JP5950994B2 - 実装装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電子部品を被ボンディング対象である基板に実装する実装装置の構造に関する。
半導体装置の組み立てにおいては、半導体ダイを基板或いはリードフレームの上に取り付けるダイボンディング装置や基板に取り付けられた半導体ダイの電極と基板の電極とをワイヤで接続するワイヤボンディング装置等のボンディング装置が用いられている。ワイヤボンディング装置は、ボンディングステージに吸着固定された基板或いは基板に取り付けられた半導体ダイを２００〜２５０℃程度に加熱し、これらの電極に超音波加振を加えながら金、銀、銅等の細線をキャピラリ等のボンディングツールで熱圧着させて各電極に金属細線を接合するものである。また、ダイボンディング装置は、接着剤を塗布したボンディングステージに吸着固定された基板を加熱し、この上に半導体ダイを熱圧着した後に接着材を熱硬化させて半導体ダイを基板に固定する方式やボンディングステージに吸着固定されたリードフレームを３００〜４５０℃程度に加熱し、この上に半導体ダイを共晶ボンディングさせて半導体ダイをリードフレームに固定する方式のものが用いられている。また、近年は、基板の電極上や半導体ダイの電極上に半田等のバンプ（突起）を形成しておき、半導体ダイを反転させ、電極が基板側（下側）となるようにコレットで保持した状態で半導体ダイを加熱してバンプを溶融状態とする一方、ボンディングステージに吸着固定された基板を２００℃程度に加熱してバンプを溶融状態とし、各バンプ同士を接触させて金属結合させ、半導体ダイを基板に接合するフリップボンディング方法が用いられている。このように、ボンディング装置では、ボンディングの際にボンディングステージに吸着固定された基板を２００℃程度の温度に加熱することが必要となる場合がある。
ボンディングステージが２００℃程度に加熱されるとボンディングステージ上方の空気はボンディングステージの熱で加熱されて上昇する。すると、周囲の冷たい空気がボンディングステージの上に入り込み、ボンディングステージの熱により加熱されて再び上昇するという空気の循環が発生する。この際、ボンディングステージの上方では、上昇気流により温度の異なる空気、つまり、密度の異なる空気の混合により陽炎が発生する。
一方、ボンディング装置では、ボンディングステージに吸着固定された基板の表面或いは基板に取り付けられた半導体ダイの画像を撮像し、撮像した画像に基づいて基板の電極や半導体ダイの電極の位置或いは、基板のボンディング位置を検出し、検出した位置に基づいてボンディングツールの位置制御が行われる。先に説明したように、ボンディングステージの上方に陽炎が発生すると、ボンディングステージに吸着固定された基板或いは半導体ダイの画像を撮像する撮像装置の視野の中に陽炎が入り込んでしまい、画像位置の検出精度が低下してしまうという問題があった。このため、撮像装置の視野領域に窒素ガスまたは空気を吹き付けて陽炎を吹き飛ばし、撮像装置の位置検出精度を向上させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−７７５９号公報
しかし、特許文献１に記載された従来技術のような窒素ガスまたは空気を吹き付ける方法では、大量の窒素ガスが必要となるという問題がある。また、ワイヤボンディング装置では、放電電極とワイヤ先端との間で放電を発生させ、放電の熱によりワイヤの先端にフリーエアーボールを形成するが、窒素ガスまたは空気を吹き付けるとフリーエアーボールの温度が急速に低下してしまい、ボンディング品質が低下してしまうという問題があった。
そこで、本発明は、実装装置において、簡便な構成で撮像デバイスの画像位置検出精度を向上させることを目的とする。
本発明の実装装置は、上面に載置された被ボンディング対象及び被ボンディング対象に取り付けられた電子部品を加熱する実装ステージと、実装ステージの上方に配置され、実装ステージ上に載置された被ボンディング対象及の画像又は、被ボンディング対象及び電子部品の画像を撮像する撮像デバイスと、実装ステージ上面と撮像デバイスとの間の空間に超音波の定在波を発生させる定在波発生デバイスと、を備えることを特徴とする。
本発明の実装装置において、定在波発生デバイスは、超音波スピーカと、超音波スピーカから放射された超音波を反射する反射面と、を含むこととしても好適である。
本発明の実装装置において、反射面は、超音波スピーカと対向して配置された平板の表面であることとしても好適である。
本発明の実装装置において、撮像デバイスは、ＸＹ方向に移動可能であり、平板は撮像デバイスと共にＸＹ方向に移動することとしても好適である。
本発明の実装装置において、平板は撮像デバイスの光軸近傍に定在波の腹が位置するように、光軸と平板の表面との距離が、ｎを正の整数として超音波の波長λの（２ｎ−１）／４倍であることとしても好適である。
本発明の実装装置において、被ボンディング対象又は被ボンディング対象に電子部品が取り付けられた被ボンディング対象の表面を実装ステージに向かって押さえるウィンドクランパを備え、平板は、ウィンドクランパの超音波スピーカから遠い側の端部の上面に取り付けられていることとしても好適である。
本発明の実装装置において、反射面は、撮像デバイスと実装ステージとの間に傾斜配置されたハーフミラーの表面と、実装ステージ上に載置された被ボンディング対象の表面とで構成されることとしても好適である。
本発明の実装装置において、反射面は、超音波スピーカと対向して配置された曲面ミラーの表面と、超音波スピーカ及び実装ステージを挟んで曲面ミラーと対向して配置された平板の表面とで構成されることとしても好適である。
本発明の実装装置において、曲面ミラーは、放物線ミラー又は楕円ミラーであることとしても好適である。
本発明の実装装置において、定在波発生デバイスは、対向して配置された２つの超音波スピーカであることとしても好適である。
本発明の実装装置において、定在波発生デバイスは、実装ステージに向かって開口する筒を構成するように撮像デバイスと実装ステージとの間に配置された圧電素子であり、開口と実装ステージ上面との間に定在波領域を形成することとしても好適である。また、本発明の実装装置において、被ボンディング対象は、基板またはリードフレームであることとしても好適である。
本発明は、実装装置において、簡便な構成で撮像デバイスの画像位置検出精度を向上させることができるという効果を奏する。
本発明の実施形態におけるワイヤボンディング装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態におけるワイヤボンディング装置の撮像デバイスと超音波スピーカと平板の配置を示す部分拡大斜視図である。 本発明の実施形態におけるワイヤボンディング装置であって、超音波スピーカと平板とで定在波発生デバイスを構成するワイヤボンディング装置の側面図である。 撮像デバイスで撮像した画像のＸＹ方向のずれの時間変化を示すグラフである。 撮像デバイスで撮像した画像のＸＹ方向のずれの領域を示すグラフである。 定在波の空間位置に対する画像の検出位置のバラツキの標準偏差の変化を示すグラフである。 本発明の他の実施形態におけるワイヤボンディング装置であって、超音波スピーカと撮像デバイスに取り付けられた平板とで定在波発生デバイスを構成するワイヤボンディング装置の正面図である。 本発明の他の実施形態におけるワイヤボンディング装置であって、２つの超音波スピーカを対向配置して定在波発生デバイスを構成するワイヤボンディング装置の側面図である。 本発明の他の実施形態におけるワイヤボンディング装置であって、超音波スピーカとハーフミラーとボンディングステージとにより定在波発生デバイスを構成するワイヤボンディング装置の側面図である。 本発明の他の実施形態におけるワイヤボンディング装置であって、超音波スピーカとウィンドクランパ端部に取り付けられた平板とで定在波発生デバイスを構成するワイヤボンディング装置の正面図である。 本発明の他の実施形態におけるワイヤボンディング装置であって、超音波スピーカと放物線ミラーと平板とにより定在波発生デバイスを構成するワイヤボンディング装置の側面図である。 本発明の他の実施形態におけるワイヤボンディング装置であって、超音波スピーカと楕円ミラーと平板とにより定在波発生デバイスを構成するワイヤボンディング装置の側面図である。 本発明の他の実施形態におけるワイヤボンディング装置であって、ボンディングステージに向かって開口する筒を構成する圧電素子により定在波発生デバイスを構成するワイヤボンディング装置の側面図である。 本発明の実施形態におけるダイボンディング装置を示す斜視図である。 図１４に示すダイボンディング装置のボンディング動作を示す説明図である。 本発明の実施形態における他のダイボンディング装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態における他のダイボンディング装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態における他のダイボンディング装置を示す斜視図である。
以下、図面を参照しながら本発明を半導体ダイ６３と被ボンディング対象である基板（リードフレーム）６１との間にワイヤを実装する実装装置である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１０は、表面に半導体ダイ６３が取り付けられた基板（リードフレーム）６１を送り方向（Ｘ方向）にガイドする２本のガイドレール８１，８２と、ガイドレール８１，８２の間の下側に配置されて基板（リードフレーム）６１を真空吸着する実装ステージであるボンディングステージ８３と、ボンディングステージ８３の基板６１送り方向（Ｘ方向）と直角方向（Ｙ方向）に隣接して配置されたＸＹテーブル１２と、ＸＹテーブル１２の上に取り付けられたボンディングヘッド１１と、ボンディングヘッド１１の中に取り付けられてクランパ１５と超音波ホーン１３とを上下方向（Ｚ方向）に駆動するＺ方向駆動機構１８と、ボンディングヘッド１１に取り付けられた撮像デバイス２０と、平板４０と、平板４０に対向するように配置された超音波スピーカ３０と、ワイヤボンディング装置１０の各動作を制御する制御部１００とを備えている。
図１に示すように、ボンディングステージ８３は、その中にヒータ８４を備えており、ボンディングの際には、ボンディングステージ８３の表面に真空吸着された基板（リードフレーム）６１或いは基板（リードフレーム）６１の表面に取り付けられた半導体ダイ６３を２００℃程度に加熱する。超音波ホーン１３の先端にはボンディングツールであるキャピラリ１４が取り付けられており、キャピラリ１４にはボンディングヘッド１１の上部に取り付けられたスプール１７から供給されるボンディング用のワイヤ１６が挿通されている。キャピラリ１４の先端はＺ方向駆動機構１８によって基板（リードフレーム）６１に接離する方向（Ｚ方向）に駆動され、半導体ダイ６３の電極（パッド）あるいは基板（リードフレーム）６１の電極（リード）にワイヤ１６を接合する。
図２に示すように、撮像デバイス２０は、その先端がボンディングステージ８３の上まで延びており、図２、図３に示すように、被写体である半導体ダイ６３あるいは基板（リードフレーム）６１からの光を光軸５１に沿って開口２５から導入してプリズム２６で９０度屈折させる導入部２１と、内部にレンズ２７等の光学部品を備えてプリズム２６で屈折させた光を光軸５２に沿ってカメラ２４に導く鏡筒２２と、を含んでいる。カメラ２４に入った被写体の光は、カメラ２４の中の撮像素子２８の撮像面２９に結像する。撮像素子２８は結像した画像を電気信号に変換して画像信号として後で説明する制御部１００に出力する。
図２、図３に示すように、平板４０は、撮像デバイス２０の下側のＸＹテーブル１２の固定部分（ＸＹ方向に移動しないフレーム部分）に取り付けられて超音波を反射できるような剛体の板で、例えば、金属板である。また、ボンディングステージ８３のＸＹテーブル１２と反対側には平板４０に対向するように超音波スピーカ３０が配置されている。超音波スピーカ３０は、筺体３３と、筺体３３の中に収容された超音波振動する振動体３１と振動体３１を駆動する圧電素子３２とで構成されている。振動体３１は、例えば、超音波振動する円板等である。後で説明するように、超音波スピーカ３０から放射された超音波は平板４０の表面４１で反射され、超音波スピーカ３０と平板４０との間の空間に超音波の定在波９０を発生させる。従って、表面４１は超音波を反射する反射面であり、超音波スピーカ３０と平板４０の表面４１とは定在波発生デバイス３５を構成する。なお、超音波とは、人間の可聴域よりも周波数の高い音波であり、一般的には２ｋＨｚ以上の音波のことをいう。本実施形態では、超音波スピーカ３０は、周波数４ｋＨｚの超音波を放射するものとして説明する。
ＸＹテーブル１２、Ｚ方向駆動機構１８、超音波スピーカ３０は制御部１００に接続され、制御部１００の指令によって動作する。制御部１００は、信号等の演算処理を行うＣＰＵと記憶部とを含むコンピュータである。また、撮像デバイス２０も制御部１００に接続され、撮像素子２８からの画像信号が入力される。制御部１００は撮像素子２８から入力された画像信号を処理して、基板（リードフレーム）６１、或いは半導体ダイ６３の認識、及び、基板（リードフレーム）６１或いは半導体ダイ６３の位置の検出を行う。
上記のように構成されたワイヤボンディング装置１０の基本的なボンディング動作について簡単に説明する。ワイヤボンディング装置１０の制御部１００は、図２に示すように、撮像デバイス２０の光軸５１が位置検出しようとする半導体ダイ６３或いは基板（リードフレーム）６１の直上となるように、ＸＹテーブル１２によってボンディングヘッド１１の位置を調整する。そして、撮像デバイス２０の光軸５１が位置検出しようとする半導体ダイ６３或いは基板（リードフレーム）６１の直上に来たら、半導体ダイ６３或いは基板（リードフレーム）６１の画像を取得し、取得した画像に基づいて半導体ダイ６３の電極（パッド）と基板（リードフレーム）６１の電極（リード）の位置を検出する。次に、制御部１００は、ＸＹテーブル１２によってキャピラリ１４の位置が半導体ダイ６３上の電極（パッド）の位置に合うようにボンディングヘッド１１を移動させる。そして、Ｚ方向駆動機構１８を動作させて超音波ホーン１３の先端に取り付けられたキャピラリ１４をＺ方向に駆動し、キャピラリ１４に挿通したワイヤ１６を半導体ダイ６３の電極（パッド）又は基板（リードフレーム）６１の電極（リード）に超音波振動を与えながら熱圧着させて（ボンディングして）半導体ダイ６３の電極（パッド）と基板（リードフレーム）６１の電極（リード）との間をワイヤ１６で接続する。この間、基板（リードフレーム）６１或いは基板（リードフレーム）６１に取り付けられた半導体ダイ６３は、ボンディングステージ８３に組み込まれたヒータ８４により２００℃程度に加熱されている。
ワイヤボンディング装置１０の制御部１００は、１つの半導体ダイ６３の電極（パッド）と基板（リードフレーム）６１の電極（リード）とのボンディングが終了したら、ＸＹテーブル１２によってキャピラリ１４を次の電極（パッド）の上に移動させ、上記と同様に各電極（パッド）と電極（リード）との間をワイヤ１６によってボンディングする。そして、制御部１００は、１つの半導体ダイ６３の全ての電極（パッド）をワイヤ１６によって基板（リードフレーム）６１の各電極（リード）と接続したら、次の半導体ダイ６３がボンディング位置に来るように基板（リードフレーム）６１を搬送する。先と同様、制御部１００は、撮像デバイス２０の光軸５１を次の半導体ダイ６３の直上に移動させて半導体ダイ６３と基板（リードフレーム）６１との画像を取得し、取得した画像に基づいてキャピラリ１４の位置決めを行い、次にワイヤボンディングを行う。以下、全ての半導体ダイ６３の電極（パッド）と基板（リードフレーム）６１の電極（リード）との接続が終わるまで、同様の工程を繰り返す。
次に、超音波スピーカ３０と平板４０とで構成される定在波発生デバイス３５の動作について説明する。ワイヤボンディング装置１０の制御部１００は、超音波スピーカ３０の圧電素子３２を動作させて振動体３１を振動させ、図３に示すように、振動体３１から平板４０の表面４１に向かって矢印９１の方向に超音波の進行波９２を放射させる。超音波スピーカ３０から放射された超音波の進行波９２は平板４０の表面４１で反射されて超音波の反射波９３となって超音波スピーカ３０に戻ってくる。制御部１００は、超音波スピーカ３０の振動体３１と平板４０の表面４１との距離が超音波スピーカ３０から放射される超音波の進行波９２の波長の整数倍となるように、超音波スピーカ３０の圧電素子３２を制御して振動体３１の振動数を調整する。これにより、図３に示すように、超音波スピーカ３０の振動体３１と平板４０の表面４１との間に定在波９０が発生する。定在波９０は、ボンディングステージ８３の上に吸着固定された基板（リードフレーム）６１と撮像デバイス２０との間の空間９４の領域に発生する。このため、光軸５１は定在波９０が発生する空間９４を通って撮像デバイス２０の開口２５に達する。なお、図３では、振動体３１と表面４１との距離が超音波の波長λと同じであるとして模式的に記載してある。また、図３では、空気の疎密波（縦波）である超音波をサインカーブの横波として模式的に表してある。なお、振動体３１の振動数を調整して定在波９０を発生させる際に、超音波スピーカ３０と平板４０の表面４１との距離を調整するようにしてもよい。
先に説明したように、基板６１或いは基板（リードフレーム）６１に取り付けられた半導体ダイ６３は、ボンディングステージ８３に組み込まれたヒータ８４により２００℃程度に加熱されている。このため、ボンディングステージ８３或いは基板（リードフレーム）６１の表面近傍の空気は暖められて上昇する。上昇した空気は、定在波９０が発生している空間９４近傍まで上昇すると、空間９４を避けるようにＹ方向に流れていく。基板（リードフレーム）６１の表面近傍で温められた空気が上方向に流れると周囲の冷たい空気が基板（リードフレーム）６１の表面に入り込んでくる。このように、基板（リードフレーム）６１の表面で温められた空気は、定在波９０がない場合には基板（リードフレーム）６１の表面とその上の空間との間で循環するが、定在波９０が有る場合には定在波９０が発生している空間９４を通り抜けて循環しない。このため、空間９４の中では上昇気流により温度の異なる空気、つまり、密度の異なる空気の混合が発生しなくなり、陽炎の発生が抑制される。この結果、図４〜図６に示す様に、撮像デバイス２０によって検出した画像の揺らぎが少なくなり画像位置検出精度が向上する。
図４は、撮像デバイス２０を使って検出した画像位置のずれの時間変化を示すグラフである。画像位置のずれの測定は以下のような方法で行った。まず、半導体ダイ６３等の撮像対象物の特定パターンをモデル登録し、正規化相関を用いた画像処理を行ってモデルパターンの位置変化を追跡した。この方法によるモデルパターンの位置認識精度は、０．１２μｍである。図４において、実線に黒三角のマークを付した線ａは超音波スピーカ３０をオンにして定在波９０を発生させた場合の画像のＸ方向のずれ量の時間変化を示し、実線に黒四角のマークを付した線ｂは超音波スピーカ３０をオンにして定在波９０を発生させた場合の画像のＹ方向のずれ量の時間変化を示し、破線に白抜きの丸形のマークを付した線ｃは超音波スピーカ３０をオフにして定在波９０を発生させない場合の画像のＸ方向のずれ量の時間変化を示し、破線に白抜きの菱形のマークを付した線ｄは超音波スピーカ３０をオフにして定在波９０を発生させない場合の画像のＹ方向のずれ量の時間変化を示している。図４からわかるように、超音波スピーカ３０をオンとして定在波９０を発生させた場合のＸＹ方向の各画像の位置ずれを示す線ａ，ｂはいずれもゼロ近傍を上下しており、ＸＹ方向の位置ずれ量の標準偏差はそれぞれ０．２７μｍ、０．１７μｍであるのに対し、超音波スピーカ３０をオフとして定在波９０を発生させない場合のＸＹ方向の各画像の位置ずれを示す線ｃ，ｄは、ゼロを離れて大きく波打っており、ＸＹ方向の位置ずれ量の標準偏差はそれぞれ１．１μｍ、０．８μｍである。このことから、超音波スピーカ３０をオンとして定在波９０を発生されると撮像デバイス２０によって検出した画像の位置ずれの時間変化量が大きく低下することが分かる。また、図５は、ＸＹの各方向の画像のずれ量をＸＹ平面状の領域としてプロットしたものであり、図中の実線で囲まれ、右上りのハッチングを付した領域Ａは超音波スピーカ３０をオンとして定在波９０を発生させた場合の画像のずれ領域を示し、図中の一点鎖線で囲まれ、右下がりハッチングを付した領域Ｂは超音波スピーカ３０をオフとして定在波９０を発生させない場合の画像のずれ領域を示している。図５に示すように、領域Ａの面積は領域Ｂの面積よりも小さく、超音波スピーカ３０をオンとして定在波９０を発生されると撮像デバイス２０によって検出した画像の位置ずれの量が大きく低下することが分かる。
また、画像の検出位置のバラツキは、定在波９０の空間位置によっても変化する。図６に示すように、定在波９０の節の位置（空気分子の移動はないが空気の密度が変化する位置）と定在波９０の腹の位置（空気分子は動いているが空気の密度は変化しない位置）とその中間とで検出位置のバラツキを検出してその標準偏差を計算すると、図６に示す様に、定在波９０の腹の位置はその他の位置と比較してバラツキが少なくなっていることが分かる。
以上のことから、図３に示すように、超音波スピーカ３０によって定在波９０を発生させ、定在波９０の腹の位置が撮像デバイス２０の光軸５１の近傍となるように、超音波スピーカ３０の振動数、或いは超音波スピーカ３０と平板４０の表面４１との距離を調整することによって効果的に陽炎の発生を抑制して撮像デバイス２０による画像検出位置の時間的なずれ、或いは、揺らぎを抑制することができる。この結果、本実施形態のワイヤボンディング装置は従来技術のワイヤボンディング装置のように窒素ガスまたは空気を吹き付けることなく、簡便な構成で撮像デバイス２０の画像位置検出精度を向上させることができ、ボンディング品質の向上を図ることできる。
以下、図７から図１３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６を参照して説明した部位と同様の部位には同様の符号を付して説明は省略する。
図７に示す実施形態は、超音波スピーカ３０から放射された超音波を反射する平板４２を撮像デバイス２０に取り付けると共に、平板４２の表面４３と撮像デバイス２０の光軸５１との距離Ｄ１を超音波の波長λの１／４となるようにしたものである。本実施形態では、超音波スピーカ３０と平板４２の表面４３とが定在波発生デバイス３５を構成する。この構成によると、表面４３は必ず節となり、ボンディングヘッド１１がＸＹ方向に移動しても常に定在波９０の腹が撮像デバイス２０の光軸５１の近傍に位置にとどまるようにすることができるので、ボンディングヘッド１１の移動に合わせて超音波スピーカ３０の位置を調整することなく、効果的に基板（リードフレーム）６１の上方の陽炎の発生を抑制して撮像デバイス２０の画像位置検出精度を向上させることができる。なお、図７ではＸ方向に定在波９０が発生するように、超音波スピーカ３０をＸ方向に向けて配置し、超音波の反射面である平板４２の表面４３をＹＺ平面に配置するようにしているが、これと逆にＹ方向に定在波９０が発生するように、超音波スピーカ３０をＹ方向に向けて配置し、超音波の反射面である平板４２の表面４３をＸＺ平面に配置するようにしてもよい。また、平板４２は、その表面４３と光軸５１との距離Ｄ１が超音波の波長λの１／４となるように配置し、撮像デバイス２０ともにＸＹ方向に移動可能であれば、撮像デバイス２０ではなく、ボンディングヘッド１１に固定してもよい。更に、表面４３と光軸５１との距離Ｄ１は光軸５１の近傍に定在波９０の腹が来るような距離であれば良く、超音波の波長λの１／４ではなく、ｎを正の整数として、（２ｎ−１）／４倍、つまり、３／４倍、５／４倍等にしてもよい。
図８に示す実施形態は、図３を参照して説明した実施形態の平板４０を超音波スピーカ３０に置き換えたもので、対向して配置された２つの超音波スピーカ３０の間に定在波９０を発生させる。この構成では、対向して配置された超音波スピーカ３０が定在波発生デバイス３５を構成する。図３を参照して説明したワイヤボンディング装置１０と同様、図中左側の超音波スピーカ３０から図中右側の超音波スピーカ３０に向かって矢印９１の方向に超音波９２´を放射し、図中右側の超音波スピーカ３０から図中左側の超音波スピーカ３０に向かって同一周波数の超音波９３´を放射すると超音波９２´と９３´とが干渉して２つの超音波スピーカ３０の間に定在波９０が発生する。この定在波９０により、陽炎の発生を抑制して従来技術のワイヤボンディング装置のように窒素ガスまたは空気を吹き付けることなく、簡便な構成で撮像デバイス２０の画像位置検出精度を向上させることができ、ボンディング品質の向上を図ることできる。
図９に示す実施形態は、基板（リードフレーム）６１と撮像デバイス２０の開口２５との間にハーフミラー４４を傾斜配置したものである。ハーフミラー４４は、表面４５が光軸５１或いは基板（リードフレーム）６１の表面に対して４５度の傾斜となるように配置されている。図９に示すように、超音波スピーカ３０から矢印９１の方向に向かって放射された超音波の進行波９２は、ハーフミラー４４の表面４５で反射して光軸５１に沿って基板（リードフレーム）６１或いは基板（リードフレーム）６１の表面に取り付けられた半導体ダイ６３の表面に達する。基板（リードフレーム）６１は、ボンディングステージ８３に吸着固定されているので、振動せず、表面に達した超音波を反射する。基板（リードフレーム）６１の表面で反射した超音波は反射波９３として光軸５１に沿って上方向に進み、ハーフミラー４４の表面４５で反射して超音波スピーカ３０に向かって進む。このように、超音波スピーカ３０から放射された超音波は、ハーフミラー４４の表面４５及びボンディングステージ８３に吸着固定された基板（リードフレーム）６１の表面で反射して、図９に示すように、超音波スピーカ３０とボンディングステージ８３との表面とのあいだに９０度に屈曲した空間９４に定在波９０が発生する。空気の音響インピーダンスは、樹脂や金属等に比べて桁違いに小さいので、超音波を反射する主体は基板（リードフレーム）６１表面である。したがって、本実施形態では、超音波スピーカ３０と、ハーフミラー４４の表面４５と、基板（リードフレーム）６１の表面とが定在波発生デバイス３５を構成する。一方、基板（リードフレーム）６１の表面或いは半導体ダイ６３の表面の光はハーフミラー４４を通過して撮像デバイス２０の開口２５に達し、撮像面２９に結像する。本実施形態も先に説明した実施形態と同様、定在波９０によって陽炎の発生を抑制し、従来技術のワイヤボンディング装置のように窒素ガスまたは空気を吹き付けることなく、簡便な構成で撮像デバイス２０の画像位置検出精度を向上させることができ、ボンディング品質の向上を図ることできる。
図１０に示す実施形態は、図３を参照して説明した実施形態の平板４０に代えてウィンドクランパ６５の上面に取り付けられた平板６８の表面６９によって超音波を反射するように構成したものである。図１０に示す様に、本実施形態では、基板（リードフレーム）６１にはＹ方向に３列に半導体ダイ６３が取り付けられており、ウィンドクランパ６５は金属製で、各半導体ダイ６３の間の基板（リードフレーム）６１をボンディングステージ８３に向かって押し付ける押さえ部６６と、各半導体ダイ６３の位置に設けられた窓部６７とによって構成されており、平板６８は金属板で、超音波スピーカ３０から遠い側の押さえ部６０の端部の上面に取り付けられている。本実施形態では、超音波スピーカ３０と平板６８の表面６９とが定在波発生デバイス３５を構成する。
本実施形態では、各半導体ダイ６３の間隔がＤ２であるので、平板６８の表面６９と半導体ダイ６３の中心との距離をＤ２の半分のＤ１とし、距離Ｄ１が超音波の波長λの１／４となるように超音波の周波数を調整することにより、各半導体ダイ６３の中心近傍または位置決め認識点近傍に定在波９０の腹が位置するようにしている。図６を参照して説明したように、定在波９０の腹の位置は画像の検出位置のバラツキが小さいので、本実施形態では、Ｙ方向に複数の半導体ダイ６３が取り付けられた基板（リードフレーム）６１にワイヤボンディングを行う場合でも各半導体ダイ６３の中心近傍における陽炎の発生を効果的に抑制し、従来技術のワイヤボンディング装置のように窒素ガスまたは空気を吹き付けることなく、簡便な構成で撮像デバイス２０の画像位置検出精度を向上させることができ、ボンディング品質の向上を図ることできる。また、ウィンドクランパ６５の部品の一部を超音波の反射面として利用することにより、部品点数の削減と構造の簡便化を図ることができる。
図１１に示す実施形態は、超音波スピーカ３０の振動体３１と対向するように放物線ミラー４６を配置し、超音波スピーカ３０及びボンディングステージ８３を挟んだ反対側に平板４０を配置したものである。図１１に矢印９５で示す超音波スピーカ３０から放射された超音波は放物線ミラー４６の表面４７で反射して図１１に矢印９６で示すような平行波となって平板４０に向かい、平板４０の表面４１で反射して超音波スピーカ３０に戻ってくる。これにより、放物線ミラー４６の表面４７と平板４０の表面４１との間の空間９４に定在波９０が発生する。本実施形態では、超音波スピーカ３０と放物線ミラー４６の表面４７と平板４０の表面４１とが定在波発生デバイス３５を構成する。本実施形態も先に説明した実施形態と同様、定在波９０によって陽炎の発生を抑制し、従来技術のワイヤボンディング装置のように窒素ガスまたは空気を吹き付けることなく、簡便な構成で撮像デバイス２０の画像位置検出精度を向上させることができ、ボンディング品質の向上を図ることできる。
図１２に示す実施形態は、図１１に示す実施形態の放物線ミラー４６に代えて楕円ミラー４８を配置したものである。超音波スピーカ３０は楕円ミラー４８の第１焦点に配置され、平板４０は表面４１に上に楕円ミラー４８の第２焦点が位置するように配置されている。図１２に矢印９５で示す超音波スピーカ３０から放射された超音波は楕円ミラー４８の表面４９で反射して図１２に矢印９７で示す集束波となって平板４０に向かい、平板４０の表面４１の第２焦点に集束すると共に表面４１で反射して超音波スピーカ３０に戻ってくる。これにより、楕円ミラー４８の表面４９と平板４０の表面４１との間の空間９４に超音波の定在波９０が発生する。本実施形態では、超音波スピーカ３０と楕円ミラー４８の表面４９と平板４０の表面４１とが定在波発生デバイス３５を構成する。本実施形態では、楕円ミラー４８を用いることにより超音波を平板４０の表面４１に集束させることにより、空間９４に発生する定在波９０の強度を上げることができるので、より効果的に陽炎の発生を抑制することができ、従来技術のワイヤボンディング装置のように窒素ガスまたは空気を吹き付けることなく、簡便な構成で撮像デバイス２０の画像位置検出精度を向上させることができ、ボンディング品質の向上を図ることできる。
図１３に示す実施形態は、ボンディングステージ８３に向かって開口する撮像デバイスの開口２５の下側に筒状に複数の圧電素子７０を配置したものである。図１３に示すように、筒状に配置された圧電素子７０の間の空間９４には、定在波９０が発生する。この定在波９０は、筒状に配置された圧電素子７０の下側の開口７１からボンディングステージ８３の上面に向かって漏れ出し、開口７１とボンディングステージ８３の上面との間に疑似的な定在波空間９８が形成される。本実施形態では、この疑似的な定在波空間９８により陽炎の発生を抑制し、従来技術のワイヤボンディング装置のように窒素ガスまたは空気を吹き付けることなく、簡便な構成で撮像デバイス２０の画像位置検出精度を向上させることができ、ボンディング品質の向上を図ることできる。
以上説明した各実施形態では、撮像デバイス２０は、プリズム２６を格納する導入部２１とレンズ２７を収容する鏡筒２２とカメラ２４とによって構成されることとして説明したが、Ｚ軸方向に延びる光軸５１に沿ってレンズ２７を収容する鏡筒２２とカメラ２４とを配置した撮像デバイス２０を用いたワイヤボンディング装置１０にも適用することができる。
本発明は、ワイヤボンディング装置１０のみでなく、基板（リードフレーム）６１を吸着固定するボンディングステージ８３を加熱するフリップチップボンディング装置等の他のボンディング装置（半導体ダイ６３の実装装置）或いは、例えば、ＬＥＤ等半導体ダイ６３以外の電子部品を基板（リードフレーム）６１に実装する実装装置にも適用できる。以下、図１４、１５を参照して共晶ボンディングを行うダイボンディング装置に本発明を適用した実施形態について説明する。図１から図１３を参照して説明した部分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１４に示す様に、本実施形態のダイボンディング装置２００は、Ｘ方向に移動し、Ｙ方向ガイド２０２が設けられたＹ方向フレーム２０１と、Ｙ方向ガイド２０２にガイドされてＹ方向に移動するスライダ２０３と、スライダ２０３のＺ方向ガイド２０４にガイドされ、ボンディングアーム２０６とその先端に取り付けられたボンディングツール２０７をＺ方向に移動するボンディングアーム駆動機構２０５と、Ｙ方向ガイド２０２にガイドされてＹ方向移動するスライダ２１０と、スライダ２１０のＺ方向ガイド２１１にガイドされて撮像デバイス２１３をＺ方向に移動させる撮像部駆動機構２１２と、を備えている。また、実施形態のダイボンディング装置２００は、Ｙ方向フレーム２０１の下側に配置されてＸ方向に延びる左右フレーム２２１，２２２と、左右フレーム２２１，２２２にそれぞれ取り付けられてリードフレーム２６１をＸ方向にガイドするガイドレール８１，８２と、ガイドレール８１，８２の間であって、リードフレーム２６１の下側に配置されたボンディングステージ８３と、ボンディングステージ８３の上側に配置された開口２３１が設けられたカバー２３０と、開口２３１のＹ方向側の左フレーム２２１の側面に取り付けられた平板４０と、平板４０の表面４１と対向して配置された超音波スピーカ３０とを備えている。
次に、図１４に示すダイボンディング装置２００の基本動作について簡単に説明する。図１４に示すリードフレーム２６１は、図示しない送り機構によってＸ方向に送られ、リードフレーム２６１の表面に形成されたアイランド２６２がカバー２３０の開口２３１の位置まで送られると、図１５に示すようにボンディングステージ８３に吸着固定される。ボンディングステージ８３の中にはヒータ８４が配置されており、ボンディングステージ８３に吸着固定されているリードフレーム２６１を加熱する。次に、撮像デバイス２１３をリードフレーム２６１のアイランド２６２の直上に移動させて、リードフレーム２６１の画像を取得し、アイランド２６２を認識し、その位置を特定する。次に、ボンディングアーム２０６を撮像デバイス２１３で位置検出したアイランド２６２の直上に移動させる。ボンディングアーム２０６の先端に取り付けられたボンディングツール２０７には半導体ダイ６３が保持されている。図１５に示すように、半導体ダイ６３はリードフレーム２６１のアイランド２６２に搭載される面に金のめっき面６４が形成されている。半導体ダイ６３の下面に金めっきが形成されている場合には、リードフレーム２６１はヒータ８４によって４００〜４５０℃程度まで加熱される。リードフレーム２６１が上記の温度まで加熱されたら、ボンディングアーム２０６、ボンディングツール２０７を降下させて先端に保持した半導体ダイ６３の下側の面（めっき面）をリードフレーム２６１のアイランド２６２に押しつける。リードフレーム２６１は銅製或いは鉄ニッケル合金の表面に銅めっきまたは銀メッキを施したものであるので、高温下で半導体ダイ６３の下面の金めっき面と接すると、互いの金属が共晶し、リードフレーム２６１のアイランド２６２に半導体ダイ６３が接合される。上記の説明では、半導体ダイ６３の下面に金めっきを施した場合について説明した、半導体ダイ６３の下面にはんだ処理がされている場合には、リードフレーム２６１の加熱温度が３００〜３５０℃程度でボンディングが行われる。
図１４に示すように、本実施形態のダイボンディング装置２００は、開口２３１のＹ方向側の左フレーム２２１の側面に取り付けられた平板４０と、平板４０の表面４１と対向して配置された超音波スピーカ３０とを備えており、先に、図３を参照して説明したと同様、超音波スピーカ３０と平板４０の表面４１との間の超音波の定在波９０を発生させる。先に図３を参照して説明したように、リードフレーム２６１の表面で温められた空気は、定在波９０がない場合にはリードフレーム２６１の表面とその上の空間との間で循環するが、定在波９０が有る場合には定在波９０が発生している空間を通り抜けて循環しない。このため、定在波９０が発生している空間の中では上昇気流により温度の異なる空気、つまり、密度の異なる空気の混合が発生しなくなり、陽炎の発生が抑制される。この結果、図４〜図６を参照して説明した様に、撮像デバイス２１３によって検出した画像の揺らぎが少なくなり画像位置検出精度が向上する。
以上述べたように、本実施形態のダイボンディング装置２００も先に説明したワイヤボンディング装置１０と同様、従来技術のワイヤボンディング装置のように窒素ガスまたは空気を吹き付けることなく、簡便な構成で撮像デバイス２０の画像位置検出精度を向上させることができ、ボンディング品質の向上を図ることできる。
次に、図１５から図１８を参照して本実施形態のダイボンディング装置２００の他の実施形態について説明する。図１から図１４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。
図１４を参照して説明したダイボンディング装置２００では、超音波スピーカ３０と平板４０とをＹ方向軸に沿って対向するように配置して、Ｙ方向に定在波９０が発生するようにしたものであるが、図１６に示す実施形態では、超音波スピーカ３０と平板４０とをＸ方向軸に対向するように配置し、Ｘ方向に超音波の定在波９０が発生するように構成したものである。本実施形態では、定在波９０の形成される領域がボンディングツール２０７の抜き差しされるカバー２３０の開口２３１のＹ方向全域をカバーできるように、平板４０のＹ方向長さは、開口２３１のＹ方向長さと略同様の長さとなっている。また、超音波スピーカ３０はＹ方向に複数の振動体３１を配置して平板４０に対向する面積に超音波を放射することができるように構成されている。この構成により、先に説明した実施形態の効果に加え、開口２３１の上側の全域で超音波の定在波９０を発生させることができる。また、平板４０と開口２３１との距離或いは超音波の周波数を調整することにより、撮像、ボンディングを行う開口２３１の近傍に常に定在波９０の腹を来るようにすることにより、より効果的に陽炎を抑制することができる。
図１７に示すダイボンディング装置２００は、図１４を参照して説明したダイボンディング装置２００において、超音波を反射する平板２４２が撮像デバイス２１３と共にＹ方向に移動できるように、スライダ２１０の下面に固定したものである。平板２４２は、図示しないフレームに取り付けた超音波スピーカ３０と対向する位置となるように、アーム２４４によってスライダ２１０の下側に固定されている。本実施形態は、図７を参照して説明したワイヤボンディング装置１０と同様、平板２４２の表面２４３と撮像デバイス２１３の光軸との距離を超音波の波長λの１／４となるようにしたものである。この構成により、表面２４３は必ず節となり、スライダ２１０がＹ方向に移動しても常に定在波９０の腹が撮像デバイス２１３の光軸の近傍に位置にとどまるようにすることができるので、スライダ２１０の移動に合わせて超音波スピーカ３０の位置を調整することなく、効果的にリードフレーム２６１の上方の陽炎の発生を抑制して撮像デバイス２１３の画像位置検出精度を向上させることができる。
図１７に示すダイボンディング装置２００は、Ｙ方向に定在波９０が発生するように、超音波スピーカ３０をＹ方向に向けて配置し、超音波の反射面である平板２４２の表面２４３をＸＺ平面に配置するようにしているが、図１８に示すように、Ｘ方向に定在波９０が発生するように、超音波スピーカ３０をＸ方向に向けて配置し、超音波の反射面である平板２４５の表面２４６をＹＺ平面に配置するようにしてもよい。また、平板２４５は、その表面２４６と撮像デバイス２１３の光軸とのＸ方向距離が超音波の波長λの１／４となるように配置し、撮像デバイス２１３ともにＸ方向に移動可能であれば、撮像デバイス２１３ではなく、Ｙ方向フレーム２０１に固定してもよい。本実施形態は、先に図１７を参照して説明した実施形態と同様の効果を奏する。
１０ ワイヤボンディング装置、１１ ボンディングヘッド、１２ ＸＹテーブル、１３ 超音波ホーン、１４ キャピラリ、１５ クランパ、１６ ワイヤ、１７ スプール、１８ Ｚ方向駆動機構、２０，２１３ 撮像デバイス、２１ 導入部、２２ 鏡筒、２４ カメラ、２５，７１，２３１ 開口、２６ プリズム、２７ レンズ、２８ 撮像素子、２９ 撮像面、３０ 超音波スピーカ、３１ 振動体、３２，７０ 圧電素子、３３ 筺体、３５ 定在波発生デバイス、４０，４２，６８，２４２，２４５ 平板、４１，４３，４５，４７，４９，６９，２４３，２４６ 表面、４４ ハーフミラー、４６ 放物線ミラー、４８ 楕円ミラー、５１，５２ 光軸、６１ 基板、６３ 半導体ダイ、６５ ウィンドクランパ、６６ 押さえ部、６７ 窓部、８１，８２ ガイドレール、８３ ボンディングステージ、８４ ヒータ、９０ 定在波、９１，９５−９７ 矢印、９２ 進行波、９２´，９３´ 超音波、９３ 反射波、９４ 空間、９８ 定在波空間、１００ 制御部、２００ ダイボンディング装置、２０１ Ｙ方向フレーム、２０２ Ｙ方向ガイド、２０３，２１０ スライダ、２０４，２１１ Ｚ方向ガイド、２０５ ボンディングアーム駆動機構、２０６ ボンディングアーム、２０７ ボンディングツール、２１２ 撮像部駆動機構、２１３ 撮像デバイス、２２１ 左フレーム、２２２ 右フレーム、２３０ カバー、２４４ アーム、２６１ リードフレーム、２６２ アイランド、λ 波長。

Claims (12)

  1. 上面に載置された被ボンディング対象及び前記被ボンディング対象に取り付けられた電子部品を加熱する実装ステージと、
    前記実装ステージの上方に配置され、前記実装ステージ上に載置された前記被ボンディング対象の画像又は、前記被ボンディング対象及び前記電子部品の画像を撮像する撮像デバイスと、
    前記実装ステージ上面と前記撮像デバイスとの間の空間に超音波の定在波を発生させる定在波発生デバイスと、を備える実装装置。
  2. 請求項１に記載の実装装置であって、
    前記定在波発生デバイスは、
    超音波スピーカと、
    前記超音波スピーカから放射された超音波を反射する反射面と、
    を含む実装装置。
  3. 請求項２に記載の実装装置であって、
    前記反射面は、前記超音波スピーカと対向して配置された平板の表面である実装装置。
  4. 請求項３に記載の実装装置であって、
    前記撮像デバイスは、ＸＹ方向に移動可能であり、
    前記平板は前記撮像デバイスと共にＸＹ方向に移動する実装装置。
  5. 請求項４に記載の実装装置であって、
    前記平板は前記撮像デバイスの光軸近傍に定在波の腹が位置するように、前記光軸と前記平板の表面との距離が、ｎを正の整数として超音波の波長λの（２ｎ−１）／４倍である実装装置。
  6. 請求項３に記載の実装装置であって、
    前記被ボンディング対象又は前記被ボンディング対象に前記電子部品が取り付けられた前記被ボンディング対象の表面を前記実装ステージに向かって押さえるウィンドクランパを備え、
    前記平板は、前記ウィンドクランパの前記超音波スピーカから遠い側の端部の上面に取り付けられている実装装置。
  7. 請求項２に記載の実装装置であって、
    前記反射面は、前記撮像デバイスと前記実装ステージとの間に傾斜配置されたハーフミラーの表面と、前記実装ステージ上に載置された被ボンディング対象の表面とで構成される実装装置。
  8. 請求項２に記載の実装装置であって、
    前記反射面は、前記超音波スピーカと対向して配置された曲面ミラーの表面と、前記超音波スピーカ及び前記実装ステージとを挟んで前記曲面ミラーと対向して配置された平板の表面とで構成される実装装置。
  9. 請求項８に記載の実装装置であって、
    前記曲面ミラーは、放物線ミラー又は楕円ミラーである実装装置。
  10. 請求項１に記載の実装装置であって、
    前記定在波発生デバイスは、対向して配置された２つの超音波スピーカである実装装置。
  11. 請求項１に記載の実装装置であって、
    前記定在波発生デバイスは、前記実装ステージに向かって開口する筒を構成するように前記撮像デバイスと前記実装ステージとの間に配置された圧電素子であり、前記開口と前記実装ステージ上面との間に定在波領域を形成する実装装置。
  12. 請求項１に記載の実装装置であって、
    前記被ボンディング対象は、基板またはリードフレームである実装装置。
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