KR20140084181A

KR20140084181A - 본딩 장치

Info

Publication number: KR20140084181A
Application number: KR1020147012897A
Authority: KR
Inventors: 슈이치 다카나미
Original assignee: 가부시끼가이샤가이죠
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2014-07-04
Also published as: CN104350587A; JP5583179B2; US20140305996A1; TWI549206B; KR101589394B1; US9339888B2; CN104350587B; TW201407704A; WO2014021141A1; JP2014033078A

Abstract

압전 소자가 구동하는 부하의 경량 소형화가 도모되고, 또 압전 소자에 대한 워크로부터의 열의 영향을 줄이는 것이 가능한 본딩 장치를 제공하기 위해, 본딩 툴(8)의 중심축에 대향하는 받이부(6c)를 갖는 본딩 암(5)과, 본딩 툴(8)에 접하는 한쌍의 캐필러리 유지부(9,10)와, 캐필러리 유지부(9,10)에 접하여 초음파 진동을 발생하는 한쌍의 압전 소자(11,12)와, 본딩 암의 받이부에 대향해서 배치되는 가압체(18)와, 가압체를 본딩 암의 받이부를 향해 이동시키는 이동 수단으로 구성되는 가압 수단을 갖고, 본딩 암의 받이부와 가압체의 사이에, 한쌍의 압전 소자, 한쌍의 캐필러리 유지부 및 본딩 툴을 위치시킨 상태에서 가압체를 이동시키는 것에 의해, 한쌍의 캐필러리 유지부 및 본딩 툴을 본딩 암에 유지시키도록 한다.

Description

본딩 장치{BONDING DEVICE}

본 발명은 본딩 장치에 관한 것으로서, 특히, 와이어를 접합하는 본딩 툴을 구동하는 진동 주파수를 자유롭게 설정하는 것이 가능한 본딩 장치에 관한 것이다.

종래, 반도체 칩의 전극과 기판상에 형성된 배선용의 리드를 와이어로 접합하는 와이어 본딩 장치가 알려져 있다. 와이어 본딩 장치는 와이어의 선단부에 형성된 볼을 반도체 칩의 전극에 초음파 진동과 함께 압압해서 접합하는 동시에, 와이어를 리드에 초음파 진동과 함께 압압하여, 반도체 칩의 전극과 기판상의 리드를 접합하는 것이다. 와이어 본딩 장치에는 2차원 방향으로 이동 가능한 XY 테이블상에 본딩 헤드가 탑재 고정되어 있다. 본딩 헤드를 이루는 본딩 암은 지지축을 중심으로 해서 회전 가능한 구성으로 되어 있고, 본딩 암의 한쪽의 선단에는 본딩 툴로서의 캐필러리가 부착된 초음파 혼과, 다른 쪽에 초음파 혼을 통해 캐필러리에 초음파 진동을 인가하는 초음파 인가 수단으로서의 초음파 진동자를 갖고 있다.

그러나, 종래의 본딩 암에 있어서의 초음파 혼은 λ(음 파장)/2를 기본으로 한 길이가 필요하고, 또, 본딩 암으로서의 본딩 헤드에 부착할 때에는 λ/4의 마디의 위치를 고정시키기 때문에, 그 길이 및 지지 방법 등에 제약이 있었다. 이 때문에, 이들 제약을 해소하기 위해, 특허문헌 1에는 본딩 암의 캐필러리 부착 근방에, 캐필러리에 전(電)왜곡 또는 자(磁)왜곡 효과에 의해 진동을 전달하는 압전 소자를 조립한 와이어 본딩 장치가 개시되어 있다.

또, 특허문헌 2에는 캐필러리에 진동 발생 기구를 조립한 저질량 진동자가 개시되어 있다.

또, 특허문헌 3에는 캐필러리 주위의 둘레방향 복수 위치에 서로 인접 배치된 복수개의 압전 소자를 마련하여, 각 압전 소자에 소정의 위상 어긋남을 갖는 전압을 공급하는 와이어 본딩 장치가 게시되어 있다.

특허문헌 1 : 일본국 특허공개공보 평성5-275502호 특허문헌 2 : 미국특허 제5,890,643호 특허문헌 3 : 일본국 특허공개공보 평성6-204302호 공보

특허문헌 1에서 개시된 와이어 본딩 장치는 본딩 암의 캐필러리 부착 근방에, 캐필러리에 진동을 전달하는 압전 소자를 조립한 구성으로 되어 있다. 특허문헌 1에 있어서의 본딩 암은 압전 소자의 진동이 프레임형상의 진동 전달부를 통해 캐필러리에 전파된다. 그러나, 압전 소자가 구동하는 부하로서의 진동 전달부의 질량이 크고, 또한 진동 전달부 자체가 고유 진동수를 가져 버려, 150㎑ 등의 고주파에서의 구동이 곤란하게 되고 있었다. 또, 무거운 부하를 구동하기 위해 압전 소자를 대형으로 할 필요가 있었다.

또, 압전 소자는 본딩 암에 마련한 프레임형상의 구멍에 고정되어 있고, 프레임을 통해 압전 소자에 가압이 걸리게 되기 때문에, 프레임의 탄성이 압전 소자의 신장을 저해하여 진동이 효율적으로 전달되지 않는 문제가 있었다.

또, 특허문헌 2에서는 압전소자를 이용한 진동 발생 기구를 캐필러리에 조립하기 위해 전용의 캐필러리가 필요하게 되고, 통상 사용되고 있는 캐필러리에 진동 발생 기구를 마련하는 것이 곤란하였다. 또한, 소모품인 캐필러리에 진동 발생 기구를 조립하고 있기 때문에, 고가로 되어 버린다.

또, 특허문헌 1, 2, 3 모두, 압전 소자는 가열된 워크(피 본딩 부품)으로부터의 열의 영향을 받을 우려가 있다. 특히, 특허문헌 2, 3에서는 압전 소자가 캐필러리의 외주에 조립되어 있기 때문에, 본딩시에 워크에 접근하는 것에 의해 캐필러리상의 진동 발생 기구가 고온 상태로 된다. 또한, 압전 소자를 고주파로 사용한 경우에는 압전 소자의 자기 발열에 의해, 진동 발생 기구가 더욱 고온 상태로 되며, 압전 소자가 열 파손되거나, 압전 소자의 성능이 저하될 우려가 있다.

이 때문에, 본딩 암의 압전 소자가 구동하는 진동 전달부 등의 부하의 경량 소형화가 도모되고, 또 안정된 진동을 캐필러리에 전달하는 것이 요구되고 있다. 또한, 압전 소자에 대한 가열된 워크로부터의 열의 영향을 줄이는 것이 요구되고 있다.

그래서, 본 발명은 압전 소자가 구동하는 부하의 경량 소형화가 도모되고, 안정된 진동을 캐필러리에 전달하는 것이 가능하며, 또, 주파수 및/또는 진동 진폭의 크기를 자유롭게 선택할 수 있고, 또한, 압전 소자에 대한 워크로부터의 열의 영향을 줄이는 것이 가능한 본딩 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목표 달성을 위해, 본 발명의 본딩 장치는 본딩 툴의 중심축과 교차하는 방향으로 연장하는 동시에, 해당 본딩 툴의 중심축에 마주 놓인 받이부를 갖는 본딩 암과, 상기 본딩 툴의 중심축을 사이에 두고 대칭으로 배치되고, 상기 본딩 툴에 접하는 한쌍의 캐필러리 유지부와, 상기 본딩 툴의 중심축을 사이에 두고 대칭으로 배치되고, 상기 캐필러리 유지부에 접하여 초음파 진동을 발생하는 한쌍의 압전 소자와, 상기 압전 소자를 구동하는 발진기와, 상기 본딩 툴의 중심축을 사이에 두고 상기 본딩 암의 받이부에 대향해서 배치되는 가압체와, 해당 가압체를 상기 본딩 암의 받이부를 향해 이동시키는 이동 수단으로 구성되는 가압 수단을 갖고, 상기 본딩 암이 받이부와 상기 가압체의 사이에, 상기 한쌍의 압전 소자, 상기 한쌍의 캐필러리 유지부 및 상기 본딩 툴을 위치시킨 상태에서, 해당 가압체를 이동시키는 것에 의해, 상기 한쌍의 캐필러리 유지부 및 상기 본딩 툴을 상기 본딩 암에 유지시키는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 캐필러리 유지부는 열 전도율이 낮은 재질로 구성한 것을 특징으로 한다.

상기 발진기는 한쌍의 상기 압전 소자를 서로 180도 위상이 다른 파형으로 구동하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 캐필러리 유지부는 한쪽의 면이 상기 본딩 툴의 외주의 반원 미만의 면에 접하도록 곡률 형상을 이루어 본딩 툴을 유지하고, 다른쪽의 면이 상기 압전 소자의 진동면(변위면)에 접하여 부착되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 압전 소자는 세라믹으로 이루어지는 압전 소자를 적층한 적층 압전 소자인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 발진기는 상기 압전 소자의 구동 주파수를 본딩점마다 가변해서 설정하도록 한 것을 특징으로 한다.

또, 상기 본딩 암은 상기 본딩 툴을 삽입 통과하기 위한 구멍을 형성한 판형상의 프레임을 더 갖고, 상기 한쌍의 압전 소자 및 상기 한쌍의 캐필러리 유지부는 상기 프레임의 상면에 배치되고, 상기 본딩 툴은 선단이 상기 프레임의 하면측에 위치하도록 상기 프레임에 형성된 구멍에 삽입 통과되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 프레임의 상기 상면에는 거리가 일정하게 대향하는 벽면이 마련되고, 상기 한쌍의 압전 소자, 상기 한쌍의 캐필러리 유지부 및 상기 본딩 툴은 상기 프레임 상면의 벽면의 한쪽과 상기 가압 수단의 가압체의 사이에 배치되고, 상기 가압 수단은 상기 이동 수단을 통해 상기 가압체의 상기 프레임 상면의 벽면의 한쪽까지의 거리를 가변하는 것에 의해서, 가압의 크기를 변경하도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 압전 소자가 구동하는 부하의 경량화가 도모되기 때문에, 캐필러리의 응답성이 양호하게 되고 본딩 조건에 따라 제 1 본딩점, 제 2 본딩점에서의 주파수 전환이 가능하게 되며, 각 본딩점에서 최적의 주파수를 선택하는 것이 가능하게 된다.

또, 압전 소자가 구동하는 부하의 경량화에 의해, 캐필러리의 응답성이 양호하게 되고 접합 중의 캐필러리의 진동 진폭의 크기를 가변할 수 있다. 예를 들면, 처음에는 표면의 산화막을 제거하기 위해 캐필러리의 진동 진폭이 커지도록 구동하고, 다음에, 캐필러리의 진동 진폭을 작게 하여 접합하는 것이 가능하게 된다.

또, 압전 소자가 구동하는 부하의 경량화에 의해, 캐필러리의 응답성이 양호하게 되고 패드와 볼의 접합 시간이 단축되며, 반도체 부품의 단위 시간당 생산 수를 늘리는 것이 가능하게 된다.

또, 한쌍의 압전 소자가 캐필러리에 대해 대칭으로 배치되고, 각 압전 소자는 서로 180도 위상이 다른 구동 파형으로 구동하기 때문에, 한쪽의 압전 소자가 신장할 때에는 다른쪽의 압전 소자는 축소하도록 변위되기 때문에, 탄성의 특성을 갖지 않고, 캐필러리 유지부를 통해 캐필러리에 균일한 힘이 작용하여, 캐필러리 전체를 균일하게 진동(변위)시킬 수 있다.

또, 본 발명에 따르면, 캐필러리 유지부를 통해 압전 소자로부터의 진동을 캐필러리(본딩 툴)에 전달하기 때문에, 승온한 캐필러리에 의한 압전 소자에의 열 영향을 경감할 수 있다.

또, 열 전도율이 낮은 재질로 캐필러리 유지부를 구성하는 것에 의해, 열 영향을 경감할 수 있다.

또, 압전 소자는 본딩 암의 프레임내에 수납되어 있으며, 본딩 암의 프레임에 의해서 압전 소자가 워크로부터의 열에 직접 노출되는 일이 없기 때문에, 열의 영향을 경감할 수 있다.

또, 종래와 같이 진동자의 공진을 이용하지 않기 때문에, 사용하는 캐필러리에 최적의 주파수를 선택하고, 선택한 주파수로 압전 소자를 구동할 수 있다.

도 1은 본딩 암의 구성을 나타내는 도면으로서, (a)는 본딩 암의 측면도, (b)는 본딩 암의 하면도이다.
도 2는 도 1의 (a)에 나타내는 A-A선의 단면도이며, 본딩 암의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 3은 적층 압전 소자를 구동하는 발진기의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 적층 압전 소자에 인가되는 전압 파형을 나타내는 도면이다.
도 5는 본딩 암의 캐필러리의 진동을 설명하는 도면으로서, (a)는 적층 압전 소자에 전압 파형의 1주기 중에 있어서의 한쪽의 반주기를 인가했을 때의 캐필러리의 진동(변위) 방향을 나타내고, (b)는 적층 압전 소자에 전압 파형의 1주기 중에 있어서의 다른쪽의 반주기를 인가했을 때의 캐필러리의 진동(변위) 방향을 나타내는 도면이다.
도 6은 본딩 암을 실장한 본딩 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 본딩 장치를 실시하기 위한 형태에 대해 설명한다. 또한, 본 발명의 본딩 장치는 측면에서 보아 대략 '口'형상을 갖는 본딩 암에 조립한 본딩 툴로서의 캐필러리를 중심으로, 본딩 암의 긴쪽 방향에 캐필러리를 유지하는 한쌍의 캐필러리 유지부와, 캐필러리 유지부에 접하여 초음파 진동을 발생하는 한쌍의 압전 소자를 대칭으로 위치하도록 하여, 진동 구동부의 경량 소형화를 도모하고, 가압 발생부에 의해 캐필러리 유지부, 압전 소자에 가압을 가하도록 하여, 안정된 진동을 캐필러리에 전달하도록 하고, 또한 압전 소자에 대해 워크로부터의 열의 영향을 줄이도록 한 것이다.

[본딩 암의 구성]

이하에, 본딩 장치로서의 와이어 본딩 장치에 있어서의 본딩 암에 대해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다. 도 1은 본딩 암의 구성을 나타내는 도면으로서, 도 1의 (a)는 본딩 암의 측면도, 도 1의 (b)는 본딩 암의 하면도를 나타내며, 도 2는 도 1의 (a)에 나타내는 A-A선의 단면도이고, 본딩 암의 구성을 나타내는 평면도이다.

도 1의 (a)에 나타내는 바와 같이, 본딩 암(5)은 본딩 툴(8)로서의 캐필러리(8)와, 캐필러리(8)의 외주를 압압해서 캐필러리(8)를 유지하는 한쌍의 캐필러리 유지부(9,10)와, 진동 구동원으로서의 압전 소자(이후, 압전 소자를 적층 압전 소자(11,12)로 함)와, 캐필러리(8), 캐필러리 유지부(9,10) 및 적층 압전 소자(11,12)에 일정 방향으로부터 하중을 가하여 가압하는 가압 수단으로서의 가압 발생부(15)를 갖고 있다.

도 1의 (a), 도 2에 나타내는 바와 같이, 본딩 암(5)은 측면에서 보아 대략 '口'형상을 갖고, 프레임(6)을 형성하고 있다. 프레임(6)의 상면 및 하면에는 캐필러리(8)를 부착하기 위한 구멍을 갖고 있다. 또, 측면에는 프레임(6)에 의해서 내부 공간(이후, 개구부라고도 함)(7)이 마련되어 있으며, 본딩 암(5)의 개구부(7)에는 캐필러리(8)를 중심으로 캐필러리 유지부(9,10), 적층 압전 소자(11,12)가 좌우 대칭으로 수납되어 있다. 또, 개구부(7)의 양 단면에는 돌기부(6c,6d)를 갖고, 돌기부(6c,6d)는 단면(6a,6b)에 있어서의 개구부(7)의 상면과 하면의 중심 위치에, 상면과 하면에 평행을 이루도록 돌출형상으로 마련되어 있다. 이 돌기부(6c)가 마련되어 있는 개구부(7)의 단면은 후술하는 바와 같이, 가압체의 이동에 의해서 가압되는 본딩 툴(8), 캐필러리 유지부(9,10) 및 적층 압전 소자(11,12)를 가이드 금구(25)를 통해 받아내도록 되어 있으며, 본 발명에 있어서의 받이부를 구성하고 있다. 또한, 돌기부(6c)를 생략하고, 단면 전체에서 가이드 금구(25)를 지지하도록 해도 좋다.

또한, 본딩 암(5)의 받이부는 개구부의 단면(6a)에 있어서의 돌기부(6c)에 마련되어 있지만, 대략 L자 형상을 이루는 판형상의 프레임의 단에 받이부를 마련하도록 해도 좋다. 또, 대략 U자형상을 이루는 판형상의 프레임의 양단의 한쪽에 받이부를 마련하는 것도 가능하다.

본딩 툴(8)로서의 캐필러리(8)는 축심에 와이어를 통과시키기 위한 가느다란 구멍을 갖고, 캐필러리 유지부(9,10)에 의해서 지지되며, 캐필러리(8)의 선단에 형성된 볼을 패드에 하중을 가하면서 접합하거나, 캐필러리(8)의 선단으로부터 내보내진 와이어를 리드의 표면에 하중을 가하면서 접합하는 것이다. 또, 접합 중에 캐필러리(8)에 초음파 진동을 인가하는 것에 의해, 캐필러리(8)의 초음파 진동 없음의 경우에 비해, 낮은 가열 온도로 접합을 실행할 수 있다.

캐필러리 유지부(9,10)는 캐필러리(8)를 유지하여, 적층 압전 소자(11,12)의 진동을 캐필러리(8)에 전파하기 위한 것이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 캐필러리 유지부(9,10)의 캐필러리(8)와 접하는 면은 캐필러리 유지부(9,10) 자신의 내측에 만곡되어 있고, 캐필러리(8)의 외주의 반원 미만의 면에 접하도록 부착되어 있다. 도 1의 (a), 도 2에 나타내는 바와 같이, 캐필러리 유지부(9,10)는 캐필러리(8)를 중심으로 대칭 위치에 각각 마련되어 있다. 캐필러리 유지부(9,10)의 다른 면은 적층 압전 소자(11,12)의 진동면에 각각 접해 있다.

또한, 캐필러리 유지부(9,10)는 스테인리스, 초합금 등의 열 전도율이 낮은 재질로 소형으로 형성되어 있고, 질량은 0.1그램 전후로 경량화되어 있다. 이와 같이, 캐필러리 유지부(9,10)는 캐필러리(8)의 외주를 따라 마련되어 있다.

또, 도 2에 나타내는 바와 같이, 본딩 암(5)내에 캐필러리의 중심축에 대해 대칭으로 위치하도록, 한쌍의 적층 압전 소자(11,12)가 마련되어 있다. 적층 압전 소자(11,12)의 캐필러리(8)측에 위치하는 진동면은 캐필러리 유지부(9,10)에 접해 있고, 한쪽의 적층 압전 소자(11)의 다른 진동면은 가압 발생부(15)의 가압체로서의 테이퍼부(18)에 접해 있다. 또, 다른쪽의 적층 압전 소자(12)의 다른 진동면은 가이드 금구(25)의 면에 접해 있다.

적층 압전 소자(11,12)는 두께 0.1mm(밀리미터) 정도의 압전판으로서의 세라믹과 압전판의 표면에 두께 수㎛(마이크로미터)의 내부 전극이 교대로 다층 적층된 것이다. 이와 같이 구성된 적층 압전 소자(11,12)에서는 전압의 인가에 의해 발생하는 변위량이 압전판의 적층수 및 전극에 인가하는 전압의 크기에 비례한다. 이 때문에, 적층 압전 소자는 단판형 압전 소자에 비해 큰 변위량을 얻을 수 있다. 이에 따라, 진동자로서의 압전 소자는 적층 압전 소자가 바람직하다.

이상, 기술한 바와 같이, 본딩 암(5)에는 캐필러리(8)를 중심으로 본딩 암(5)의 긴쪽 방향을 따라, 한쌍의 캐필러리 유지부(9,10) 및 한쌍의 적층 압전 소자(11,12)가 좌우 대칭으로 배치되어 있다.

도 1의 (a)에 나타내는 가이드 금구(25)는 본딩 암(5)의 개구부(7)의 단면(6a)의 돌기부(6c)와 적층 압전 소자(12)의 사이에 부착되어 있다. 가이드 금구(25)의 한쪽의 면에는 가이드 홈이 마련되어 있고, 가이드 금구(25)의 다른쪽의 면은 적층 압전 소자(12)의 진동면에 밀착하도록 되어 있다. 가이드 금구(25)의 부착은 예를 들면, 가이드 금구(25)의 가이드 홈을 본딩 암(5)의 개구부(7)의 한쪽의 단면(6a)에 마련되어 있는 돌기부(6c)를 따라 슬라이드시켜 본딩 암(5)에 부착하도록 한다. 본딩 암(5)의 개구부(7)의 단면(6a)의 돌기부(6c)와 가이드 금구(25)의 가이드 홈에 의한 끼워 맞춤에 의해서, 뒤틀림 등에 의한 영향을 받지 않고, 가이드 금구(25) 및 적층 압전 소자(12)는 개구부(7) 내부에서의 부착 상태를 유지하여 돌출되는 일이 없으며, 또, 개구부(7)의 상면 및 하면과의 평행 상태를 유지할 수 있다.

[가압 발생부의 구성]

도 2에 나타내는 바와 같이, 가압 발생부(15)는 본딩 암(5)에 내장되어, 긴쪽 방향으로 차례로 배열된 적층 압전 소자(11), 캐필러리 유지부(9), 캐필러리(8), 캐필러리 유지부(10), 적층 압전 소자(12) 및 가이드 금구(25)의 각각의 접촉면에 1방향으로부터 가압을 가하도록 하고 있다. 이에 따라, 각각의 접촉면에서의 밀착성을 높일 수 있다.

도 1의 (a), 도 2에 나타내는 바와 같이, 가압 발생부(15)는 본딩 암(5)의 개구부(7)의 일단에 배치되어 있다. 가압 발생부(15)는 사다리꼴 기둥의 형상을 이루는 가동부(16)와, 가동부(16)의 좌우에 위치하는 테이퍼(17,18)와, 가동부(16)에 조립된 볼트(20)를 갖고 있다. 가압 발생부(15)의 가동부(16)에는 나사 구멍이 관통해서 마련되어 있다. 볼트(20)의 금속 환봉의 일단에는 나사가 새겨져 있고, 볼트(20)의 나사가 새겨진 환봉은 가동부(16)의 나사 구멍에 넣어져 있다. 또, 가동부(16)의 외주는 경사면을 갖고, 경사면은 테이퍼부(17,18)의 일부와 밀착되어 있다.

또한, 가압 발생부(15)의 테이퍼부(18)는 가압체를 이루는 것이며, 가압 발생부(15)의 가동부(16) 및 볼트(20)는 가압체로서의 테이퍼부(18)를 본딩 암의 받이부(6a)를 향해 이동시키는 이동 수단을 구성한다.

가동부(16)의 좌우에 위치하는 테이퍼부(17,18)는 도 2에 있어서 대략 사다리꼴형상을 이루고 있다. 캐필러리(8)측에 위치하는 테이퍼부(18)의 가압면(18c)을 이루는 일단은 적층 압전 소자(11)의 진동면에 접해 있고, 테이퍼부(18)의 타단은 도 2에 나타내는 바와 같이, 만곡을 갖는 평면(18a)과 경사면(18b)을 갖고, 테이퍼부(18)의 경사면(18b)은 가동부(16)의 경사면과 밀착되어 있다. 한편, 본딩 암(5)에 있어서의 개구부(7)의 단면(6b)측에 위치하는 테이퍼부(17)의 가압면(17c)을 이루는 일단은 본딩 암(5)의 개구부(7)에 있어서의 돌기부(6d)(도 1의 (a)에 나타냄)에 접해 있고, 테이퍼부(17)의 타단은 도 2에 나타내는 바와 같이, 만곡을 갖는 평면(17a)과 경사면(17b)을 갖고, 테이퍼부(17)의 경사면(17b)은 가동부(16)의 경사면과 밀착되어 있다.

테이퍼부(17,18)의 만곡을 갖는 평면(17a,18a)에 마련되어 있는 만곡에 둘러싸인 공간에, 볼트(20)가 삽입 통과되어 있다. 볼트(20)는 테이퍼부(17,18)의 만곡된 공간을 관통하여 가동부(16)의 중심에 마련되어 있는 나사 구멍에 삽입되어 있다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 볼트(20)를 시계의 회전 방향으로 돌리는 것에 의해, 가동부(16)가 볼트(20)의 두부측으로 이동한다. 가동부(16)가 볼트(20)의 두부측으로 이동하는 것에 의해, 가압체로서의 테이퍼부(17,18)가 테이퍼면에 의해 좌우로 확산되도록 이동하여, 본딩 암(5)에 있어서의 벽면의 돌기부(6d) 및 적층 압전 소자(11)에 가압력이 가해진다.

또한, 본딩 암(5)의 개구부(7)에, 적층 압전 소자(11,12), 캐필러리 유지부(9,10)를 조립할 때에는 적층 압전 소자(11)의 한쪽의 진동면에 캐필러리 유지부(9)를 접착해서 고정시키고, 또 적층 압전 소자(12)의 한쪽의 진동면에 캐필러리 유지부(10)를 접착하고, 적층 압전 소자(12)의 다른쪽의 진동면에 가이드 금구(25)를 접착하여 고정시켜 두도록 한다. 그 후, 적층 압전 소자(11,12), 캐필러리 유지부(9,10)가 본딩 암(5)의 개구부(7)에 있어서의 상부판, 하부판의 내벽에 대해 간극을 갖도록 위치시키기 위해, 가압 발생부(15)에 의해 가압 등을 조정한다. 이것에 의해, 상부판, 하부판의 내벽과의 접촉에 의한 진동으로의 영향을 없앨 수 있다.

이와 같이, 가압 발생부(15)는 가압면(17c,18c)이 이루는 본딩 암(5)의 개구부(내부 공간)(7)의 양단의 벽면까지의 거리를 가변하는 것에 의해서, 가압의 크기를 변경하도록 하여, 적층 압전 소자(11,12), 캐필러리 유지부(9,10) 등의 접촉면에 가압이 걸리도록 구성되어 있으며, 쐐기의 기능을 하는 것이다.

또한, 가압 발생부(15)는 캐필러리(8)와 본딩 암(5)의 돌기부(6d)의 사이에 위치해 있지만, 가압 발생부(15)를 캐필러리(8)를 사이에 두고 반대의 위치, 즉 캐필러리(8)와 돌기부(6c)의 사이의 위치에 마련하도록 해도 좋다.

또, 가압 수단으로서의 가압 발생부(15)는 상술한 구성에 한정되지 않고, 이동 수단에 의해서 가압해서 고정할 수 있으면 좋고, 예를 들면, 실린더에 의한 고정, 볼 나사에 의한 조임, 클램프에 의한 가압 등의 어느 것이라도 좋다.

또, 도 1의 (b)에 나타내는 바와 같이, 본딩 암(5)의 저부(하면), 즉 본딩시에 워크에 대향하는 면은 프레임(6)에 의해 평면을 이루어 워크로부터의 열을 차단하기 때문에, 본딩 암(5)에 내장된 적층 압전 소자(11,12)에는 직접 열이 미치지 않는다. 이 때문에, 본딩 암(5)에 의해서 적층 압전 소자(11,12)에 대한 열의 영향을 경감할 수 있다.

또, 적층 압전 소자는 경량 소형으로 형성된 캐필러리 유지부(9,10)를 통해 캐필러리에 진동을 인가하기 때문에, 캐필러리의 응답성이 양호해지고, 또 각 본딩점에서 최적의 주파수를 선택하는 것도 가능하게 된다.

[적층 압전 소자의 구동 회로]

다음에, 본딩 암(5)에 조립된 적층 압전 소자(11,12)를 구동하는 발진기에 대해 도 3 및 도 4를 이용해서 설명한다. 도 3은 적층 압전 소자를 구동하는 발진기의 구성을 나타내는 블록도, 도 4는 적층 압전 소자에 인가되는 전압 파형을 나타내는 도면이다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 적층 압전 소자(11,12)를 구동하는 발진기(35)는 파형 발생기(36)와 전력 증폭기(38,39)를 갖고 있다. 또한, 도 3에 나타내는 적층 압전 소자(11,12)는 단전압형 압전 소자를 이용하고 있다. 파형 발생기(36)는 본딩 장치(1)의 제어부(33)로부터의 신호에 의거하여, 소정의 주파수를 갖는 정현파의 신호를 전력 증폭기(38,39)에 출력한다. 본딩 장치(1)의 제어부(33)는 적층 압전 소자(11,12)를 구동하는 전압 파형 생성을 위한 정현파의 진폭, 주파수, 바이어스값의 각 데이터를 파형 발생기(36)에 출력한다. 파형 발생기(36)는 본딩 장치(1)의 제어부(33)로부터의 데이터에 의거하여 내장되어 있는 발진기(도시하지 않음)의 정현파의 진폭, 주파수, 바이어스값 등의 구동 조건을 설정한다. 본딩 장치(1)의 제어부(33)로부터의 기동 신호에 의해, 파형 발생기(36)는 전력 증폭기(38,39)에 신호를 출력한다. 또한, 파형 발생기(36)로부터 전력 증폭기(38,39)에 출력되는 신호는 각각이 180도 위상이 다르다. 전력 증폭기(38,39)는 파형 발생기(36)로부터의 신호를 전력 증폭하여, 전력 증폭기(38)는 적층 압전 소자(11)에 출력하고, 전력 증폭기(39)는 적층 압전 소자(12)에 출력한다. 또한, 전력 증폭기(38,39)는 파형 발생기(36)로부터의 지령 전압에 의거하여 적층 압전 소자(11,12)를 전압 구동하기 위해 필요한 전압, 전류 용량을 구비하고 있다.

[적층 압전 소자의 구동 파형]

도 4는 전력 증폭기(38,39)로부터 출력되는 공급 전압의 파형의 일예를 나타낸다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 전력 증폭기(38,39)로부터 출력되는 공급 전압의 파형은 정현파 전압 파형이다. 이것은 공급 전압의 급격한 변화에 수반하는 적층 압전 소자(11,12)의 파괴나, 공진의 발생을 방지하기 위함이다. 또한, 도 4에서는 적층 압전 소자(11)의 구동 파형을 실선으로, 적층 압전 소자(12)의 구동 파형을 점선으로 각각 나타낸다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 적층 압전 소자(11,12)의 구동 파형은 동일 주파수에서 180도 위상차를 갖고 있다. 또한, 적층 압전 소자(11,12)가 단전압형 압전 소자인 경우에는 구동 전압이 부전압이 되지 않도록 정의 바이어스 전압을 인가한다. 도 4에 나타내는 예에서는 전압 파형의 진폭이 100V, 바이어스 전압이 75V이며, 최대 전압은 125V, 최저 전압은 25V이다. 또, 도 4에 나타내는 t0에서 t4까지가 1주기를 나타내며, 이 때의 주파수는 1/(t4-t0)이다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 적층 압전 소자(11, 12)는 t0에 있어서 각각 바이어스 전압 75V가 인가되고, t1에 있어서 적층 압전 소자(11)는 최대 전압 125V가 인가되고, 적층 압전 소자(12)는 최저 전압 25V가 인가된 상태이다. 또, t2, 즉 반주기에 있어서 각각 바이어스 전압 75V가 인가된 상태로 되돌아가고, t3에 있어서 적층 압전 소자(11)는 최소 전압 25V가 인가되고, 적층 압전 소자(12)는 최대 전압 125V가 인가된 상태이다. 그 후, t4에 있어서 각각 바이어스 전압 75V가 인가된 상태로 된다. 이와 같이, 적층 압전 소자(11,12)는 동일 주파수에서 180도 위상차를 갖는 파형으로 구동된다. 또한, 적층 압전 소자(11,12)는 구동 전에 미리, 각 소자를 바이어스 전압인 구동 개시 전압이 되도록 설정한다.

[캐필러리의 진동]

다음에, 본딩 암의 캐필러리의 진동에 대해 도 5를 이용해서 설명한다. 도 5는 본딩 암의 캐필러리의 진동을 설명하는 도면으로서, (a)는 적층 압전 소자에 전압 파형의 1주기 중에 있어서의 한쪽의 반주기를 인가했을 때의 캐필러리의 진동(변위) 방향을 나타내고, (b)는 적층 압전 소자에 전압 파형의 1주기 중에 있어서의 다른쪽의 반주기를 인가했을 때의 캐필러리의 진동(변위) 방향을 나타내는 도면이다.

적층 압전 소자(11)에는 발진기(35)로부터의 정현파의 파형을 갖는 고주파 전압이 인가된다. 또, 적층 압전 소자(12)에는 적층 압전 소자(11)에 인가되는 정현파의 고주파 전압의 위상을 180도 어긋나게 한 정현파의 파형을 갖는 고주파 전압이 발진기(35)로부터 인가된다. 도 4에 나타내는 t3에서 t5의 반주기의 고주파 전압이 인가되었을 때에는 도 5의 (a)에 나타내는 바와 같이, 적층 압전 소자(11)의 진동면이 예를 들면, 화살표로 나타내는 바와 같이 신장하도록 동작했을 때에는 적층 압전 소자(12)의 진동면은 화살표로 나타내는 바와 같이 축소하도록 동작한다. 또한, 적층 압전 소자(11,12)의 진동면은 본딩 암(5)의 긴쪽 방향과 동일 방향으로 변위한다. 이 때, 캐필러리(8)는 도 5의 (a)에 나타내는 화살표의 방향으로 변위한다.

한편, 도 4에 나타내는 t1에서 t3의 반주기의 고주파 전압이 인가되었을 때에는 도 5의 (b)에 나타내는 바와 같이, 적층 압전 소자(11)의 진동면이 예를 들면, 화살표로 나타내는 바와 같이 축소하도록 동작했을 때에는 적층 압전 소자(12)의 진동면은 화살표로 나타내는 바와 같이 신장하도록 동작한다. 이 때, 캐필러리(8)는 도 5의 (b)에 나타내는 화살표의 방향으로 변위한다.

이에 따라, 구동 파형의 반주기마다 캐필러리(8)의 변위 방향이 변화하고, 고주파 전압을 연속해서 적층 압전 소자(11,12)에 인가하는 것에 의해, 캐필러리(8)에 진동이 발생한다. 또한, 캐필러리(8)의 진동 수는 적층 압전 소자(11,12)를 구동하는 고주파 전압의 주파수에 따라 정해진다. 적층 압전 소자(11,12)는 발진기(35)로부터의 고주파 전압에 의해, 진동이 유기되어 캐필러리 유지부(9,10)를 통해 캐필러리(8)에 진동이 전파된다. 또한, 적층 압전 소자(11,12)에 인가하는 고주파 전압의 주파수는 150㎑ 정도까지 가능하고, 캐필러리(8)를 150㎑ 정도의 진동수까지 구동할 수 있다.

이와 같이, 한쌍의 압전 소자가 캐필러리에 대해 대칭으로 배치되고, 각 압전 소자는 서로 180도 위상이 다른 구동 파형으로 구동하기 때문에, 한쪽의 압전 소자가 신장할 때에는 다른쪽의 압전 소자는 축소하도록 변위하므로, 탄성의 특성을 갖지 않고, 캐필러리 유지부를 통해 캐필러리에 균일한 힘이 작용하여, 캐필러리 전체를 균일하게 진동(변위)시킬 수 있다.

[본딩 장치]

다음에, 본딩 암을 실장한 본딩 장치에 대해 도 6을 이용해서 설명한다. 도 6은 본딩 암을 실장한 본딩 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 본딩 장치(1)로서의 와이어 본딩 장치(1)의 본딩 암(5)은 접속 금구(31)를 통해 본딩 헤드(2)의 구동 암에 부착되어 있다. 본딩 헤드(2)의 구동 암에는 본딩 암(5)을 상하 방향으로 요동하는 리니어 모터(28)와, 본딩 암(5)에 있어서의 캐필러리(8)의 위치를 검출하는 인코더(29)를 구비하고 있다. 리니어 모터(28)는 구동 유닛(45)에 의해 제어되고, 리니어 모터(28)의 가동부가 상하 이동하는 것에 의해, 지지축(30)을 통해 본딩 암(5)은 상하 방향으로 요동한다. 본딩 헤드(2)는 XY 테이블(3)상에 탑재되어 있고, 구동 유닛(45)에 의해 XY 테이블(3)을 제어하는 것에 의해, 본딩 암(5)의 캐필러리(8)를 워크상의 본딩점의 바로 위에 위치시킬 수 있다.

또한, 도 6에 나타내는 본딩 장치(1)로서의 와이어 본딩 장치(1)는 본딩 헤드(2)에 와이어(53)의 파지를 실행하는 와이어 클램프 기구(도시하지 않음), 캐필러리 선단에 볼(52)을 형성하기 위한 토치 로트(도시하지 않음) 및, 와이어(53)를 공급하는 와이어 공급 기구(도시하지 않고) 등을 갖고 있다.

본딩 동작은 XY 테이블(3)에 의해 캐필러리(8)가 본딩점의 바로 위에 위치하도록 제어한다. 본딩 헤드(2)는 리니어 모터(28)에 의해 본딩 암을 하강시키고, 인코더에 의해 캐필러리(8)의 선단이 본딩점에 터치했는지를 검출한다. 또한, 통상, 제 1 본딩점은 반도체 소자(50)의 패드이며, 제 2 본딩점은 리드 프레임(51)의 리드이다. 캐필러리의 선단에는 제 1 본딩점에 접합하는 볼(52) 또는 제 2 본딩점에 접합하는 와이어(53)가 풀어내어지고 있다. 캐필러리(8)의 선단이 본딩점에 터치한 것을 인코더(29)의 신호로부터 확인한 후, 본딩 암(5)의 캐필러리(8)에 본딩 하중을 인가하고, 또, 발진기(35)로부터 적층 압전 소자(11,12)에 구동 전압을 공급해서 캐필러리(8)를 진동시켜 본딩을 실행한다. 적층 압전 소자(11,12)는 발진기(35)로부터의 구동 전압의 주파수로 진동하고, 또 구동 전압의 크기에 따른 진동 진폭으로 초음파 진동한다. 적층 압전 소자(11,12)의 진동은 캐필러리 유지부(9,10)를 통해 캐필러리(8)에 전파된다. 캐필러리(8)에 본딩 하중 및 초음파 진동을 소정의 시간 인가한 후에, 본딩점에서의 본딩이 완료된다.

이상, 기술한 바와 같이, 본 발명의 본딩 장치는 압전 소자가 구동하는 부하의 경량화가 도모되기 때문에, 캐필러리의 응답성이 양호하게 되고 본딩 조건에 따라 제 1 본딩점, 제 2 본딩점에서의 주파수 전환이 가능하게 되며, 각 본딩점에서 최적의 주파수를 선택하는 것이 가능하게 된다.

또, 적층 압전 소자가 구동하는 부하의 경량화에 의해, 캐필러리의 응답성이 양호하게 되고 접합 중의 캐필러리의 진동 진폭의 크기를 가변할 수 있다. 예를 들면, 처음에는 표면의 산화막을 제거하기 위해 캐필러리의 진동 진폭이 커지도록 구동하고, 다음에, 캐필러리의 진동 진폭을 작게 하여 접합하는 것이 가능하게 된다.

또, 적층 압전 소자가 구동하는 부하의 경량화에 의해, 캐필러리의 응답성이 양호하게 되며 패드와 볼의 접합 시간이 단축되고, 반도체 부품의 단위 시간당 생산 수를 늘리는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 발명의 본딩 장치는 캐필러리 유지부를 통해 압전 소자로부터의 진동을 캐필러리(본딩 툴)에 전달하기 때문에, 승온한 캐필러리에 의한 압전 소자에의 열 영향을 경감할 수 있다.

또, 적층 압전 소자는 본딩 암의 프레임내에 수납되어 있으며, 본딩 암의 프레임에 의해서 압전 소자가 워크로부터의 열에 직접 노출되는 일이 없기 때문에, 열의 영향을 경감할 수 있다.

또, 한쌍의 적층 압전 소자로 이루어지는 본딩 암에 있어서, 한쌍의 적층 압전 소자를 동시에 구동한 실시형태에 대해 설명했지만, 한쌍의 적층 압전 소자 중, 한쪽의 적층 압전 소자만을 구동하도록 해도 좋다.

또, 한쌍의 적층 압전 소자로 이루어지는 본딩 암에 있어서, 한쪽의 적층 압전 소자를 진동용의 액츄에이터에 사용하고, 다른 쪽의 압전 소자를 진동 센서로 하여, 캐필러리의 진동 상태를 검출하도록 해도 좋다.

또한, 본 발명의 본딩 장치는 와이어 본딩 장치에 한정되지 않고, 다른 본딩 장치, 예를 들면 범프 본더 등에도 적용할 수 있다.

본 발명은 그 본질적 특성에서 이탈하는 일 없이 수많은 형식의 것으로서 구체화할 수 있다. 따라서, 상술한 실시형태는 오로지 설명상의 것이며, 본 발명을 제한하는 것이 아닌 것은 물론이다.

1; 본딩 장치(와이어 본딩 장치) 2; 본딩 헤드
3; XY 테이블 5; 본딩 암
6; 프레임 6a, 6b; 단면
6c; 돌기부(받이부) 6d; 돌기부
7; 내부 공간(개구부) 8; 본딩 툴(캐필러리)
9, 10; 캐필러리 유지부
11, 12; 적층 압전 소자(압전소자)
15; 가압 발생부 16; 가동부
17; 테이퍼부 18; 테이퍼부(가압체)
17a, 18a; 만곡을 갖는 평면 17b, 18b; 경사면
17c, 18c; 가압면 20; 볼트
25; 가이드 금구 26; 부착부
27; 부착 구멍 28; 리니어 모터
29; 인코더 30; 지지축
31; 접속 금구 33; 제어부
35; 발진기 36; 파형 발생기
38, 39; 전력 증폭기 45; 구동 유닛
50; 반도체 소자 51; 리드 프레임
52; 볼 53; 와이어

Claims

본딩 툴의 중심축과 교차하는 방향으로 연장하는 동시에, 해당 본딩 툴의 중심축에 대향하는 받이부를 갖는 본딩 암과,
상기 본딩 툴의 중심축을 사이에 두고 대칭으로 배치되고, 상기 본딩 툴에 접하는 한쌍의 캐필러리 유지부와,
상기 본딩 툴의 중심축을 사이에 두고 대칭으로 배치되고, 상기 캐필러리 유지부에 접하여 초음파 진동을 발생하는 한쌍의 압전 소자와,
상기 압전 소자를 구동하는 발진기와,
상기 본딩 툴의 중심축을 사이에 두고 상기 본딩 암의 받이부에 대향해서 배치되는 가압체와, 해당 가압체를 상기 본딩 암의 받이부를 향해 이동시키는 이동 수단으로 구성되는 가압 수단을 갖고,
상기 본딩 암의 받이부와 상기 가압체의 사이에, 상기 한쌍의 압전 소자, 상기 한쌍의 캐필러리 유지부 및 상기 본딩 툴을 위치시킨 상태에서, 해당 가압체를 이동시키는 것에 의해, 상기 한쌍의 캐필러리 유지부 및 상기 본딩 툴을 상기 본딩 암에 유지시키는 것을 특징으로 본딩 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 캐필러리 유지부는 열 전도율이 낮은 재질로 구성한 것을 특징으로 하는 본딩 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 발진기는 한쌍의 상기 압전 소자를 서로 180도 위상이 다른 파형으로 구동하는 것을 특징으로 하는 본딩 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 캐필러리 유지부는 한쪽의 면이 상기 본딩 툴의 외주의 반원 미만의 면에 접하도록 만곡 형상을 이루어 본딩 툴을 유지하고, 다른쪽의 면이 상기 압전 소자의 진동면(변위면)에 접하여 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 본딩 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 압전 소자는 세라믹으로 이루어지는 압전 소자를 적층한 적층 압전 소자인 것을 특징으로 하는 본딩 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 발진기는 상기 압전 소자의 구동 주파수를 본딩점마다 가변해서 설정하도록 한 것을 특징으로 하는 본딩 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 본딩 암은 상기 본딩 툴을 삽입 통과하기 위한 구멍을 형성한 판형상의 프레임을 더 갖고,
상기 한쌍의 압전 소자 및 상기 한쌍의 캐필러리 유지부는 상기 프레임의 상면에 배치되고,
상기 본딩 툴은 선단이 상기 프레임의 하면측에 위치하도록 상기 프레임에 형성된 구멍에 삽입 통과되는 것을 특징으로 하는 본딩 장치.
제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 프레임의 상기 상면에는 거리가 일정하게 대향하는 벽면이 마련되고,
상기 한쌍의 압전 소자, 상기 한쌍의 캐필러리 유지부 및 상기 본딩 툴은 상기 프레임 상면의 벽면의 한쪽과 상기 가압 수단의 가압체의 사이에 배치되고,
상기 가압 수단은 상기 이동 수단을 통해 상기 가압체의 상기 프레임 상면의 벽면의 한쪽까지의 거리를 가변하는 것에 의해서, 가압의 크기를 변경하도록 한 것을 특징으로 하는 본딩 장치.