TWI729885B - 打線接合裝置 - Google Patents

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富山俊彦
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日商新川股份有限公司
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Abstract

本發明的課題在於在打線接合裝置中提高接合品質。本發明的打線接合裝置100包括超音波焊頭10以及接合臂20,且包括:打線夾持器30,具有夾持臂31以及基體部32,所述夾持臂31自接合臂20的前端朝長度方向突出而夾持打線45,所述基體部32安裝於接合臂20的上側而收納使夾持臂31進行開閉動作的致動器34;以及控制部60,調整打線夾持器30的致動器34的開閉動作,且控制部60在接合時藉由打線夾持器30的致動器34使夾持臂31在張開狀態下於開閉方向上振動。

Description

打線接合裝置
本發明是有關於一種將打線(wire)接合(bonding)於接合對象的接合裝置的構成。
利用打線將半導體晶粒(die)的電極與導線架(lead frame)的導線(lead)間加以連接的打線接合裝置已被廣泛使用。打線接合裝置在藉由毛細管(capillary)將打線壓抵於電極之上的狀態下使毛細管進行超音波振動而將打線與電極加以接合後,將打線架設至導線,在將所架設的打線壓抵於導線上的狀態下使毛細管進行超音波振動而將打線與導線加以連接(例如,參照專利文獻1)。
在打線接合裝置中,毛細管的超音波振動的方向為超音波焊頭(horn)的延伸方向(以下稱為Y方向)。因此,打線與電極的接合部分或打線與導線的接合部分的形狀成為朝毛細管的超音波振動的方向即Y方向延伸的形狀,有時會招致接合不良。
因此,提議一種構造,由可在超音波焊頭與超音波焊頭的致動器(actuator)之間彈性變形的撓性連結架構成,使毛細管於致動器的振動方向即Y方向且於與Y方向正交的X方向上振動(例如,參照專利文獻2)。 [現有技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]國際申請案公開第2017/217385號 [專利文獻2]日本專利第6073991號公報
[發明所欲解決之課題]
然而,要求在10 msec左右非常短的時間內進行接合。因此,在接合時要求使毛細管的前端以高頻率於X方向上振動。關於此方面,於引用文獻2記載的構成中,由於撓性連結架與超音波焊頭成為一體地於X方向上振動,故於X方向上振動的質量大,而難於以高頻率使超音波焊頭於X方向上振動。因此,在短時間內進行接合時,接合過程中的毛細管的前端的振動次數變少,有時接合品質降低。
因此,本發明的目的在於在打線接合裝置中提高接合品質。 [解決課題之手段]
本發明的打線接合裝置包括:超音波焊頭,於前端安裝供打線插通的接合工具(bonding tool);以及接合臂(bonding arm),供超音波焊頭安裝,且使接合工具與接合對象接觸/分離而將打線接合於接合對象,所述打線接合裝置包括:打線夾持器(wire clamper),具有夾持臂(clamp arm)以及基體部,所述夾持臂自接合臂朝長度方向突出而握持打線,所述基體部安裝於接合臂的上側而收納使夾持臂進行開閉動作的致動器;以及控制部,調整打線夾持器的致動器的開閉動作,且控制部在接合時藉由打線夾持器的致動器使夾持臂在張開狀態下於開閉方向上振動。
於接合時,藉由使輕量的夾持臂在張開方向即X方向上振動,而可以高頻率使夾持臂振動。而且,可將由夾持臂產生的高頻率的振動傳遞至超音波焊頭的前端而在接合時使接合工具以高頻於X方向上振動。藉此,即便在短時間內進行接合的情況下亦可增加接合過程中接合工具的前端於X方向上的振動次數,從而可提高接合品質。
於本發明的打線接合裝置中,控制部可在接合時藉由打線夾持器的致動器使夾持臂以夾持臂的共振頻率的80%~120%的頻率於開閉方向上驅動。
藉此,可以小的輸入能量使夾持臂大幅振動,而可在接合時使接合工具充分地於X方向上振動。藉此,可提高接合品質。
於本發明的打線接合裝置中,打線夾持器的夾持臂的長度可設為超音波焊頭的長度的80%~120%的長度。
藉此,夾持臂於X方向上的共振頻率與超音波焊頭於X方向上的共振頻率成為大致相同的頻率,對應於夾持臂於X方向上的共振而超音波焊頭於X方向上共振。因此,由夾持臂的共振引起的振動被順暢地傳遞至超音波焊頭,而可使安裝於超音波焊頭的前端的毛細管充分地於X方向上振動。藉此,可提高接合品質。
於本發明的打線接合裝置中,打線夾持器中,在對致動器施加規定的張開電壓時,夾持臂成為張開狀態,在未對致動器施加電壓的情況下,夾持臂成為閉合狀態,控制部藉由對致動器施加變動電壓,而使夾持臂在張開狀態下於開閉方向上振動,所述變動電壓與規定的張開電壓相同或以較規定的張開電壓稍許低的基底電壓為中心以規定的電壓範圍而變動。此時,基底電壓為規定的張開電壓的80%~100%的電壓,規定的電壓範圍可為規定的張開電壓的8%~30%的電壓。
藉此,可一面保持夾持臂不與打線接觸的張開狀態一面使夾持臂振動。因此,可將夾持臂的振動頻率設為共振頻率或共振頻率附近的頻率。
於本發明的打線接合裝置中,包括使超音波焊頭於長度方向上進行超音波振動的超音波振子,控制部可調整超音波振子的驅動,在接合時藉由打線夾持器的致動器使夾持臂在張開狀態下於開閉方向上振動,同時使超音波振子進行超音波振動而使超音波焊頭於長度方向上進行超音波振動。
藉由所述構成,可在使接合工具的前端於XY方向上振動的狀態下進行接合。藉此,可抑制於打線的接合部分處形狀成為於Y方向上延伸的變形形狀而成為接合不良,從而可提高接合品質。 [發明的效果]
本發明可在打線接合裝置中提高接合品質。
以下,參照圖式對實施形態的打線接合裝置100進行說明。在以下說明中,在超音波焊頭10及接合臂20的延伸方向、或接合臂20及超音波焊頭10的長度方向中,以自接合臂20朝向超音波焊頭10的方向為Y方向、以上方向為Z方向、以與Y方向及Z方向正交的方向為X方向進行說明。又,以Y方向正側為前端側、以Y方向負側為根部側、以Z方向正側為上側、以Z方向負側為下側、以X方向正側為右側、以X方向負側為左側進行說明。
如圖1所示般,打線接合裝置100包括:超音波焊頭10、接合臂20、打線夾持器30、控制部60、以及保持接合對象即基板52或半導體元件53的接合平台(bonding stage)51。
如圖1、圖2A所示般,超音波焊頭10包括:焊頭本體11;基座(base)部12,形成於焊頭本體11的Y方向負側(以下稱為根部側);開口13,形成於基座部12中;以及超音波振子16,收納於開口13中。基座部12包括於X方向上伸出的凸緣(flange)14。根部側的凸緣14藉由螺栓(bolt)15安裝於接合臂20的Y方向正側端21(以下稱為前端21)。自固定於接合臂20的前端21的超音波焊頭10的凸緣14至焊頭本體11的Y方向正側端的長度為長度Lh。於超音波焊頭10的焊頭本體11的Y方向正側端,安裝有作為接合工具的毛細管41。毛細管41是於中心具有貫通孔且前端尖的圓筒形構件。打線45插通於毛細管41的中心孔。
當超音波振子16以規定的頻率於Y方向上進行超音波振動時,焊頭本體11於Y方向上共振而縱向振動,而使安裝於焊頭本體11的前端側的毛細管41於Y方向上振動。
如圖1所示般,接合臂20在配置為與基板52或半導體元件53的上表面大致同一高度的旋轉中心26處,於以箭頭90所示的方向上旋轉自如地被支撐。於後端部安裝有:Z方向馬達(motor)27,將連接於超音波焊頭10的前端的毛細管41於Z方向上驅動;以及XY驅動機構29,將搭載有Z方向馬達27的基座28於XY方向上驅動。又,於接合臂20的前端側的上表面,藉由螺栓18安裝有壓電元件17。壓電元件17檢測毛細管41對基板52或半導體元件53的按壓力。
如圖1、圖2B所示般,於接合臂20的上側,安裝有打線夾持器30。打線夾持器30包括夾持臂31、以及基體部32。基體部32由螺栓25固定於接合臂20的上側的座24上。基體部32於中央具有四方形開口33,致動器34收納於開口33中。致動器34例如可包含壓電(piezo)元件。
於基體部32的Y方向正側設置有向前端側延伸的左右臂安裝部36。夾持臂31由螺栓35固定於臂安裝部36。夾持臂31的前端自接合臂20的前端21朝Y方向突出且握持打線45。又,於左右臂安裝部36之間,設置有凹部38。藉由凹部38而於臂安裝部36的根部形成繞Z方向軸而旋轉的彈性鉸鏈(hinge)37。自彈性鉸鏈37至夾持臂31的前端的長度為長度Lc。長度Lc與自固定於接合臂20的前端21的超音波焊頭10的凸緣14至焊頭本體11的Y方向正側端的長度Lh為大致相同的長度。
接著,參照圖3、圖4說明對打線夾持器30的致動器34的施加電壓V與夾持臂31的打開尺寸G的關係。如圖3所示般,在對致動器34未施加規定的電壓的情況下,夾持臂31的打開尺寸G為零,打線夾持器30為閉合狀態。此時,在左右夾持臂31之間具有打線45的情況下,夾持臂31握持打線45。
當對致動器34施加規定的張開電壓V0時,夾持臂31繞彈性鉸鏈37旋轉,如圖4中的實線所示般夾持臂31的前端在開閉方向即X方向上打開,而打開尺寸G為全開尺寸G0。由於全開尺寸G0大於打線45的直徑d,故夾持臂31釋放打線45。
如圖3的實線a所示般,對致動器34的施加電壓V與夾持臂31的前端的打開尺寸G大致成比例關係,當增大施加電壓V時,與其相伴而夾持臂31的前端的打開尺寸G亦不斷變大。如圖3所示般,於將施加電壓V設為較張開電壓V0稍低的施加電壓VB1的情況下,夾持臂31的前端的打開尺寸G如圖4中的虛線所示的夾持臂31般成為較全開尺寸G0稍許小的大開尺寸G1。又,當將施加電壓V設為較施加電壓VB1低的施加電壓VB2時,夾持臂31的前端的打開尺寸G如圖4中的一點鏈線所示的夾持臂31般成為較大開尺寸G1小的小開尺寸G2。由於小開尺寸G2大於打線45的直徑d,故在夾持臂31的前端的打開尺寸G為小開尺寸G2的情況下,夾持臂31亦不與打線45接觸,而打線夾持器30保持張開狀態。因此,當使施加電壓V在施加電壓VB1與VB2之間變動時,可在保持打線夾持器30的張開狀態下,使夾持臂31的前端的打開尺寸G在大開尺寸G1與小開尺寸G2之間的尺寸變動範圍ΔG中變動。此處,為了將施加電壓V設為施加電壓VB1與施加電壓VB2之間的變動電壓,可以施加電壓VB1與施加電壓VB2的中央值為基底電壓VB,以基底電壓VB為中心使施加電壓V僅增減電壓範圍ΔV。基底電壓VB、電壓範圍ΔV可自由選擇,例如,可將基底電壓VB設為張開電壓V0的80%~100%的電壓,可將電壓範圍ΔV設為張開電壓V0的8%~30%的電壓。
控制部60包括夾持器控制部61、以及接合控制部62。夾持器控制部61調整打線夾持器30的致動器34的施加電壓V而使夾持臂31進行開閉動作。接合控制部62輸入來自壓電元件17的訊號,調整Z方向馬達27而將毛細管41的前端相對於基板52或半導體元件53於接觸/分離方向上驅動。又,控制XY驅動機構29而調整毛細管41於XY方向上的位置。另外,驅動超音波焊頭10的超音波振子16而使焊頭本體11於Y方向上進行超音波振動。
接著,參照圖5A~圖5C、圖6A、圖6B,對如以上般構成的打線接合裝置100的接合動作進行說明。
如圖5A所示般,夾持器控制部61將打線夾持器30的致動器34的施加電壓V設為零而將打線夾持器30設為閉合狀態從而使打線夾持器30握持打線45。接合控制部62在未圖示的火炬(torch)電極與自毛細管41的前端延伸出的打線45之間產生火花(spark)而使打線45的下端成形為自由空氣球50。
如圖5B所示般,夾持器控制部61使對打線夾持器30的致動器34的施加電壓V以圖3所示的基底電壓VB為中心在電壓範圍ΔV的範圍內以頻率f0振動。
藉此,對致動器34的施加電壓V在圖3所示的施加電壓VB1與施加電壓VB2的範圍內以頻率f0振動,而夾持臂31的前端的打開尺寸G如圖4所示般在大開尺寸G1與小開尺寸G2之間以頻率f0振動。如此般,夾持器控制部61保持打線夾持器30的張開狀態,且使夾持臂31以頻率f0振動。此處,當將頻率f0設為與夾持臂31於X方向上振動的共振頻率f1接近的頻率時,如圖6B中的箭頭96所示般,夾持臂31藉由共振而以彈性鉸鏈37為中心於X方向上橫向振動。頻率f0只要為與夾持臂31於X方向上的振動的共振頻率f1接近的頻率即可。例如在夾持臂31的共振頻率為大致2 kHz的情況下,頻率f0為2 kHz的附近的頻率,例如可為1.9 kHz~2.0 kHz左右的頻率。由於夾持臂31為輕量,故即便在此種高頻下亦可充分地於X方向上振動。藉此,即便在短時間內進行接合的情況下,亦可增加接合過程中的毛細管41的前端於X方向上的振動次數。再者,若頻率f0為夾持臂31於X方向上共振的頻率,則例如可自如f1/√2<f0<f1×√2的範圍內選擇,亦可自夾持臂31的X方向上的共振頻率f1的80%~120%的範圍的頻率內選擇。
當夾持臂31共振時,夾持臂31於X方向上的振動自接合臂20被傳遞至超音波焊頭10。此處,打線夾持器30的自彈性鉸鏈37至夾持臂31的前端的長度Lc,與自固定於接合臂20的前端21的超音波焊頭10的凸緣14至焊頭本體11的Y方向正側端的長度Lh成為大致相同的長度。因此,超音波焊頭10於X方向上的共振頻率f2,成為與夾持臂31於X方向上的共振頻率f1接近的頻率。因此,藉由自接合臂20被傳遞的夾持臂31於X方向上的共振振動,而超音波焊頭10如圖6A中的箭頭96所示般於X方向上共振,從而焊頭本體11的前端於X方向上橫向振動。藉此,安裝於焊頭本體11的前端的毛細管41於X方向上振動。
另一方面,接合控制部62對超音波焊頭10的超音波振子16施加規定的電壓而使超音波振子16進行超音波振動。於焊頭本體11產生Y方向上的超音波共振,藉此,如圖5B的箭頭92所示般,毛細管41的前端於Y方向上振動。
如此般,夾持器控制部61使夾持臂31振動,而使超音波焊頭10及毛細管41的前端於X方向上振動,接合控制部62驅動超音波振子16而使毛細管41的前端於Y方向上振動。如此般,在毛細管41的前端於XY方向上振動的狀態下,接合控制部62使Z方向馬達27運作,而如圖5B的箭頭91所示般將毛細管41壓抵於半導體元件53的電極而將自由空氣球50接合於半導體元件53的電極。
若對半導體元件53的接合結束,則接合控制部62使Z方向馬達27運作而使毛細管41上升。又,夾持器控制部61將致動器34的施加電壓V設為零而利用夾持臂31握持打線45。然後,接合控制部62使Z方向馬達27與XY驅動機構29運作而如圖5C所示的箭頭93所示般使毛細管41的前端成環形且引導至基板52的電極上。
此處,與自由空氣球50的接合時同樣地,夾持器控制部61使打線夾持器30的致動器34的施加電壓V以與夾持臂31於X方向上的振動的共振頻率f1接近的頻率f0而振動。藉此,夾持臂31如圖6B中的箭頭96所示般,藉由共振而以彈性鉸鏈37為中心於X方向上橫向振動。又,如圖6A中的箭頭96所示般,焊頭本體11的前端於X方向上橫向振動而毛細管41的前端於X方向上振動。又,接合控制部62驅動超音波振子16如圖5C的箭頭95所示般使毛細管41的前端於Y方向上振動。而且,在毛細管41的前端於XY方向上振動的狀態下,接合控制部62驅動Z方向馬達27而如圖5C的箭頭94所示般將毛細管41的前端壓抵於基板52的電極而將打線45接合於基板52的電極。
於以上所說明的打線接合裝置100中,打線夾持器30的自彈性鉸鏈37至夾持臂31的前端的長度Lc,與自超音波焊頭10的凸緣14至焊頭本體11的Y方向正側端的長度Lh成為大致相同的長度。因此,夾持臂31於X方向上的共振頻率f1與超音波焊頭10於X方向上的共振頻率f2成為同樣的頻率。藉由所述構成,可藉由夾持臂31於X方向上的共振振動使超音波焊頭10於X方向上共振振動而使毛細管41的前端於X方向上振動。又,可藉由超音波振子16使超音波焊頭10的焊頭本體11於Y方向上共振而使毛細管41的前端於Y方向上振動。因此,可在使毛細管41的前端於XY方向上振動的狀態下將打線45接合於半導體元件53的電極或基板52的電極。藉此,可抑制在打線45的接合部分處形狀成為於Y方向上延伸的變形形狀而成為接合不良,從而可提高接合品質。又,可提高打線45與半導體元件53的電極或基板52的電極的接合強度。
再者,若可藉由夾持臂31於X方向上的共振振動而使超音波焊頭10於X方向上共振振動從而使毛細管41的前端於X方向上振動,則長度Lc與長度Lh可不是大致相同的長度,例如,可將長度Lc設為長度Lh的80%~120%的範圍。
又,由於夾持臂31於X方向上的共振頻率f1、超音波焊頭10於X方向上的共振頻率f2例如為2 kHz附近的高頻率,故可使毛細管41前端以高頻於X方向上振動,即便在短時間內進行接合的情況下亦可增加接合過程中的毛細管41的前端於X方向上的振動次數。藉此,可提高接合的品質。
進而,藉由將基底電壓VB設為張開電壓V0的80%~100%的電壓,將電壓範圍ΔV設為張開電壓V0的8%~30%的電壓,而可在確實地使打線夾持器30保持張開狀態下,使夾持臂31於X方向上振動。藉此,可抑制振動過程中夾持臂31與打線45接觸而X方向的振動紊亂,而可提高接合品質。
又,於以上所說明的實施形態的打線接合裝置100中,對使毛細管41的前端於XY方向上振動而進行接合的情況進行了說明,但並不限於此,亦可不驅動超音波振子16,藉由僅使夾持臂31於X方向上振動而使毛細管41的前端僅於X方向上振動而進行接合。即便在此種情況下,於實施形態的打線接合裝置100中,亦可以高頻率使毛細管41的前端於X方向上振動,故在短時間內進行接合時亦可增加毛細管41的振動次數,而可維持接合品質。
又,根據打線45的粗細或接合條件而在將自由空氣球50接合於半導體元件53的電極時在不使夾持臂31於X方向上振動下僅驅動超音波振子16而使毛細管41的前端於Y方向上進行超音波振動,而將打線45接合於基板52的電極時,可在不驅動超音波振子16下僅使夾持臂31於X方向上振動而使毛細管41的前端於X方向上振動。藉此,可抑制接合時的壓接球的壓潰,而提高接合品質。
又,於以上所說明的打線接合裝置100中,對超音波焊頭10的焊頭本體11的根部側的凸緣14安裝於接合臂20的前端的情況進行了說明,但並不限定於此,亦可構成為將焊頭本體11的根部以外的部分安裝於接合臂20的中央部或前端附近。
10:超音波焊頭 11:焊頭本體 12:基座部 13、33:開口 14:凸緣 15、18、25、35:螺栓 16:超音波振子 17:壓電元件 20:接合臂 21:前端(Y方向正側端) 24:座 26:旋轉中心 27:Z方向馬達 28:基座 29:XY驅動機構 30:打線夾持器 31:夾持臂 32:基體部 34:致動器 36:臂安裝部 37:彈性鉸鏈 38:凹部 41:毛細管 45:打線 50:自由空氣球 51:接合平台 52:基板 53:半導體元件 60:控制部 61:夾持器控制部 62:接合控制部 90、91、92、93、94、95、96:箭頭 100:打線接合裝置 a:實線 d:打線的直徑 G:夾持臂的打開尺寸 G0:全開尺寸 G1:大開尺寸 G2:小開尺寸 Lc:自彈性鉸鏈至夾持臂的前端的長度 Lh:自超音波焊頭的凸緣至焊頭本體的Y方向正側端的長度 V、VB1、VB2:施加電壓 V0:張開電壓 VB:基底電壓 X、Y、Z:方向 ΔV:電壓範圍
圖1是表示實施形態的打線接合裝置的側面與控制系統的系統圖。 圖2A是表示圖1所示的打線接合裝置的接合臂與超音波焊頭的仰視圖。 圖2B是表示圖1所示的打線接合裝置的接合臂與打線夾持器的平面圖。 圖3是表示對打線夾持器的施加電壓與夾持臂前端的打開尺寸G的關係的圖表。 圖4是表示圖3所示的施加電壓V為張開電壓V0、施加電壓VB1、施加電壓VB2時的夾持臂前端的打開尺寸G的平面圖。 圖5A是表示在接合前將打線的下端成形為自由空氣球(free air ball)時的超音波焊頭與打線夾持器的狀態的立面圖。 圖5B是表示將打線接合於半導體元件時的超音波焊頭與打線夾持器的狀態的立面圖。 圖5C是表示將打線接合於基板時的超音波焊頭與打線夾持器的狀態的立面圖。 圖6A是表示圖5B、圖5C所示的狀態下的超音波焊頭的振動的仰視圖。 圖6B是表示圖5B、圖5C所示的狀態下的夾持臂的振動的平面圖。
10:超音波焊頭 11:焊頭本體 12:基座部 14:凸緣 15、18、25、35:螺栓 16:超音波振子 17:壓電元件 20:接合臂 24:座 26:旋轉中心 27:Z方向馬達 28:基座 29:XY驅動機構 30:打線夾持器 31:夾持臂 32:基體部 34:致動器 37:彈性鉸鏈 41:毛細管 45:打線 51:接合平台 52:基板 53:半導體元件 60:控制部 61:夾持器控制部 62:接合控制部 90:箭頭 100:打線接合裝置 Z、Y:方向

Claims (6)

  1. 一種打線接合裝置,包括:超音波焊頭,於前端安裝供打線插通的接合工具;以及接合臂,供所述超音波焊頭安裝,且使所述接合工具與接合對象接觸/分離而將所述打線接合於所述接合對象,所述打線接合裝置的特徵在於包括:打線夾持器,具有夾持臂以及基體部,所述夾持臂自所述接合臂朝長度方向突出而握持所述打線,所述基體部安裝於所述接合臂的上側而收納使所述夾持臂進行開閉動作的致動器,所述致動器位於所述接合臂的上側;以及控制部,調整所述打線夾持器的所述致動器的開閉動作,所述控制部在接合時藉由所述打線夾持器的所述致動器使所述夾持臂在張開狀態下於開閉方向上振動。
  2. 如請求項1所述的打線接合裝置,其中所述控制部在接合時藉由所述打線夾持器的所述致動器將所述夾持臂以所述夾持臂的共振頻率的80%~120%的頻率於開閉方向上驅動。
  3. 如請求項1或請求項2所述的打線接合裝置,其中所述打線夾持器的所述夾持臂的長度為所述超音波焊頭的長度的80%~120%的長度。
  4. 如請求項1或請求項2所述的打線接合裝置,其中所述打線夾持器中,在對所述致動器施加規定的張開電壓 時,所述夾持臂成為張開狀態,在未對所述致動器施加電壓的情況下,所述夾持臂成為閉合狀態,所述控制部藉由對所述致動器施加變動電壓,而使所述夾持臂在張開狀態下於開閉方向上振動,所述變動電壓與規定的所述張開電壓相同或以較規定的所述張開電壓稍許低的基底電壓為中心以規定的電壓範圍而變動。
  5. 如請求項4所述的打線接合裝置,其中所述基底電壓為規定的所述張開電壓的80%~100%的電壓,規定的所述電壓範圍為規定的所述張開電壓的8%~30%的電壓。
  6. 如請求項1或請求項2所述的打線接合裝置,還包括:使所述超音波焊頭於長度方向上進行超音波振動的超音波振子,所述控制部調整所述超音波振子的驅動,在接合時藉由所述打線夾持器的所述致動器使所述夾持臂在張開狀態下於開閉方向上振動,同時使所述超音波振子進行超音波振動而使所述超音波焊頭於長度方向上進行超音波振動。
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