JP2014075519A - 酸化防止ガス吹き出しユニット - Google Patents
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Abstract
【課題】ワイヤボンディング装置に取り付けられる酸化防止ガス吹き出しユニットにおいてコンパクトな構造で効果的にフリーエアボールを加温する。
【解決手段】内部に酸化防止ガス流路30が形成された中空板状の基体部20と、キャピラリ12が抜き差しされるように基体部20に設けられ、酸化防止ガス流路30に連通する孔24と、基体部20の外表面に取り付けられるヒータ50と、を備え、酸化防止ガス流路30は、基体部20のヒータ50が取り付けられる外表面の近傍に設けられる第一の流路を含む。
【選択図】図1
【解決手段】内部に酸化防止ガス流路30が形成された中空板状の基体部20と、キャピラリ12が抜き差しされるように基体部20に設けられ、酸化防止ガス流路30に連通する孔24と、基体部20の外表面に取り付けられるヒータ50と、を備え、酸化防止ガス流路30は、基体部20のヒータ50が取り付けられる外表面の近傍に設けられる第一の流路を含む。
【選択図】図1
Description
本発明は、ワイヤボンディング装置に取り付けられる酸化防止ガス吹き出しユニットの構造に関する。
ワイヤボンディング装置では、ボンディングツールであるキャピラリの先端から延出させたワイヤテールをスパークによってフリーエアボールに形成し、フリーエアボールをキャピラリの先端で半導体素子あるいは、基板の電極の上にボンディングするボールボンディングが多く行われている。
従来、ワイヤボンディングにおいては、金ワイヤが用いられることが多かったが、より安価で電気特性の優れる銅ワイヤを用いたボンディングが行われるようになってきている。しかし、金と異なり、銅ワイヤは酸化しやすいため、スパークによってフリーエアボールを形成する際にボールの表面に酸化皮膜ができてしまう。この酸化皮膜はボールと電極の付着性を低下させ、ボンディング不良を引き起こす場合があった。そこで、銅ワイヤを用いてボンディングを行う際には例えば、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスの中でフリーエアボールを形成し、ボール表面が酸化することを抑制する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
一方、ボンディングの際のフリーエアボールの表面温度が低下するとフリーエアボールと電極との接合強度が低下したり、フリーエアボールを形成する際にフリーエアボールの表面温度が低下するとフリーエアボールの異形化(丸くならない)が発生したりする場合があるという問題があった。このため、加熱した還元性ガスをフリーエアボール形成の前後及びフリーエアボール形成中にその周辺に流すことによってフリーエアボールの温度を高く保ち、ボンディング強度を確保する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。また、加熱した不活性ガスを流した状態でフリーエアボールの形成を行うことによって、ボール表面の酸化を抑制すると共にフリーエアボールの温度を高く保ってボンディングする方法が提案されている(例えば、特許文献3参照)。
しかし、特許文献2,3に記載された従来技術のように、ガスノズルから加熱した不活性ガスを噴出する構造の場合、不活性ガス雰囲気を維持するために不活性ガスの流量を大きくすることが必要となる。このため、不活性ガスを加温するためのヒータも大きなものが必要となり、ボンディング装置が大型となってしまったり、動作が遅く高速でのボンディングが難しくなってしまったりするという問題があった。
そこで、本発明は、コンパクトな構造で効果的にフリーエアボールを加温することができる酸化防止ガス吹き出しユニットを提供することを目的とする。
本発明の酸化防止ガス吹き出しユニットは、内部に酸化防止ガス流路が形成された中空板状の基体部と、キャピラリが抜き差しされるように基体部に設けられ、酸化防止ガス流路に連通する孔と、基体部の外表面に取り付けられるヒータと、を備える酸化防止ガス吹き出しユニットであって、酸化防止ガス流路は、基体部のヒータが取り付けられる外表面の近傍に設けられる第一の流路を含むこと、を特徴とする。
本発明の酸化防止ガス吹き出しユニットにおいて、酸化防止ガス流路は、第一の流路と孔との間に設けられ、第一の流路よりも深い第二の流路と、を有し、第一の流路は第二の流路の少なくとも一部を囲んでいること、としても好適である。
本発明の酸化防止ガス吹き出しユニットにおいて、第二の流路は、孔の中心に向かって酸化防止ガスを吹き出す複数の吹き出し口と、第一の流路から各吹き出し口までの間に、酸化防止ガスの流れの方向を少なくとも2回変更するラビリンスと、を備えていること、としても好適である。
本発明の酸化防止ガス吹き出しユニットにおいて、孔の側面に設けられた貫通穴の中にトーチ電極が配置されていること、としても好適である。
本発明は、コンパクトな構造で効果的にフリーエアボールを加温することができる酸化防止ガス吹き出しユニットを提供することができるという効果を奏する。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図1に示すように、本実施形態の酸化防止ガス吹き出しユニット100は、内部に酸化防止ガス流路30が形成された中空板状の基体部20と、キャピラリ12が抜き差しされるように基体部20に設けられ、酸化防止ガス流路30に連通する孔24と、基体部20の外表面に取り付けられるヒータ50と、を備えている。
図1に示すように、基体部20は、酸化防止ガス流路30を形成する溝(後で説明する)が表面に形成された本体21と、本体21の上に取り付けられて本体21に形成された溝の開放端を塞ぎ、該溝と共に酸化防止ガス流路30を形成する薄い平板状の蓋22と、を備えている。したがって、蓋22の本体21と反対側の表面(上面)は基体部20の外表面となる。基体部20の外表面である蓋22の上面には、蓋22と同一の平面形状のフィルム状のヒータ50が取り付けられ、ヒータ50の上には、蓋22と同一の平面形状のカバープレート23が取り付けられている。カバープレート23には、ヒータ50の電極51が露出している。また、本体21には酸化防止ガスが供給される酸化防止ガス供給管25が接続されている。
図2に示すように、酸化防止ガス流路30に連通する孔24の側面には、貫通穴71が設けられ、この貫通穴71の中には、トーチ電極70が配置されている。トーチ電極70は、キャピラリ12の先端から延出するワイヤテール13との間で放電を行うことによってワイヤテール13の先端をフリーエアボール14に形成する。
ボンディング動作の際には、図1に示すキャピラリ12は図示しないボンディングアームに取り付けられた超音波ホーン11によって上下方向(Z方向)に移動してワイヤテール13の先端に形成したフリーエアボール14を半導体ダイあるいは基板の電極に押し付けてワイヤを電極に接合(ボンド)する。酸化防止ガス吹き出しユニット100は、超音波ホーン11が取り付けられているボンディングヘッド(図示せず)に取り付けられ、超音波ホーン11、キャピラリ12と共にXY方向に移動する。酸化防止ガスは窒素あるいはアルゴンなどの不活性ガスであってもよいし、例えば、水素などの還元性のガスを混合したガスを用いてもよい。
図3に示す様に、本体21は、酸化防止ガス供給管25が取り付けられている根元部分から先端に向って幅が小さくなる略台形状の第一部分21aと、キャピラリ12が貫通する孔24を含む先丸長方形の第二部分21bとを備えている。第一部分21aの表面には浅い折れ曲がった溝31と、各溝31の間の帯状の山部32が設けられている。第一部分21aの根元側の溝31には、酸化防止ガス供給管25に連通する酸化防止ガス供給穴26が設けられている。また、第二部分21bの外周側の表面には、溝31につながる直線状部分と第二部分21bの先端の半円形状に沿った三日月型の部分とを有する溝33が設けられている。図5に示すように、本実施形態では、溝31と溝33との深さは深さH1で同一である。
第二部分21bの中央には、溝31,33よりも深い凹部40が形成されている。溝33と凹部40とは接続流路34によって連通している。図5に示す様に凹部40の深さはH2である。凹部40の中には、図4に示すように、複数の突起35,36a,36b,37a,37b,38a,38bが設けられている。図3、図4に示すように、突起35は、凹部40の底面41から突出し、接続流路34側が凹部となっている半円筒型の突起であり、突起36a,36bは凹部40の左右の側面42から突起35の側面に向ってそれぞれ突出した板型の突起であり、突起37a,37bは、突起35と突起36a,36bとの間の各隙間の孔24側に凹部40の底面41から突出した板状の突起であり、突起38a,38bは、凹部40の底面41から突出し、孔24の周囲に沿って互いに離間して設けられた円弧状の突起である。突起38a,38bの孔24側には凹部40の底面41よりも高くなっている段部39a,39bが設けられている。
凹部40の孔24側の本体21には、凹部40よりも浅い溝60が設けられている。溝60の本体21の表面からの深さは図5に示すように深さH3である。また、図5に示すように、段部39a,39bの本体21の表面からの深さも深さH3である。
図5示すように、各突起35,37a,37b,38a,38bの上面と、本体21の蓋22が取り付けられる表面とは同一の高さとなっている。図4に示す山部32、各突起36a,36bも同様である。また、図3に示すように、蓋22は、本体21外形と同一の外形から溝60の部分と、孔24の周囲部分をU字型に切り欠いた形状であり、このU字型の切り欠き22aの円弧部分の半径は、突起38a,38bの孔24側の円弧面の半径よりも少し小さい半径となっている。このため、図3に示すように、本体21の上に平板の蓋22を取り付けると、溝31,33の周囲の本体21の表面と、山部32の上面と、各突起35,36a,36b,37a,37b,38a,38bの上面とが蓋22の底面に密着し、蓋22と溝31、33、山部32とは浅い第一の流路30Aを構成する。第一の流路30Aは、本体21の第一部分21aの表面近傍に形成される折れ曲がり流路である上流側流路30aと本体21の第二部分21bの表面近傍に形成される直線流路に続く三日月型の流路である下流側流路30bとを含む。また、蓋22と凹部40と各突起35,36a,36b,37a,37b,38a,38bとは孔24に連通する第二の流路30Bを構成する。第一の流路30Aと第二の流路30Bとは接続流路34によって連通している。したがって、酸化防止ガス流路30は、上流側流路30aと下流側流路30bを含む第一の流路30Aと、第一の流路と孔24との間の第二の流路30Bと、によって構成される。
図3に示すように、第一の流路30Aの下流側流路30bの直線状の部分は、第二の流路30Bと平行して配置され、下流側流路30bの三日月型の部分は、第二の流路30Bの外周に沿って第二部分21bの外面との間に配置されている。したがって、下流側流路30bは第二部分21bの先端側の第二の流路30Bの周囲を取り囲んでいる。
蓋22のU字型の切り欠き22aの領域にあたる孔24の周囲と溝60の部分は蓋22が被さらず、開放された状態となるので、蓋22の表面側からは孔24が見通せる。また、溝60は蓋22の側が開放された溝型流路61を構成すると共に、超音波ホーン11が降下した際に超音波ホーン11が本体21にぶつからないような逃げを構成する。
図3に示すように、フィルム状のヒータ50、カバープレート23もそれぞれ蓋22と同様の形状であり、それぞれ蓋22のU字型の切り欠き22aと同様の形状の切り欠き50a,23aを有している。従って、本体21の表面に蓋22、ヒータ50、カバープレート23を重ね合わせると、各U字型の切り欠き50a,23aも孔24の周囲と溝60の部分に被さらず、図1に示すように、キャピラリ12は、各U字型の切り欠き22a,50a,23aの部分を通して孔24に挿通できる。本実施形態では、本体21、蓋22、カバープレート23はそれぞれセラミック製であり、図3に示すように、本体21、蓋22、ヒータ50、カバープレート23の順に重ね合わせて焼結形成されたり、接着剤で組み立てられたりする。
図3、図4に示すように、蓋22と溝31と山部32とで構成される折り返し型の上流側流路30aは、下流に向かうにつれてしだいに流路断面積が狭くなり、第一部分21aから第二部分21bに向かう最下流の直線状の流路は流路断面積が一番小さくなっている。上流側流路30aの上記直線状の部分は、本体21の第二部分21bに設けられている下流側流路30bの直線状の部分につながっている。蓋22と溝33と溝33の周囲の本体21の表面とで構成され、直線状の部分と三日月型の部分を含む下流側流路30bの直線状の部分は下流側流路30bの中で流路断面積が一番小さくなっている。下流側流路30bの三日月型の部分は、第二部分21bの先端に向うに従ってしだいに流路断面積が大きくなり、第二部分21bの先端を越えるとしだいに流路断面積が狭くなって第二部分21bの第一部分21aと反対側の位置まで延びている。下流側流路30bの三日月型の部分の流路断面積は上流側流路30aの折り返し部分よりも流路断面積が小さくなっている。
図5に示す様に、上流側流路30aと下流側流路30bとは、本体21の表面近傍に配置された浅い流路であり、蓋22は薄い平板であり、図3に示すように、ヒータ50は、蓋22の上流側流路30a、下流側流路30bの全領域にわたって配置されているので、酸化防止ガスはヒータ50によって効果的に加熱される。先に説明したように、上流側流路30aと下流側流路30bとを接続する直線状の部分は、流路断面積が一番小さくなっている部分であり、酸化防止ガスは、この部分でもっとも流速が早くなる。また、下流側流路30bの三日月型の部分の流路断面積は上流側流路30aの折り返し部分よりも流路断面積が小さくなっているので、三日月型の部分に流入した酸化防止ガスは上記の直線状の部分よりも少し遅い程度の流速となる。第二部分21bの先端を越えた領域(下流側)に配置されている下流側流路30bの三日月型の部分は、先端が閉じられているので、酸化防止ガスは内部に滞留している。
図4に示すように、酸化防止ガスは、本体21の第一部分21aの溝31に設けられた酸化防止ガス供給穴26から上流側流路30aの中に流入し、図中の矢印で示すように流れの方向を変えながら浅い上流側流路30aの折り返し部分を流れていく。上流側流路30aから下流側流路30bの三日月型の部分は、溝31が浅いので酸化防止ガスがヒータの熱を効率よく吸収する。長い折り返し部分を流れるうちに酸化防止ガスの温度は徐々に上昇していく。そして、酸化防止ガスは上流側流路30aと下流側流路30bとを接続する直線状の部分に流入するとさらに温度が上昇していく。更に、酸化防止ガスは、第二部分21bの先端の手前の領域(上流側)に配置されている下流側流路30bの三日月型の部分でもしだいに温度が上昇していく。本実施形態における酸化防止ガスの温度上昇の一例を示すと、フィルム状のヒータ50の厚さが0.015mm、入力電力が1Wの場合、0.3リットル/minの酸化防止ガスを常温から130℃程度まで上昇させることができる。この際、ヒータ50の温度は150℃程度である。また、第二部分21bの先端を越えた領域(下流側)に配置されている下流側流路30bの三日月型の部分は、先端が閉じられているので、温度の上昇した酸化防止ガスが内部に滞留する。
高温の酸化防止ガスは、接続流路34から第二の流路30Bに流入する。先に述べたように、第二の流路30Bは、蓋22と深さH2の凹部40と各突起35,36a,36b,37a,37b,38a,38bによって構成されているので、蓋22と深さH1の浅い溝31,33とで構成される第一の流路30Aよりも流路断面積が格段に大きくなっている。したがって、第二の流路30B内では酸化防止ガスの流速は第一の流路30Aの流速に比べて非常に遅くなる。このため、ヒータ50によって温度を上昇させるほどの加熱はされないが、ヒータ50によって高温状態が保持される。
また、先に述べたように、第一の流路30Aの下流側流路30bの直線状の部分は、第二の流路30Bと平行して配置され、下流側流路30bの三日月型の部分は、第二の流路30Bの外周に沿って第二部分21bの外面との間に配置されているので、第二の流路30Bは高温となった酸化防止ガスが流れるあるいは滞留する下流側流路30bによってその一部を取り囲まれている。このため、第二の流路30Bの中での酸化防止ガスの温度の低下が抑制され、ヒータ50からの入熱とあいまって第二の流路30Bの中の酸化防止ガスの温度が高温状態に保たれる。
図4に示すように、第二の流路30Bに流入した高温の酸化防止ガスは各突起35,36a,36b,37a,37b,38a,38bによってその方向が変更される。接続流路34から流入した酸化防止ガスは、突起35によって流れの方向を凹部40の側面42に向って変更され、突起36a,36bによって流れの方向を凹部40の中心側に変更され、突起37a,37bによって流れの方向を左右方向に変更され、突起38a,38bによって流れの方向を孔24の中心24cの方向に変更され、突起38a,38bの間及び突起38a,38bと凹部40の側面42との間の吹き出し口45a,45b,45cから孔24の中心24cに向かって吹き出す。つまり、各突起35,36a,36b,37a,37b,38a,38bは高温の酸化防止ガスの流れを少なくとも2回変更するラビリンスを構成し、高温の酸化防止ガスは、突起38a,38bの間及び突起38a,38bと凹部40の側面42との間の吹き出し口45a,45b,45cから均等に孔24の中心24cに向かって吹き出す。吹き出し口45a,45b,45cから均等に孔24の中心24cに向かって吹き出した酸化防止ガスの一部は、図5に示すように孔24を通って本体21の下面から下向きに流出し、他の一部は、溝60によって構成される溝型流路61を通って水平方向に流出する。
第二の流路30Bは、本体21の表面近傍に配置された第一の流路30Aから流入した高温の酸化防止ガスを高温状態に保ったまま本体21の高さ方向に拡散させるので、高さ方向の広い範囲に高温の酸化防止ガスを吹き出すことができる。孔24は、凹部40の底面41に設けられているので、外部の空気の流れによって吹き出し口45a,45b,45cから吹き出す酸化防止ガスの流れが乱されることがない上、突起38a,38bが孔24の周囲に壁を形成し、図5に示すように、突起38a,38bの各段部39a,39bが溝60の底面と同一の高さまで延びているので、図5の雲マークに示すように孔24の周囲に高温の酸化防止ガスの濃度が高い高温高濃度領域80を形成することができる。本実施形態では、先に述べた、0.3リットル/minのような少ない酸化防止ガスの流量でも温度が130℃程度で酸化防止ガスの濃度がほぼ100%の高温高濃度領域80を形成することができる。
図5に示すように、孔24の中心24cにキャピラリ12の中心を合わせ、酸化防止ガスの高温高濃度領域80の中にキャピラリ12の先端のワイヤテール13が入るように超音波ホーン11の高さを調整した後、孔24の側面に設けられた貫通穴71の中に配置されたトーチ電極70とワイヤテール13との間に放電を発生させ、ワイヤテール13をフリーエアボール14に形成する。つまり、高温高濃度の酸化防止ガスの中でフリーエアボール14が形成されるので、フリーエアボール14の異型化(球形にならない)あるいは表面の酸化を抑制することができる。さらに、不活性ガス雰囲気で放電が行われるため、トーチ電極70の酸化等による劣化を抑制することができる。
そして、形成したフリーエアボール14に130℃程度の高温の酸化防止ガスを均等に吹き着付けるとことにより、フリーエアボール14の温度を効果的に高温に保ってボンディングすることができるので、十分な接合強度を持つボンディングを行うことができる。フリーエアボールの温度を高温に保つことによって、フリーエアボールがやわらかい状態でボンディングをすることが可能となること、ワイヤを構成する銅などの金属材料の加工硬化が抑制されること、フリーエアボールの温度の急激な低下を抑制することにより内部の不純物が低減され、フリーエアボールが硬くなることを抑制することができることなどにより、ボンディングの際の押圧力、基板の加熱温度を少なくできることから、ダメージフリーボンディング(ボンディングにより基板等に損傷が発生することがほとんど無いボンディング)を行うことができる。これにより、ボンディング品質を向上させることができる。更に、フリーエアボールの温度を上げると、ボンディングの際の金属接合の際の拡散もよくなるので、超音波振動の印加が少なくて済み、更にボンディング品質を向上させることができる。
以上述べたように、本実施形態の酸化防止ガス吹き出しユニット100は、ヒータ50が取り付けられた本体21の表面近傍に配置した浅い第一の流路30Aによって効果的に酸化防止ガスの温度を上昇させ、第一の流路30Aよりも深い第二の流路30Bによって高さ方向に酸化防止ガスを拡散させると共に孔24の周囲からフリーエアボール14に向って均等に吹き出させることによって、少ない流量の酸化防止ガスによってフリーエアボール14を効果的に加温あるいは保温することができ、十分な接合強度を持つボンディングを行うことができる。
また、少量の酸化防止ガスによってフリーエアボール14を効果的に加温あるいは保温することができるので、酸化防止ガス流路30を小さくすることができ、全体の構成をコンパクトにすることができる。
更に、第二の流路30Bは高温の酸化防止ガスが流れるあるいは滞留する下流側流路30bによってその周囲の一部が取り囲まれているので、第二の流路30Bの中の酸化防止ガスの温度を効果的に高温状態に保つことができ、高温の酸化防止ガスをフリーエアボール14に吹き付けることができる。
本実施形態では、ヒータ50は蓋22と同一の形状のフィルム状のヒータとして説明したが、薄型のヒータであれば、フィルム状でなくともよい。また、浅い第一の流路30Aを流れる酸化防止ガスを加熱できれば、蓋22と同一形状でなくともよいし、蓋22の表面に複数のヒータを分割して配置してもよい。
図6、図7を参照して本発明の他の実施形態について説明する。図1から図5を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。本実施形態は、図7に示すように、ヒータ50の大きさが蓋22、カバープレート23の外形よりも少し小さく、カバープレート23の周囲にヒータ50の端部を覆う突起を設けるようにしたものである。したがって、図6に示すようヒータ50の端面は外部に露出せず、外部からヒータ50は見えなくなっている。
本実施形態は、ヒータ50の端面が外部に露出していないので、より効果的に流路内の酸化防止ガスを加熱することができる。なお、フィルムヒータ50が非常に薄い場合には、図7に示すように、カバープレート23の周囲に突起を設けない構成としてもよい。
図8を参照しながら本発明のもう一つの他の実施形態について説明する。先に説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図8に示すように、本実施形態は、先に説明した実施形態のフィルムヒータ50に変えて、蓋22の表面に発熱抵抗体50bのパターンを取り付けたものである。本実施形態は先に説明した実施形態と同様の効果を奏する。
11 超音波ホーン、12 キャピラリ、13 ワイヤテール、14 フリーエアボール、20 基体部、21 本体、21a 第一部分、21b 第二部分、22 蓋、22a,23a,50a 切り欠き、23 カバープレート、24 孔、24c 中心、25 酸化防止ガス供給管、26 酸化防止ガス供給穴、30 酸化防止ガス流路、30A 第一の流路、30B 第二の流路、30a 上流側流路、30b 下流側流路、31,33,60 溝、32 山部、34 接続流路、35,36a,36b,37a,37b,38a,38b 突起、39a,39b 段部、40 凹部、41 底面、42 側面、45a,45b,45c 吹き出し口、50 ヒータ、50b 発熱抵抗体、51 電極、61 溝型流路、70 トーチ電極、71 貫通穴、80 高温高濃度領域、100 酸化防止ガス吹き出しユニット。
Claims (4)
- 内部に酸化防止ガス流路が形成された中空板状の基体部と、
キャピラリが抜き差しされるように前記基体部に設けられ、前記酸化防止ガス流路に連通する孔と、
前記基体部の外表面に取り付けられるヒータと、を備える酸化防止ガス吹き出しユニットであって、
前記酸化防止ガス流路は、前記基体部の前記ヒータが取り付けられる外表面の近傍に設けられる第一の流路を含むこと、
を特徴とする酸化防止ガス吹き出しユニット。 - 請求項1に記載の酸化防止ガス吹き出しユニットであって、
前記酸化防止ガス流路は、前記第一の流路と前記孔との間に設けられ、前記第一の流路よりも深い第二の流路を有し、
前記第一の流路は前記第二の流路の少なくとも一部を囲んでいること、
を特徴とする酸化防止ガス吹き出しユニット。 - 請求項2に記載の酸化防止ガス吹き出しユニットであって、
前記第二の流路は、前記孔の中心に向かって酸化防止ガスを吹き出す複数の吹き出し口と、前記第一の流路から前記各吹き出し口までの間に、酸化防止ガスの流れの方向を少なくとも2回変更するラビリンスと、を備えていること、
を特徴とする酸化防止ガス吹き出しユニット。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載の酸化防止ガス吹き出しユニットであって、
前記孔の側面に設けられた貫通穴の中にトーチ電極が配置されていること、
を特徴とする酸化防止ガス吹き出しユニット。
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