JPS62257738A - ワイヤ・ボンデイング用溶接装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 この発明は、ワイヤの接合に関するものであシ特に、極
めて細いワイヤの、金属表面への溶接（ウェルディング
）に関するものである。具体的には、この発明は、直径
３ミル未満の極めて細いワイヤを、電子部品の端子に接
合するマイクロウェルディングの装置および方法の改良
全指向したものである。

Ｂ、従来技術 集積回路の電子パッケージングは、ますます超小型化さ
れ、それとともに回路接合技術がますます要求されるよ
うになった。集積回路では、数百もの端子が支持基板上
のメタラジ・パッドに接合されなければならない。また
、パッケージの基板もますます複雑化し、１３０もの集
積半導体装置を支持し、必要な回路相互接続配線を行う
場合もある。基板の複雑性と、高いコストに考慮して、
回路に設計変更音訓えたり、相互接続メタラジの欠陥を
修正したりしなければならない場合が多い。

これらの目的？実行するのに必安な接続は、装置および
基板のいずれかまたは両方の、選択されたパッドに接合
した極めて細いワイヤを使用すると便利である。

最も一般に行われている微細ワイヤ・ボンディング技術
は、超音波ボンディングと呼ばれる。この方法では、接
合するワイヤの端部？、先端のワイヤ・ガイド・ホール
により、ボンディング・チップ中に置く。チップに負荷
をかけることにより、ワイヤを基板のランド、またはチ
ップ・パッドに押しつける。基板に対してチップと水平
に、周期的な変位と超音波周波数で所定の時間発生させ
ると、この超音波運動によりワイヤとランドの境界面に
摩擦が生じ、酸化物皮膜その池の皮膜を破壊して、視界
面に清浄な金属と渭浄な金属の接触と形成し、室温で表
面金属の浅い拡散？生じ、合金化する。これによシ、ワ
イヤとランドまたはパッドとの金属接合が行われる。境
界面における超音波運動により生ずる摩擦熱によシ、お
そらく室温よりも幾分高い拡散が行われるであろうと考
えられる。

この超音波ボンディングは、特に米国特許第４２４５２
７３号明細書に記載されているような種類の多層セラミ
ック（ＭＬＣ）基板のメタラジ・システムを変更し、ま
たはその欠陥？修正するのに使用する場合には、著しい
欠点？有する。すなわち、超音波ボンディング法には、
ボンディング・パッドまたは表面が、厚みが少くとも１
０ミクロンの、厚い金層で形成されていることが必要で
ある。このようなＭＬＣ基板の製作には、この厚い金層
は電気メッキでなければ付層させることができない。こ
れには、コストと高める一連の工程を追加し、基板を、
収率が低下するような環境下に置かなければならない。

細いワイヤは、米国特許第４１７１４７７号明細書に開
示されているような、マイクロウェルディング法により
接合することができることが知られている。この方法で
は、電気的に分離された１対の電極分、金属表面と接触
するワイヤ上に置き、電極間に電圧を印加すると、先端
と、電極に接触する非常に短い部分のワイヤとに電流が
流れる。

これにより、ワイヤが瞬間的に加熱され、ワイヤの部分
が溶融して金属表面に溶着する。この種の接合は、超音
波ボンディングに必要な厚い金層と必要としない。しか
し、得られた溶接部は、質および強度のばらつきが大き
く、溶接チップの寿命が比較的短かい。

Ｃ１発明が解決しようとする問題点 この発明の目的は、細いワイヤと金属表面との間に、優
れた溶接による結合と安定して行うことのできる、改良
されたマイクロウェルディングの装置および方法？提供
することである。

この発明の他の目的は、耐用寿命の長い、新しい溶接チ
ップと有する改良されたマイクロウェルディング装置分
提供することにある。

Ｄ４問題点を解決するための手段 上記の、この発明の目的に従って、直径が３ミル以下の
ワイヤを導電性の金属表面に接合するための、マイクロ
ウェルディング装置が提供される。

この装置は、電流が溶接チップに接触した部分のワイヤ
の部分と流れるもので、直線的な垂直運動？する溶接チ
ップと支持し、溶接操作中のワイヤの溶融する間に、溶
接チップとワイヤの表面との電気的接触を維持するのに
必要な、高速運動が可能な１０グラム未満の可動質量と
有する支持手段と、この溶接チップ支持手段？、金属表
面上のワイヤと噛み合うようにする手段からなるもので
ある。

Ｅ、実施例 第１図および第２図は、フレーム（図示されていないン
上に、上下動可能ｃｃ取付けた、この発明の溶接装置１
０に示す。この装置１０には、可動ステージ１６で支持
された基板１４上に位置する溶接チップが取付けられて
いる。ステージ１６は、基板１４ＱＸＹ両方向に動かす
ことが可能で、これにより溶接チップを、いかなる点に
も位置させることができる。

溶接装置１０の目的は、溶接チップ１２と、溶接するワ
イヤ上に正確に支持し、ワイヤ上にかかるチップの圧力
を変化させるとともに、ワイヤを部分的に変形させて、
ワイヤとの良好な電気的接触と行わせるために、最初に
高目の圧力？与えることである。重要な目的は、ワイヤ
が溶融してチップの表面から後退し始めた時に、アーク
を生じないように電気的接触と保つために、チップがワ
イヤの表面に追従する能力と有するよう、チップ支持ニ
レメン！−’Ｔｈ低質量にすることである。電気のアー
クを生じると、制御ができなくなり、溶接部が不均一と
なり、欠陥となることがある。

溶接装置１０は、取付はブロック１３および２つの取付
けた側面部材７６から成るフレーム１１分有する。溶接
チップ１２は、チップ支持ブロック６４に取付けられ、
誘電体すなわち絶縁材料で作られている。ブロック６４
は、２つの平行なスプリング・リーフ・エレメント４０
および４２に取付けられている。スプリング４０および
４２の反対側の端部は、これも電気絶縁材料で作られた
スプリング取付はブロック６６に取付けられている。ブ
ロック６６は、エア・ベアリング７０に摺動可能に取付
けられた２つの垂直心当しシャフト６８に取付けた横材
７２に取付けられている。このように、溶接チップおよ
び付随の上記エレメントは、ベアリング７０中で１つの
ユニットとして垂直に移動することができる。リーフ・
スプリング４０および４２は、動作中屈曲して、チップ
支持ブロック６４を単独に移動させる。溶接チップとブ
ロック６４の合計重量は非常に軽く、溶接の間にワイヤ
が溶融して部分的に崩壊する時、ワイヤの表面の移動に
追従することができる。

負荷、すなわち溶接されているワイヤに対する溶接チッ
プの圧力は、第１０図に示すように旋回可能なバランス
・バー７８に制御される。バー７８は、フレーム１１に
取付けたベアリング８１に旋回可能に取付けたクロス・
バー７９によシ支持される。ローラ８０は、バー７８の
一端上で横材７２の底部に接し、溶接チップ支持機構に
上向きの力を与える。おもシ８２は、バー７８の他端に
調節可能に取付けられ、横材７２に加えた上向きの力を
変える手段？構成する。

チップ１２に最初に力を加え、溶接中のワイヤ？押し付
け、溶接前に部分的に変形させる機構が設けられている
。変形により、ワイヤと溶接チップとの接触表面積が増
し、電気的接触が改善される。この機構は、第１０図に
略図で示した２つの平行なレバー・エレメント８４から
なる。レバー・エレメント８４は、ベアリング８７で旋
回可能に支持されたピボット止めされた横材８６上に支
持されている。レバー８４の一端には、調節可能なバラ
ンス・ウェイト８８が取付けられている。

ウェイト８８の調節は、フレームのスロット９０全通し
てねじ８９とゆるめ、旋回可能の横材８６に対してウェ
イトを移動させることにより行う。

レバー・エレメント８４の他端は、チップ支持ブロック
６４のスロット７５内にあるクロス・バー７４によシ接
続している。横材８６から上方にアーム９２が延びてい
る。アーム９２には、エア・シリンダ９４が取付けられ
ておシ、レバー８４？介して溶接チップ１２に調節可能
な力？加える。

このように、最初のワイヤ分変形させる力は、シリンダ
９４により与えられる。

溶接２行うだめの電流は、第１１図に示すように、誘電
層６６によシ分離されたチップ・エレメント５２および
３４ｉ通じて溶接チップ１２に与えられる。電導性のチ
ップ部材３２および３４は、それぞれ電導性の電極９６
および９８に接触する。

支持ねじ９９は、チップ１２と電極との接触？保持する
と同時に、チップ１２Ｑブロツク６４に固定させる。第
１のリード１００は電極９８　（ｉｌ−ＩＪ　−）・ス
プリング４２に、第２のり一ド１０２は電ｖ＜　９６　
ｔ　１．１−フ・スプリング４０に接続する。第４図は
、４０のスプリングを、絶縁材料で作られたプレート１
０８上に取付けたリード端子１０５に接続するり−ド１
０４を示す。同様に、リード１０６）ま、スプリング４
０ｉ、プレート１１０上に取付けた端子１０７に接続す
る。端子１０５および１０７は、溶接２行うのに適した
電流を発生する適当な電源に接続されている。

第５Ａ図および第５Ｂ図は、従来技術の溶接チップの構
成、および溶接前、溶接後のワイヤの断面を示す。溶接
チップは、１対の並置された導電性のチップ部材１８お
よび２０からなる。部材１８および２０ばそれぞれ、溶
接の間ワイヤ２２に接融する平滑面１９および２１と有
する。図示するように、チップ部材１８および２０は、
離して取付けられている。誘電層２８は高温に曝され、
動作中急速に浸食されて、空間２４を生じる。チップ部
材１８および２０をワイヤ２２と接触させると、低電圧
、大電流の電流が、チップ部材と接触するワイヤ２２の
小部分と通って、チップ部材の一方から他方へ流れる。

これによりワイヤの部分が溶融し、下の金檎パッド２６
の表面に溶着する。ワイヤが溶融すると、第５Ｂ図に示
すようＫ、変形して、空間２４中へ上向きに流動する。

電流のパルスが終ると、ワイヤは第５Ｂ図りで示す形状
のまま固化する。直径の小さいワイヤは、比較的薄い金
属バンドに溶接することができることが矧られている。

第６Ａ図および第６Ｂ図は、この発明の装置および方向
による溶接前および溶接後の、ワイヤの断面？示す。溶
接チップ３０は、間隔？設け、誘電材料の層３７、通常
はガラスにより電気的に分離された２つの導電性チップ
部材６２および６４２有する。ワイヤ２２と電気的に接
触する底面３６および６５は、１対の上向きに傾斜した
、交差する面？形成する。面の水平との傾斜角は、１５
ないし２０度である。このチップの構成は、チップ３０
ｉ溶接の準備のため引下げてワイヤ２２と接触させる時
、ワイヤと中央に寄せる作用を有する。チップ部材３２
および６−４の間の空間６６は、従来技術における溶接
チップのチップ部材の間の空間よりかなシ小さい。チッ
プ部材３２と６４の間隔は通常８ないし１６ミクロン、
好ましくは９ないし１１ミクロンである。使用中、誘電
層は表面３３および３５から浸食されて後退する。しか
し、チップ部材間の間隙が従来技術に比較して小さいた
め、溶接操作中にワイヤ２２の金属がチップ部材の間を
流れる傾向が少い。このことを第４Ｂ図の溶接したワイ
ヤの断面図で示す。

この発明の溶接操作では、基板支持プラットフォーム１
６を、プローブの先端が、ワイヤを溶接する基板１４上
のパッドの真上に位置するように移動させる。適機な位
置決め装置？使って、ワイヤ２２と金属パッドの上方で
位置決めし、溶接チップ１２がワイヤ２２と接触するま
で、溶接アセンブリと下げる。前述のように、シリンダ
９４ｔ−始動させて装置をさらに下げ、溶接チップ６０
により弱い圧力がワイヤにかかるようにすると、良好な
電気的接触が行われる。前述のスプリング４０および４
２が屈曲して、装置１０と下方に移動させる。この時点
で、ワイヤは溶接される位置に置かれ、溶接チップ３０
の表面３６および３５は、ワイヤと電気的に接触する。

適当な電流パルス分、ワイヤ２２の部分２通してチップ
部材３２から３４へ流す。ワイヤの太さ、およびワイヤ
とパッドの材質に適したものであれば、どのような電流
パルスを用いてマイクロウェルディングを行うことも可
能である。通常電圧１ｖで５０ないし６ＯＡの電流を生
じる。電流パルスの継続時間は、通常約４ミリ秒である
。ワイヤと融点まで加熱すると、急速に平坦化する。こ
の装置および方法の重要な特徴は、溶接チップおよびホ
ルダ６４の質量が小さいことで、これによりチップ部材
の表面が下がシ、部分的に溶融し、平坦になる金属表面
に追従することができる。これにより、電流パルスの残
９０時間にも電気的接触が保たれ、部分的に溶融したワ
イヤと、ワイヤと溶融する金属パッドの表面との接触が
維持される。第７図に示すように、溶接チップ３０が、
傾斜した接融面により加えられる圧力により、ワイヤの
一部？ワイヤ・リード２２に向って押しつけられ、わず
かなふくらみ２１？： ３と形成する。このふくらみ櫓よシ、ワイヤの接着が強
固になる。溶接チップ６０がワイヤと接触する表面は、
（１）表面の交差がチップの縦軸に直角になるよう、装
置のチップ３０’ｚ傾斜した位置に取付けるか、または
（２）チップと垂直に取付け、ワイヤと接触する表面？
パッド上のワイヤに対して傾斜するように加工すること
により、傾斜させることができる。表面３３および３５
の交差によシ生ずる線が、パッド２６上に位置するワイ
ヤの縦軸から５ないし１０度傾斜することが好ましい。

第８図は、この発明の溶接チップ４０の接触面の１実施
例と示す。２つの並置されたチップ部材５２および５４
で形成され、薄いガラスの層４１で分離された溶接チッ
プ４０は、２組の交差する表面４６．４７および４８．
４９と有す６゜これらの表面対の交差により形成された
線は、溶接チップ４０の縦軸に垂直な中央線から上方に
傾斜している。溶接チップ４０の表面構造の利点は、ワ
イヤ２２がチップのいずれの方向からも出せることであ
る。自動ワイヤ位置決め＠溝と有する自動溶接装置では
、ワイヤはパッドからどちらの方向へも出すことができ
る。傾斜した表面によう、チップと接するワイヤのいず
れの方向にもふくらみ２３を形成させることができる。

第９図は、この発明の溶接チップの他の実施例？示す。

ガラスの薄層５６で分離された２つの並置されたチップ
部材５２′および５４′から形成された溶接チップ５０
は、２組の交差した傾斜面４６．４７および４８．４９
を有する。

これらの接触面は、溶接チップ５０について説明したの
と同じ作用？する。第９図に示す溶接チップ５０と、溶
接チップ４０との相違は、溶接チップ部材が、異なる平
面に配されたガラス層によ）分離されていることである
。溶接チップ５０では、ワイヤ洗加える圧力によｐ、チ
ップ部材がはがれる傾向はない。また、溶接チップ５０
中の電流は、溶接中ワイヤの軸に対して長さ方向に流れ
るが、溶接チップ４０では、電流はワイヤの軸に対して
直角方向に流れる。

Ｆ３発明の詳細 な説明したように、この発明によれば、細いワイヤと金
属表面との間に、信頼性の高い溶接？安定して行う装置
およびマイクロウェルディング法が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の溶接装置の１実施例の部分側面図
、第２図は、第１図のこの発明の溶接装置の平面図、第
５図は、この発明の装置の溶接チップ支持機構の詳細と
示す部分拡大側面図、第４図は、第６図に示す構造の部
分平面図、第５Ａ図および第５Ｂ図は、従来技術による
方法および装置によって　溶接部？形成する前後におけ
るボンディング・チップ、ワイヤおよびパッドの断面？
拡大した図、第６Ａ図および第６Ｂ図は、この発明によ
る方法および装置によって、溶接部？形成する前後にお
けるボンディング・チップ、ワイヤおよびパッドの断面
？拡大した図、第７図は、接合後の溶接チップおよびワ
イヤＩ７．１′：ＲＩ面図、第８図は、この発明による
溶接チップの１実施例の斜視図、第９図は、この発明に
よる溶接チップの他の実施例の斜視図、第１０図は、構
成要素を覆うフレーム部材を除去した、回転、摺動可能
要素の側面概略図、第１１図は、溶接チップと支持する
構造を、非常に拡大した上面図である。 １０・・・・溶接装置、１２・・・・溶接チップ、１４
・・・・基板、１６・・・・可動ステージ、２２・・・
・ワイヤ、２６・・・・金属パッド、３０．４０．５０
・・・・溶接チップ。 出願人　　インターナン升ル・ビジネス・マシニング・
コーポレーション代理人　弁理士　　山　　本　　　仁
　　　朗（外１名） 第５Ａ図 従来技術 従来技術 第５Ｂ図 第６Ａ図 ワイヤの；容捧 ワイヤの１目か 第６Ｂ図 第７図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）直径３ミル以下のワイヤを導電性金属平面に接触
   させ、該ワイヤの一部に溶接チップを接触させて該ワイ
   ヤの一部に電流を流すことによりワイヤを導電性金属平
   面に溶接するための溶接装置において、 （ａ）溶接期間に上記溶接チップと上記ワイヤの一部の
   間の電気的接触を維持するために必要な１０ｇ以下の質
   量をもち、上記溶接チップを垂直直線移動可能に支持す
   るための溶接チップ支持手段と、 （ｂ）上記溶接チップ支持手段を、上記導電性金属平面
   上のワイヤと係合する位置へ付勢するための手段、 とを具備するワイヤ・ボンディング用溶接装置。
2. （２）上記溶接チップは、無機誘電物質の薄い層により
   互いに電気的に絶縁された、テーパ面をもつ隣接する２
   個の電極より成り、上記溶接チップの先端は、上記溶接
   チップの中断を横切り上方に傾斜する一対の平面を形成
   し、以てワイヤ・センタリング機能を与えるようにされ
   ている特許請求の範囲第（１）項に記載の溶接装置。