WO2014021141A1 - ボンディング装置 - Google Patents

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WO2014021141A1
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bonding
capillary
piezoelectric element
pair
arm
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修一 高波
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株式会社カイジョー
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    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/10—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding
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    • H01L2924/00014—Technical content checked by a classifier the subject-matter covered by the group, the symbol of which is combined with the symbol of this group, being disclosed without further technical details

Definitions

  • the present invention relates to a bonding apparatus, and more particularly to a bonding apparatus that can freely set a vibration frequency for driving a bonding tool for bonding wires.
  • a wire bonding apparatus that joins an electrode of a semiconductor chip and a wiring lead formed on a substrate with a wire.
  • the wire bonding apparatus presses and joins the ball formed at the tip of the wire to the electrode of the semiconductor chip together with ultrasonic vibration and presses the wire to the lead together with ultrasonic vibration to It joins the lead.
  • a bonding head is mounted and fixed on an XY table movable in a two-dimensional direction.
  • the bonding arm constituting the bonding head is configured to be rotatable about a support shaft, and an ultrasonic horn with a capillary as a bonding tool attached to one end of the bonding arm and an ultrasonic horn to the other.
  • an ultrasonic transducer as ultrasonic application means for applying ultrasonic vibration to the capillary.
  • Patent Document 1 discloses a wire bonding apparatus in which a piezoelectric element that transmits vibration by electrostriction or magnetostriction effect is incorporated in a capillary in the vicinity of the attachment of the bonding arm to the capillary.
  • Patent Document 2 discloses a low-mass vibrator in which a vibration generating mechanism is incorporated in a capillary.
  • Patent Document 3 discloses a wire bonding apparatus in which a plurality of piezoelectric elements arranged adjacent to each other in a plurality of circumferential positions around a capillary are provided, and a voltage having a predetermined phase shift is supplied to each piezoelectric element. ing.
  • the wire bonding apparatus disclosed in Patent Document 1 has a configuration in which a piezoelectric element that transmits vibration to a capillary is incorporated in the vicinity of the capillary attachment of the bonding arm.
  • the vibration of the piezoelectric element is propagated to the capillary via the frame-shaped vibration transmitting portion.
  • the mass of the vibration transmission unit as a load driven by the piezoelectric element is large, and the vibration transmission unit itself has a natural frequency, which makes it difficult to drive at a high frequency such as 150 kHz.
  • the piezoelectric element has to be enlarged in order to drive a heavy load.
  • the piezoelectric element is fixed to a frame-shaped hole provided in the bonding arm, and pressure is applied to the piezoelectric element through the frame. Therefore, the spring property of the frame hinders the elongation of the piezoelectric element and causes vibration. There was a problem that was not transmitted efficiently.
  • Patent Document 2 a dedicated capillary is required to incorporate a vibration generating mechanism using a piezoelectric element into the capillary, and it is difficult to provide the vibration generating mechanism in a normally used capillary. Furthermore, since the vibration generating mechanism is incorporated in the capillary, which is a consumable item, the cost becomes high.
  • the piezoelectric element may be affected by heat from a heated workpiece (part to be bonded).
  • the vibration generating mechanism on the capillary is brought into a high temperature state by approaching the workpiece during bonding.
  • the self-heating of the piezoelectric element may cause the vibration generating mechanism to be in a higher temperature state, which may cause the piezoelectric element to be thermally damaged or deteriorate the performance of the piezoelectric element.
  • the present invention can reduce the weight and size of the load driven by the piezoelectric element, can transmit stable vibration to the capillary, and can freely select the frequency and / or the magnitude of vibration amplitude. It is another object of the present invention to provide a bonding apparatus that can reduce the influence of heat from a workpiece on a piezoelectric element.
  • a bonding apparatus includes a bonding arm that extends in a direction intersecting with the central axis of the bonding tool and has a receiving portion facing the central axis of the bonding tool, and a center of the bonding tool.
  • a pair of capillary holders arranged symmetrically across the axis and in contact with the bonding tool, and a pair of capillary holders arranged symmetrically across the central axis of the bonding tool and generating ultrasonic vibrations in contact with the capillary holder A piezoelectric element; an oscillator that drives the piezoelectric element; a pressure body that is disposed to face the receiving portion of the bonding arm across a central axis of the bonding tool; and the pressure body that is received by the bonding arm.
  • Pressurizing means composed of moving means for moving toward the part;
  • the pressure body is moved in a state where the pair of piezoelectric elements, the pair of capillary holding sections, and the bonding tool are positioned between the receiving portion of the bonding arm and the pressure body.
  • the pair of capillary holding portions and the bonding tool are held by the bonding arm.
  • the capillary holding part is made of a material having low thermal conductivity.
  • the oscillator is characterized in that the pair of piezoelectric elements are driven with waveforms having phases different from each other by 180 degrees.
  • the capillary holding portion holds the bonding tool in a curved shape so that one surface is in contact with a surface less than a semicircle on the outer periphery of the bonding tool, and the other surface is a vibration surface ( It is attached in contact with the displacement surface.
  • the piezoelectric element is a laminated piezoelectric element in which piezoelectric elements made of ceramic are laminated.
  • the oscillator is characterized in that the drive frequency of the piezoelectric element is variably set for each bonding point.
  • the bonding arm further includes a plate-like frame in which a hole for inserting the bonding tool is formed, and the pair of piezoelectric elements and the pair of capillary holding portions are disposed on an upper surface of the frame, The bonding tool is inserted into a hole formed in the frame so that a tip is located on a lower surface side of the frame.
  • the upper surface of the frame is provided with opposing wall surfaces having a constant distance, and the pair of piezoelectric elements, the pair of capillary holding portions, and the bonding tool are connected to one of the wall surfaces of the frame and the pressurizing surface.
  • the pressure means is arranged between the pressurizing body and the pressurizing means by varying the distance to one of the wall surfaces of the upper surface of the frame of the pressurizing body via the moving means. It is characterized by changing.
  • the load driven by the piezoelectric element can be reduced, the response of the capillary is improved, and the frequency can be switched between the first bonding point and the second bonding point according to bonding conditions. It becomes possible to select an optimum frequency at the bonding point.
  • the response of the capillary is improved, and the vibration amplitude of the capillary being joined can be varied. For example, it is possible to first perform driving so as to increase the vibration amplitude of the capillary in order to remove the oxide film on the surface, and then reduce the vibration amplitude of the capillary to perform bonding.
  • the weight reduction of the load driven by the piezoelectric element improves the response of the capillary, shortens the bonding time between the pad and the ball, and increases the number of semiconductor components produced per unit time.
  • a pair of piezoelectric elements are arranged symmetrically with respect to the capillary, and each piezoelectric element is driven with a drive waveform having a phase difference of 180 degrees, so that when one piezoelectric element extends, the other piezoelectric element contracts. Due to the displacement, the entire capillary can be vibrated (displaced) uniformly by applying a uniform force to the capillary via the capillary holding portion without having a spring property.
  • the vibration from the piezoelectric element is transmitted to the capillary (bonding tool) via the capillary holding portion, so that the thermal influence on the piezoelectric element by the heated capillary can be reduced.
  • the effect of heat can be reduced by configuring the capillary holder with a material having low thermal conductivity.
  • the piezoelectric element is housed in the frame of the bonding arm, and the piezoelectric element is not directly exposed to the heat from the workpiece by the frame of the bonding arm, the influence of heat can be reduced.
  • the resonance of the vibrator is not used as in the prior art, it is possible to select the optimum frequency for the capillary to be used and drive the piezoelectric element at the selected frequency.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA shown in FIG. 1A, and is a plan view showing a configuration of a bonding arm. It is a block diagram which shows the structure of the oscillator which drives a laminated piezoelectric element. It is a figure which shows the voltage waveform applied to a laminated piezoelectric element.
  • the bonding apparatus includes a pair of capillary holding portions that hold the capillary in the longitudinal direction of the bonding arm around the capillary as a bonding tool incorporated in a bonding arm having a substantially square shape in side view, and the capillary
  • a pair of piezoelectric elements that generate ultrasonic vibrations in contact with the holding part are positioned symmetrically to reduce the weight and size of the vibration driving part, and the pressurizing generation part adds to the capillary holding part and the piezoelectric element. Pressure is applied so that stable vibration is transmitted to the capillary, and furthermore, the influence of heat from the workpiece on the piezoelectric element is reduced.
  • FIG. 1A and 1B are diagrams showing a configuration of a bonding arm
  • FIG. 1A shows a side view of the bonding arm
  • FIG. 1B shows a bottom view of the bonding arm
  • FIG. 2 shows FIG.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA shown in FIG. 2 and is a plan view showing a configuration of a bonding arm.
  • a bonding arm 5 includes a capillary 8 as a bonding tool 8, a pair of capillary holding portions 9 and 10 that hold the capillary 8 by pressing the outer periphery of the capillary 8, and a vibration drive source.
  • a piezoelectric element hereinafter, the piezoelectric elements are referred to as laminated piezoelectric elements 11 and 12
  • a pressurizing unit that applies pressure to the capillary 8, the capillary holding portions 9 and 10 and the laminated piezoelectric elements 11 and 12 by applying a load from a certain direction.
  • a pressurizing generator 15 As a pressurizing generator 15.
  • the bonding arm 5 has a substantially square shape in a side view and forms a frame 6.
  • the upper surface and the lower surface of the frame 6 have holes for attaching the capillaries 8.
  • an internal space (hereinafter also referred to as an opening) 7 is provided on the side surface by a frame 6.
  • Capillary holding portions 9 and 10, and a laminated piezoelectric element 11, centered on a capillary 8, are provided in the opening 7 of the bonding arm 5.
  • , 12 are stored symmetrically.
  • both end surfaces of the opening 7 have protrusions 6c and 6d, and the protrusions 6c and 6d are parallel to the upper surface and the lower surface at the center positions of the upper surface and the lower surface of the opening 7 on the end surfaces 6a and 6b. It is provided in a protruding shape so as to form. As will be described later, the end surface of the opening 7 provided with the projection 6c guides the bonding tool 8, the capillary holding portions 9, 10 and the laminated piezoelectric elements 11, 12 that are pressed by the movement of the pressing body. It is adapted to be received via the metal fitting 25, and constitutes a receiving portion in the present invention.
  • the protrusion 6c may be omitted, and the guide fitting 25 may be supported by the entire end surface.
  • the receiving portion of the bonding arm 5 is provided on the protrusion 6c on the end face 6a of the opening, the receiving portion may be provided at the end of a plate-like frame having a substantially L shape. Moreover, it is also possible to provide a receiving part in one of the both ends of the plate-shaped flame
  • a capillary 8 as a bonding tool 8 has a thin hole for passing a wire through an axial center, is supported by capillary holding portions 9 and 10, and a ball formed at the tip of the capillary 8 is bonded while applying a load to the pad. Or the wire drawn from the tip of the capillary 8 is joined to the surface of the lead while applying a load. Further, by applying ultrasonic vibration to the capillary 8 during bonding, bonding can be performed at a lower heating temperature than when the capillary 8 does not have ultrasonic vibration.
  • Capillary holding portions 9 and 10 are for holding the capillary 8 and propagating vibrations of the laminated piezoelectric elements 11 and 12 to the capillary 8.
  • the surfaces of the capillary holding portions 9 and 10 that are in contact with the capillaries 8 are curved inwardly of the capillary holding portions 9 and 10, and are in contact with the outer circumferential surface of the capillary 8 that is less than a semicircle. It is attached.
  • the capillary holding portions 9 and 10 are provided at symmetrical positions around the capillary 8. The other surfaces of the capillary holding portions 9 and 10 are in contact with the vibration surfaces of the laminated piezoelectric elements 11 and 12, respectively.
  • the capillary holders 9 and 10 are made of a small material with low thermal conductivity such as stainless steel and superalloy, and the mass is reduced to about 0.1 gram. As described above, the capillary holding portions 9 and 10 are provided along the outer periphery of the capillary 8.
  • a pair of laminated piezoelectric elements 11 and 12 are provided in the bonding arm 5 so as to be symmetrical with respect to the central axis of the capillary.
  • the vibration surface located on the capillary 8 side of the multilayer piezoelectric elements 11 and 12 is in contact with the capillary holding portions 9 and 10, and the other vibration surface of one multilayer piezoelectric element 11 is the pressurizing body of the pressurization generating unit 15.
  • the taper part 18 is touched.
  • the other vibration surface of the other laminated piezoelectric element 12 is in contact with the surface of the guide fitting 25.
  • the laminated piezoelectric elements 11 and 12 are formed by alternately laminating a ceramic as a piezoelectric plate having a thickness of about 0.1 mm (millimeters) and an internal electrode having a thickness of several ⁇ m (micrometer) on the surface of the piezoelectric plate. .
  • the amount of displacement generated by applying a voltage is proportional to the number of laminated piezoelectric plates and the magnitude of the voltage applied to the electrodes. For this reason, the laminated piezoelectric element can obtain a large amount of displacement compared with the single plate type piezoelectric element.
  • the piezoelectric element as the vibrator is preferably a laminated piezoelectric element.
  • the pair of capillary holding portions 9, 10 and the pair of laminated piezoelectric elements 11, 12 are symmetrically arranged along the longitudinal direction of the bonding arm 5 with the capillary 8 as the center. ing.
  • the guide metal fitting 25 shown in FIG. 1A is attached between the protruding portion 6 c of the end surface 6 a of the opening 7 of the bonding arm 5 and the laminated piezoelectric element 12.
  • a guide groove is provided on one surface of the guide metal fitting 25, and the other surface of the guide metal fitting 25 is in close contact with the vibration surface of the laminated piezoelectric element 12.
  • the guide fitting 25 is attached to the bonding arm 5 by sliding the guide groove of the guide fitting 25 along the projection 6c provided on one end face 6a of the opening 7 of the bonding arm 5. .
  • the guide fitting 25 and the laminated piezoelectric element 12 are not affected by torsion or the like by the fitting of the projection 6c of the end surface 6a of the opening 7 of the bonding arm 5 and the guide groove of the guide fitting 25, and the inside of the opening 7
  • the mounting state of the opening 7 is not popped out, and the parallel state with the upper surface and the lower surface of the opening 7 can be maintained.
  • the pressure generating unit 15 is built in the bonding arm 5, and is arranged in order in the longitudinal direction, the laminated piezoelectric element 11, capillary holding part 9, capillary 8, capillary holding part 10, laminated piezoelectric element.
  • the pressure is applied to the contact surfaces of 12 and the guide fitting 25 from one direction. Thereby, the adhesiveness in each contact surface can be improved.
  • the pressurizing generator 15 is arranged at one end of the opening 7 of the bonding arm 5.
  • the pressure generating unit 15 includes a movable part 16 having a trapezoidal column shape, tapers 17 and 18 positioned on the left and right of the movable part 16, and a bolt 20 incorporated in the movable part 16.
  • the movable portion 16 of the pressurizing generator 15 is provided with a threaded hole therethrough.
  • One end of a metal round bar of the bolt 20 is threaded, and the round bar from which the bolt 20 is threaded is screwed into a screw hole of the movable portion 16.
  • the outer periphery of the movable portion 16 has an inclined surface, and the inclined surface is in close contact with a part of the tapered portions 17 and 18.
  • the taper portion 18 of the pressurizing generator 15 forms a pressurizing body, and the movable portion 16 and the bolt 20 of the pressurizing generator 15 are provided with a taper portion 18 as a pressurizing body and a receiving portion of the bonding arm.
  • a moving means for moving toward 6a is configured.
  • the taper portions 17 and 18 located on the left and right sides of the movable portion 16 have a substantially trapezoidal shape in FIG.
  • One end forming the pressure surface 18c of the tapered portion 18 located on the capillary 8 side is in contact with the vibration surface of the laminated piezoelectric element 11, and the other end of the tapered portion 18 is a flat surface 18a having a curvature as shown in FIG.
  • the inclined surface 18b of the tapered portion 18 is in close contact with the inclined surface of the movable portion 16.
  • one end forming the pressure surface 17c of the taper portion 17 located on the end surface 6b side of the opening 7 in the bonding arm 5 is in contact with the protrusion 6d (shown in FIG.
  • the other end of the taper portion 17 has a curved plane 17a and an inclined surface 17b.
  • the inclined surface 17b of the taper portion 17 is in close contact with the inclined surface of the movable portion 16. ing.
  • the bolt 20 is inserted in the space surrounded by the curvature provided in the flat surfaces 17a and 18a having the curvature of the taper portions 17 and 18.
  • the bolt 20 passes through the curved space of the tapered portions 17 and 18 and is inserted into a screw hole provided at the center of the movable portion 16.
  • the movable part 16 moves to the head side of the bolt 20 by turning the bolt 20 in the clockwise direction.
  • the taper parts 17 and 18 as pressure bodies move so as to spread left and right by the taper surface, so that the protrusions 6 d on the wall surface of the bonding arm 5 and the lamination A pressure is applied to the piezoelectric element 11.
  • the pressurizing generator 15 causes the laminated piezoelectric elements 11 and 12 and the capillary holders 9 and 10 to be positioned so as to have a gap with respect to the inner walls of the upper and lower plates in the opening 7 of the bonding arm 5. Adjust the pressure. Thereby, the influence on the vibration by the contact with the inner wall of an upper board and a lower board can be eliminated.
  • the pressure generating unit 15 changes the magnitude of the pressure by changing the distance to the wall surfaces at both ends of the opening (internal space) 7 of the bonding arm 5 formed by the pressure surfaces 17c and 18c.
  • pressure is applied to the contact surfaces of the laminated piezoelectric elements 11 and 12 and the capillary holding portions 9 and 10 and the like, and fulfills the function of a wedge.
  • the pressurizing generator 15 is located between the capillary 8 and the protrusion 6d of the bonding arm 5, but the pressurizing generator 15 is located at the opposite position across the capillary 8, that is, the capillary 8 and the protuberance. You may make it provide in the position between 6c.
  • the pressurizing generator 15 as the pressurizing means is not limited to the above-described configuration, and may be any pressurizing means that can be fixed by moving means, for example, fixing by a cylinder, tightening by a ball screw, pressing by a clamp, etc. Any of these may be sufficient.
  • the bottom (lower surface) of the bonding arm 5 that is, the surface facing the workpiece during bonding forms a flat surface by a frame (frame) 6 to block heat from the workpiece. Therefore, the laminated piezoelectric elements 11 and 12 built in the bonding arm 5 are not directly heated. For this reason, the bonding arm 5 can reduce the influence of heat on the laminated piezoelectric elements 11 and 12.
  • the multilayer piezoelectric element applies vibration to the capillary via the light and small capillary holding portions 9 and 10, the response of the capillary is improved, and an optimum frequency is selected at each bonding point. It becomes possible.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of an oscillator for driving the laminated piezoelectric element
  • FIG. 4 is a diagram showing voltage waveforms applied to the laminated piezoelectric element.
  • the oscillator 35 that drives the laminated piezoelectric elements 11 and 12 includes a waveform generator 36 and power amplifiers 38 and 39. Note that single voltage type piezoelectric elements are used for the laminated piezoelectric elements 11 and 12 shown in FIG.
  • the waveform generator 36 outputs a sine wave signal having a predetermined frequency to the power amplifiers 38 and 39 based on the signal from the control unit 33 of the bonding apparatus 1.
  • the control unit 33 of the bonding apparatus 1 outputs the amplitude, frequency, and bias value data of the sine wave for generating the voltage waveform for driving the laminated piezoelectric elements 11 and 12 to the waveform generator 36.
  • the waveform generator 36 sets driving conditions such as the amplitude, frequency, and bias value of a sine wave of an internal oscillator (not shown) based on data from the control unit 33 of the bonding apparatus 1.
  • the waveform generator 36 outputs a signal to the power amplifiers 38 and 39 in response to an activation signal from the control unit 33 of the bonding apparatus 1.
  • the signals output from the waveform generator 36 to the power amplifiers 38 and 39 are 180 degrees out of phase with each other.
  • the power amplifiers 38 and 39 amplify the signal from the waveform generator 36, the power amplifier 38 outputs it to the laminated piezoelectric element 11, and the power amplifier 39 outputs it to the laminated piezoelectric element 12.
  • the power amplifiers 38 and 39 have a voltage and a current capacity necessary for driving the laminated piezoelectric elements 11 and 12 at a constant voltage based on a command voltage from the waveform generator 36.
  • FIG. 4 shows an example of the waveform of the supply voltage output from the power amplifiers 38 and 39.
  • the waveform of the supply voltage output from the power amplifiers 38 and 39 is a sine wave voltage waveform. This is to prevent the multilayer piezoelectric elements 11 and 12 from being destroyed and causing resonance due to a sudden change in the supply voltage.
  • the driving waveform of the laminated piezoelectric element 11 is indicated by a solid line
  • the driving waveform of the laminated piezoelectric element 12 is indicated by a dotted line.
  • the driving waveforms of the laminated piezoelectric elements 11 and 12 have a phase difference of 180 degrees at the same frequency.
  • a positive bias voltage is applied so that the drive voltage does not become a negative voltage.
  • the amplitude of the voltage waveform is 100V
  • the bias voltage is 75V
  • the maximum voltage is 125V
  • the minimum voltage is 25V.
  • one cycle is from t0 to t4 shown in FIG. 4, and the frequency at this time is 1 / (t4-t0).
  • the laminated piezoelectric elements 11 and 12 are each applied with a bias voltage of 75V at t0, the laminated piezoelectric element 11 is applied with a maximum voltage of 125V at t1, and the laminated piezoelectric element 12 is applied with a minimum voltage of 25V. It is the state that was done. Further, the state returns to the state where the bias voltage 75V is applied at t2, that is, a half cycle, and at t3, the laminated piezoelectric element 11 is applied with the minimum voltage 25V, and the laminated piezoelectric element 12 is applied with the maximum voltage 125V. Thereafter, at t4, the bias voltage 75V is applied.
  • the laminated piezoelectric elements 11 and 12 are driven with a waveform having a phase difference of 180 degrees at the same frequency.
  • the laminated piezoelectric elements 11 and 12 are set in advance so that each element has a driving start voltage as a bias voltage before driving.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the vibration of the capillary of the bonding arm.
  • FIG. 5A shows the vibration (displacement) direction of the capillary when one half cycle of the voltage waveform is applied to the laminated piezoelectric element.
  • B is a figure which shows the vibration (displacement) direction of a capillary when the other half period in one period of a voltage waveform is applied to a laminated piezoelectric element.
  • the high frequency voltage having a sine wave waveform from the oscillator 35 is applied to the laminated piezoelectric element 11.
  • a high frequency voltage having a sine wave waveform obtained by shifting the phase of the sine wave high frequency voltage applied to the multilayer piezoelectric element 11 by 180 degrees is applied from the oscillator 35 to the multilayer piezoelectric element 12.
  • the vibration surface of the laminated piezoelectric element 11 operates to extend as shown by an arrow, for example, as shown in FIG.
  • the vibration surface of the laminated piezoelectric element 12 operates so as to shrink as indicated by an arrow.
  • the vibrating surfaces of the laminated piezoelectric elements 11 and 12 are displaced in the same direction as the longitudinal direction of the bonding arm 5. At this time, the capillary 8 is displaced in the direction of the arrow shown in FIG.
  • the vibration surface of the laminated piezoelectric element 11 operates so as to shrink as shown by an arrow as shown in FIG. 5B, for example.
  • the vibration surface of the laminated piezoelectric element 12 operates to extend as indicated by the arrow.
  • the capillary 8 is displaced in the direction of the arrow shown in FIG.
  • the displacement direction of the capillary 8 changes every half cycle of the drive waveform, and the capillary 8 is vibrated by continuously applying a high-frequency voltage to the laminated piezoelectric elements 11 and 12.
  • the frequency of the capillary 8 is determined by the frequency of the high-frequency voltage that drives the laminated piezoelectric elements 11 and 12.
  • vibration is induced by the high frequency voltage from the oscillator 35, and the vibration is propagated to the capillary 8 through the capillary holding portions 9 and 10.
  • the frequency of the high-frequency voltage applied to the laminated piezoelectric elements 11 and 12 can be up to about 150 KHz, and the capillary 8 can be driven to a frequency of about 150 KHz.
  • a pair of piezoelectric elements are arranged symmetrically with respect to the capillary, and each piezoelectric element is driven with a drive waveform having a phase difference of 180 degrees, so when one piezoelectric element extends, the other piezoelectric element is Since it is displaced so as to contract, a uniform force acts on the capillary via the capillary holding portion without having a spring characteristic, and the entire capillary can be vibrated (displaced) uniformly.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a bonding apparatus on which a bonding arm is mounted.
  • the bonding arm 5 of the wire bonding apparatus 1 as the bonding apparatus 1 is attached to the drive arm of the bonding head 2 via a connection fitting 31.
  • the drive arm of the bonding head 2 includes a linear motor 28 that swings the bonding arm 5 in the vertical direction and an encoder 29 that detects the position of the capillary 8 in the bonding arm 5.
  • the linear motor 28 is controlled by the drive unit 45 and the movable portion of the linear motor 28 moves up and down, so that the bonding arm 5 swings up and down via the support shaft 30.
  • the bonding head 2 is mounted on the XY table 3. By controlling the XY table 3 by the drive unit 45, the capillary 8 of the bonding arm 5 can be positioned immediately above the bonding point on the workpiece.
  • a wire bonding apparatus 1 as the bonding apparatus 1 shown in FIG. 6 includes a wire clamp mechanism (not shown) for holding the wire 53 on the bonding head 2 and a torch lot (FIG. 6) for forming a ball 52 at the tip of the capillary.
  • a wire supply mechanism (not shown) for supplying the wire 53 and the like.
  • the bonding operation is controlled by the XY table 3 so that the capillary 8 is positioned immediately above the bonding point.
  • the bonding head 2 lowers the bonding arm by the linear motor 28 and detects whether the tip of the capillary 8 has touched the bonding point by the encoder.
  • the first bonding point is a pad of the semiconductor element 50
  • the second bonding point is a lead of the lead frame 51.
  • a ball 52 bonded to the first bonding point or a wire 53 bonded to the second bonding point is fed out at the tip of the capillary.
  • a bonding load is applied to the capillary 8 of the bonding arm 5 and a driving voltage is supplied from the oscillator 35 to the laminated piezoelectric elements 11 and 12. Then, the capillary 8 is vibrated to perform bonding.
  • the laminated piezoelectric elements 11 and 12 vibrate at the frequency of the driving voltage from the oscillator 35 and ultrasonically vibrate with the vibration amplitude corresponding to the magnitude of the driving voltage.
  • the vibrations of the laminated piezoelectric elements 11 and 12 are propagated to the capillary 8 through the capillary holders 9 and 10. After applying a bonding load and ultrasonic vibration to the capillary 8 for a predetermined time, bonding at the bonding point is completed.
  • the load driven by the piezoelectric element can be reduced, so that the response of the capillary is improved, and the bonding at the first bonding point and the second bonding point depends on the bonding conditions.
  • the frequency can be switched, and the optimum frequency can be selected at each bonding point.
  • the response of the capillary is improved, and the vibration amplitude of the capillary being joined can be varied. For example, it is possible to first perform driving so as to increase the vibration amplitude of the capillary in order to remove the oxide film on the surface, and then reduce the vibration amplitude of the capillary to perform bonding.
  • the weight reduction of the load driven by the laminated piezoelectric element improves the responsiveness of the capillary, shortens the bonding time between the pad and the ball, and increases the number of semiconductor components produced per unit time.
  • the bonding apparatus of the present invention transmits the vibration from the piezoelectric element to the capillary (bonding tool) via the capillary holding part, the thermal effect on the piezoelectric element by the heated capillary can be reduced.
  • the effect of heat can be reduced by configuring the capillary holder with a material having low thermal conductivity.
  • the laminated piezoelectric element is housed in the frame of the bonding arm, and since the piezoelectric element is not directly exposed to the heat from the workpiece by the frame of the bonding arm, the influence of heat can be reduced.
  • the bonding arm composed of a pair of laminated piezoelectric elements the embodiment in which the pair of laminated piezoelectric elements are simultaneously driven has been described. However, only one of the pair of laminated piezoelectric elements may be driven. Good.
  • one laminated piezoelectric element may be used as a vibration actuator, and the other piezoelectric element may be used as a vibration sensor to detect the vibration state of the capillary.
  • the bonding apparatus of the present invention is not limited to a wire bonding apparatus but can be applied to other bonding apparatuses such as a bump bonder.
  • Bonding equipment (wire bonding equipment) 2 Bonding head 3 XY table 5 Bonding arm 6 Frame 6a, 6b End face 6c Protruding part (receiving part) 6d Protrusion 7 Internal space (opening) 8 Bonding tool (capillary) 9, 10 Capillary holding parts 11, 12 Multilayer piezoelectric element (piezoelectric element) 15 Pressure generator 16 Moving parts 17 Taper 18 Taper (Pressurized body) 17a, 18a Curved planes 17b, 18b Inclined surfaces 17c, 18c Pressure surface 20 Bolt 25 Guide bracket 26 Mounting portion 27 Mounting hole 28 Linear motor 29 Encoder 30 Support shaft 31 Connecting bracket 33 Control unit 35 Oscillator 36 Waveform generator 38, 39 Power Amplifier 45 Drive unit 50 Semiconductor element 51 Lead frame 52 Ball 53 Wire

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Abstract

圧電素子が駆動する負荷の軽量小型化が図れ、また、圧電素子に対するワークからの熱の影響を減らすことが可能なボンディング装置を提供すること。 ボンディングツール８の中心軸に対向する受け部６ｃを有するボンディングアーム５と、ボンディングツール８に接する一対のキャピラリ保持部９、１０と、キャピラリ保持部９、１０に接して超音波振動を発生する一対の圧電素子１１、１２と、ボンディングアームの受け部に対向して配置される加圧体１８と、加圧体をボンディングアームの受け部に向けて移動させる移動手段から構成される加圧手段と、を有し、ボンディングアームの受け部と加圧体との間に、一対の圧電素子、一対のキャピラリ保持部及びボンディングツールを位置させた状態で、加圧体を移動させることにより、一対のキャピラリ保持部及びボンディングツールをボンディングアームに保持させるようにする。

Description

ボンディング装置
本発明は、ボンディング装置に関し、特に、ワイヤを接合するボンディングツールを駆動する振動周波数を自由に設定することが可能なボンディング装置に関する。
　従来、半導体チップの電極と基板上に形成された配線用のリードとをワイヤで接合するワイヤボンディング装置が知られている。ワイヤボンディング装置は、ワイヤの先端部に形成されたボールを半導体チップの電極に超音波振動と共に押圧して接合するとともに、ワイヤをリードに超音波振動と共に押圧して、半導体チップの電極と基板上のリードとを接合するものである。ワイヤボンディング装置には二次元方向に移動可能なＸＹテーブル上にボンディングヘッドが載置固定されている。ボンディングヘッドを成すボンディングアームは、支持軸を中心として回転可能な構成となっており、ボンディングアームの一方の先端にはボンディングツールとしてのキャピラリが取り付けられた超音波ホーンと、他方に超音波ホーンを介してキャピラリに超音波振動を印加する超音波印加手段としての超音波振動子とを有している。
　しかしながら、従来のボンディングアームにおける超音波ホーンは、λ（音波長）／２を基本とした長さが必要であり、また、ボンディングアームとしてボンディングヘッドに取付ける際には、λ／４の節の位置を固定するため、その長さ及び支持方法等に制約があった。このため、これらの制約を解消すべく、特許文献１には、ボンディングアームのキャピラリ取付け近傍に、キャピラリに電歪又は磁歪効果により振動を伝達する圧電素子を組み込んだワイヤボンディング装置が開示されている。
　また、特許文献２には、キャピラリに振動発生機構を組み込んだ低質量振動子が開示されている。
　また、特許文献３には、キャピラリまわりの周方向複数位置に互いに隣接配置された複数個の圧電素子を設けて、各圧電素子に所定の位相ずれを有する電圧を供給するワイヤボンディング装置が開示されている。
特開平５－２７５５０２号公報 米国特許第５，８９０，６４３号 特開平６－２０４３０２号公報
　特許文献１で開示されたワイヤボンディング装置は、ボンディングアームのキャピラリ取付け近傍に、キャピラリに振動を伝達する圧電素子を組み込んだ構成となっている。特許文献１におけるボンディングアームは、圧電素子の振動が枠状の振動伝達部を介してキャピラリに伝搬される。しかしながら、圧電素子が駆動する負荷としての振動伝達部の質量が大きく、また、振動伝達部自体が固有振動数を持ってしまい、１５０ｋＨｚ等の高周波での駆動が困難となっていた。また、重い負荷を駆動するために圧電素子を大型にする必要があった。
　また、圧電素子は、ボンディングアームに設けた枠状の穴に固定されており、枠を介して圧電素子に加圧が掛けられるため、枠のバネ性が圧電素子の伸びを阻害して振動が効率的に伝達されない問題があった。
　また、特許文献２では圧電素子を用いた振動発生機構をキャピラリに組み込むために専用のキャピラリが必要になり、通常使用されているキャピラリに振動発生機構を設けることが困難であった。更に、消耗品であるキャピラリに振動発生機構を組み込んでいるため、高価になってしまう。
　また、特許文献１、２、３共に、圧電素子は、加熱されたワーク（被ボンディング部品）からの熱の影響を受ける恐れがある。特に、特許文献２、３では圧電素子がキャピラリの外周に組み込まれているため、ボンディング時にワークに接近することによりキャピラリ上の振動発生機構が高温状態となる。更に、圧電素子を高周波で使用した場合には、圧電素子の自己発熱により、振動発生機構がより高温状態になり、圧電素子が熱破損したり、圧電素子の性能が低下する恐れがある。　
　このため、ボンディングアームの圧電素子が駆動する振動伝達部等の負荷の軽量小型化が図られ、また、安定した振動をキャピラリに伝達することが求められている。更に、圧電素子に対する加熱されたワークからの熱の影響を減らすことが求められている。
　そこで本発明は、圧電素子が駆動する負荷の軽量小型化が図れ、安定した振動をキャピラリに伝達することが可能であり、また、周波数及び／又は振動振幅の大きさを自在選択することができ、更に、圧電素子に対するワークからの熱の影響を減らすことが可能なボンディング装置を提供することを目的とする。
　上記目標達成のため、本発明のボンディング装置は、ボンディングツールの中心軸と交差する方向に延在するとともに、当該ボンディングツールの中心軸に対向する受け部を有するボンディングアームと、前記ボンディングツールの中心軸を挟んで対称に配置され、前記ボンディングツールに接する一対のキャピラリ保持部と、前記ボンディングツールの中心軸を挟んで対称に配置され、前記キャピラリ保持部に接して超音波振動を発生する一対の圧電素子と、前記圧電素子を駆動する発振器と、前記ボンディングツールの中心軸を挟んで前記ボンディングアームの受け部に対向して配置される加圧体と、当該加圧体を前記ボンディングアームの受け部に向けて移動させる移動手段から構成される加圧手段と、
を有し、前記ボンディングアームの受け部と前記加圧体との間に、前記一対の圧電素子、前記一対のキャピラリ保持部及び前記ボンディングツールを位置させた状態で、当該加圧体を移動させることにより、前記一対のキャピラリ保持部及び前記ボンディングツールを前記ボンディングアームに保持させることを特徴とする。
　また、前記キャピラリ保持部は、熱伝導率の低い材質で構成したことを特徴とする。
　前記発振器は、一対の前記圧電素子を互いに１８０度位相の異なる波形で駆動することを特徴とする。
　また、前記キャピラリ保持部は、一方の面が前記ボンディングツールの外周の半円未満の面に接するように湾曲形状を成してボンディングツールを保持し、他方の面が前記圧電素子の振動面（変位面）に接して取り付けられていることを特徴とする。
　また、前記圧電素子は、セラミックからなる圧電素子を積層した積層圧電素子であることを特徴とする。
　また、前記発振器は、前記圧電素子の駆動周波数をボンディング点毎に、可変して設定するようにしたことを特徴とする。
　また、前記ボンディングアームは、前記ボンディングツールを挿通するための穴を形成した板状のフレームをさらに有し、前記一対の圧電素子および前記一対のキャピラリ保持部は、前記フレームの上面に配置され、前記ボンディングツールは、先端が前記フレームの下面側に位置するように前記フレームに形成された穴に挿通されることを特徴とする。
　また、前記フレームの前記上面には、距離が一定の対向する壁面が設けられ、前記一対の圧電素子、前記一対のキャピラリ保持部及び前記ボンディングツールは、前記フレーム上面の壁面の一方と前記加圧手段の加圧体との間に配置され、前記加圧手段は、前記移動手段を介して前記加圧体の前記フレーム上面の壁面の一方までの距離を可変することによって、加圧の大きさを変えるようにしたことを特徴とする。
　本発明によれば、圧電素子が駆動する負荷の軽量化が図られるため、キャピラリの応答性が良くなりボンディング条件に応じて第１ボンディング点、第２ボンディング点での周波数切替が可能となり、各ボンディング点で最適な周波数を選択することが可能になる。
　また、圧電素子が駆動する負荷の軽量化により、キャピラリの応答性が良くなり接合中のキャピラリの振動振幅の大きさを可変することができる。例えば、最初は表面の酸化膜を除去するためキャピラリの振動振幅を大きくなるように駆動し、次に、キャピラリの振動振幅を小さくして接合することが可能になる。
　また、圧電素子が駆動する負荷の軽量化により、キャピラリの応答性が良くなりパッドとボールの接合時間が短縮され、半導体部品の単位時間当たりの生産数を増やすことが可能となる。
　また、一対の圧電素子がキャピラリに対して対称に配置され、各圧電素子は、互いに１８０度位相の異なる駆動波形で駆動するため、一方の圧電素子が伸びるときには、他方の圧電素子は、縮むように変位するため、バネ性の特性を有することなく、キャピラリ保持部を介してキャピラリに均一な力が作用して、キャピラリ全体を均一に振動（変位）させることができる。
　また、本発明によれば、キャピラリ保持部を介して圧電素子からの振動をキャピラリ（ボンディングツール）に伝達するため、昇温したキャピラリによる圧電素子への熱影響を軽減することができる。
　また、熱伝導率の低い材質でキャピラリ保持部を構成することにより、熱影響を軽減することができる。
　また、圧電素子は、ボンディングアームの枠内に納められており、ボンディングアームの枠によって圧電素子がワークからの熱に直接さらされることないため、熱の影響を軽減することができる。
　また、従来のように振動子の共振を利用しないため、使用するキャピラリに最適な周波数を選択して、選択した周波数で圧電素子を駆動することができる。
ボンディングアームの構成を示す図であり、（ａ）はボンディングアームの側面図、（ｂ）は、ボンディングアームの下面図である。 図１（ａ）に示すＡ－Ａ線の断面図であり、ボンディングアームの構成を示す平面図である。 積層圧電素子を駆動する発振器の構成を示すブロック図である。 積層圧電素子に印加される電圧波形を示す図である。 ボンディングアームのキャピラリの振動を説明する図であり、（ａ）は、積層圧電素子に電圧波形の１周期中における一方の半周期を印加したときのキャピラリの振動（変位）方向を示し、（ｂ）は、積層圧電素子に電圧波形の１周期中における他方の半周期を印加したときのキャピラリの振動（変位）方向を示す図である。 ボンディングアームを実装したボンディング装置の構成を示すブロック図である。
　以下図面を参照して、本発明によるボンディング装置を実施するための形態について説明する。尚、本発明のボンディング装置は、側面視において略ロ字形状を有するボンディングアームに組み込んだボンディングツールとしてのキャピラリを中心に、ボンディングアームの長手方向にキャピラリを保持する一対のキャピラリ保持部と、キャピラリ保持部に接して超音波振動を発生する一対の圧電素子とを対称に位置するようにして、振動駆動部の軽量小型化を図り、また、加圧発生部によりキャピラリ保持部、圧電素子に加圧を加えるようにして、安定した振動をキャピラリに伝達するようにし、更に、圧電素子に対してワークからの熱の影響を減らすようにしたものである。
　［ボンディングアームの構成］
　以下に、ボンディング装置としてのワイヤボンディング装置におけるボンディングアームについて図１及び図２を参照して説明する。図１は、ボンディングアームの構成を示す図であり、図１（ａ）はボンディングアームの側面図、図１（ｂ）は、ボンディングアームの下面図を示し、図２は、図１（ａ）に示すＡ－Ａ線の断面図であり、ボンディングアームの構成を示す平面図である。
　図１（ａ）に示すように、ボンディングアーム５は、ボンディングツール８としてのキャピラリ８と、キャピラリ８の外周を押圧してキャピラリ８を保持する一対のキャピラリ保持部９、１０と、振動駆動源としての圧電素子（以後、圧電素子を積層圧電素子１１、１２と記す）と、キャピラリ８、キャピラリ保持部９、１０及び積層圧電素子１１、１２に一定方向から荷重を加えて加圧する加圧手段としての加圧発生部１５を有している。
　図１（ａ）、図２に示すように、ボンディングアーム５は、側面視において略ロ字形状を有し、枠（フレーム）６を形成している。枠６の上面及び下面にはキャピラリ８を取り付けるための穴を有している。また、側面には枠６によって内部空間（以後開口部ともいう）７が設けられており、ボンディングアーム５の開口部７には、キャピラリ８を中心にキャピラリ保持部９、１０、積層圧電素子１１、１２が左右対称に収納されている。また、開口部７の両端面には、突起部６ｃ、６ｄを有し、突起部６ｃ、６ｄは、端面６ａ、６ｂにおける開口部７の上面と下面の中心位置に、上面と下面に平行を成すように突状に設けられている。この突起部６ｃが設けられている開口部７の端面は、後述するように、加圧体の移動によって加圧されるボンディングツール８、キャピラリ保持部９、１０及び積層圧電素子１１、１２をガイド金具２５を介して受け止めるようになっており、本発明における受け部を構成している。なお、突起部６ｃを省略し、端面全体でガイド金具２５を支持するようにしてもよい。
　また、ボンディングアーム５の受け部は、開口部の端面６ａにおける突起部６ｃに設けられているが、略Ｌ字形状を成す板状のフレームの端に受け部を設けるようにしてもよい。また、略Ｕ字形状を成す板状のフレームの両端の一方に受け部を設けることも可能である。
　ボンディングツール８としてのキャピラリ８は、軸心にワイヤを通すための細穴を有し、キャピラリ保持部９、１０によって支持され、キャピラリ８の先端に形成されたボールをパッドに荷重を加えながら接合したり、キャピラリ８の先端から繰り出されたワイヤをリードの表面に荷重を加えながら接合するものである。また、接合中にキャピラリ８に超音波振動を与えることにより、キャピラリ８の超音波振動なしの場合と比べ、低い加熱温度で接合を行うことができる。
　キャピラリ保持部９、１０は、キャピラリ８を保持して、積層圧電素子１１、１２の振動をキャピラリ８に伝搬するためのものである。図２に示すように、キャピラリ保持部９、１０のキャピラリ８と接する面は、キャピラリ保持部９、１０自身の内側に湾曲しており、キャピラリ８の外周の半円未満の面に接するように取り付けられている。図１（ａ）、図２に示すように、キャピラリ保持部９、１０は、キャピラリ８を中心に対称位置にそれぞれ設けられている。キャピラリ保持部９、１０の他の面は、積層圧電素子１１、１２の振動面にそれぞれが接している。
　尚、キャピラリ保持部９、１０は、ステンレス、超合金等の熱伝導率の低い材質で小型に形成されており、質量は、０．１グラム前後で軽量化されている。このように、キャピラリ保持部９、１０は、キャピラリ８の外周に沿って設けられている。
　また、図２に示すように、ボンディングアーム５内にキャピラリの中心軸に対して対称に位置するように、一対の積層圧電素子１１、１２が設けられている。積層圧電素子１１、１２のキャピラリ８側に位置する振動面は、キャピラリ保持部９、１０に接しており、一方の積層圧電素子１１の他の振動面は、加圧発生部１５の加圧体としてのテーパ部１８に接している。また、他方の積層圧電素子１２の他の振動面は、ガイド金具２５の面に接している。
　積層圧電素子１１、１２は、厚さ０．１ｍｍ（ミリメートル）程度の圧電板としてのセラミックと圧電板の表面に厚さ数μｍ（マイクロメートル）の内部電極が交互に多層積層されたものである。このように構成された積層圧電素子１１、１２では、電圧の印加により発生する変位量は、圧電板の積層数及び電極に印加する電圧の大きさに比例する。このため、積層圧電素子は、単板型圧電素子と比較して、大きな変位量を得ることができる。これにより、振動子としての圧電素子は、積層圧電素子が好適である。
　以上述べたように、ボンディングアーム５には、キャピラリ８を中心にボンディングアーム５の長手方向に沿って、一対のキャピラリ保持部９、１０及び一対の積層圧電素子１１、１２が左右対称に配置されている。
　図１（ａ）に示すガイド金具２５は、ボンディングアーム５の開口部７の端面６ａの突起部６ｃと積層圧電素子１２との間に取り付けられている。ガイド金具２５の一方の面には、ガイド溝が設けられており、ガイド金具２５の他方の面は、積層圧電素子１２の振動面に密着するようになっている。ガイド金具２５の取付は、例えば、ガイド金具２５のガイド溝をボンディングアーム５の開口部７の一方の端面６ａに設けられている突起部６ｃに沿ってスライドさせてボンディングアーム５に取り付けるようにする。ボンディングアーム５の開口部７の端面６ａの突起部６ｃとガイド金具２５のガイド溝による嵌合によって、ねじれ等による影響を受けることなく、ガイド金具２５及び積層圧電素子１２は、開口部７内部での取付状態を維持して飛び出すことがなく、また、開口部７の上面及び下面との平行状態を維持することができる。
　［加圧発生部の構成］
　図２に示すように、加圧発生部１５は、ボンディングアーム５に内蔵されて、長手方向に順に配列された積層圧電素子１１、キャピラリ保持部９、キャピラリ８、キャピラリ保持部１０、積層圧電素子１２及びガイド金具２５のそれぞれの接触面に一方向から加圧を加えるようにしている。これにより、それぞれの接触面での密着性を高めることができる。
　図１（ａ）、図２に示すように、加圧発生部１５は、ボンディングアーム５の開口部７の一端に配置されている。加圧発生部１５は、台形柱の形状を成す可動部１６と可動部１６の左右に位置するテーパ１７、１８と、可動部１６に組み込まれたボルト２０とを有している。加圧発生部１５の可動部１６には、ねじ穴が貫通して設けられている。ボルト２０の金属丸棒の一端には、ねじが切られており、ボルト２０のネジが切られた丸棒は、可動部１６のねじ穴にねじ込まれている。また、可動部１６の外周は、傾斜面を有し、傾斜面は、テーパ部１７、１８の一部と密着している。
　なお、加圧発生部１５のテーパ部１８は、加圧体を成すものであり、加圧発生部１５の可動部１６及びボルト２０は、加圧体としてのテーパ部１８をボンディングアームの受け部６ａに向けて移動させる移動手段を構成する。
　可動部１６の左右に位置するテーパ部１７、１８は、図２において略台形形状を成している。キャピラリ８側に位置するテーパ部１８の加圧面１８ｃを成す一端は、積層圧電素子１１の振動面に接しており、テーパ部１８の他端は、図２に示すように、湾曲を有する平面１８ａと傾斜面１８ｂとを有し、テーパ部１８の傾斜面１８ｂは、可動部１６の傾斜面と密着している。一方、ボンディングアーム５における開口部７の端面６ｂ側に位置するテーパ部１７の加圧面１７ｃを成す一端は、ボンディングアーム５の開口部７における突起部６ｄ（図１（ａ）に示す）に接しており、テーパ部１７の他端は、図２に示すように、湾曲を有する平面１７ａと傾斜面１７ｂとを有し、テーパ部１７の傾斜面１７ｂは、可動部１６の傾斜面と密着している。
　テーパ部１７、１８の湾曲を有する平面１７ａ、１８ａに設けられている湾曲に囲まれた空間に、ボルト２０が挿通されている。ボルト２０は、テーパ部１７、１８の湾曲した空間を貫通して可動部１６の中心に設けられているねじ穴に挿入されている。
　図２に示すように、ボルト２０を時計の回転方向に回すことにより、可動部１６がボルト２０の頭部側に移動する。可動部１６がボルト２０の頭部側に移動することにより、加圧体としてのテーパ部１７、１８がテーパ面により左右に広がるように移動して、ボンディングアーム５における壁面の突起部６ｄ及び積層圧電素子１１に加圧力がかかる。
　尚、ボンディングアーム５の開口部７に、積層圧電素子１１、１２、キャピラリ保持部９、１０を組み込む際には、積層圧電素子１１の一方の振動面にキャピラリ保持部９を接着して固定し、また、積層圧電素子１２の一方の振動面にキャピラリ保持部１０を接着し、積層圧電素子１２の他方の振動面にガイド金具２５を接着して固定しておくようにする。その後、積層圧電素子１１、１２、キャピラリ保持部９、１０が、ボンディングアーム５の開口部７における上板、下板の内壁に対して隙間を有するように位置させるべく、加圧発生部１５により加圧等を調整する。これにより、上板、下板の内壁との接触による振動への影響を無くすことができる。
　このように、加圧発生部１５は、加圧面１７ｃ、１８ｃが成すボンディングアーム５の開口部（内部空間）７の両端の壁面までの距離を可変することによって、加圧の大きさを変えるようにして、積層圧電素子１１、１２、キャピラリ保持部９、１０等の接触面に加圧がかかるように構成されており、くさびの機能を果たすものである。
　尚、加圧発生部１５は、キャピラリ８とボンディングアーム５の突起部６ｄの間に位置しているが、加圧発生部１５をキャピラリ８を挟んで反対の位置、即ち、キャピラリ８と突起部６ｃの間の位置に設けるようにしてもよい。
　また、加圧手段としての加圧発生部１５は、上述した構成に限らず、移動手段によって加圧して固定できるものであればよく、例えば、シリンダーによる固定、ボールネジによる締め付け、クランプによる加圧等のいずれかであってもよい。
　また、図１（ｂ）に示すように、ボンディングアーム５の底部（下面）、即ち、ボンディング時にワークに対向する面は、枠（フレーム）６により平面を成して、ワークからの熱を遮断するため、ボンディングアーム５に内蔵された積層圧電素子１１、１２には、直接に熱が及ばない。このため、ボンディングアーム５によって積層圧電素子１１、１２への熱の影響を軽減することができる。
　また、積層圧電素子は、軽量小型に形成されたキャピラリ保持部９、１０を介してキャピラリに振動を印加するため、キャピラリの応答性が良くなり、また、各ボンディング点で最適な周波数を選択することも可能になる。
　［積層圧電素子の駆動回路］
　次に、ボンディングアーム５に組み込まれた積層圧電素子１１、１２を駆動する発振器について図３及び図４を用いて説明する。図３は、積層圧電素子を駆動する発振器の構成を示すブロック図、図４は、積層圧電素子に印加される電圧波形を示す図である。
　図３に示すように、積層圧電素子１１、１２を駆動する発振器３５は、波形発生器３６と電力増幅器３８、３９とを有している。尚、図３に示す積層圧電素子１１、１２は、単電圧型圧電素子を用いている。波形発生器３６は、ボンディング装置１の制御部３３からの信号に基づいて、所定の周波数を有する正弦波の信号を電力増幅器３８、３９に出力する。ボンディング装置１の制御部３３は、積層圧電素子１１、１２を駆動する電圧波形を生成のための正弦波の振幅、周波数、バイアス値の各データを波形発生器３６に出力する。波形発生器３６は、ボンディング装置１の制御部３３からのデータに基づいて内蔵されている発振器（図示せず）の正弦波の振幅、周波数、バイアス値等の駆動条件を設定する。ボンディング装置１の制御部３３からの起動信号により、波形発生器３６は電力増幅器３８、３９に信号を出力する。尚、波形発生器３６から電力増幅器３８、３９に出力される信号は、それぞれが１８０度位相が異なっている。電力増幅器３８、３９は、波形発生器３６からの信号を電力増幅して、電力増幅器３８は、積層圧電素子１１に出力し、電力増幅器３９は、積層圧電素子１２に出力する。尚、電力増幅器３８、３９は、波形発生器３６からの指令電圧に基づいて積層圧電素子１１、１２を定電圧駆動するために必要な電圧、電流容量を備えている。
　［積層圧電素子の駆動波形］
　図４は、電力増幅器３８、３９から出力される供給電圧の波形の一例を示す。図４に示すように、電力増幅器３８、３９から出力される供給電圧の波形は、正弦波電圧波形である。これは、供給電圧の急激な変化に伴う積層圧電素子１１、１２の破壊や、共振の発生を防止するためである。尚、図４では、積層圧電素子１１の駆動波形を実線で、積層圧電素子１２の駆動波形を点線でそれぞれ示す。
　図４に示すように、積層圧電素子１１、１２の駆動波形は、同一周波数で１８０度位相差を有している。また、積層圧電素子１１、１２が単電圧型圧電素子の場合には、駆動電圧が負電圧にならないよう正のバイアス電圧を印加する。図４に示す例では電圧波形の振幅が１００Ｖ、バイアス電圧が７５Ｖであり、最大電圧は１２５Ｖ、最低電圧は２５Ｖである。また、図４に示すｔ０からｔ４までが１周期を示し、このときの周波数は、１／（ｔ４－ｔ０）である。
　図４に示すように、積層圧電素子１１、１２は、ｔ０においてそれぞれバイアス電圧７５Ｖが印加されて、ｔ１において積層圧電素子１１は最大電圧１２５Ｖが印加され、積層圧電素子１２は最低電圧２５Ｖが印加された状態である。また、ｔ２、即ち半周期においてそれぞれバイアス電圧７５Ｖが印加された状態に戻り、ｔ３において積層圧電素子１１は最小電圧２５Ｖが印加され、積層圧電素子１２は最大電圧１２５Ｖが印加された状態である。その後ｔ４においてそれぞれバイアス電圧７５Ｖが印加された状態となる。このように、積層圧電素子１１、１２は、同一周波数で１８０度位相差を有する波形で駆動される。尚、積層圧電素子１１、１２は、駆動の前に予め、各素子をバイアス電圧である駆動開始電圧になるように設定する。
　［キャピラリの振動］
　次に、ボンディングアームのキャピラリの振動について図５を用いて説明する。図５は、ボンディングアームのキャピラリの振動を説明する図であり、（ａ）は、積層圧電素子に電圧波形の１周期中における一方の半周期を印加したときのキャピラリの振動（変位）方向を示し、（ｂ）は、積層圧電素子に電圧波形の１周期中における他方の半周期を印加したときのキャピラリの振動（変位）方向を示す図である。
　積層圧電素子１１には、発振器３５からの正弦波の波形を有する高周波電圧が印加される。また、積層圧電素子１２には、積層圧電素子１１に印加される正弦波の高周波電圧の位相を１８０度ずらした正弦波の波形を有する高周波電圧が、発振器３５から印加される。図４に示すｔ３からｔ５の半周期の高周波電圧が印加されたときには、図５（ａ）に示すように、積層圧電素子１１の振動面が、例えば、矢印で示すように伸びるように動作したときには、積層圧電素子１２の振動面は、矢印で示すように縮むように動作する。尚、積層圧電素子１１、１２の振動面は、ボンディングアーム５の長手方向と同一方向に変位する。このとき、キャピラリ８は、図５（ａ）に示す矢印の方向に変位する。
　一方、図４に示すｔ１からｔ３の半周期の高周波電圧が印加されたときには、図５（ｂ）に示すように、積層圧電素子１１の振動面が、例えば、矢印で示すように縮むように動作したときには、積層圧電素子１２の振動面は、矢印で示すように伸びるように動作する。このとき、キャピラリ８は、図５（ｂ）に示す矢印の方向に変位する。
　これにより、駆動波形の半周期毎にキャピラリ８の変位方向が変化し、高周波電圧を連続して積層圧電素子１１、１２に印加することにより、キャピラリ８に振動が発生する。また、キャピラリ８の振動数は、積層圧電素子１１、１２を駆動する高周波電圧の周波数によって決まる。積層圧電素子１１、１２は、発振器３５からの高周波電圧により、振動が誘起されてキャピラリ保持部９、１０を介してキャピラリ８に振動が伝搬される。尚、積層圧電素子１１、１２に印加する高周波電圧の周波数は、１５０ＫＨｚ程度まで可能であり、キャピラリ８を１５０ＫＨｚ程度の振動数まで駆動することができる。
　このように、一対の圧電素子がキャピラリに対して対称に配置され、各圧電素子は、互いに１８０度位相の異なる駆動波形で駆動するため、一方の圧電素子が伸びるときには、他方の圧電素子は、縮むように変位するため、バネ性の特性を有することなく、キャピラリ保持部を介してキャピラリに均一な力が作用して、キャピラリ全体を均一に振動（変位）させることができる。
　［ボンディング装置］
　次に、ボンディングアームを実装したボンディング装置について図６を用いて説明する。図６は、ボンディングアームを実装したボンディング装置の構成を示すブロック図である。図６に示すように、ボンディング装置１としてのワイヤボンディング装置１のボンディングアーム５は、接続金具３１を介してボンディングヘッド２の駆動アームに取り付けられている。ボンディングヘッド２の駆動アームには、ボンディングアーム５を上下方向に揺動するリニアモータ２８と、ボンディングアーム５におけるキャピラリ８の位置を検出するエンコーダ２９を備えている。リニアモータ２８は、駆動ユニット４５により制御されて、リニアモータ２８の可動部が上下移動することにより、支持軸３０を介してボンディングアーム５は上下方向に揺動する。ボンディングヘッド２は、ＸＹテーブル３上に搭載されており、駆動ユニット４５によりＸＹテーブル３を制御することにより、ボンディングアーム５のキャピラリ８をワーク上のボンディング点の直上に位置させることができる。
　尚、図６に示すボンディング装置１としてのワイヤボンディング装置１は、ボンディングヘッド２にワイヤ５３の把持を行うワイヤクランプ機構（図示せず）、キャピラリ先端にボール５２を形成するためのトーチロット（図示せず）及びワイヤ５３を供給するワイヤ供給機構（図示せず）等を有している。
　ボンディング動作は、ＸＹテーブル３によりキャピラリ８が、ボンディング点の直上に位置するように制御する。ボンディングヘッド２は、リニアモータ２８によりボンディングアームを下降させて、エンコーダによりキャピラリ８の先端がボンディング点にタッチしたかを検出する。尚、通常は、第１のボンディング点は、半導体素子５０のパッドであり、第２のボンディング点は、リードフレーム５１のリードである。キャピラリの先端には、第１のボンディング点に接合するボール５２又は第２のボンディング点に接合するワイヤ５３が繰り出されている。キャピラリ８の先端がボンディング点にタッチしたことをエンコーダ２９の信号から確認後、ボンディングアーム５のキャピラリ８にボンディング荷重を印加し、また、発振器３５から積層圧電素子１１、１２に駆動電圧を供給してキャピラリ８を振動させて、ボンディングを行う。積層圧電素子１１、１２は、発振器３５からの駆動電圧の周波数で振動し、また、駆動電圧の大きさに応じた振動振幅で超音波振動する。積層圧電素子１１、１２の振動は、キャピラリ保持部９、１０を介してキャピラリ８に伝搬される。キャピラリ８にボンディング荷重及び超音波振動を所定の時間印加後に、ボンディング点でのボンディングが完了する。
　以上述べたように、本発明のボンディング装置は、圧電素子が駆動する負荷の軽量化が図られるため、キャピラリの応答性が良くなりボンディング条件に応じて第１ボンディング点、第２ボンディング点での周波数切替が可能となり、各ボンディング点で最適な周波数を選択することが可能になる。
　また、積層圧電素子が駆動する負荷の軽量化により、キャピラリの応答性が良くなり接合中のキャピラリの振動振幅の大きさを可変することができる。例えば、最初は表面の酸化膜を除去するためキャピラリの振動振幅を大きくなるように駆動し、次に、キャピラリの振動振幅を小さくして接合することが可能になる。
　また、積層圧電素子が駆動する負荷の軽量化により、キャピラリの応答性が良くなりパッドとボールの接合時間が短縮され、半導体部品の単位時間当たりの生産数を増やすことが可能となる。
　また、本発明のボンディング装置は、キャピラリ保持部を介して圧電素子からの振動をキャピラリ（ボンディングツール）に伝達するため、昇温したキャピラリによる圧電素子への熱影響を軽減することができる。
　また、熱伝導率の低い材質でキャピラリ保持部を構成することにより、熱影響を軽減することができる。
　また、積層圧電素子は、ボンディングアームの枠内に納められており、ボンディングアームの枠によって圧電素子がワークからの熱に直接さらされることないため、熱の影響を軽減することができる。
　また、一対の積層圧電素子からなるボンディングアームにおいて、一対の積層圧電素子を同時に駆動した実施形態について述べたが、一対の積層圧電素子のうち、一方の積層圧電素子のみを駆動するようにしてもよい。
　また、一対の積層圧電素子からなるボンディングアームにおいて、一方の積層圧電素子を振動用のアクチュエータに使用し、他方の圧電素子を振動センサとして、キャピラリの振動状態を検出するようにしてもよい。
　尚、本発明のボンディング装置は、ワイヤボンディング装置に限らず、他のボンディング装置、例えば、バンプボンダ等にも適用することができる。
　この発明は、その本質的特性から逸脱することなく数多くの形式のものとして具体化することができる。よって、上述した実施形態は専ら説明上のものであり、本発明を制限するものではないことは言うまでもない。
１　　　ボンディング装置（ワイヤボンディング装置）
２　　　ボンディングヘッド
３　　　ＸＹテーブル
５　　　ボンディングアーム
６　　　枠（フレーム）
６ａ、６ｂ  端面
６ｃ　　突起部（受け部）
６ｄ　　突起部
７　　　内部空間（開口部）
８　　　ボンディングツール（キャピラリ）
９、１０　　　　　キャピラリ保持部
１１、１２　　　　積層圧電素子（圧電素子）
１５　　加圧発生部  
１６　　可動部 
１７　  テーパ部 
１８    テーパ部（加圧体）
１７ａ、１８ａ　　湾曲を有する平面
１７ｂ、１８ｂ　　傾斜面
１７ｃ、１８ｃ　　加圧面
２０　　ボルト
２５　　ガイド金具
２６　　取付部
２７　　取付穴
２８　　リニアモータ
２９　　エンコーダ
３０　　支持軸
３１　　接続金具
３３　　制御部
３５　　発振器
３６　　波形発生器
３８、３９　　電力増幅器　
４５　　駆動ユニット
５０　　半導体素子
５１　　リードフレーム
５２　　ボール
５３　　ワイヤ

Claims (8)

  1. 　ボンディングツールの中心軸と交差する方向に延在するとともに、当該ボンディングツールの中心軸に対向する受け部を有するボンディングアームと、
    　前記ボンディングツールの中心軸を挟んで対称に配置され、前記ボンディングツールに接する一対のキャピラリ保持部と、
    　前記ボンディングツールの中心軸を挟んで対称に配置され、前記キャピラリ保持部に接して超音波振動を発生する一対の圧電素子と、
    　前記圧電素子を駆動する発振器と、
    　前記ボンディングツールの中心軸を挟んで前記ボンディングアームの受け部に対向して配置される加圧体と、当該加圧体を前記ボンディングアームの受け部に向けて移動させる移動手段から構成される加圧手段と、
    を有し、
    　前記ボンディングアームの受け部と前記加圧体との間に、前記一対の圧電素子、前記一対のキャピラリ保持部及び前記ボンディングツールを位置させた状態で、当該加圧体を移動させることにより、前記一対のキャピラリ保持部及び前記ボンディングツールを前記ボンディングアームに保持させる
    ことを特徴とするボンディング装置。
  2. 　前記キャピラリ保持部は、熱伝導率の低い材質で構成したことを特徴とする請求項１に記載のボンディング装置。
  3. 　前記発振器は、一対の前記圧電素子を互いに１８０度位相の異なる波形で駆動することを特徴とする請求項１に記載のボンディング装置。
  4. 　前記キャピラリ保持部は、一方の面が前記ボンディングツールの外周の半円未満の面に接するように湾曲形状を成してボンディングツールを保持し、他方の面が前記圧電素子の振動面（変位面）に接して取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のボンディング装置。
  5. 　前記圧電素子は、セラミックからなる圧電素子を積層した積層圧電素子であることを特徴とする請求項１に記載のボンディング装置。
  6. 　前記発振器は、前記圧電素子の駆動周波数をボンディング点毎に、可変して設定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のボンディング装置。
  7. 　前記ボンディングアームは、前記ボンディングツールを挿通するための穴を形成した板状のフレームをさらに有し、
    　前記一対の圧電素子および前記一対のキャピラリ保持部は、前記フレームの上面に配置され、
    　前記ボンディングツールは、先端が前記フレームの下面側に位置するように前記フレームに形成された穴に挿通されることを特徴とする請求項１に記載のボンディング装置。
  8. 　前記フレームの前記上面には、距離が一定の対向する壁面が設けられ、
    前記一対の圧電素子、前記一対のキャピラリ保持部及び前記ボンディングツールは、前記フレーム上面の壁面の一方と前記加圧手段の加圧体との間に配置され、
    前記加圧手段は、前記移動手段を介して前記加圧体の前記フレーム上面の壁面の一方までの距離を可変することによって、加圧の大きさを変えるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のうち、いずれか１に記載のボンディング装置。
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