 개폐 밸브(26)와 가스 공급원의 사이에 가변 스트롤 밸브(27)를 마련하여, 적정한 가스 유량으로 유지하도록 한다. 또한, 열풍 히터(5)의 공기 유입구(7a)에 공급되는 기체는 공기 또는 불활성 가스이며, 열풍 히터(5)의 열풍 취출구(7b)로부터 가열된 공기 또는 불활성 가스가 방출된다.
[히터 구동 회로의 구성]
다음에, 도 4를 이용해서, 히터 구동 회로의 구성에 대해서 설명한다. 도 4에 나타나듯이, 히터 구동 회로(11)는 브리지 회로(16), 차동 증폭기(14), 비교기(15), 고전압 구동 회로(12), 및 저전압 구동 회로(13)를 갖고 있다.
브리지 회로(16)는 직렬로 접속된 저항(17)(저항값을 R1로 한다)과 필라멘트 히터(6)(필라멘트는 정의 저항 온도 계수를 가진 백금으로 하고, 저항값을 Rh로 한다)와, 직렬로 접속된 저항(18)(저항값을 R2로 한다), 저항(19)(저항값을 R3으로 한다)과, 디지털 포텐셔미터(20)(선택된 저항값을 VR1로 한다)로 구성되어 있다. 또한, 디지털 포텐셔미터(20)는 복수의 저항이 조립되어 있으며, 외부의 컨트롤 유닛(30)으로부터 저항값에 대응한 숫자를 출력해서, 특정한 저항값을 지정할 수 있도록 구성되어 있다.
저항(17)과 히터(6)의 접속점은 저항(23)을 통해서 차동 증폭기(14)의 ―(마이너스)단자에 입력되고, 저항(18)과 저항(19)의 접속점은 저항(24)을 통해서 차동 증폭기(14)의 ＋(플러스)단자에 입력된다. 차동 증폭기(14)의 출력은 비교기(15)의 ＋(플러스)단자에 입력된다. 또, 비교기(15)의 ―(마이너스)단자는 GND에 접속되어 있다. 비교기(15)의 출력은 일반적인 NPN 트랜지스터의 오픈 콜렉터 형식이며, 비교기(15)의 출력이 하이 레벨일때에는 컨트롤 신호인 지령 입력 전압의 풀업 전압에 의해 고전압 구동 회로(12) 및 저전압 구동 회로(13)가 ON하도록 되어 있다. 이처럼, 비교기(15)의 출력은 컨트롤 신호가 입력되었을 때에는 고전압 구동 회로(12) 및 저전압 구동 회로(13)를 제어하는 신호로서 기능한다.
또, 히터 구동 회로(11)는 고전압 구동 회로(12) 및 저전압 구동 회로(13)를 갖추고 있어, 고전압 구동 회로(12)는 고압 전원(12a)을 FET(12b, 12c)에서 제어하여, 고압 전원(12a)을 브리지 회로(16)에 인가한다. 또, 저전압 구동 회로(13)는 저압 전원(13a)을 FET(13b, 13c)에서 제어하여 저압 전원(13a)을 브리지 회로(16)에 인가하도록 되어 있다.
고전압 구동 회로(12)와 저전압 구동 회로(13)의 전원은 양측 모두 히터(6)를 포함하는 브리지 회로(16)에 접속되며, 각 회로로의 역 전압을 방지하기 위해서, 각각 순 방향으로 보호 다이오드(25)가 직렬로 삽입되어 있다.
열풍 히터(5)의 히터(6)에 전류를 흘리는 것에 의해, 히터(6)는 줄열이 발생하고 가열되어 온도가 상승한다. 또, 히터(6)는 온도가 상승하는 것에 의해, 히터(6) 자체의 저항값도 증가한다. 히터(6)의 저항값과 온도의 관계는 직선적이기 때문에, 히터(6)의 저항값을 일정하게 유지하는 것에 의해, 히터(6)의 온도도 일정하게 할 수 있다. 또, 히터(6)의 표면 온도를 높게 설정할 때에는 히터(6)의 저항값이 증가하도록 디지털 포텐셔미터(20)의 저항값을 선택하도록 한다.
히터 구동 회로(11)는 브리지 회로(16)에 조립된 히터의 저항값이 소정값을 유지하도록 제어해서, 히터의 발열 온도를 제어하도록 한 것이다. 히터(6)의 저항값의 제어는 브리지 회로(16)의 접속점의 전압차를 차동 증폭기(14)에서 검출하고, 차동 증폭기(14)에서 검출한 전압 차가 0이 되도록, 고전압 구동 회로(12)로부터의 고전압을 브리지 회로(16)에 통전하도록 한다. 이것에 의해, 히터(6)의 저항값이 소정의 값으로 유지되고, 히터(6)의 발열 온도도 일정하게 유지된다.
[히터 구동 회로의 동작]
도 5는 히터 구동 회로의 동작을 나타내는 타이밍 도이다. 또한, 도 5에 나타나는 파형은 위부터 차례로 지령 전압 입력의 파형, 차동 증폭기에 입력되는 히터의 저항의 비율의 변화를 나타내는 도, 차동 증폭기 출력 전압의 파형, 비교기 출력의 파형, 히터 구동 전압의 파형, 히터 온도의 파형을 각각 나타낸다.
도 5에 나타나듯이, 히터 구동 회로(11)의 입력 단자에 시간 t1에서 지령 입력 전압이 컨트롤 유닛(30)으로부터 출력된다. 이 때, 비교기(15)의 출력은 하이 레벨 신호가 출력되어, 고전압 구동 회로(12) 및 저전압 구동 회로(13)가 구동되고, 고전압 및 저전압이 브리지 회로(16)에 인가된다. 이것에 의해, 히터(6)에 전류가 흘러 히터 온도가 상승하고 히터의 저항값 Rh가 증가한다. 이 때, 브리지 회로에 인가되는 전압을 V로 하고, 브리지 회로(16)에서의 히터(6)에 발생한 전압 Vin1과, 저항(18)과 저항(19)의 접속점에서의 전압 Vin2의 전압차는 차동 증폭기(14)에 의해서 전압에 증폭되어, 비교기(15)에 입력된다. Vin2＞Vin1일 때, 즉 V(R3＋VR1)／(R2＋R3＋VR1)＞V·Rh／(R1＋Rh)일 때, 차동 증폭기(14)는 정의 출력 전압으로 되고, 비교기(15)의 ＋(플러스)단자에 입력된다. 이 때, 비교기(15)로부터 풀업 전압이 출력되고, 비교기(15)로부터 출력되는 풀업 전압에 의해 고전압 구동 회로(12) 및 저전압 구동 회로(13)가 ON한다(t2에서 t4의 기간).
고전압 구동 회로(12)는 출력에 P채널 MOS를 이용한 하이 사이드 스위치의 구성을 갖는다. 출력 P채널 MOS의 게이트 구동에는 응답성을 빠르게 할 목적으로 N채널 MOS를 사용한다. 이 고전압 구동 회로(12)에서 고전압 전원이 ON되면, 히터(6)를 포함하는 브리지 회로(16)에 고전압이 인가되어 히터(6)에 전류가 흐르고, 줄 열에 의해 발열한다. 고전압 구동 회로(12)의 ON에서 히터(6)에 정격의 수배, 바람직하게는 수십배 이상의 전류가 흐르도록 고전압 구동 회로(12)의 고압 전원(12a)의 전압을 설정한다. 이것에 의해, 도 5에 나타나듯이, 히터 온도는 급격히 상승하고, 히터(6)의 저항값 Rh도 상승한다.
한편, 히터(6)가 급격히 발열해서 온도가 상승하고, 히터(6)의 저항값도 증가한 것에 의해, 브리지 회로(16)에서의 히터(6)에 발생한 전압 Vin1과, 저항(18)과 저항(19)의 접속점에서의 전압 Vin2의 차동 증폭기(14)에서의 전압차가 Vin2＜Vin1일 때, 즉, (R3＋VR1)／(R2＋R3＋VR1)＜Rh／(R1＋Rh)일 때, 차동 증폭기(14)는 부의 출력 전압이 되고(t3에서 t5기간), 비교기(15)의 출력이 로우 레벨이기 때문에, 고전압 구동 회로(12)는 OFF로 된다. 이것에 의해, 히터(6)의 발열이 정지하고, 히터(6)의 온도가 저하해서 히터(6)의 저항값이 감소한다. 또한, 히터 구동 회로(11)의 동작중(지령 입력 전압이 온 상태)은 차동 증폭 회로(14)의 출력 전압을 유지하기 위해서, 필요 최저한의 전압을 히터(6)를 포함하는 브리지 회로에 인가하도록 한다. 브리지 회로(16)에 인가되는 전압은 히터(6)가 설정 온도를 넘어서 상승하지 않도록 충분히 낮게 설정되어 있으며, 저전압 구동 회로(13)에 의해서 공급된다. 이것은 히터(6)를 포함하는 브리지 회로(16)에 전압이 인가되지 않으면, 히터(6)의 저항 즉, 온도에 관계없이 차동 증폭기(14)의 출력 전압이 0으로 되기 때문에, 온도 제어가 불능이 되는 것을 방지하기 위해서이다. 저전압 구동 회로(13)는 고전압 구동 회로(12)와 마찬가지의 P채널 MOS에 의한 하이 사이드 스위치의 구성을 가지고, 지령 전압 입력이 하이 레벨인 동안, 저압 전원(13a)을 ON한다.
이후, 지령 전압 입력이 하이 레벨인 동안, 브리지 회로(16)에서의 히터(6)에 발생한 전압 Vin1과, 저항(18)과 저항(19)의 접속점에서의 전압 Vin2의 차동 증폭기(14)에서의 크기가 교대로 교체되고, 고전압 구동 회로(12)의 온／오프 제어가 반복된다.
[본딩 동작]
다음에, 상기 구성으로 이루어진 와이어 본딩 장치에서의 본딩 동작에 대해서 도 6과 도 7을 이용하여 설명한다. 도 6은 본딩 동작에서의 열풍의 인가의 타이밍을 나타내는 도, 도 7은 본딩 동작에서의 열풍 인가의 제어를 나타내는 흐름도이다. 이하의 동작은 컨트롤 유닛에서의 마이크로 컴퓨터의 메모리에 내장된 프로그램을 실행하는 것에 의해 실행된다. 또한, 피본딩 부품은 반송 장치(도시하지 않음)에 의해 반송되어져, 본딩 스테이지(39)에 위치한 것으로 한다.
도 7에 나타나듯이, 최초에 IC칩 및 리이드의 어긋남량의 검출을 실행한다(스텝 S1). 다음에, 검출된 IC칩, 리이드의 어긋남량으로부터 IC칩 및 리이드의 본딩 위치의 산출을 실행한다(스텝 S2). 이것에 의해, 본딩 할 제 1 본딩점으로서의 IC칩의 패드의 위치 및 제 2 본딩점으로서의 리이드의 위치가 결정된다.
본딩 위치의 산출 후, 본딩 헤드(31)를 탑재한 XY스테이지(40)를 제 1 본딩점으로 이동하도록 한다. 또한, 본딩 툴(34)로서의 캐필러리(34)를 제 1 본딩점의 바로 위에 하강하게 제어한다(스텝 S3).
캐필러리(34)의 하강 개시 후, 캐필러리(34)가 서치 높이(도 6에 나타나는 t10에서의 P1의 위치)에 이르렀는지를 체크한다(스텝 S4). 또한, 서치 높이는 사전에 설정된 캐필러리(34)의 하강 속도가 고속에서 저속으로 변할 때의 캐필러리(34)의 높이이다. 캐필러리(34)는 고속으로 강하하고, 서치 높이의 바로 앞부터 감속하고 서치 레벨 S보다 저속의 일정 속도인 서치 스피드로 강하하며 캐필러리(34)의 선단에 걸려 있는 볼이 제 1 본딩점의 패드에 맞닿는다. 또한, 제 2 본딩점에서는 캐필러리(34)의 선단으로부터 계속 내보내고 있는 와이어가 리이드의 표면에 맞닿는다.
캐필러리(34)가 서치 높이에 이르렀을 때에는(스텝 S4에서 Yes) 캐필러리(34)를 저속의 일정 속도로 검색 속도인 서치 스피드로 강하하도록 하고, 또, 디지털 포텐셔미터(20)의 저항값을 선택하고, 열풍 히터(5)의 온도 등의 가열 조건을 설정하며, 열풍 히터(5)의 가열을 개시하고, 열풍 히터(5)의 공기 유입구(7a)에 공기의 공급을 개시한다(스텝 S5). 이것에 의해, 열풍 히터(5)의 열풍 취출구(7b)로부터 열풍이 내뿜어져, 본딩점 근방 영역을 가열한다.
다음에, 캐필러리(34)의 선단에 걸려 있는 볼이 제 1 본딩점의 패드에 맞닿았는지의 체크를 실행한다(스텝 S6). 캐필러리(34)의 선단이 맞닿은 것(도 6에 나타내는 P2)을 확인 후(스텝 S6에서 Yes), 캐필러리(34)에 하중 및 초음파 진동을 인가한다(스텝 S7). 캐필러리(34)에 하중 및 초음파 진동을 인가 후에, 캐필러리(34)에 하중 및 초음파 진동의 소정의 인가 시간이 경과해서 본딩이 종료했는지를 체크한다(스텝 S8). 도 6에 나타나는 t11에서의 캐필러리(34)에 하중 및 초음파 진동이 소정의 시간 인가되어 본딩이 종료한 후(스텝 S8에서 Yes), 열풍 히터(5)의 가열을 종료하고, 또, 열풍 히터(5)로의 공기의 공급을 전자 개폐 밸브(26)로 차단한다(스텝 S9). 그 후, 캐필러리(34)를 상승시켜, XY스테이지를 제 2 본딩점으로 이동하도록 한다(스텝 S10).
다음에, 캐필러리(34)를 제 2 본딩점의 바로 위에 하강하도록 제어한다(스텝 S11). 캐필러리(34)가 서치 높이(도 6에 나타나는 t12에서의 P3의 위치)에 도달했는지를 체크한다(스텝 S12). 캐필러리(34)가 서치 높이에 도달한 후(스텝 S12에서 Yes), 디지털 포텐셔미터(20)의 저항값을 선택하고, 열풍 히터(5)의 온도 등의 가열 조건을 설정하여, 열풍 히터(5)의 가열을 개시하고, 열풍 히터(5)의 공기 유입구(7a)에 공기의 공급을 개시한다(스텝 S13). 다음에, 캐필러리(34)의 선단에 내보내고 있는 와이어가 제 2 본딩점의 리이드에 맞닿았는지의 체크를 실행한다(스텝 S14).
캐필러리(34)의 선단이 맞닿은 것(도 6에 나타내는 P4)을 확인 후, 캐필러리(34)에 하중 및 초음파 진동을 인가한다(스텝 S15). 캐필러리(34)에 하중 및 초음파 진동을 인가 후에, 캐필러리(34)에 하중 및 초음파 진동의 소정의 인가 시간이 경과하여 본딩이 종료했는지를 체크한다(스텝 S16). 도 6에 나타나는 t13에서의 본딩이 종료한 후, 열풍 히터(5)의 가열을 종료하고, 또, 열풍 히터(5)로의 공기의 공급을 전자 개폐 밸브(26)로 차단한다(스텝 S17).
전체 와이어의 본딩이 완료했는지를 체크한다(스텝 S18). 전체 와이어의 본딩이 완료하지 않을 때에는(스텝 S18에서 No) 캐필러리(34)를 상승시켜, 캐필러리(34)의 선단에 볼을 형성하도록 하고, 스텝 S3로 이행하고 나머지 본딩을 계속한다. 한편, 전체 와이어의 본딩이 완료되었을 때에는(스텝 S18에서 Yes) 캐필러리(34) 및 XY스테이지를 원점으로 이동시켜 본딩 동작을 종료한다(스텝 S19).
이렇게 본 발명의 와이어 본딩 장치는 본딩 중에서의 캐필러리(34)가 본딩점에 착지하고 있지 않은 동안 중, 적어도 어느 하나의 기간에 있어서, 열풍이 공급되지 않는 기간을 마련하도록 제어하는 것이다. 도 6에 나타나는 본딩 동작에서는 본딩 종료에서 다음의 본딩점에서의 서치 높이에 도달할 때까지의 기간(도 6에 나타나는 t11에서 t12의 기간), 열풍이 공급되지 않도록 제어되어 있다. 또한, 본딩 중에서의 열풍이 공급되지 않는 기간은 한정되는 것이 아니라, 예를 들면, 본딩 종료부터 다음의 본딩점에서의 캐필러리(34)의 하강 개시까지의 기간이라도 좋다.
이상 기술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 본딩 중에서의 본딩 툴이 본딩점에 착지하고 있지 않은 동안 중, 적어도 어느 하나의 기간에 있어서 열풍이 공급되지 않는 기간을 마련하도록 제어하도록 해서, 접합에 필요한 최소한의 시간만큼 최적의 가열을 실행하는 것이 가능하다. 그 결과, 부재로의 열의 침투나 주변부로의 확산을 피하고, 전극 표면, 본딩 와이어, 본딩 툴 선단부와 같은 접합에 기여하는 부분만의 선택적인 가열을 실행할 수 있다.
또, 제 1 본딩점, 제 2 본딩점의 본딩점마다 가열 온도가 가변가능하기 때문에 최적인 가열 온도에서 본딩을 실행할 수 있다.
또, 적층된 패키지의 본딩에 있어서, 상면 가열에 의하기 때문에, 전극 표면을 확실하게 가열 가능한 동시에, 순간 가열이기 때문에 IC칩으로의 열의 침투가 억제되고, 하층 칩의 열 이력 축적을 방지할 수 있다.
또, 가열 제어 수단은 통전에 의해 케이싱 내의 히터의 저항값이 소정의 값을 유지하도록 제어하는 것에 의해, 온도 센서를 이용하는 것 없이, 히터의 발열 온도를 제어하는 것이 가능하게 되고, 히터의 온도 검출용 센서가 불필요하게 되며, 케이싱 내의 구성을 간소화할 수 있다.
본 발명은 그 본질적 특성에서 이탈하는 일없이 수많은 형식의 것으로서 구체화할 수 있다. 따라서, 전술한 실시 형태는 오로지 설명상의 것이며 본 발명을 제한하는 것이 아님은 물론이다.
1,30; 와이어 본딩 장치 5; 열풍 히터
6; 발열체(히터),필라멘트(백금) 6a; 리이드선
7; 케이싱 7a; 공기 유입구
7b; 열풍 취출구 8; 지지체
10; 열풍 히터 구동 유닛 11; 히터 구동 회로
12; 고전압 구동 회로 12a; 고압 전원
12b,12c; FET 13; 저전압 구동 회로
13a; 저압 전원 13b,13c; FET
14; 차동 증폭기 15; 비교기
16; 브리지 회로 17,18,19; 저항(브리지 회로용)
20; 디지털 포텐셔미터 23,24; 저항
25; 다이오드 26; 전자 개폐 밸브
27; 스트롤 밸브 28; 부착 금구
31; 본딩 헤드 32; 본딩 암
33; 초음파 혼 34; 본딩 툴(캐필러리)
35; 인코더 36; 지축
37; 리니어 모터 38; 카메라
39,43; 본딩 스테이지 40; XY스테이지
45; 히터 블록 45a; 히터
46; 히터 플레이트 30,50; 컨트롤 유닛
55; 구동 유닛 60; IC칩
61; 리이드

Claims (4)

  1. 본딩 툴에 의해 본딩점으로서의 반도체 칩 상의 전극(패드)과 외부 단자(리이드)를 와이어로 접속하는 와이어 본딩 장치로서,
    내부에 순간적으로 가열 가능한 저항 온도 계수가 큰 금속으로 이루어지는 히터를 내장하고, 선단으로부터 본딩점을 포함하는 본딩 부재에 열풍을 내뿜는 취출구와 타단에 압축 기체가 유입하는 유입구를 갖는 노즐 형상을 이루는 케이싱과,
    상기 히터를 가열하는 가열 제어 수단과,
    상기 케이싱으로의 압축 기체의 공급, 차단을 실행하는 압축 기체 공급 제어 수단을 갖고,
    상기 가열 제어 수단 및 상기 압축 기체 제어 수단은 상기 본딩점마다의 상기 본딩 툴의 하강 속도가 고속에서 저속으로 전환될 때의 서치 높이의 타이밍에 맞추어, 상기 히터의 발열온도 및 열풍의 취출 개시를 제어하여 상기 케이싱의 상기 취출구로부터 열풍을 취출하도록 하는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 제어 수단 및 상기 압축 기체 공급 제어 수단은 상기 본딩점마다 열풍의 온도, 열풍의 취출 타이밍을 가변하도록 한 것을 특징으로 와이어 본딩 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가열 제어 수단은 통전에 의해 상기 히터의 저항값이 소정의 값을 유지하도록 제어해서, 온도 센서를 이용하는 일 없이, 상기 히터의 발열 온도를 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 장치.
  4. 본딩 툴에 의해 본딩점으로서의 반도체 칩 상의 전극(패드)과 외부 단자(리이드)를 와이어로 접속하는 와이어 본딩 방법으로서,
    내부에 순간적으로 가열 가능한 저항 온도 계수가 큰 금속으로 이루어지는 히터를 내장하고, 선단으로부터 본딩점을 포함하는 본딩 부재에 열풍을 내뿜는 취출구와 타단에 압축 기체가 유입하는 유입구를 갖는 노즐 형상의 케이싱과,
    상기 히터를 가열하는 가열 제어 수단과,
    상기 케이싱으로의 압축 기체의 공급, 차단을 실행하는 압축 기체 공급 제어 수단을 갖고,
    상기 가열 제어 수단 및 상기 압축 기체 제어 수단은 상기 본딩점마다의 상기 본딩 툴의 하강 속도가 고속에서 저속으로 전환될 때의 서치 높이의 타이밍에 맞추어, 상기 히터의 발열온도 및 열풍의 취출 개시를 제어하여 상기 케이싱의 상기 취출구로부터 열풍을 취출하도록 하는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 방법.
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