JP4762934B2 - ホーン取付用アーム - Google Patents
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Description
本発明は、ボンディング装置のホーン取付用アームの構造に関する。
半導体の製造工程において、半導体ダイを回路基板に取り付けるダイボンディングや、ダイボンディングによって回路基板に取り付けられた半導体ダイの電極と回路基板の電極とをワイヤで接続するワイヤボンディング等の工程が行われる。これらのダイボンディングやワイヤボンディングにはそれぞれダイボンディング装置、ワイヤボンディング装置が用いられ、各装置には、半導体ダイを回路基板に押し付けて圧着するコレットや挿通されている接続ワイヤを各電極に押し付けて圧着するキャピラリ等のボンディングツールが取付られている。そして、ボンディングツールは、駆動用モータによって先端が上下方向に駆動される超音波ホーンの先端に取り付けられ、超音波ホーンの後端にはボンディングの際にボンディングツールを加振する超音波振動子が取付けられている。
例えば、特許文献１には、先端にキャピラリを取り付けた超音波ホーンを駆動用モータのヨークと共に回転軸の周りに回転自在に支持し、駆動モータのヨークを動作させることによって超音波ホーンを回転軸の周りに正逆方向に回転させ、超音波ホーンの先端を上下方向であるＺ方向に駆動することができるようなワイヤボンディング装置の構成が提案されている。
特許文献２には、回転軸の周りに回転する支持フレームの一端に駆動用モータが取付られ、この駆動用モータによって支持フレームを回転させることによって支持フレームの他端に取付けられた超音波ホーンの先端を上下方向であるＺ方向に駆動するよう構成したワイヤボンディング装置が提案されている。
また、回路基板や半導体ダイ等のワークの種類によってはボンディングの際にワークを加熱する必要があるため、回路基板が真空吸引固定されるボンディングステージは電気ヒータなどの加熱手段を備えている。このため、ボンディングの際にヒータによって加熱された回路基板からの輻射熱が超音波ホーンに伝わり、超音波ホーンの温度が上昇する（例えば、特許文献３、４参照）。キャピラリは片持ち状態で支持されたホーンの先端部に取付けられているため、超音波ホーンの温度変化によって位置変動が生じる場合がある。
このため、特許文献３ではボンディングステージのヒータからの熱輻射を防ぐために遮蔽板と空冷ノズルを取り付けることが提案されている。また、特許文献４には超音波ホーンの内部に冷却空気用の通路を設けて超音波ホーンを冷却する方法が提案されている。
特許文献１又は２に記載されたワイヤボンディング装置では、超音波ホーンの先端に取り付けられたキャピラリがワークに当接した状態においてキャピラリの先端がワークに対して垂直である必要があることから、超音波ホーンあるいは支持フレームの回転中心は当接状態のキャピラリ先端と同じ高さにあることが必要となる。このため、ボンディングすることができる回路基板の大きさは、超音波ホーンの長さによって限定される。
しかし、近年の回路基板の大型化によって、より大きなワークに対してボンディングを行うことが求められている。ところが、超音波ホーンは回転中心からのアームとしての機能と共に取り付けられた超音波振動子によって先端のキャピラリを励振し、ワイヤを圧着させる機能を果たしているので、所定の定在波と励振力が出るように金属によって形成されている。このため、大きなワークへのボンディングに対応するために超音波ホーンを長くすると、重量が増えると共に回転中心周りの超音波ホーンの回転の慣性モーメントが大きくなり、高速駆動が難しくなるという問題がある。
また、特許文献３又は４に記載されたような空気によって超音波ホーンを冷却する方法は、冷却空気の当たり方によって超音波ホーンに２から３℃の温度差が発生してしまうことから、超音波ホーンの位置ずれなどによるボンディング品質の低下を抑制することは難しい。
更に、超音波ホーンは熱膨張の大きな金属によって形成されていることから、超音波ホーンを長くして大きな回路基板に対応しようとする場合には、温度変化による位置変動も大きくなり、ボンディング精度が低下してしまうという問題がある。
本発明は、大きなワークに対して高速で精度よくボンディングを行うことを目的とする。
本発明のホーン取付用アームは、一端が駆動部に固定され、他端に超音波ホーンが取付られるボンディング装置のホーン取付用アームであって、一端側に配置された固定用ブラケットと、他端側に配置された超音波ホーン取付用ブラケットと、長手方向の強度が幅方向の強度よりも大きい繊維強化プラスチックで構成され、固定用ブラケットと超音波ホーン取付用ブラケットとを接続するアーム部材は、固定用ブラケットと超音波ホーン取付用ブラケットとを挟み込んで固定する２枚の平板と、各平板の間に固定され、各平板の間隔を保持する平板間隔保持部材と、を備えていることを特徴とする。
本発明のホーン取付用アームにおいて、繊維強化プラスチック間に挟まれている固定用ブラケット材質及び超音波ホーン取付用ブラケット材質は軽量金属であることとしても好適であるし、平板間隔保持部材は、各平板に固定されるフランジと各フランジ間を接続するウェブとを有し、一端側の固定用ブラケットと他端側の超音波ホーン取付用ブラケットとの間に延びる長手構造部材であること、としても好適であるし、平板間隔保持部材は、一端側の固定用ブラケットと他端側の超音波ホーン取付用ブラケットとの間に固定されたスペーサであること、としても好適であるし、スペーサは、ハニカム構造材であること、としても好適である。
本発明のホーン取付用アームにおいて、繊維強化プラスチックは、炭素繊維強化プラスチック又はガラス繊維強化プラスチックであること、としても好適であるし、繊維強化プラスチックは、長手方向の強化繊維の数が幅方向の強化繊維の数よりも多いこと、としても好適である。
本発明は、大きなワークに対して高速で精度よくボンディングを行うことができるという効果を奏する。
以下、本発明の好適な実施形態として本発明をワイヤボンディング装置に適用した場合について説明する。図１に示すように、ワイヤボンディング装置１１はＸＹテーブル１５の上に取り付けられてＸＹ方向に自在に移動することができるボンディングへッド１４の中に固定子１２ａと可動子１２ｂとによって構成されるＺ方向駆動用モータ１２を備えている。固定子１２ａはボンディングへッド１４に固定され、可動子１２ｂは、ボンディングへッドに取り付けられた回転軸１３の周りに回転自在に取り付けられている。駆動部である可動子１２ｂの上面にはホーン取付用アーム２１がボルト２７によって固定され、ホーン取付用アーム２１の先端には超音波ホーン３３の取付フランジ３７がボルト３１によって固定されている。超音波ホーン３３の先端にはキャピラリ３５が取り付けられている。
ワイヤボンディング装置１１の図示しないフレームには、半導体ダイ６３が取り付けられた回路基板６１をガイドするレール５１ａ，５１ｂと、回路基板を真空吸着するボンディングステージ５３とボンディングステージ５３を加熱するヒータ５５とが取り付けられている。
ワイヤボンディング装置１１は、ＸＹテーブル１５を駆動させて、キャピラリ３５の位置を半導体ダイ６３の電極の位置に合わせた後、Ｚモータの可動子１２ｂを回転動作させて超音波ホーン３３の先端に取り付けられたキャピラリ３５をＺ方向に動作させ、キャピラリ３５に挿通したワイヤによって半導体ダイ６３の電極と回路基板６１の電極とをボンディングしていく。また、ボンディングの際にはボンディングステージ５３に真空吸着されている回路基板６１はボンディングステージ下部に配置されたヒータ５５によって加熱されている。
ワイヤボンディング装置１１は、１つの半導体ダイ６３の電極と回路基板の電極とのボンディングが終了したら、ＸＹテーブル１５によってキャピラリ３５を次の電極の上に移動させ、上記と同様に各電極間をワイヤによって接続する。そして、１つの半導体ダイ６３の全ての電極を回路基板６１の各電極とワイヤによって接続したら、ＸＹテーブル１５によってボンディングへッド１４を移動させ、キャピラリ３５の位置を次の半導体ダイ６３の電極の位置にあわせ、ボンディングを行う。
ホーン取付用アーム２１は固定されている駆動モータの可動子１２ｂから超音波ホーン３３のある先端に向かって延びて、数列に半導体ダイ６３が取付けられた幅の大きな回路基板６１であっても各電極にキャピラリ３５が届き、ワイヤボンディングができる腕の長さとなっている。
本実施形態では、ホーン取付用アーム２１は駆動モータ１２の可動子１２ｂに直接固定される構造としているが、超音波ホーン３３の先端を上下に駆動することができるように構成されていれば駆動モータ１２の可動子１２ｂに直接固定されている必要はなく、駆動モータ１２によって回転駆動される支持枠などに固定されていても良いし、ボンディング動作を行うリンケージの一部を構成するように取付けられていてもよい。
図１及び図２に示すように、ホーン取付用アーム２１は、駆動部である駆動モータ１２の可動子１２ｂの側に固定用フランジ２５を両側に備える固定用ブラケット２３を備え、先端側には超音波ホーン３３を取り付ける取り付け孔３４が開けられている超音波ホーン取付用ブラケット２９を備えている。複雑な形状の各ブラケット２３，２９は加工性の良いマグネシウム合金等の軽量合金を機械加工して形成されている。
各ブラケット２３，２９は基体部である炭素繊維強化プラスチックの平板３９，４１によって挟み込まれて固定されている。各平板３９，４１の間には平板間隔保持部材であるマグネシウム合金等の軽量合金の長手構造部材４３が各ブラケット２３，２９の間に延びて取り付けられている。本実施形態では、長手構造部材４３は、図３に示すように各平板に対する面にフランジ４３ａを有し、各フランジ４３ａ間には各フランジ４３ａ間を接続するウェブ４３ｂが設けられている。また、長手構造部材４３の中央には構造強度を確保するために各フランジ４３ａを接続するリブ４５が設けられている。各ブラケット２３，２９及び長手構造部材４３のフランジ４３ａは、各平板３９，４１にねじ４０，４２及び接着剤によって固定されている。マグネシウム合金等の軽量合金によって構成された固定用ブラケット２３、超音波ホーン取付用ブラケット２９と長手構造部材４３と平板３９，４１との組立は冶具によってブラケット等の位置を固定しておき、平板３９，４１を両面から取付けるようにしてもよい。
図２（ｂ）に示すように、ホーン取付用アーム２１の下面側には、超音波ホーン３３の超音波振動子３６が嵌り込む空間が設けられている。
ホーン取付用アーム２１の両面に固定されている平板３９，４１を構成している炭素繊維強化プラスチックは樹脂にいろいろな方向に炭素繊維を織り合わせた強化繊維を入れたものであり、強化繊維の方向によって異方性の強度特性を持つようにすることができる材料である。本実施形態では、各平板３９，４１を構成する炭素繊維強化プラスチックは長手方向の強化繊維の数が幅方向の強化繊維の数よりも多くなるよう構成されているので長手方向の強度はマグネシウム合金等の軽量合金の数倍の強度を備えている。また、比重はマグネシウム合金等の軽量合金と略同一であることから、炭素繊維強化プラスチックを使用することによって軽量、高剛性構造とすることができる。炭素繊維強化プラスチックはマグネシウム合金等の軽量合金などの軽量金属が２〜３×１０-5程度の熱膨張率を有するのに対して、その線膨張係数を略ゼロとすることができる材料であり、熱膨張の影響を受けることが少ない材料である。
上記のように構成されたホーン取付用アーム２１を用いて構成されたワイヤボンディング装置１１によってボンディングを行う場合、ボンディングステージ５３上の回路基板６１がヒータ５５によって加熱され、その輻射熱がホーン取付用アーム２１のボンディングステージ側にある平板４１を加熱する。しかし、炭素繊維プラスチックの熱膨張係数は略ゼロであることから、その熱膨張量も略ゼロとなる。また、ホーン取付用アーム２１の上面側に取付けられた平板３９も同様に熱膨張量が略ゼロとなっている。また、マグネシウム合金等の軽量合金によって構成された固定用ブラケット２３、超音波ホーン取付用ブラケット２９、及び各ブラケット２３，２９に接続されている長手構造部材４３は、ボンディングステージ５３上の回路基板６１からの輻射熱によって加熱されて熱膨張しようとするが、上下を数倍の剛性を持つ炭素繊維強化プラスチックの平板３９，４１によって挟み込まれて固定されていることから、このマグネシウム合金等の軽量合金の各ブラケット２３，２９と長手構造部材４３の熱膨張は、炭素繊維強化プラスチックの平板３９，４１によって押さえ込まれて、各部材の内部応力となる。このためホーン取付用アーム２１の超音波ホーン取付用ブラケット２９から固定用ブラケット２３までの長手方向の距離の熱膨張量は略ゼロとなり、ホーン取付用アーム２１はボンディングステージ５３上の回路基板６１からの輻射熱による熱膨張による位置ずれがほとんど発生しないという効果を奏する。
ホーン取付用アーム２１の先端に取付けられている超音波ホーン３３はボンディングステージの輻射熱の影響を受けるが、その長さがホーン取付用アーム２１よりもかなり短い構成となっていることから、輻射熱によって生じる熱膨張量も少なく、制御系の位置補正などによってその位置ずれ量を補正することができる。このため超音波ホーン３３及びホーン取付用アーム２１が全体として輻射熱の影響を受けにくい構造とすることができ、位置ずれによるボンディング精度の低下を抑制することができるという効果を奏する。
ボンディングの際には、ホーン取付用アーム２１と先端に取付けられた超音波ホーン３３とは一体となってＺ駆動モータ１２によって回転軸１３の周りに往復回転し、超音波ホーン２１の先端に取付けられたキャピラリをワークに対して接離方向に往復移動させる。つまりホーン取付用アーム２１と先端に取付けられた超音波ホーン３３とは一体となって、図１の上下方向に往復動作し、その際に回転軸１３の回りの慣性モーメントによって上下方向の曲げモーメントを受けることとなる。本実施形態のホーン取付用アーム２１は曲げモーメントによって発生する長手方向の引っ張り、圧縮応力が最大となる上下の外面に炭素繊維強化プラスチックによって構成された平板３９，４１が取付けられ、各平板３９，４１の間に取付けられた長手構造部材４３によってその間隔が保持されて各平板３９，４１が引っ張り、圧縮強度によって曲げモーメントに対抗することができるよう構成されているので、曲げモーメントに対する強度が非常に強くなっている。特に本実施形態では各平板３９，４１の長手方向の強度がマグネシウム合金等の軽量合金などに比べて数倍の強度となるようになっていることから、同一形状とした場合、ボンディング動作によって発生する曲げモーメントに対して数倍の高い強度を持つことができる。また、構造を調整することによってマグネシウム合金等の軽量合金によって構成する場合よりも軽量でかつ強度も高くなるような構成とすることができる。例えば、板厚をマグネシウム合金等の軽量合金で構成する場合の半分の厚さとなるように構成すると、曲げ強度はマグネシウム合金等の軽量合金で構成した場合の略３倍で、重量はマグネシウム合金等の軽量合金によって構成した場合よりも軽量とすることができる。本実施形態のホーン取付用アーム２１は高い強度を保ったまま軽量の回転動作系を構成することができるので回転系の慣性モーメントが小さくなり、高速駆動をすることができるという効果を奏する。
また、ホーン取付用アーム２１の先端に取付けられている超音波ホーン３３の長さを短くして軽量で強度の高いホーン取付用アーム２１によって回転軸１３からキャピラリ３５の先端までの距離を長くすることができることから、大型の回路基板６１へのボンディングを可能にしつつ、超音波ホーン３３及びホーン取付用アーム２１全体を軽量化し、回転系の慣性モーメントを小さくして高速駆動をすることができるという効果を奏する。
上記のようにボンディング動作の際には、ホーン取付用アーム２１は上下に往復動作するので、この動作によってホーン取付用アーム２１に振動が発生する。振動は、動作方向の上下方向への曲げ振動と、左右方向の横振動と、ねじり振動が主に発生する。本実施形態は、炭素繊維強化プラスチックの平板３９，４１を用いて剛性を高めることによってこれらの振動を小さくすることができるという効果を奏する。また、振動の減衰率が大きい炭素繊維強化プラスチックを強度部材の主材料として用いていることから、ホーン取付用アーム２１全体の振動減衰率が大きく、共振が発生しにくく安定した動作をするホーン取付用アーム２１とすることができる。このため共振などによるボンディング精度の低下を防止することができるという効果を奏する。
本実施形態では炭素強化繊維プラスチックの平板３９，４１を用いてホーン取付用アーム２１を構成していることから、型を用いず、成形された平板を切断、取付けするという簡便な方法によってホーン取付用アーム２１を構成することができ、効率的に生産することができるという効果を奏する。また、超音波ホーン３３の取付部分や、駆動モータへの取付け部分やエンコーダの取付け部分など炭素繊維強化プラスチックでは構成が難しいような部分はマグネシウム合金等の加工のしやすい軽量合金材料によって構成することとしていることから、必要な加工精度と軽量、高剛性という特性を備えたホーン取付用アーム２１とすることができるという効果を奏する。
以上述べたように、本実施形態は、簡便な構造によって大きなワークに対して高速で精度よくボンディングを行うことができるという効果を奏する。
本実施形態では、平板３９，４１は炭素繊維強化プラスチックによって構成することとして説明したが、繊維強化プラスチックであれば強化繊維は炭素繊維に限らず、ガラス繊維など他の強化繊維によって構成することとしてもよい。
図４から６を参照しながら他の実施形態について説明する。図１から図３で説明した先の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４（ａ）に示すように、本実施形態は、固定用ブラケット２４と超音波ホーン取付用ブラケット３２と平板３９，４１とスペーサ４６とを備えている。固定用ブラケット２４の側面には、固定用孔２６が開けられた固定用フランジ２５が設けられている。固定用ブラケット２４はマグネシウム合金等加工性のよい軽量金属材料を用いて精度よく構成されている。超音波ホーン取付用ブラケット３２は先端に超音波ホーンを取付ける平面とその平面に開けられた超音波ホーン取付用の孔３４を有し、図４（ｂ）に示すように下面側には超音波振動子３６が入る切り欠きが設けられている。超音波ホーン取付用ブラケット３２は、マグネシウム合金等加工性のよい軽量合金を用いて精度よく構成されている。固定用ブラケット２４及び超音波ホーン取付用ブラケット３２はそれぞれ独立したブロックとなっており、各ブラケット２４，３２の上面と下面とは炭素繊維強化プラスチックの平板３９，４１によって挟み込まれ、ねじ４０，４２及び接着剤によって固定されて一体となってホーン取付用アーム２１が構成されている。
図５に示すように、平板３９，４１との間に固定されたスペーサ４６は、マグネシウム合金等の軽量合金で、固定用ブラケット２４、超音波ホーン取付けブラケット３２の断面形状と同様の断面形状を有し、各ブラケット２４，３２の間において平板３９，４１の間隔を保つように構成されている。スペーサ４６はマグネシウム合金等の軽量合金の矩形ブロックでもよいし、先に説明した長手構造部材４３のように上下のフランジを中間のウェブによって接続したような形状としてもよい。
また、更に軽量化が必要な場合には、図６に示すように、平板間隔を保持するための部材としてハニカム構造材４７を用いても好適である。ハニカム構造材４７は炭素繊維強化プラスチックやアルミニウム合金等でもよい。ハニカム構造材４７を炭素繊維強化プラスチックによって構成した場合には、平板３９，４１との接続にねじを使わずに接着剤のみの接続構造としてもよい。
本実施形態は先に説明した実施形態と同様、簡便な構造によって大きなワークに対して高速で精度よくボンディングを行うことができるという効果を奏する。また、本実施形態のホーン取付用アーム２１は固定用ブラケット２４と超音波ホーン取付用ブラケット３２とスペーサ４６或いはハニカム構造材４７がそれぞれ独立してアーム部材である平板３９，４１に固定されていることから、ボンディングステージ５３上の回路基板６１からの輻射熱によってホーン取付用アーム２１が加熱された場合でも、各構成部材の間に熱応力がほとんど発生することなくホーン取付用アーム２１の長手方向の熱膨張量を略ゼロとすることができるという効果を奏する。また、本実施形態は、先に説明した実施形態よりもより軽量化を図ることができることから、更に高速駆動をすることができるという効果を奏する。
以上説明した実施形態は、ワイヤボンディング装置１１のホーン取付用アーム２１について説明したが、本発明のホーン取付用アーム２１はワイヤボンディング装置１１に限らず、ダイボンディング装置などの他の装置にも適用することができる。
１１ ワイヤボンディング装置、１２ 駆動モータ、１２ａ 固定子、１２ｂ 可動子、１３ 回転軸、１４ ボンディングヘッド、１５ ＸＹテーブル、２１ ホーン取付用アーム、２３，２４ 固定用ブラケット、２５ 固定用フランジ、２６ 固定用孔、２７，３１ ボルト、２９，３２ 超音波ホーン取付用ブラケット、３３ 超音波ホーン、３４ 超音波ホーン取付け孔、３５ キャピラリ、３６ 超音波振動子、３７ 取付けフランジ、３９，４１ 平板、４０，４２ ねじ、４３ 長手構造部材、４３ａ フランジ、４３ｂ ウェブ、４５ リブ、４６ スペーサ、４７ ハニカム構造材、５１ａ，５１ｂ 搬送用レール、５３ ボンディングステージ、５５ ヒータ、６１ 回路基板、６３ 半導体ダイ。
Claims (7)
- 一端が駆動部に固定され、他端に超音波ホーンが取り付けられるボンディング装置のホーン取付用アームであって、
一端側に配置された固定用ブラケットと、
他端側に配置された超音波ホーン取付用ブラケットと、
長手方向の強度が幅方向の強度よりも大きい繊維強化プラスチックで構成され、固定用ブラケットと超音波ホーン取付用ブラケットとを接続するアーム部材は、
固定用ブラケットと超音波ホーン取付用ブラケットとを挟み込んで固定する２枚の平板と、
各平板の間に固定され、各平板の間隔を保持する平板間隔保持部材と、
を備えることを特徴とするホーン取付用アーム。 - 請求項１に記載のホーン取付用アームであって、
繊維強化プラスチック間に挟まれている固定用ブラケット材質及び超音波ホーン取付用ブラケット材質は軽量金属であること、
を備えていることを特徴とするホーン取付用アーム。 - 請求項１に記載のホーン取付用アームであって、
平板間隔保持部材は、各平板に固定されるフランジと各フランジ間を接続するウェブとを有し、一端側の固定用ブラケットと他端側の超音波ホーン取付用ブラケットとの間に延びる長手構造部材であること、
を特徴とするホーン取付用アーム。 - 請求項１に記載のホーン取付用アームであって、
平板間隔保持部材は、一端側の固定用ブラケットと他端側の超音波ホーン取付用ブラケットとの間に固定されたスペーサであること、
を特徴とするホーン取付用アーム。 - 請求項４に記載のホーン取付用アームであって、
スペーサは、ハニカム構造材であること
を特徴とするホーン取付用アーム。 - 請求項１から５のいずれか１項に記載のホーン取付用アームであって、
繊維強化プラスチックは、炭素繊維強化プラスチック又はガラス繊維強化プラスチックであること、
を特徴とするホーン取付用アーム。 - 請求項１から６のいずれか１項に記載のホーン取付用アームであって、
繊維強化プラスチックは、長手方向の強化繊維の数が幅方向の強化繊維の数よりも多いこと、
を特徴とするホーン取付用アーム。
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