JPH07221141A - 超音波ワイヤボンディング装置 - Google Patents

超音波ワイヤボンディング装置

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JPH07221141A
JPH07221141A JP6011541A JP1154194A JPH07221141A JP H07221141 A JPH07221141 A JP H07221141A JP 6011541 A JP6011541 A JP 6011541A JP 1154194 A JP1154194 A JP 1154194A JP H07221141 A JPH07221141 A JP H07221141A
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horn
capillary
wire
ultrasonic
wire bonding
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JP6011541A
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English (en)
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Masataka Morita
真登 森田
Masaru Nagaike
勝 長池
Geraa Richiyaado
ゲラー リチャード
Makoto Imanishi
誠 今西
Takahiro Yonezawa
隆弘 米澤
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 ホーンとボンディング表面の間に充分な間隔
を確保することが出来、長いホーンを使わずとも作業面
積の増加が図れる超音波ワイヤボンディング装置を提供
する。 【構成】 ホーン１の先に位置してワイヤ４を保持する
キャピラリ３がホーン１の先に直接支持されていて、ホ
ーン１とボンディング表面との間に十分な間隔を保つに
足る長さを有する構成をとるか、あるいは、ホーン１の
先に位置してワイヤ４を保持するキャピラリ３が短いも
のであって継手を介してホーン１の先に支持されてい
て、この継手とキャピラリ３を合わせた長さがホーン１
とボンディング表面との間に十分な間隔を保つに足る長
さである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、超音波振動を発生す
るとともにワイヤのガイドも行い、所定の表面上に対し
て前記ワイヤの高精度ボンディングを行う超音波ワイヤ
ボンディング装置に関する。超音波ワイヤボンディング
装置は、プリント回路板と半導体チップをワイヤで連結
する場合などに使われる装置である。この発明の超音波
ワイヤボンディング装置は、ボールボンディング技術を
用いてワイヤをボンディングするワイヤボンディング方
法の適用が可能な構成をとることができる装置でもあ
る。
【０００２】
【従来の技術】超音波ワイヤボンディングは、通常、半
導体デバイス製造プロセスなどで用いられる。半導体チ
ップとパッケージまたはワークピースとの間に小さなワ
イヤを取り付けるために、超音波ワイヤボンディング装
置（ツール）が使われるのである。ここに言うワークピ
ースとは、通常、集積回路（ＩＣ）パッケージまたはプ
リント回路板のことである。
【０００３】超音波ワイヤボンディング装置は、ワイヤ
を約６０，０００Hz以上の高い振動数で振動させること
によりワイヤをボンディングする。この超音波ワイヤボ
ンディング装置では、ワイヤをボンディング表面に押圧
しながらワイヤを振動させるのである。ワイヤは、ボン
ディング表面の水平面に対して平行方向に変位するよう
に振動する。ワイヤがボンディング表面に抗して振動す
ることにより、ワイヤおよびボンディング表面の可塑歪
み(plastic deformation) が起きる。この歪みにより、
ワイヤおよびボンディング表面の原子が結合して、常温
溶接結合（a cold weld bond) が形成される。この常温
溶接結合が形成されることでボンディングが達成され
る。
【０００４】超音波ワイヤボンディング装置は、ワイヤ
の一方の端を半導体チップにボンディングするととも
に、ワイヤをワークピースに導いてワイヤのもう一方の
端となる位置でワークピースにボンディングする。その
後、ワイヤをカットしてから、上記の操作を繰り返して
他のコネクティングを行う。
【０００５】もう少し具体的に言えば、図９にみるよう
に、超音波振動印加用のホーン（超音波ホーン）１０１
の先にキャピラリ１０２が垂直に固定されており、ワー
クテーブル１０３の上に置かれた半導体チップ（ベアチ
ップ）１０４のボンディング表面にキャピラリ１０２に
通したワイヤ１０６を先端を微小圧で押しつけるととも
に超音波振動させてボンディングしたあと、ワークテー
ブル１０３の上に置かれたリードフレーム１０５のボン
ディング表面にキャピラリ１０２に通したワイヤ１０６
を少し繰り出してから再び微小圧で押しつけるとともに
超音波振動させてボンディングし、その後、ワイヤ１０
６をカットするのである。
【０００６】超音波ワイヤボンディング装置は、通常、
超音波生起用のアクチュエータ、励振超音波を伝達する
超音波振動印加用のホーン、および、ワイヤを保持する
キャピラリとを備えており、このキャピラリがホーンの
先に支持されている。電気駆動式の振動アクチュエータ
である電歪形振動子または磁歪形振動子は、振動数が超
音波領域にある機械的な振動を起こすために用いられ
る。ホーンは、アクチュエータにより起こされた振動を
圧縮波（compression wave) としてキャピラリに伝え
る。通常、ホーンは、先細りのテーパが付いていて、キ
ャピラリにおける振動を増幅するためにある。キャピラ
リは、その先端にワイヤを少し出した状態でワイヤを保
持する。その後、キャピラリの先端は、ボンディング表
面に押しつけられる。ホーンからの振動によりキャピラ
リが振動し、これにより、キャピラリの先端から出たワ
イヤが表面にボンディングされる。
【０００７】ワイヤボンディングに必要なホーンは、こ
れを支持するとともにその上下方向の位置を定める装置
に据え付けられる。この装置は、通常、ボンディング表
面の水平方向に沿ってホーンを位置させる移動が可能な
ｘ−ｙテーブル（台）に据え付けられてボンディング装
置を構成する。このｘ−ｙテーブルは、所望の位置にワ
イヤのボンディング端を正確に置くために、前後左右に
スライドする。ホーンをその支持点でピボットする（旋
回する）ことにより、上下方向のワイヤの位置取りがな
される。そのため、キャピラリの端が、キャピラリの長
さ方向に沿って上下にアーチを描きながら動く。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
超音波ワイヤボンディング装置には、以下に述べるよう
な問題がある。
【０００９】現在のホーン設計が抱える主要な問題の一
つは、キャピラリの長さが短いために、ワークピース
（ボンディング表面）とホーンの間に間隔（クリアラン
ス）が殆ど与えられないということである。その結果、
作業面積、つまりボンディング可能範囲が限られたもの
となる。これは、ホーンが支持されている位置でホーン
がワークピースにあたってしまうからである。
【００１０】作業面積を増やすために、長いホーンを用
いることが考えられる。しかし、長いホーンには、次の
２つの大きな問題がある。第１の問題は、ホーンの熱膨
張が大きいために、ボンディングの位置精度が低下する
ということである。ボンディングの品質を向上させるた
めにワークピースを加熱する加熱テーブル（台）が、通
常、必要である。テーブルからの熱は、ホーンの温度を
上げ、ホーンを膨張させる。ホーンの長さが長いほど、
熱膨張の度合いが大きくなる。ホーンの膨張は、ボンデ
ィングの位置精度の低下を引き起こす。長いホーンの持
つ第２の問題は、サイズの増大に伴う質量の増加であ
る。ホーンの質量が大きくなると、ホーンを振動させる
のに大きなパワーが必要になる。質量が大きくなるにつ
れて、所定の距離を動かすのにより大きなエネルギーが
必要となる。
【００１１】上の２つの問題の他、ホーンにたわみが生
じ、ホーンの上下方向の振動が起きて、半導体チップな
どのワークピースを損傷するという問題も出てくる。
【００１２】そして、ワークピースとホーンの間のクリ
アランスが足りないことによる他の問題は、大きなコン
ポーネント（構成部品）を備えたボードにワイヤをボン
ディングすることが困難であることである。チップオン
ボードとして知られている表面実装技術では、プリント
回路板に半導体チップを直接実装する。プリント回路板
は、様々な高さを有する多数のコンポーネントを含んで
いる。そのため、プリント回路板に半導体を直接ワイヤ
ボンディングするためには、ホーンが前記コンポーネン
ト上に適当なクリアランスを有することが必要なのであ
る。
【００１３】現在のホーン設計のかかえる別の問題は、
キャピラリを上下動させるのに用いられるホーンのピボ
ットから生じる。適切なボンディングのためには、キャ
ピラリは、ボンディング表面に対して垂直でなければな
らない。このような垂直な位置取りが必要であるが、ホ
ーンがピボットを有するので、キャピラリがアーチ状に
動く。このことは、ピボット角度を非常に小さな角度に
限ることになる。しかし、そのようなホーン設計では、
高さが一様でない表面へのワイヤのボンディングは可能
ではない。これは、キャピラリがボンディング表面に対
して常に垂直状態を保つとは限らないからである。さら
に、揺動（ピボッティング）装置は、ホーンの端に位置
する。揺動装置の位置およびサイズにより、ホーンが、
ワークピースの真上まで充分に達したときに、ワークピ
ースが揺動装置に触れる。このことは、作業スペースの
減少をもたらすことになる。
【００１４】この発明では、上述の問題の解消に寄与す
る超音波ワイヤボンディング装置を提供することを課題
としており、特に、ホーンとワークピースの間に充分な
クリアランスを確保することが出来、長いホーンを使わ
ずとも、作業面積の増加が図れる超音波ワイヤボンディ
ング装置を提供することを主課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、この発明にかかる超音波ワイヤボンディング装置
は、主要コンポーネントとして、超音波振動印加用のホ
ーンと、ホーンの先に位置してワイヤを保持するキャピ
ラリとを備え、前記ホーンからの超音波振動がキャピラ
リに通されたワイヤ先端に伝達されてボンディング表面
に対する前記ワイヤのボンディングが行われる装置にお
いて、前記キャピラリが、ホーンの先に直接支持されて
いて、前記ホーンとボンディング表面との間に十分な間
隔を保つに足る長さを有するという第１の構成をとる
か、あるいは、前記キャピラリが短いものであって継手
を介してホーンの先に支持されていて、この継手とキャ
ピラリの合わせた長さが前記ホーンとボンディング表面
との間に十分な間隔を保つに足る長さとなっているとい
う第２の構成をとるようにしている。
【００１６】すなわち、上記第１の構成をとる超音波ワ
イヤボンディング装置の場合、図１にみるように、超音
波振動印加用のホーン（超音波ホーン）１の先にワイヤ
保持用の従来より長いキャピラリ３が長手方向をホーン
１の軸方向と直交しボンディング表面５に垂直に向かう
姿勢（長手方向が上下に向く姿勢）で装着されている。
また、上記第２の構成をとる超音波ワイヤボンディング
装置の場合、図２にみるように、ホーン１の先にワイヤ
保持用の通常の短いキャピラリ５２が継手（エクステン
ダー）５３を介して、やはりホーン１の軸方向と直交し
ボンディング表面５に垂直に向かう姿勢（長手方向が上
下に向く姿勢）で装着されている。
【００１７】なお、ホーン１には、超音波振動を発生す
るための手段として、通常、電気駆動式の振動アクチュ
エータ２である電歪形振動子または磁歪形振動子が取り
付けられている。電気駆動式の振動アクチュエータが使
われる理由は、機械的内部損失が小さいため入出力比が
大きく低発熱で高振幅が得られ、様々な形状に加工しや
すいからである。
【００１８】上記第１の構成で言うホーンとボンディン
グ表面との間に十分な間隔を保つに足る長さを有するキ
ャピラリ（ロングキャピラリ）３とは、長さが１／２〜
１インチ程度の範囲の従来よりも長いキャピラリであ
り、特に、３／４インチ（＝約１．９ｃｍ）の長さのキ
ャピラリが強度、振動、ワークピースとのクリアランス
の理由で好ましい。ちなみに従来の短いキャピラリは、
１／２インチ未満の長さである。
【００１９】図２の第２の構成におけるキャピラリ５２
は、従来と同じ長さの短いキャピラリであって、普通、
ボルト（ネジ）５４で継手５２に着脱可能に固定されて
おり、そして、継手５３は、ホーン１の先に設けられた
貫通孔に継手の後端部をボルト（ネジ）５５止めなどで
固定している。ボルト５５を緩めて継手５３を上下に移
動させてから再びボルト５５を締め固定することで高さ
調節ができる。第２の構成で言う継手とキャピラリの両
者合わせてのホーンとボンディング表面との間に十分な
間隔を保つに足る長さ（継手にキャピラリを固定した状
態で端から端まで）は、通常、１５ｍｍ〜２０ｍｍ程度
の範囲にあり、その内訳として、キャピラリだけの長さ
が、通常、５ｍｍ〜１０ｍｍ程度の範囲、継手だけの長
さが、通常、５ｍｍ〜１５ｍｍ程度の範囲にあることに
なる。
【００２０】ホーンは、キャピラリを支持する（継手を
介して支持する場合も含む）先を含む部分は先細りのテ
ーパ状となっていて、キャピラリにおける振動を十分に
増幅できるものが好ましい。
【００２１】ホーンは、通常、ホーン支持部に取り付け
られており、このホーン支持部は、ワイヤの細かな位置
決めのために上下方向に移動しながらボンディング表面
に対してキャピラリを垂直に保てる。具体的には、例え
ば、ホーンを取り付けたホーン支持部がスライド軸の案
内により上下方向に直線的な摺動が可能なスライダー
（リニヤスライダー）によって上下方向への移動を行
う。ホーン支持部が任意の上下（垂直）位置にあるボン
ディング表面に対してキャピラリを垂直に保ちつための
リニアスライダに結合している（取り付けられる）ので
ある。ホーン支持部は、これを支えることになる超音波
ワイヤボンディング装置部分に対し上下に移動するので
ある。
【００２２】ホーン支持部の位置は、通常、電気駆動式
のアクチュエータ（リニアアクチュエータ）を用いるこ
とにより定められる。この場合、ホーン支持部が上方か
らバネで吊り下げ支持されていて、このバネにより、電
気駆動式アクチュエータの駆動に伴う衝撃が軽減される
とともにホーン支持部にかかる重力の影響が軽減される
ようになっていることが好ましい。ホーン支持部を上下
に移動させるとともに、ワイヤを露出したキャピラリと
ボンディング表面の間のボンディング力の適切な制御
（グッドコントロール）を維持するリニアアクチュエー
タに作用する重力の効果（影響）に対抗するために、ホ
ーン支持部とボンディングヘッド（ホーン支持部を支え
る装置支持部分）の間にバネ（スプリング）が使用され
るのである。つまり、ホーン支持部が、移動中に反力を
維持するとともにホーン支持部に加わる重力の影響を軽
減するためのばねとも結合しているのである。
【００２３】通常、ホーンはホーン支持部の下方に位置
しており（ホーンの下端がホーン支持部の下端より下に
ある）、ワイヤボンディング装置がワークピースと接触
するのを防ぐ。
【００２４】この発明の超音波ワイヤボンディング装置
は、通常、ボンディングに必要なワイヤを供給するため
のワイヤフィーディングシステム（ワイヤ供給手段）
や、コンピュータ画像（ビジョン）コントロールテクニ
ックを用いることにより所望の位置に装置を正確に置く
ためのビデオカメラをボンディングヘッドに備える。
【００２５】ホーンは短い小型ホーンが好ましいが、ホ
ーンの最小の長さ（ホーンの軸方向の端から端までの長
さ）は、ホーン軸方向の一次固有振動数でホーン材質中
を伝わる振動波の１／２波長に相当する長さである。こ
れは、良好なホーン振動特性のために必要である。ここ
で言うホーン材質中というのは、加工済の中空のホーン
ではなく、ホーン形成材料で全てが満たされた加工前の
バルク体である。材料としては、チタンやステンレスが
例示され、具体的な寸法としては、４２ｍｍが例示され
る。
【００２６】ホーンは、上記のごとくホーン支持部に取
り付けられるのであるが、通常、ホーンは、その軸方向
の一次固有振動モードの節点（振動しない点）の位置に
フランジ（凸縁）を有していて、このフランジによりホ
ーン支持部に固定されている。これは、キャピラリへの
アクチュエータによる超音波振動の良好な伝達と増幅を
考慮してのことである。
【００２７】ボンディングヘッドには、通常、クランプ
も装着されており、このクランプは、ホーンの真上に位
置する。クランプは、エレクトリックアクチュエータを
用いて開閉される。クランプは、キャピラリに通すワイ
ヤの流れをコントロールするために用いられる。クラン
プは、ホーンが２つのボンドの間のコネクションを行っ
ている間は開かれ、コネクションが完了した後は、新た
なコネクションを進めることができるように、残ってい
るワイヤをコネクションのエンドから断ち切るために閉
じられる。
【００２８】最初のコネクションを行う前に、露出した
ワイヤの上にボールを形成するために、スパークユニッ
ト(spark unit)が用いられる。このスパークユニット
は、キャピラリ先端に露出したワイヤとスパークトーチ
(spark torch) の間にスパークを発生させる。スパーク
は、ワイヤの端を溶融させて小さなボールを形成させ
る。このボールは、ワイヤの最初のコネクションを行う
ために用いられる。スパークトーチは、キャピラリの先
端に近い位置にトーチの先端がくるようにしてボンディ
ングヘッド（装置支持部）に据え付けられる。ボールの
形成は、ワイヤボンディング装置に関して最も上の位置
にホーンがあるときに起こる。このテクニックは、ボー
ルボンディング技術として知られている。この発明の超
音波ワイヤボンディング装置は、ボールボンディング技
術を用いてワイヤをボンディングするワイヤボンディン
グ方法を適用が可能な構成をとることができるのであ
る。
【００２９】ホーンが加熱テーブルの上方で作動するの
で、ピエゾエレクトリックアクチュエータが非常に熱く
なりうる。加熱テーブルからの熱がピエゾエレクトリッ
クアクチュエータに悪影響を与えるのを防ぐために、ホ
ーンの下方にサーマルシールドが用いられる。さらに、
ホーンとアクチュエータを冷たく保つためにホーンに隣
接して据え付けられたパイプを通じてホーンの横から冷
たい空気をブロウする。冷たい空気は、また、加熱テー
ブルが引き起こす熱的分散（thermal diffraction)がビ
デオカメラの画質に悪影響を与えるのを防ぐ。
【００３０】なお、超音波ワイヤボンディング装置全体
の構成としては、第１の構成の場合、図５に示すよう
に、例えば、ボンディングヘッド１０がリニアロボット
５１によりＸＹ移動が可能に設けられており、このボン
ディングヘッド１０に前述のごとくホーン支持部８が上
下方向（Ｚ方向）に移動可能に装備されている構成が挙
げられる。リニアロボット５１でボンディングヘッド１
０を水平方向（ＸＹ方向）における所望の位置まで移動
させ、ボンディングヘッド１０のアクチュエータにより
ホーン支持部８を下に移動させ、小型のホーン１の先の
キャピラリ３を下降させて、半導体チップなどのボンデ
ィング表面にワイヤの先端を当てる。
【００３１】第２の構成の場合、図７に示すように、例
えば、ボンディングヘッド１０がリニアロボット５１に
よりＸＹ移動が可能に設けられており、このボンディン
グヘッド１０に前述のごとくホーン支持部８が上下方向
（Ｚ方向）に移動可能に装備されている構成が挙げられ
る。リニアロボット５１でボンディングヘッド１０を水
平方向（ＸＹ方向）における所望の位置まで移動させ、
ボンディングヘッド１０のアクチュエータによりホーン
支持部８を下に移動させ、ホーン１の先のキャピラリ５
２を下降させて、半導体チップなどのボンディング表面
にワイヤの先端を当てる。
【００３２】
【作用】この発明の超音波ワイヤボンディング装置で
は、ホーンには従来より長いキャピラリまたは継手を介
して長くなったキャピラリが装着されるため、ボンディ
ング表面とホーンとの間に十分なクリアランスが確保さ
れる。その結果、ワイヤボンディング装置が加熱テーブ
ルの上方で妨害されることなく作動することができ、ワ
ークピースにホーンが衝突するようなことは避けられ
る。ワイヤボンディングは、ボンディング表面と接触す
るキャピラリ先端で起こる。ホーンは、ホーンとキャピ
ラリ先端の間に十分なクリアランスがあるおかげで、ワ
イヤをボンディングする間、ボンディング表面よりも上
方で作動させることができる。そのため、ホーンは、ボ
ンディング表面上のどの位置にも自由に動く。さらに、
ボンディング表面とホーンとの間には充分なクリアラン
スがあるため、コンポーネントを有するボードにワイヤ
をボンディングすることができるようにもなる。
【００３３】上に加えて、長いホーン（long reach hor
n)はもはや必要でなく小型のホーンで十分である。その
結果、ホーンの振動に要するパワーが小さくてすむとと
もに、前述の加熱テーブルによる熱膨張の問題も少なく
なる。
【００３４】従来よりも長いキャピラリの長さが３／４
インチの場合は、強度、振動、ワークピースとのクリア
ランスが適当なものとなる。
【００３５】継手がホーンに上下方向の高さ調節が可能
に装着されている場合、継手の突き出し量を調整し、こ
れにより、キャピラリ先端の振動振幅の調整がホーン構
造の変更なしに可能となる。
【００３６】キャピラリが継手に着脱可能な場合、継手
の交換をしなくてもキャピラリが交換できる。
【００３７】ホーンに超音波振動を生起する手段として
電気駆動式アクチュエータが取り付けられている場合
は、機械的内部損失が小さいため入出力比が大きく、低
発熱で高振幅が得られ、様々な形状に加工しやすい。
【００３８】ホーンの先が先細りテーパ状であると超音
波振動が増幅されてワイヤの先端に十分な超音波振動を
伝えられる。
【００３９】ホーンが、ホーン軸方向の一次固有振動数
でホーン材質中を伝わる振動波の１／２波長に相当する
長さを有する場合、小型のホーンで十分な超音波振動を
キャピラリに伝達できる。
【００４０】ホーンが、ホーン軸方向の一次固有振動モ
ードの節点の位置においてフランジによりホーン支持部
に固定されている場合、超音波振動エネルギーをロスす
ることなく十分にキャピラリに伝達できる。
【００４１】ホーンを取り付けたホーン支持部が、スラ
イド軸の案内により上下方向に直線的な摺動が可能なス
ライダー（リニヤスライダー）によって上下方向への移
動が可能となっている場合、ワイヤの細かな位置取りの
ために上下に移動しながらボンディング表面に対してキ
ャピラリを垂直に保てるために、適切なボンディングが
確実に行える。
【００４２】ホーン支持部が電気駆動式アクチュエータ
（リニアアクチュエータ）により上下方向に直線移動さ
せるという構成の場合、キャピラリとワークピースが常
に垂直に接触できるという利点がある。
【００４３】ホーン支持部が上方からバネで吊り下げ支
持されていると、このバネにより、電気駆動式アクチュ
エータの駆動に伴う衝撃を軽減するとともにホーン支持
部にかかる重力の影響を軽減させられるという利点があ
る。
【００４４】ホーンがホーン支持部より下方に位置して
いる場合、ホーン支持部がワークピースに接触する恐れ
がより少ないという利点がある。
【００４５】
【実施例】以下、この発明にかかる超音波ワイヤボンデ
ィング装置の実施例を説明する。勿論、この発明は、下
記の実施例に限らない。つまり、この発明の特定の実施
例をここに例証し、説明するが、当業者にとって、他の
修正、変更が生じることは、了解されるべきである。し
たがって、特許請求の範囲が、この発明の真の精神およ
び範囲内でのあらゆる修正、変更をカバーすることを意
図していることが、理解されるべきである。
【００４６】−実施例１− 図３は、実施例１のボンディング装置の側面図である。
リニアスライダー上の矢印は、ホーン支持部が垂直位に
細かく動く方向を示す。左上の矢印は、装置が動くこと
の可能な方向を示すが、これ以外に紙面に垂直なＹ方向
にも移動可能である。図４は、実施例１のワイヤボンデ
ィング装置の正面図である。なお、実施例１の超音波ワ
イヤボンディング装置のアクチュエータと従来よりも長
いキャピラリを備えた超音波ワイヤボンディングホーン
まわりは図１のとおりである。この図１は、ワイヤボン
ディングの起こり方を詳しくあらわす。
【００４７】図１は、ピエゾエレクトリックアクチュエ
ータ２およびキャピラリ３を備えたホーン１の外観を示
す。アクチュエータ２は、矢印の示すホーン１の長さ方
向に沿った機械的な振動（矢印方向に変位のある振動）
を発生する。この機械的な振動は、ホーン１を通じて圧
力波として伝わる。ホーン１は、キャピラリ３の位置で
振動をよく増幅できるように、先細りテーパ状となって
いる。ワイヤ４は、キャピラリ先端３で少し露出しなが
らキャピラリ３の中心を通って走る。
【００４８】ホーン１からの振動は、ボンディング表面
５に対して平行にキャピラリ３を動かして、ワイヤ４を
ボンディング表面５にボンディングさせる。キャピラリ
３は、ホーン１にあけられたプレスフィットホールを用
いて保持されている。キャピラリボルト６は、プレスフ
ィットホールのグリップをかたくしめてキャピラリ３を
しっかりと保持するために用いられる。ホーン１は、フ
ランジ７により支持されている。
【００４９】振動の適度な伝達のために、アクチュエー
タ２の駆動振動数とホーン１の軸方向の一次固有振動モ
ードの振動数がマッチしていなければならない。そのた
め、アクチュエータ２は、ホーン１の軸方向の一次固有
振動モードの振動数にマッチしたエレクトリックパルス
により駆動される。このエレクトリックパルスは、アク
チュエータ２を膨張および収縮させることにより、エレ
クトリックシグナルの振動数で振動を発生させる。フラ
ンジ７は、ホーンの軸方向の一次固有振動モードに関し
て節点すなわち無振動点に位置している。これは、振動
エネルギーがホーン支持部８に殆ど入らないことを確実
にする。
【００５０】超音波ワイヤボンディング装置では、図３
にみるように、ホーン１はホーン支持部８により保持さ
れているとともに、スライド軸１１ａの案内により上下
方向に直線的な摺動が可能な２つのリニアスライダー１
１でボンディングヘッド（装置支持部）１０によって上
下方向に移動するようになっている。したがって、ホー
ン支持部８は、電気駆動式のリニヤアクチュエータ９に
よりボンディング表面に対し垂直方向（ｚ軸）にスライ
ドすることになる。リニヤアクチュエータ９は、ｚ軸に
沿ってホーン１の位置を正確に設定するとともにワイヤ
４のボンディングに要するキャピラリ３の端に必要なボ
ンディング力を与え、電気的に駆動されるリニアアクチ
ュエータなのである。ホーン支持部８とボンディングヘ
ッド１０の間にあるバネ（スプリング）１２はホーン支
持部８を所定の位置に保持するために用いられる。この
バネ１２により、ホーン支持部８にかかる重力の影響が
軽減されるため、駆動容量のアクチュエータで正確な位
置制御が可能となる。
【００５１】ワイヤ４の第１の端は、半導体チップ等の
ボンディング表面５にボンディングされる。その後、ワ
イヤボンディング装置は、コネクションを完了するため
に他の位置に移動する。ワイヤ４のもう一つの端は、集
積回路パッケージまたはプリント回路板等の第２のボン
ディング表面１３にボンディングされる。プリント回路
板のボンディング表面１３は、通常、それに付属したい
くつかのコンポーネント１４があるため、ホーン１とボ
ンディング表面１３の間にクリアランスが必要である。
ワイヤ４のコネクションが一旦完了すると、ワイヤクラ
ンプ１５が閉じてワイヤ４をしっかりと保持する。その
後、ホーン１は、上にスライドし、ワイヤ４とボンディ
ング表面１３に残るワイヤの間のコネクションを断ち切
る。
【００５２】ワイヤボンディング装置が新たなコネクシ
ョンを行うために移動するとき、キャピラリ３の先端に
ワイヤ４が少し露出して残る。スパークトーチ１６を用
いてワイヤ４の先端を溶融することにより、ワイヤ４の
先端にボールを形成させる。前記スパークトーチ１６
は、トーチ１７の先端からワイヤに電気スパークを発生
させるものである。ホーン１の位置は、２つのボンディ
ング表面の間の新たなコネクションを行えるように設定
され、クランプ１５は、ワイヤ４をキャピラリ３の中に
流すために開かれる。
【００５３】ワイヤボンディング装置は、前述の図５の
ように構成されていて、ボンディング表面５，１３上の
任意の位置にワイヤをボンディングするために、すべて
の方向（ｘ−ｙ−ｚ）に動くことができる。
【００５４】ワイヤ４は、図４にみるようなワイヤスプ
ール１９から必要量のワイヤ４を供給するワイヤフィー
ダ１８を用いて供給される。ワイヤ４は、ワイヤポジシ
ョナー２０を用いてキャピラリ３の中をまっすぐにワイ
ヤ４が送られるように位置決めされる。ワイヤテンショ
ナー２１を用いてワイヤ４の張力が維持される。ワイヤ
フィードセンサ（図示省略）は、必要量のワイヤ４がワ
イヤボンディング装置に供給されるのを確実にする。
【００５５】ボンディング表面１３は、ワイヤ４の良好
なボンディングを確実にするために熱くなければならな
い。加熱台２２は、ボンディング表面１３を加熱するた
めに用いられる。加熱台２２からの熱は、また、熱によ
り性能に悪影響を受ける超音波アクチュエータ２を加熱
する。加熱台２２からアクチュエータ２を絶縁するため
にサーマルシールド２３が用いられる。アクチュエータ
２やホーン１に冷たい空気を吹きつけて、それらを冷た
く保ち、どのような熱の影響も減少させるために、クー
リングパイプ２４も用いられる。クーリングパイプ２４
は、また、ビデオカメラ２５により見られる物体の画像
に悪影響をもたらす熱的分散（thermaldiffraction)を
減少させる。
【００５６】ワイヤボンディング装置の細かな位置取り
は、コンピュータ画像システムを用い、ボンディング表
面１３にマークを付け、ボードの位置を正確に求めるこ
とにより成し遂げられる。ボード上のマークを見るため
にビデオカメラ２５が用いられる。ビデオカメラ２５
は、カメラ支持部２６を用い、ボンディングヘッド１０
の側面に据え付けられている。エレクトリックライト２
７を用い、ボードのボンディング表面１３を適度に照ら
して、ポジショニングマーカーの明るい視界を得る。
【００５７】−実施例２− 図２は、実施例２にかかる超音波ワイヤボンディング装
置のホーン１と継手５３および短いキャピラリ５２まわ
りの外観を示す。図７は、実施例２の超音波ワイヤボン
ディング装置の全体構成を示す。これ以外の詳細な構成
は前記の実施例１と同じであるため図示を省略する。
【００５８】図７に示すように、ボンディングヘッド１
０がリニアロボット５１によりＸＹ移動が可能に設けら
れており、このボンディングヘッド１０に前述のごと
く、ホーン１が固定されたホーン支持部８が上下方向
（Ｚ方向）に移動可能に装備されている。
【００５９】図２にみるように、ホーン１はフランジ７
でホーン支持部８に固定されている。ホーン１の先の貫
通孔に挿入されている継手５３の後端部がボルト５５で
止められ、この継手５４の先にキャピラリ５２がボルト
で５４で止められている。ボルト５５を緩めれば継手５
３の突き出し量が調整でき、ボルト５４を緩めれば、キ
ャピラリ５２のみの交換ができる。
【００６０】ホーン１は、ホーン材質中をホーン軸方向
の一次固有振動数で伝わる振動波の１／２波長に相当す
る長さを有する小型ホーンであり、またフランジ７はホ
ーン１の軸方向の一次固有振動モードの節点の位置にあ
る。
【００６１】リニアロボット５１でボンディングヘッド
１０を水平方向（ＸＹ方向）における所望の位置まで移
動させ、ボンディングヘッド１０のアクチュエータによ
りホーン支持部８を下に移動させ、図８にみるように、
ホーン１の先のキャピラリ５２を下降させて半導体チッ
プなどのボンディング表面５にワイヤ４の先端を微小圧
で当てる。アクチュエータ２の振動をホーン１を介して
キャピラリ５２の先端で約５μｍ程度の振動を与えなが
ら、半導体チップのボンディング表面５と配線板などの
ボンディング表面１３をワイヤ４でボンディングする。
継手５３があるため、半導体チップより高い実装部品１
４があってもボンディングができる。
【００６２】−実施例３− 図６は、実施例３にかかる超音波ワイヤボンディング装
置のホーン１と従来よりも長いキャピラリ３まわりの外
観を示す。図５は、実施例３の超音波ワイヤボンディン
グ装置の全体構成を示す。キャピラリ３以外の詳細な構
成は前記の実施例１と同じであるため図示を省略する。
つまり、実施例３の超音波ワイヤボンディング装置は、
キャピラリ３が３／４インチと特定の寸法である他は、
実施例１と同じ構成であるため、簡単に説明しておく。
【００６３】図５に示すように、ボンディングヘッド１
０がリニアロボット５１によりＸＹ移動が可能に設けら
れており、このボンディングヘッド１０に前述のごと
く、ホーン１が固定されたホーン支持部８が上下方向
（Ｚ方向）に移動可能に装備されている。
【００６４】図６にみるように、ホーン１はフランジ７
でホーン支持部８に固定されている。ホーン１の先端に
は３／４インチのキャピラリ３がボルト（ネジ）６で止
められているのである。ボルト６を緩めればキャピラリ
の交換ができる。
【００６５】ホーン１は、ホーン材質中をホーン軸方向
の一次固有振動数で伝わる振動波の１／２波長に相当す
る長さを有する小型ホーンであり、またフランジ７はホ
ーン１の軸方向の一次固有振動モードの節点の位置にあ
る。
【００６６】リニアロボット５１でボンディングヘッド
１０を水平方向（ＸＹ方向）における所望の位置まで移
動させ、ボンディングヘッド１０のアクチュエータによ
りホーン支持部８を下に移動させ、図６にみるように、
ホーン１の先のキャピラリ３を下降させて半導体チップ
などのボンディング表面５にワイヤ４の先端を微小圧で
当てる。アクチュエータ２の振動をホーン１を介してキ
ャピラリ３の先端で約５μｍ程度の振動を与えながら、
半導体チップのボンディング表面５と配線板などのボン
ディング表面１３をワイヤ４でボンディングする。キャ
ピラリ３を用いるため、半導体チップより高い実装部品
１６が搭載されていてもボンディングができる。
【００６７】
【発明の効果】この発明の超音波ワイヤボンディング装
置では、ボンディング表面とホーンとの間に十分なクリ
アランスが確保され、ワイヤボンディング装置が加熱台
の上方で妨害されることなく作動することができるた
め、作業面積の増加が図れる上、コンポーネントを有す
るボードにワイヤをボンディングすることができるよう
にもなり、しかも、長いホーンが不必要なので、その結
果、ホーンの振動に要するパワーが小さくてすむととも
に、ワークピースを載せる加熱台による熱膨張の問題も
少なくなる。
【００６８】従来よりも長いキャピラリの長さが３／４
インチの場合は強度、振動、ワークピースとのクリアラ
ンスが適切であるという利点がある。
【００６９】継手がホーンに上下方向の高さ調節が可能
に装着されている場合、継手の突き出し量を調整し、こ
れにより、キャピラリ先端の振動振幅の調整がホーン構
造の変更なしに可能となる。
【００７０】キャピラリが継手に着脱可能な場合、継手
の交換をしなくてもキャピラリが交換できる。
【００７１】ホーンに超音波振動を生起する手段が電気
駆動式アクチュエータである場合は機械的内部損失が小
さいため入出力比が大きく、低発熱で高振幅が得られ、
様々な形状に加工しやすいという利点がある。
【００７２】ホーンが先細りテーパ状であるとワイヤの
先端に十分な超音波振動を伝えられるという利点があ
る。
【００７３】ホーンが、ホーン軸方向の一次固有振動数
でホーン材質中を伝わる振動波の略１／２波長に相当す
る長さである場合、小型のホーンで十分な超音波振動の
伝達ができる利点がある。
【００７４】ホーンが、その軸方向の一次固有振動モー
ドの節点の位置にホーン支持用のフランジを有している
場合、振動エネルギーをロスすることなく超音波振動を
キャピラリに伝達できるという利点がある。
【００７５】ホーンを取り付けたホーン支持部がスライ
ド軸の案内により上下方向に直線的な摺動が可能なスラ
イダーによって上下方向への移動が可能となっている場
合、ワイヤの細かな位置取りのために上下に移動しなが
らボンディング表面に対してキャピラリを常に垂直に保
てるため、適切なボンディングが確実に行えるという利
点がある。
【００７６】ホーン支持部が電気駆動式アクチュエータ
（リニアアクチュエータ）により上下方向に直線移動さ
せるという構成の場合、キャピラリとワークピースが常
に垂直であり、適切なボンディングが確実に行えるとい
う利点がある。
【００７７】ホーン支持部が上方からバネで吊り下げ支
持されていると、このバネにより、電気駆動式アクチュ
エータの駆動に伴う衝撃を軽減するとともにホーン支持
部にかかる重力の影響を軽減させられるという利点があ
る。
【００７８】ホーンがホーン支持部より下方に位置して
いる場合、ホーン支持部がワークピースに接触する恐れ
がより少ないという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の超音波ワイヤボンディング装置のホ
ーンおよびキャピラリまわりの構成例を示す斜視図。
【図２】この発明の超音波ワイヤボンディング装置のホ
ーンおよびキャピラリまわりの他の構成例を示す斜視
図。
【図３】実施例１の超音波ワイヤボンディング装置の側
面図。
【図４】実施例１の超音波ワイヤボンディング装置の正
面図。
【図５】この発明の超音波ワイヤボンディング装置の全
体構成例を示す斜視図。
【図６】実施例３の超音波ワイヤボンディング装置のホ
ーンおよびキャピラリまわりの構成例を示す側面図。
【図７】この発明の超音波ワイヤボンディング装置の他
の全体構成例を示す斜視図。
【図８】実施例２の超音波ワイヤボンディング装置のホ
ーンおよびキャピラリまわりの構成例を示す側面図。
【図９】従来の超音波ワイヤボンディング装置のホーン
およびキャピラリまわりの構成例を示す側面図。
【符号の説明】
１ ホーン ２ 超音波振動発生用のアクチュエータ ３ キャピラリ（ロングキャピラリ） ４ ワイヤ ７ フランジ ８ ホーン支持部 １１ リニヤスライダー １２ バネ ５２ キャピラリ ５３ 継手
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今西 誠 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 米澤 隆弘 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超音波振動印加用のホーンと、ホーンの
    先に位置してワイヤを保持するキャピラリとを備え、前
    記ホーンからの超音波振動がキャピラリに通されたワイ
    ヤ先端に伝達されてボンディング表面に対する前記ワイ
    ヤのボンディングが行われるようになっている超音波ワ
    イヤボンディング装置において、前記キャピラリが、ホ
    ーンの先に直接支持されていて、前記ホーンとボンディ
    ング表面との間に十分な間隔を保つに足る長さを有する
    ことを特徴とする超音波ワイヤボンディング装置。
  2. 【請求項２】 キャピラリの長さが３／４インチである
    請求項１記載の超音波ワイヤボンディング装置。
  3. 【請求項３】 超音波振動印加用のホーンと、ホーンの
    先に位置してワイヤを保持するキャピラリとを備え、前
    記ホーンからの超音波振動がキャピラリに通されたワイ
    ヤ先端に伝達されてボンディング表面に対する前記ワイ
    ヤのボンディングが行われるようになっている超音波ワ
    イヤボンディング装置において、前記キャピラリが短い
    ものであって継手を介してホーンの先に支持されてお
    り、この継手とキャピラリの合わせた長さが、前記ホー
    ンとボンディング表面との間に十分な間隔を保つに足る
    長さとなっていることを特徴とする超音波ワイヤボンデ
    ィング装置。
  4. 【請求項４】 キャピラリが継手に着脱可能に固定され
    ている請求項３記載の超音波ワイヤボンディング装置。
  5. 【請求項５】 ホーンの先に貫通孔が設けられていて、
    この貫通孔に継手の後端部が挿通されて着脱可能に固定
    されている請求項３または４記載の超音波ワイヤボンデ
    ィング装置。
  6. 【請求項６】 ホーンの超音波振動を発生する手段が電
    歪形振動子または磁歪形振動子である請求項１から５ま
    でのいずれかに記載の超音波ワイヤボンディング装置。
  7. 【請求項７】 ホーンにおけるキャピラリを支持する先
    を含む部分が、先細りテーパ状となっている請求項１か
    ら６までのいずれかに記載の超音波ワイヤボンディング
    装置。
  8. 【請求項８】 ホーンが、ホーン材質中をホーン軸方向
    の一次固有振動数で伝わる振動波の１／２波長に相当す
    る長さを有する請求項１から７までのいずれかに記載の
    超音波ワイヤボンディング装置。
  9. 【請求項９】 ホーンが、ホーン軸方向の一次固有振動
    モードの節点の位置においてフランジによりホーン支持
    部に取り付けられている請求項１から８までのいずれか
    に記載の超音波ワイヤボンディング装置。
  10. 【請求項１０】 ホーンを取り付けたホーン支持部が、
    スライド軸の案内により上下方向に直線的な摺動が可能
    なスライダーによって上下方向への移動が可能となって
    いる請求項１から９までのいずれかに記載の超音波ワイ
    ヤボンディング装置。
  11. 【請求項１１】 ホーン支持部が電気駆動式アクチュエ
    ータにより上下方向の移動を行うようになっている請求
    項１０記載の超音波ワイヤボンディング装置。
  12. 【請求項１２】 ホーン支持部が上方からバネで吊り下
    げ支持されていて、このバネにより、電気駆動式アクチ
    ュエータの駆動に伴う衝撃が軽減されるとともにホーン
    支持部にかかる重力の影響が軽減されるようになってい
    る請求項１１記載の超音波ワイヤボンディング装置。
  13. 【請求項１３】 ホーンがホーン支持部の下方に位置し
    ている請求項１０から１２までのいずれかに記載の超音
    波ワイヤボンディング装置。
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