JP7008370B2 - ワイヤボンディング装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ワイヤボンディング装置の構造に関する。
半導体ダイの電極とリードフレームのリードとの間をワイヤで接続するワイヤボンディング装置が多く用いられている。ワイヤボンディング装置は、キャピラリによってワイヤを電極の上に押し付けた状態でキャピラリを超音波振動させてワイヤと電極とを接合した後、ワイヤをリードまで掛け渡し、掛け渡したワイヤをリードの上に押しつけた状態でキャピラリを超音波振動させてワイヤとリードとを接続するものである（例えば特許文献１参照）。
特許文献１に記載のワイヤボンディング装置では、キャピラリの超音波振動の方向は、超音波ホーンの伸びる方向（Ｙ方向）である。一方、リードは、半導体ダイの周囲に放射状に配置されているので、リードの伸びる方向とキャピラリの超音波振動の方向とが合わない場合がある。この場合、リードにワイヤを接続する際の超音波振動によって電極とリードの間に掛け渡したワイヤが共振してしまい、半導体ダイの電極とワイヤとの接合部が剥がれてしまうという問題があった。このため、特許文献１では、半導体ダイの載置台を回転させたり、２つの超音波ホーンで１つのキャピラリをＸＹ方向に振動させたりすることにより、電極からリードに向かうワイヤの伸びる方向と超音波振動の方向を一致させる方法が提案されている。
また、近年、キャピラリの超音波振動の方向をＹ方向のみならず、Ｙ方向と直交するＸ方向にも同時に振動させるＸＹ混合加振を行うボンディング装置が提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。
特開２００８－６０２１０号公報 国際出願公開２０１７／０９４５５８号パンフレット 特許第６１８０７３６号公報
ところで、近年、ＩＣの小型化の要求により、リードの幅が狭くなる傾向にある。このような幅の狭いリードでは、リードの伸びる方向とキャピラリの超音波振動の方向とが異なると、超音波振動によりリードの幅方向に加わる力によってリードが変形してしまい、ワイヤとリードとの接合品質が低下する場合がある。この場合、特許文献１に記載されたような半導体ダイの載置台を回転させたり、２つの超音波ホーンで１つのキャピラリをＸＹ方向に振動させたりする方法では、構造が複雑になると共に、ボンディングのタクトタイムが長くなってしまうという問題がある。また、特許文献２、３に記載されたボンディング装置では、ＸＹ混合加振を行うものの、リードの伸びる方向と超音波振動の方向の関係については検討されておらず、超音波加振によるリードの変形が発生し、接合品質が低下してしまうという問題がある。
そこで、本発明は、簡便な構成によりワイヤと電極との接合品質の低下を抑制することを目的とする。
本発明のワイヤボンディング装置は、２つの超音波振動が入力されて先端に取り付けられたボンディングツールを異なる周波数でＹ方向と、Ｙ方向に直交するＸ方向とに加振可能な超音波ホーンと、２つの超音波振動の各振動の大きさを調整する制御部と、を含み、Ｙ方向は、超音波ホーンの伸びる方向であり、制御部は、２つの超音波振動の各振動の大きさを調整することにより、ボンディングツールのＹ方向とＸ方向との振幅の比率を調整すること、を特徴とする。
これにより、簡便な構成で電極の幅方向に加わる振動エネルギを小さくしてワイヤと電極との接合品質の低下を抑制することができる。
本発明のワイヤボンディング装置において、ボンディングツールは、Ｙ方向に対して傾斜して配置された帯状の電極にワイヤを接続し、電極の画像を撮像する撮像装置を備え、制御部は、撮像装置によって撮像した電極の画像を処理してＹ方向に対する電極の伸びる方向の角度を算出し、算出した角度に応じて２つの超音波振動の各振動の大きさを調整すること、としてもよい。また、制御部は、算出した角度が大きくなるほどボンディングツールのＸ方向の振幅に対するＹ方向の振幅の比率が小さくなるように、各振動の大きさを調整すること、としてもよい。
これにより、Ｙ方向に対する電極の伸びる方向の角度が大きくなるほどボンディングツールの先端が電極に加えるＹ方向の振動エネルギを小さくすることができ、ワイヤと電極との接合品質の低下を抑制することができる。
本発明のワイヤボンディング装置において、制御部は、ボンディングツールのＹ方向とＸ方向との振幅の比率が電極の伸びる方向のＹ方向とＸ方向との比率となるように、各振動の大きさを調整すること、としてもよい。
これにより、ボンディングツールの先端の振動範囲の対角線の伸びる方向が電極の伸びる方向となり、電極に入力する超音波振動のエネルギの方向を電極の伸びる方向とすることができ、電極の変形を抑制して接合品質の低下を抑制することができる。
本発明のワイヤボンディング装置において、制御部は、撮像装置によって撮像した電極の画像を処理して電極の伸びる方向と直角方向の電極の幅を算出し、ボンディングツールの電極の伸びる方向と直角方向の振幅が算出した電極の幅を超えないように、２つの超音波振動の各振動の大きさを調整すること、としてもよい。
これにより、電極の幅方向に加わる力をさらに低減して電極の変形を抑制することができ、簡便な構成でワイヤと電極との接合品質の低下を抑制することができる。
本発明のワイヤボンディング装置において、超音波ホーンは、２つの異なる周波数でＹ方向に振動可能な超音波振動子が接続され、超音波振動子から入力されたＹ方向の超音波振動を増幅して先端に伝達する振動増幅部と、Ｙ方向の超音波振動を超音波ホーンのねじり振動に変換する振動変換部とを有し、制御部は、超音波振動子の各振動の大きさを調整すること、としてもよい。また、振動増幅部は平面視で多角形形状であり、振動変換部は、Ｙ方向に対して斜めに配置されたスリットであること、としてもよい。更に、本発明のワイヤボンディング装置において、超音波ホーンは、超音波ホーンをＹ方向に振動させる第１の超音波振動子と、超音波ホーンをねじり振動させる第２の超音波振動子とが接続され、制御部は、第１の超音波振動子の振動の大きさと第２の超音波振動子の振動の大きさとを調整すること、としてもよい。
簡便な構成でボンディングツールの先端をＸＹ方向に振動可能とすることができる。
本発明は、簡便な構成によりワイヤと電極との接合品質の低下を抑制することができる。
実施形態のワイヤボンディング装置の構成を示す系統図である。 図１に示すワイヤボンディング装置の超音波ホーンと、半導体ダイが取付けられたリードフレームと、半導体ダイの電極とリードフレームのリードとを接続するワイヤとの位置関係を示す平面図である。 図１に示すワイヤボンディング装置によるボンディング動作を示す説明図である。 図１に示すワイヤボンディング装置によるボンディング動作を示す説明図である。 図１に示すワイヤボンディング装置によるボンディング動作を示す説明図である。 図１に示すワイヤボンディング装置によるボンディング動作を示す説明図である。 超音波振動子の振動の周波数と振動の大きさを示すグラフである。 キャピラリ先端の振動軌跡を示す図である。 キャピラリ先端の振動範囲を示す図である。 超音波振動子のＸ方向とＹ方向の振動の大きさを変化させた場合のキャピラリ先端の振動軌跡と振動範囲の変化とを示す図である。 図１に示すワイヤボンディング装置の制御部の機能ブロック図である。 実施形態のワイヤボンディング装置の動作を示すフローチャートである。 撮像装置で撮像したリードの画像を示す図である。 リードの伸びる方向と、キャピラリ先端のＸ方向の振幅ΔＸとＹ方向の振幅ΔＹとの関係を示すグラフである。 実施形態のボンディング装置によってリードにワイヤを接合する際のキャピラリ先端の振動範囲を示す平面図である。 他の実施形態のボンディング装置の超音波ホーンの構成を示す斜視図である。 他の実施形態のボンディング装置の超音波ホーンの平面図である。 図１３に示すボンディング装置の超音波振動子の構成と駆動系統を示す図である。
＜ワイヤボンディング装置の構成＞
以下、図面を参照しながら実施形態のワイヤボンディング装置１００について説明する。図１に示すように、本実施形態のワイヤボンディング装置１００は、フレーム１０と、フレーム１０の上に取り付けられたＸＹテーブル１１と、ＸＹテーブル１１の上に取り付けられたボンディングヘッド１２と、ボンディングヘッド１２に取り付けられたボンディングアーム１３と、ボンディングアーム１３の先端に取り付けられた超音波ホーン１４と、超音波ホーン１４を超音波振動させる超音波振動子１６と、超音波ホーン１４の先端に取り付けられたボンディングツールであるキャピラリ１５と、半導体ダイ１９が取り付けられたリードフレーム２０を加熱吸着するヒートブロック１７と、制御部５０と、を備えている。なお、図１において、ＸＹ方向は水平方向、Ｚ方向は上下方向を示す。
ボンディングヘッド１２は、ＸＹテーブル１１によってＸＹ方向に移動する。ボンディングヘッド１２の内部には、ボンディングアーム１３を上下方向（Ｚ方向）に駆動するＺ方向モータ３０が設けられている。また、ボンディングヘッド１２の上部には、リードフレーム２０の画像を撮像する撮像装置であるカメラ３７と、ワイヤ３８を供給するスプール３９とが取付けられている。
Ｚ方向モータ３０は、ボンディングヘッド１２に固定された固定子３１と、回転軸３３の周りに回転する可動子３２とで構成されている。可動子３２は、ボンディングアーム１３の後部と一体になっており、可動子３２が回転移動するとボンディングアーム１３の先端が上下方向に移動する。可動子３２が回転移動すると、キャピラリ１５の先端は、半導体ダイ１９の第１電極である電極１９ａ（図２に示す）の上面に対して略垂直方向に上下に移動する。ボンディングアーム１３の先端には、超音波ホーン１４のフランジ１４ａがボルトで固定されている。また、ボンディングアーム１３の先端部分の下側の面には、超音波振動子１６を収容する凹部１３ａが設けられている。
超音波ホーン１４の先端にはキャピラリ１５が取り付けられている。キャピラリ１５は、中心にワイヤ３８を通す為の孔が設けられている円筒形で、先端に向かうにつれて外径が小さくなっている。ヒートブロック１７は、フレーム１０の上に取り付けられている。ヒートブロック１７には、ヒートブロック１７を加熱するヒータ１８が取り付けられており、その上面にリードフレーム２０を吸着固定する。
Ｚ方向モータ３０の固定子３１には、モータドライバ３４を介して電源３５から駆動電力が供給されている。また、超音波振動子１６には、超音波振動子ドライバ４２を介して電源４１から駆動電力が供給されている。
制御部５０は、内部に演算処理を行うＣＰＵ５２と、制御プログラム、データ等を格納するメモリ５３と、機器との入出力を行う機器インターフェース５１とを備えるコンピュータである。ＣＰＵ５２とメモリ５３と機器インターフェース５１とはデータバス５４で接続されている。
超音波振動子１６、Ｚ方向モータ３０は、それぞれ超音波振動子ドライバ４２、モータドライバ３４を介して制御部５０に接続されており、超音波振動子１６、Ｚ方向モータ３０は、制御部５０の指令によって動作する。また、カメラ３７も制御部５０に接続されており、カメラ３７が撮像した画像は制御部５０に入力される。
図２に示すように、リードフレーム２０は、中央に配置され半導体ダイ１９が取付けられるアイランド２１と、アイランド２１の周囲に放射状に配置された帯状の第２電極であるリード２２とで構成されている。アイランド２１の上に半導体ダイ１９を取付けると、リード２２は、半導体ダイ１９の周囲に放射状に配置された状態となる。
図２においてＹ方向は超音波ホーン１４の伸びる方向であり、Ｘ方向は、Ｙ方向に対して直交する方向を示す。また、一点鎖線はリード２２の伸びる方向２５を示す。図２に示すように、リード２２の伸びる方向は、Ｙ方向に対して傾斜している。また、図２に示すように超音波振動子１６は、超音波ホーン１４に組み込まれている。
＜基本的なワイヤボンディング動作＞
以下、図３Ａから図３Ｄを参照しながら、図１に示すワイヤボンディング装置１００によって半導体ダイ１９の電極１９ａとリードフレーム２０のリード２２の第２ボンド点２４との間をワイヤ３８によって接続するワイヤボンディングの工程について簡単に説明する。
図３Ａに示すように、キャピラリ１５に貫通させたワイヤ３８の先端を球状のフリーエアボール３８ａに形成する。フリーエアボール３８ａの形成は、トーチ電極４０とキャピラリ１５の先端から延出したワイヤ３８の先端との間にスパークを発生させ、その熱により行う。また、半導体ダイ１９が取り付けられたリードフレーム２０はヒートブロック１７に吸着固定されると共にヒータ１８によって所定の温度に加熱されている。
次に、図３Ｂに示すように、Ｚ方向モータ３０を駆動してボンディングアーム１３を回転させ、キャピラリ１５の先端を半導体ダイ１９の電極１９ａに向かって下降させる。そして、半導体ダイ１９の電極１９ａの上にフリーエアボール３８ａを押圧すると同時に超音波振動子１６に交番方向の電力を供給し、超音波ホーン１４に共振を発生させて先端に取り付けられたキャピラリ１５を超音波振動させる。キャピラリ１５によるフリーエアボール３８ａの電極１９ａへの押圧と超音波振動によってフリーエアボール３８ａと半導体ダイ１９の電極１９ａとが接合する。
図３Ｃに示すように、フリーエアボール３８ａを半導体ダイ１９の電極１９ａの上に接合したら、ワイヤ３８を繰り出しながらワイヤ３８をルーピングしてリードフレーム２０のリード２２の上にキャピラリ１５を移動させる。そして、図３Ｄに示すように、キャピラリ１５を下降させてワイヤ３８をリード２２の第２ボンド点２４に押圧する。また、同時に超音波振動子１６に交番方向の電力を供給しキャピラリ１５を超音波振動させる。このように、押圧荷重と超音波振動によってワイヤ３８をリード２２の第２ボンド点２４に接合する。
第２ボンド点２４への接合が終了したら、ワイヤ３８は第２ボンド点２４の上面で切断される。半導体ダイ１９の電極１９ａとリード２２の第２ボンド点２４の間を接続するワイヤ３８は、図２に示す接続ワイヤ２３となる。半導体ダイ１９の全ての電極１９ａと全てのリード２２の第２ボンド点２４とが接続ワイヤ２３で接続されると半導体ダイ１９へのボンディング動作は終了する。
＜超音波振動子と超音波ホーンの超音波振動＞
次に図２、図４を参照しながら超音波振動子１６と超音波ホーン１４の超音波振動について詳しく説明する。
図２に示す超音波振動子１６は、図４に示すようにＦ１，Ｆ２の２つの異なる周波数で振動可能である。超音波振動子１６が周波数Ｆ１で振動すると、図２に示す超音波ホーン１４の軸方向であるＹ方向に伸縮するように共振して先端のキャピラリ１５の先端がＹ方向に振動する。また、超音波振動子１６が周波数Ｆ２で振動すると、超音波ホーン１４がＹ軸周りにねじり共振する。これにより、キャピラリ１５の先端がＸ方向に振動する。このように、超音波ホーン１４は、超音波振動子１６から周波数Ｆ１，Ｆ２の２つの超音波振動が入力されてキャピラリ１５の先端をＸＹ方向に加振可能である。
周波数Ｆ１，Ｆ２を、例えば、１５０ｋＨｚ、１８０ｋＨｚのように近接した周波数とすると、キャピラリ１５の先端の振動軌跡６１は図５Ａ、図６の実線に示すようなリサージュ波形となる。また、Ｘ方向の振幅ΔＸ1と、Ｙ方向の振幅ΔＹ1が同一の場合、図５Ｂ、図６に実線で示すように、先端の振動範囲６２は略正方形となる。この場合、Ｙ方向に対する振動範囲６２の対角線がなす角度θ１は、４５度となる。
図１に示す超音波振動子ドライバ４２には、超音波振動子１６の振動周波数を周波数Ｆ１にロックする第１位相同期回路（以下、ＰＬＬ１という）と、超音波振動子１６の振動周波数を周波数Ｆ２にロックする第２位相同期回路（以下、ＰＬＬ２という）とが設けられている。図４に示す周波数Ｆ１（Ｙ方向振動）の振動の大きさと、周波数Ｆ２（Ｘ方向振動）の振動の大きさは、ＰＬＬ１，ＰＬＬ２の各ゲインを変更することで調整することができる。
例えば、ＰＬＬ１のゲインを大きくしてＰＬＬ２のゲインを小さくすると図４に実線で示すように、周波数Ｆ１の振動の大きさが大きく、周波数Ｆ２の振動の大きさが小さくなる。この場合、図６に破線で示すように、キャピラリ１５の先端のＹ方向の振幅ΔＹ２が大きくなり、Ｘ方向の振幅ΔＸ２が小さくなり、先端の振動軌跡６３、振動範囲６４はＹ方向に長い長方形となる。この場合、Ｙ方向に対する振動範囲６４の対角線がなす角度θ２は、４５度よりも小さくなる。
逆にＰＬＬ１のゲインを小さくし、ＰＬＬ２のゲインを大きくすると、図４の一点鎖線で示すように、周波数Ｆ１の振動の大きさが小さくなり、周波数Ｆ２の振動の大きさが大きくなる。この場合、図６に一点鎖線で示すように、キャピラリ１５の先端のＹ方向の振幅ΔＹ３が小さくなり、Ｘ方向の振幅ΔＸ３が大きくなり、先端の振動軌跡６５、振動範囲６６はＸ方向に長い長方形となる。この場合、Ｙ方向に対する振動範囲６６の対角線がなす角度θ３は、４５度よりも大きくなる。
従って、超音波振動子ドライバ４２のＰＬＬ１、ＰＬＬ２のゲインを調整することにより、キャピラリ１５の先端のＹ方向の振幅ΔＹとＸ方向の振幅ΔＸの比率（振幅ΔＸに対する振幅ΔＹの比率＝ΔＹ／ΔＸ）を調整することができる。
＜制御部の機能ブロック＞
図７に示すように、制御部５０は、画像取得部５５と、画像取得部５５が取得した画像を処理してリード２２の伸びる方向２５を算出する画像処理部５６と、超音波振動子１６の振動の大きさを調整してキャピラリ１５の先端のＹ方向の振幅ΔＹとＸ方向の振幅ΔＸの比率ΔＹ／ΔＸを調整する振幅調整部５７との３つの機能ブロックを含んでいる。これらの各機能ブロックは、メモリ５３に格納されているプログラムを実行することにより実現される。
＜ワイヤボンディング装置の動作＞
次に、図８から図１１を参照しながら、本実施形態のワイヤボンディング装置１００の動作について説明する。
＜リードの伸びる方向と幅の算出＞
図８のステップＳ１０１に示すように、画像取得部５５は、図１に示すカメラ３７によって図２に示すリードフレーム２０の画像を取得する。図９は、カメラ３７の視野３７ａの中のリード２２の画像を示す図である。なお、カメラ３７でリードフレーム２０を撮像すると視野３７ａの中には複数本のリード２２の画像が含まれるが、図９では、１本のリード２２の画像のみを取り出して記載し、他のリード２２の画像の図示は省略した。画像取得部５５は、撮像した画像を画像処理部５６に出力する。
図８のステップＳ１０２に示すように、画像処理部５６は、画像取得部５５から入力された画像を処理して次に説明するように、リード２２の伸びる方向２５を算出する。
画像処理部５６は、図９に示すように、リード２２を跨ぐような２つの検出範囲２６ａ，２６ｂを設定する。図９に示すように、２つの検出範囲２６ａ，２６ｂは、リード２２の長手方向に離間して位置するように設定されている。
次に、画像処理部５６は、設定した検出範囲２６ａ，２６ｂの中の輝度変化点を検出する。通常、リード２２の部分はリード２２の表面は平面で光が反射されるので輝度が高い。リード２２の間の部分は空間になっているので、この部分に入った光は、リード２２よりも下に位置する面、例えばヒートブロック１７の表面などで反射されるので輝度が低くなっている。従って、リード２２のエッジの部分では、輝度が低い状態から輝度と高い状態との間で輝度が変化する。このため、画像処理部５６は、図９に示す検出範囲２６ａの中にあるリード２２の幅方向の２つのエッジ２７ａ，２８ａ、および検出範囲２６ｂの中にあるリード２２の幅方向の２つのエッジ２７ｂ，２８ｂの４つの点を輝度変化点として抽出する。
そして、画像処理部５６は、検出範囲２６ａの中のエッジ２７ａと検出範囲２６ａと離間した検出範囲２６ｂの中のエッジ２７ｂとを用いてリード２２の伸びる方向２５とＹ方向との角度θを算出する。同様に画像処理部５６は、エッジ２８ａとエッジ２８ｂとを用いてリード２２の伸びる方向２５とＹ方向との角度θを算出する。そして、画像処理部５６は、算出した２つの角度θの平均値をリード２２の伸びる方向２５とＹ方向との角度θとして振幅調整部５７に出力する。ここで、角度θは、図９のＹ方向に対するリード２２の伸びる方向２５の角度であり、０°～±９０°の範囲となる。
また、画像処理部５６は、検出範囲２６ａの中のエッジ２７ａ，２８ａ、および、検出範囲２６ｂの中のエッジ２７ｂ，２８ｂとからそれぞれリード２２の伸びる方向と直角方向のリード２２の幅を算出し、その平均値をリード２２の第２ボンド点２４の近傍のリード２２の幅Ｗとして振幅調整部５７に出力する。
＜ＰＬＬ１、ＰＬＬ２のゲインの設定＞
図８のステップＳ１０３、図１０に示すように、振幅調整部５７は、キャピラリ１５の先端のＸ方向の振動の振幅ΔＸとＹ方向の振幅ΔＹの比率ΔＹ／ΔＸが画像処理部５６から入力されたリード２２の伸びる方向２５とＹ方向との角度θの絶対値のｔａｎ、つまり、ｔａｎ（｜θ｜）となるような、超音波振動子ドライバ４２のＰＬＬ１、ＰＬＬ２のゲインの比率を算出する。この際、メモリ５３に振幅ΔＹとＰＬＬ１との関係及び振幅ΔＸとＰＬＬ２との関係を規定したマップ等を格納しておき、このマップを参照して、ＰＬＬ１、ＰＬＬ２の比率を算出してもよい。
このようにＰＬＬ１、ＰＬＬ２のゲインの比率を設定すると図１０に示すように、キャピラリ１５の先端のＹ方向の振幅ΔＹとＸ方向との振幅ΔＸの比率（ΔＹ／ΔＸ）がリード２２の伸びる方向２５のＹ方向とＸ方向との比率となる。そして、キャピラリ１５の先端の振動範囲６０は長方形となり、その対角線の伸びる方向はリード２２の伸びる方向となる。また、リード２２の伸びる方向２５とＹ方向との角度θが大きくなるほど、Ｙ方向の振幅ΔＹが小さくなり、Ｘ方向との振幅ΔＸが大きくなる。つまり、角度θが大きくなるほど、振幅ΔＸに対する振幅ΔＹの比率＝ΔＹ／ΔＸが小さくなる。
また、振幅調整部５７は、検出したリード２２の幅Ｗと、リード２２の伸びる方向２５とＹ方向との角度θとに基づいて、図１０に示す振動範囲６０がリード２２の幅Ｗを超えない振幅ΔＸあるいはΔＹを算出し、これと先に計算したＰＬＬ１、ＰＬＬ２のゲインの比率とからＰＬＬ１、ＰＬＬ２のゲインを算出してメモリ５３に格納する。
画像取得部５５が取得した画像の中に複数のリード２２が含まれている場合、画像処理部５６と、振幅調整部５７とはリード２２毎にＰＬＬ１、ＰＬＬ２のゲインを算出してメモリ５３に格納する。そして、画像中の全てのリード２２についてＰＬＬ１、ＰＬＬ２のゲインをメモリ５３に格納したら、画像取得部５５の撮像した次に画像を同様に処理して、図２に示すリードフレーム２０の全てのリード２２についてＰＬＬ１、ＰＬＬ２のゲインをメモリ５３に格納する。このように、画像取得部５５と画像処理部５６と、振幅調整部５７とは全てのリード２２についてＰＬＬ１、ＰＬＬ２のゲインをメモリ５３に格納するまで、図８に示すステップＳ１０１からステップＳ１０４を繰り返し実行する。そして、全てのリード２２についてＰＬＬ１、ＰＬＬ２のゲインをメモリ５３に格納したら、ステップＳ１０４でＹＥＳと判断して図８のステップＳ１０５に進み、リードフレーム２０へのボンディング動作を開始する。
＜ボンディング動作＞
ボンディング動作は、先に図３Ａから図３Ｄを参照して説明したのと同様の動作であるが、制御部５０は、図３Ｃに示すリード２２の第２ボンド点２４へのボンディングを行う際に、メモリ５３に格納した各リード２２についてのＰＬＬ１、ＰＬＬ２のゲインを読み出して超音波振動子１６を動作させる。
先に説明したように、メモリ５３に格納した各リード２２についてのＰＬＬ１、ＰＬＬ２のゲインは、キャピラリ１５の先端のＹ方向の振幅ΔＹとＸ方向との振幅ΔＸの比率（ΔＹ／ΔＸ）がリード２２の伸びる方向２５のＹ方向とＸ方向との比率となるように設定されている。従って、メモリ５３から読み出したＰＬＬ１、ＰＬＬ２のゲインを用いて超音波振動子１６を動作させると、図１１に示すように、キャピラリ１５の先端の振動範囲６０の対角線の伸びる方向はリード２２の伸びる方向２５となる。
制御部５０は、図８のステップＳ１０６で全てのリード２２へのボンディングが終了するまで、ボンディング動作を続け、全てのリード２２へのボンディングが終了したら、プログラムの実行を終了する。
本実施形態のワイヤボンディング装置１００は、キャピラリ１５の先端のＹ方向の振幅ΔＹとＸ方向との振幅ΔＸの比率（ΔＹ／ΔＸ）がリード２２の伸びる方向２５のＹ方向とＸ方向との比率となるように各リード２２についてのＰＬＬ１、ＰＬＬ２のゲインを設定する。これにより、キャピラリ１５の先端の振動範囲６０の対角線の伸びる方向はリード２２の伸びる方向２５となる。このため、リード２２に入力される超音波振動のエネルギの方向をリード２２の伸びる方向とすることができ、超音波振動によるリード２２の変形を抑制して接合品質の低下を抑制することができる。
また、本実施形態のワイヤボンディング装置１００は、リード２２の伸びる方向２５とＹ方向との角度θが大きくなるほど、Ｙ方向の振幅ΔＹが小さくなり、Ｘ方向との振幅ΔＸが大きくなる。このため、角度θが大きくなるほどキャピラリ１５の先端がリード２２に加えるＹ方向の振動エネルギが小さくなる。そして、角度θが９０°になると、Ｙ方向の振幅ΔＹはゼロとなり、リード２２の幅方向に加わる振動エネルギをゼロとすることができる。これにより、ワイヤ３８をリード２２に接合する際にリード２２の幅方向に加わるエネルギを低減してリード２２の変形を抑制して、ワイヤ３８とリード２２との接合品質の低下を更に抑制することができる。
また、本実施形態のワイヤボンディング装置１００は、リード２２の幅方向の振幅がリード２２の幅を超えないように各リード２２についてのＰＬＬ１、ＰＬＬ２のゲインを設定する。これにより、ボンディングの際にキャピラリ１５の先端がリード２２から外れてリード２２を変形させることを抑制することができる。これにより、ワイヤ３８とリード２２との接合品質の低下を更に抑制することができる。
以上説明した実施形態では、半導体ダイ１９の電極１９ａとリードフレーム２０のリード２２とをワイヤ３８で接続することについて説明したが、これに限らず、半導体ダイ１９の電極１９ａと半導体ダイ１９の周囲の基板に放射状に配置された帯状の電極１９ａとを接続する場合にも適用することができる。更に基板ではなく、半導体ダイ１９を積層した積層半導体の各層の電極と他の層の電極とを接続する際にも適用することができる。また、ボンディングツールとしてキャピラリ１５を例に説明したが、キャピラリ１５に限らず、例えば、ウェッジツール等を用いたワイヤボンディングにも適用することができる。
また、以上説明した実施形態では、キャピラリ１５の先端のＹ方向の振幅ΔＹとＸ方向との振幅ΔＸの比率（ΔＹ／ΔＸ）がリード２２の伸びる方向２５のＹ方向とＸ方向との比率となるように各リード２２についてのＰＬＬ１、ＰＬＬ２のゲインを設定することとして説明したが、これに限らず、リード２２の伸びる方向２５とＹ方向との角度θが大きくなるほど、振幅ΔＸに対する振幅ΔＹの比率＝ΔＹ／ΔＸが小さくなるようにしてもよい。この場合には、角度θに対するΔＹ／ΔＸを規定したマップをメモリ５３に格納しておき、このマップを参照して各リード２２についてのＰＬＬ１、ＰＬＬ２のゲインを設定するようにしてもよい。
また、実施形態では、検出したリード２２の幅Ｗと、リード２２の伸びる方向２５とＹ方向との角度θとに基づいて、振動範囲６０がリード２２の幅Ｗを超えないようにＰＬＬ１、ＰＬＬ２のゲインを算出することとして説明したが、これに限定されない。例えば、予めリード２２の幅Ｗが分かっている場合には、角度θにより既知の幅Ｗを用いてＰＬＬ１、ＰＬＬ２を算出してもよいし、幅Ｗに応じてＰＬＬ１、ＰＬＬ２の最大値を設定し、これを超えないように、ＰＬＬ１，ＰＬＬ２を設定するようにしてもよい。
次に図１２を参照しながら他の実施形態のワイヤボンディング装置２００について説明する。ワイヤボンディング装置２００は、超音波ホーン７１の構造が先に説明したワイヤボンディング装置１００の超音波ホーン１４と異なるのみで、他の部分は、ワイヤボンディング装置１００と同一であるので、図示と説明は省略する。
図１２に示すように、本実施形態のワイヤボンディング装置２００の超音波ホーン７１は、２つの異なる周波数Ｆ１，Ｆ２でＹ方向に振動可能な超音波振動子１６が接続され、超音波振動子１６から入力されたＹ方向の超音波振動を増幅して先端に伝達する振動増幅部７４と、Ｙ方向の超音波振動を超音波ホーン７１のねじり振動に変換する振動変換部７５とを有している。振動増幅部７４は平面視で四角形形状であり、振動変換部７５は、Ｙ方向に対して斜めに配置された上側スリット７５ａ、下側スリット７５ｂで構成される。なお、振動増幅部７４は平面視で多角形形状であれば四角形形状に限定されず、六角形でも八角形でもよい。
図１２に示すように、振動増幅部４は上面視において等脚台形形状の上面７４ａ及び底面７４ｂを有する断面が中実の四角柱形状をしている。上面７４ａ及び底面７４ｂには、振動変換部７５を構成する２本の上側スリット７５ａ及び２本の下側スリット７５ｂが形成されている。また、振動増幅部７４は、振動変換部７５が形成されていない面である側面７４ｃ、７４ｄ、後端面７４ｅ、先端面７４ｆを有している。後端面７４ｅには、超音波振動子１６が取り付けられている。振動増幅部７４は、Ｙ方向に沿って先端面７４ｆに向けて先細りのテーパ形状となっており、超音波振動子１６から伝達されたＹ方向の振幅を増幅させるように構成される。
振動増幅部７４のＹ方向振動の節となる位置には上側スリット７５ａ，下側スリット７５ｂが設けられている。各スリット７５ａ，７５ｂの深さ及び幅は同一であり、振動増幅部４を貫通しておらず、その最大深さは、振動増幅部４の上下方向の厚みの１／２未満である。
超音波振動子１６から２つの周波数Ｆ１，Ｆ２の超音波振動が超音波ホーン７１に入力されると、Ｙ方向の振動は振動増幅部４において増幅される。そして、Ｙ方向の振動が振動変換部７５を通過するとＹ方向の振動の一部がＹ方向の軸周りのねじり振動に変換される。
ここで、振動変換部７５の構造により、周波数Ｆ１，Ｆ２の一方のＹ方向振動をねじり振動に変換する割合を調整することができる。例えば、周波数Ｆ２のＹ方向振動をねじり振動に変換する割合を大きくし、周波数Ｆ１のＹ方向振動をねじり振動に変換する割合を小さくした場合、先に説明した実施形態と同様、ＰＬＬ１のゲインとＰＬＬ２のゲインを調整することでキャピラリ１５の先端のＹ方向の振幅ΔＹとＸ方向の振幅ΔＸとの比率ΔＹ／ΔＸを調整することができる。
従って、本実施形態のワイヤボンディング装置２００は、先に説明したワイヤボンディング装置１００と同様、キャピラリ１５の先端のＹ方向の振幅ΔＹとＸ方向との振幅ΔＸの比率（ΔＹ／ΔＸ）がリード２２の伸びる方向２５のＹ方向とＸ方向との比率となるように各リード２２についてのＰＬＬ１、ＰＬＬ２のゲインを設定することにより、キャピラリ１５の先端の振動範囲６０の対角線の伸びる方向をリード２２の伸びる方向２５とすることができる。また、リード２２の伸びる方向２５とＹ方向との角度θが大きくなるほど、Ｙ方向の振幅ΔＹを小さくし、Ｘ方向との振幅ΔＸを大きくすることができる。これにより、超音波振動によるリード２２の変形を抑制して接合品質の低下を抑制することができる。
次に、図１３、１４を参照しながら他の実施形態のワイヤボンディング装置３００について説明する。本実施形態のワイヤボンディング装置３００は、先に説明したワイヤボンディング装置１００の超音波振動子１６を、それぞれが異なる振動数Ｆ１，Ｆ２で振動する超音波振動部８６ａ，８６ｂで構成される超音波振動子８６とし、超音波振動子ドライバ８９は、各超音波振動部８６ａ，８６ｂにそれぞれ駆動電力を供給するように構成したものである。それ以外の部分は、先に説明したワイヤボンディング装置１００と同様ある。
図１３に示すように、超音波振動子８６は、左右２つの超音波振動部８６ａ，８６ｂで構成されている。図１４に示すように超音波振動子８６は、表面に設けられた溝８２によって左右が絶縁された複数のピエゾ素子８１を複数積層して構成されている。溝８２の一方の側と他方の側とは、それぞれ超音波振動部８６ａ，８６ｂを構成する。超音波振動部８６ａには超音波振動子ドライバ８９から周波数Ｆ１の電力が供給され、超音波振動部８６ｂには、周波数Ｆ２の電力が供給される。
先に説明したワイヤボンディング装置１００と同様、超音波振動部８６ａが周波数Ｆ１で振動すると、超音波ホーン１４がＹ方向に伸縮するように共振して先端のキャピラリ１５の先端がＹ方向に振動し、超音波振動部８６ｂが周波数Ｆ２で振動すると、超音波ホーン１４がＹ軸周りにねじり共振し、キャピラリ１５の先端がＸ方向に振動する。従って、超音波振動部８６ａは第１の超音波振動子を構成し、超音波振動部８６ｂは第２の超音波振動子を構成する。
超音波振動子８６がこのように構成されているので、超音波振動子ドライバ８９から超音波振動部８６ａに出力する周波数Ｆ１の電力の大きさと、超音波振動部８６ｂに出力する周波数Ｆ２の電力の大きさとを調整することにより、キャピラリ１５の先端のＹ方向の振幅ΔＹとＸ方向の振幅ΔＸとの比率ΔＹ／ΔＸを調整することができる。
本実施形態のワイヤボンディング装置３００は、先に説明したワイヤボンディング装置１００と同様の作用、効果を奏する。なお、本実施形態では、超音波振動子８６は、表面に設けられた溝８２によって左右が絶縁された複数のピエゾ素子８１を複数積層して構成されていることとして説明したがこれに限らず、２つの別体のピエゾ素子を積層して２つの独立した第１、第２超音波振動子によって超音波振動子８６を構成してもよい。
以上説明したように、各ワイヤボンディング装置１００，２００，３００は、簡便な構成によりワイヤ３８と電極との接合品質の低下を抑制することができる。
１０ フレーム、１１ テーブル、１２ ボンディングヘッド、１３ ボンディングアーム、１３ａ 凹部、１４ 超音波ホーン、１４ａ フランジ、１５ キャピラリ、１６，８６ 超音波振動子、１７ ヒートブロック、１８ ヒータ、１９ 半導体ダイ、１９ａ 電極、２０ リードフレーム、２１ アイランド、２２ リード、２３ 接続ワイヤ、２４ ボンド点、２５ リード２２の伸びる方向（一点鎖線）、２６ａ，２６ｂ 検出範囲、２７ａ，２８ａ，２７ｂ，２８ｂ エッジ、３０ Ｚ方向モータ、３１ 固定子、３２ 可動子、３３ 回転軸、３４ モータドライバ、３５ 電源、３７ カメラ、３７ａ 視野、３８ ワイヤ、３８ａ フリーエアボール、３９ スプール、４０ トーチ電極、４１ 電源、４２，８９ 超音波振動子ドライバ、５０ 制御部、５１ 機器インターフェース、５２ ＣＰＵ、５３ メモリ、５４ データバス、５５ 画像取得部、５６ 画像処理部、５７ 振幅調整部、６０，６２，６４ 振動範囲、６１，６３，６５ 振動軌跡、７１ 超音波ホーン、７４ 振動増幅部、７４ａ 上面、７４ｂ 底面、７４ｃ 側面、７４ｅ 後端面、７４ｆ 先端面、７５ 振動変換部、７５ａ 上側スリット、８１ ピエゾ素子、８２ 溝、８６ａ，８６ｂ 超音波振動部、１００，２００，３００ ワイヤボンディング装置。

Claims (9)

  1. ワイヤボンディング装置であって、
    ２つの異なる周波数でＹ方向に超音波振動可能な超音波振動子と、
    前記超音波振動子から入力された第１周波数の超音波振動によりＹ方向に共振し、前記超音波振動子から入力された前記第１周波数と異なる第２周波数の超音波振動によりＹ軸周りにねじり共振し、先端に取り付けらけれたボンディングツールを異なる周波数でＹ方向と、Ｙ方向に直交するＸ方向とに加振可能な超音波ホーンと、
    前記超音波振動子に前記第１周波数の電力を供給する第１回路と、前記超音波振動子に第２周波数の電力を供給する第２回路とを備えるドライバと、
    前記ドライバに接続されて２つの前記超音波振動の各振動の大きさを調整する制御部と、
    前記電極の画像を撮像する撮像装置と、
    を含み、
    Ｙ方向は、前記超音波ホーンの伸びる方向であり、
    前記制御部は、
    前記撮像装置によって撮像した前記電極の画像を処理してＹ方向に対する前記電極の伸びる方向の角度を算出し、
    算出した前記角度に応じて前記第１回路と前記第２回路の各出力を調整することにより、前記ボンディングツールが振動する振動範囲の対角線が伸びる方向を前記電極が伸びる方向とすること、
    を特徴とするワイヤボンディング装置。
  2. 請求項１に記載のワイヤボンディング装置であって、
    前記ボンディングツールは、Ｙ方向に対して傾斜して配置された帯状の電極にワイヤを接続すること、
    を特徴とするワイヤボンディング装置。
  3. 請求項２に記載のワイヤボンディング装置であって、
    前記制御部は、算出した前記角度が大きくなるほど前記ボンディングツールのＸ方向の振幅に対するＹ方向の振幅の比率が小さくなるように、前記第１回路の出力を小さくすること、
    を特徴とするワイヤボンディング装置。
  4. 請求項２に記載のワイヤボンディング装置であって、
    前記制御部は、
    前記ボンディングツールのＹ方向とＸ方向との振幅の比率が前記電極の伸びる方向のＹ方向とＸ方向との比率となるように、前記第１回路と前記第２回路の各出力の比率を調整すること
    を特徴とするワイヤボンディング装置。
  5. 請求項３に記載のワイヤボンディング装置であって、
    前記制御部は、前記撮像装置によって撮像した前記電極の画像を処理して前記電極の伸びる方向と直角方向の前記電極の幅を算出し、
    前記ボンディングツールの前記電極の伸びる方向と直角方向の振幅が算出した前記電極の前記幅を超えないように、前記第１回路と前記第２回路の各出力を調整すること、
    を特徴とするワイヤボンディング装置。
  6. 請求項４に記載のワイヤボンディング装置であって、
    前記制御部は、前記撮像装置によって撮像した前記電極の画像を処理して前記電極の伸びる方向と直角方向の前記電極の幅を算出し、
    前記ボンディングツールの前記電極の伸びる方向と直角方向の振幅が算出した前記電極の前記幅を超えないように、前記第１回路と前記第２回路の各出力を調整すること、
    を特徴とするワイヤボンディング装置。
  7. 請求項１から４又は６又は７のいずれか１項に記載のワイヤボンディング装置であって、
    前記超音波ホーンは、前記超音波振動子から入力されたＹ方向の前記超音波振動を増幅して前記先端に伝達する振動増幅部と、Ｙ方向の前記超音波振動を前記超音波ホーンのねじり振動に変換する振動変換部とを有すること、
    を特徴とするワイヤボンディング装置。
  8. 請求項９に記載のワイヤボンディング装置であって、
    前記振動増幅部は平面視で多角形形状であり、前記振動変換部は、Ｙ方向に対して斜めに配置されたスリットであること、
    を特徴とするワイヤボンディング装置。
  9. 請求項１から４又は６又は７のいずれか１項に記載のワイヤボンディング装置であって、
    前記第１周波数と前記第２周波数とは互いに近接した周波数であること、
    を特徴とするワイヤボンディング装置。
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