(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
当接ツールに保持された接合対象物に荷重と超音波振動を作用させて被接合物に接合する超音波ボンディング方法であって、前記接合対象物が被接合物に当接したタイミングにおける前記当接ツールの高さ位置を計測する第１の高さ位置計測工程と、接合対象物に当接ツールによって荷重と超音波振動を作用させながら接合対象物と被接合物とを接合するボンディング工程と、前記ボンディング工程の少なくとも前期と後期において前記当接ツールを超音波振動させる振動子の駆動電流およびまたは駆動電圧を計測する超音波計測工程と、前記ボンディング工程終了後前記当接ツールの上昇開始までの間のいずれかのタイミングにおいて当接ツールの高さ位置を計測する第２の高さ位置計測工程と、前記第１の高さ位置計測工程、超音波計測工程および第２の高さ位置計測工程で得られた計測データに基づいて接合状態を判定する接合判定工程とを含み、前記超音波計測工程で得られた２つの計測データより超音波振動の状態を表す超音波振動指標値の変化量を求め、前記接合判定工程において、少なくとも前記変化量が所定の基準値以上であるときに前記接合状態が良であると判定することを特徴とする超音波ボンディング方法。
【請求項２】
前記第１の高さ位置計測工程で計測した当接ツールの高さ位置と、第２の高さ位置計測工程で計測した当接ツールの高さ位置との差よりボンディング工程における接合対象物の沈み込み量を求め、この沈み込み量と前記変化量とに基づいて、接合状態の判定を行うことを特徴とする請求項１記載の超音波ボンディング方法。
【請求項３】
前記超音波振動指標値は、駆動電流値、駆動電圧値またはインピーダンスのいずれかであることを特徴とする請求項２記載の超音波ボンディング方法。
【請求項４】
当接ツールに保持された接合対象物に荷重と超音波振動を作用させて被接合物に接合する超音波ボンディング方法であって、前記接合対象物が被接合物に当接したタイミングにおける前記当接ツールの高さ位置を計測する第１の高さ位置計測工程と、接合対象物に当接ツールによって荷重と超音波振動を作用させながら接合対象物と被接合物とを接合するボンディング工程と、前記ボンディング工程の少なくとも前期と後期において前記当接ツールを超音波振動させる振動子の駆動電流およびまたは駆動電圧を計測する超音波計測工程と、前記ボンディング工程終了後、前記当接ツールの上昇開始までの間のいずれかのタイミングにおいて当接ツールの高さ位置を計測する第２の高さ位置計測工程と、前記第１の高さ位置計測工程で計測した当接ツールの高さ位置と第２の高さ位置計測工程で計測した当接ツールの高さ位置との差よりボンディング工程における接合対象物の沈み込み量を求める沈み込み量算出工程と、前記超音波計測工程で得られた２つの計測データより超音波振動の状態を表す超音波振動指標値の変化量を求める変化量算出工程と、前記沈み込み量と前記変化量を座標系に持つグラフをモニタに表示しこのグラフ上に算出した前記沈み込み量と前記変化量とで定められるボンディング結果点を表示する工程とを含み、少なくとも前記変化量に関して、前記接合対象物と前記被接合物との接合状態が良であると判定する基準値を表示することを特徴とする超音波ボンディング方法。
【請求項５】
前記超音波振動指標値は、駆動電流値、駆動電圧値またはインピーダンスのいずれかであることを特徴とする請求項４記載の超音波ボンディング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワイヤやバンプをなどの接合対象物を電子部品や基板などの被接合物に超音波振動によって接合する超音波ボンディング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の電極を接続用端子などとワイヤによって導通させるワイヤボンディングや、電子部品に形成されたバンプを回路電極と接合するバンプボンディングにおいては、超音波圧接が用いられる。この方法は、ワイヤやバンプなどの接合対象物を当接ツールに当接させて押圧しながら接合対象物に超音波振動を与え、接合面を微小に振動させて摩擦を生じさせることにより接合面を密着させるものである。
【０００３】
超音波ボンディングの過程においては、接合対象物と被接合物との接合が正常に行われたか否かを検出するためのボンディング検査が行われる。従来の超音波ボンディングにおいては、接合対象物と被接合物との間の電気的な導通を検査することで不着状態を検出する方法や、超音波振動子の駆動電流値の変化などを判定指標値として用いる方法などによって、ボンディング結果の良否を判定するようにしていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記電気的な導通を検査する方法では専用の検査装置をボンディング装置以外に別途必要とし、設備費用を要するとともにボンディング後に別途検査作業を行う必要があって手間を要するという問題点があり、また振動子の駆動電流値などを指標値として用いる方法では、接合状態を高い信頼性で検出することができなかった。
【０００５】
そこで本発明は、簡便な方法により高い信頼性でボンディング状態を検査することができる超音波ボンディング方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の超音波ボンディング方法は、当接ツールに保持された接合対象物に荷重と超音波振動を作用させて被接合物に接合する超音波ボンディング方法であって、前記接合対象物が被接合物に当接したタイミングにおける前記当接ツールの高さ位置を計測する第１の高さ位置計測工程と、接合対象物に当接ツールによって荷重と超音波振動を作用させながら接合対象物と被接合物とを接合するボンディング工程と、前記ボンディング工程の少なくとも前期と後期において前記当接ツールを超音波振動させる振動子の駆動電流およびまたは駆動電圧を計測する超音波計測工程と、前記ボンディング工程終了後前記当接ツールの上昇開始までの間のいずれかのタイミングにおいて当接ツールの高さ位置を計測する第２の高さ位置計測工程と、前記第１の高さ位置計測工程、超音波計測工程および第２の高さ位置計測工程で得られた計測データに基づいて接合状態を判定する接合判定工程とを含み、前記超音波計測工程で得られた２つの計測データより超音波振動の状態を表す超音波振動指標値の変化量を求め、前記接合判定工程において、少なくとも前記変化量が所定の基準値以上であるときに前記接合状態が良であると判定する。
【０００８】
請求項２記載の超音波ボンディング方法は、請求項１記載の超音波ボンディング方法であって、前記第１の高さ位置計測工程で計測した当接ツールの高さ位置と、第２の高さ位置計測工程で計測した当接ツールの高さ位置との差よりボンディング工程における接合対象物の沈み込み量を求め、この沈み込み量と前記変化量とに基づいて、接合状態の判定を行う。
【００１０】
請求項３記載の超音波ボンディング方法は、請求項２記載の超音波ボンディング方法であって、前記超音波振動指標値は、駆動電流値、駆動電圧値またはインピーダンスのいずれかである。
【００１３】
請求項４記載の超音波ボンディング方法は、当接ツールに保持された接合対象物に荷重と超音波振動を作用させて被接合物に接合する超音波ボンディング方法であって、前記接合対象物が被接合物に当接したタイミングにおける前記当接ツールの高さ位置を計測する第１の高さ位置計測工程と、接合対象物に当接ツールによって荷重と超音波振動を作用させながら接合対象物と被接合物とを接合するボンディング工程と、前記ボンディング工程の少なくとも前期と後期において前記当接ツールを超音波振動させる振動子の駆動電流およびまたは駆動電圧を計測する超音波計測工程と、前記ボンディング工程終了後、前記当接ツールの上昇開始までの間のいずれかのタイミングにおいて当接ツールの高さ位置を計測する第２の高さ位置計測工程と、前記第１の高さ位置計測工程で計測した当接ツールの高さ位置と第２の高さ位置計測工程で計測した当接ツールの高さ位置との差よりボンディング工程における接合対象物の沈み込み量を求める沈み込み量算出工程と、前記超音波計測工程で得られた２つの計測データより超音波振動の状態を表す超音波振動指標値の変化量を求める変化量算出工程と、前記沈み込み量と前記変化量を座標系に持つグラフをモニタに表示しこのグラフ上に算出した前記沈み込み量と前記変化量とで定められるボンディング結果点を表示する工程とを含み、少なくとも前記変化量に関して、前記接合対象物と前記被接合物との接合状態が良であると判定する基準値を表示する。
【００１４】
請求項５記載の超音波ボンディング方法は、請求項４記載の超音波ボンディング方法であって、前記超音波振動指標値は、駆動電流値、駆動電圧値またはインピーダンスのいずれかである。
【００１７】
本発明によれば、接合対象物が被接合物に当接したタイミングおよびボンディング工程終了後当接ツールの上昇開始までの間のいずれかのタイミングにおいて当接ツールの高さ位置を計測するとともに、ボンディング工程の少なくとも前期と後期において当接ツールを超音波振動させる振動子の駆動電流およびまたは駆動電圧を計測し、これらの計測データに基づいて接合状態を判定するようにし、かつ２つの計測データより超音波振動の状態を表す超音波振動指標値の変化量を求め、前記接合判定工程において、少なくとも前記変化量が所定の基準値以上であるときに前記接合状態が良であると判定することにより、超音波ボンディング装置に備えられた機能のみを利用して、簡便な方法で高い信頼性の接合状態判定を行うことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１のワイヤボンディング装置の構成を示すブロック図、図２は本発明の実施の形態１のワイヤボンディング装置のボンディング時計測処理のフロー図、図３は本発明の実施の形態１のワイヤボンディング装置の接合判定処理のフロー図、図４は本発明の実施の形態１のワイヤボンディング装置によるボンディング動作の工程説明図、図５は本発明の実施の形態１のワイヤボンディング装置による接合判定条件を示すグラフである。本実施の形態１は、超音波ボンディングの接合対象物としてのワイヤを被接合物である電極に接合するワイヤボンディングの例を示している。
【００１９】
まず図１を参照してワイヤボンディング装置のボンディング機構について説明する。図１において、ホーン駆動機構１は水平方向に延出したホーン２を備えている。ホーン２の先端部にはキャピラリツール２ａが装着されており、ホーン２の後端部には超音波振動を発生する振動子４が結合されている。振動子４はＵＳドライバ９によって駆動される。ホーン２は駆動ブロック３によって支持されており、駆動ブロック３はＺ軸ドライバ８に駆動されるモータ５によって水平な回転軸３ａ廻りに所定角度の回動が可能となっている。この回動はエンコーダ６によってその回動量が検出され、検出信号はアンプ７を介してＺ軸ドライバ８に伝達される。
【００２０】
ＵＳドライバ９によって振動子４を駆動することにより、ホーン２を介してキャピラリツール２ａには超音波振動が印加される。そしてモータ５を駆動してホーン２を回転軸３ａ廻りに回動させることによりキャピラリツール２ａは昇降する。ボンディング動作は、キャピラリツール２ａにボンディングワイヤを挿通させ、ボンディングワイヤの下端にボールを形成させた状態で行われる。すなわちキャピラリツール２ａの昇降動作と超音波振動の印加を制御して、ボールを当接ツールとしてのキャピラリツール２ａによって基板の電極などのボンディング面に押し付け、ボールに押圧荷重と超音波振動を作用させることにより、ワイヤボンディングが行われる。
【００２１】
制御系について説明する。図１において破線枠１０は制御部を示しており、制御部１０は入出力部１１、位置検出部１２、当接検出部１３、処理部１４および記憶部１５を備えている。位置検出部１２はエンコーダ６からＺ軸ドライバ８を介して出力されるパルス信号をカウントすることにより、キャピラリツール２ａの下端部の高さ位置を検出する。検出結果は入出力部１１を介して処理部１４へ伝達される。当接検出部１３は、キャピラリツール２ａによってワイヤ下端のボールをボンディング面に押し付けるボンディング動作において、ボールがボンディング面に当接したタイミングを検出する。検出結果は同様に処理部１４に伝達される。
【００２２】
ＵＳドライバ９は処理部１４から入出力部１１を介して超音波振動の発振指令を受け、この発振指令に従って振動子４を駆動する。またＵＳドライバ９は振動子４を駆動する際の駆動電流のモニタ値を出力する。出力信号は入出力部１１を介して処理部１４へ伝達される。処理部１４は次の各部を備えており、それぞれ以下の処理を行う。ボンディング処理部１４ａは、ホーン駆動機構１によるボンディング動作の制御処理を行う。計測処理部１４ｂは、ボンディング過程におけるキャピラリツール２ａの高さ位置や電流モニタ値の計測処理を行う。判定処理部１４ｃは、これらの計測結果に基づいて、ボンディング時の接合状態の良否判定処理を行う。表示処理部１４ｄは、前記判定結果や操作画面を表示装置１６に表示させるためのデータ処理を行う。記憶部１５は接合状態の判定を行うための判定条件データなどの各種データを記憶する。表示装置１６はモニタであり、判定結果や計測データ、その他操作画面の表示を行う。
【００２３】
このワイヤボンディング装置のボンディング機構は上記の様に構成されており、次にワイヤボンディング過程において行われるボンディング時計測処理および接合判定処理について、図２、図３のフロー図に沿って図４を参照しながら説明する。なお図４は、ボンディング動作時のキャピラリツール２ａの高さ位置を示すＺ軸変位、キャピラリツール２ａによるボール押圧のタイミング、振動子４を駆動する電源の電圧および電流の変化状態を経時的に示している。
【００２４】
まずボンディング時計測処理について説明する。ボンディング時計測は、図２において、キャピラリツール２ａ（図４参照）の下降が開始する（ＳＴ１）。このときキャピラリツール２ａは、ワイヤをスパークさせることにより形成されたボールＢを下端部に保持している。この下降過程において、当接検出部１３はボールＢの下端部がボンディング面に当接したか否かを監視し（ＳＴ２）、当接が検出されたならば、図４に示すようにそのタイミングｔ１におけるキャピラリツール２ａの高さ位置ＬＡを、位置検出部１２によって計測し記憶部１５に記憶させる（ＳＴ３）（第１高さ位置計測工程）。
【００２５】
この後ボンディング工程に移行する。すなわちボールＢにキャピラリツール２ａによって押圧荷重を印加するとともに、タイミングｔ２において振動子４を駆動して超音波振動の発振を開始する（ＳＴ４）。このボンディング工程において、超音波振動の状態を示す超音波振動指標値としての振動子４の駆動電流値のモニタが行われ、電流モニタ値が最大となったならば（ＳＴ５）、この最大電流モニタ値ＵＡを記憶させる（ＳＴ６）。次に超音波発振完了のタイミングか否かを判定し（ＳＴ７）、完了のタイミングならば現在の電流モニタ値ＵＢを記憶させ（ＳＴ８）。
【００２６】
次いで現在のキャピラリツール２ａの高さ検出値ＬＢを記憶させる（ＳＴ９）（第２高さ位置計測工程）。高さ検出値ＬＢの計測は、ボンディング工程がタイミングｔ３にて終了した後、キャピラリツール２ａが上昇を開始するタイミングｔ４までの間に行えばよい。またボンディング工程においては、少くとも前期（最大電流モニタ値計測時）および後期（超音波発振完了時）の２回電流値の計測を行う（超音波計測工程）。そしてこれによりボンディング時計測を終了する。
【００２７】
なおここでは振動子４の駆動電圧は、図４に示すように一定に保たれることから駆動電流のみを計測対象とした。電圧を変動させる駆動方式を採用する場合には、電圧値が計測対象となる。また電圧値、電流値の双方を計測しこれらの計測値からインピーダンスを求めるようにしてもよい、すなわち超音波振動指標値として、電流値、電圧値、インピーダンスのいずれを用いてもよい。
【００２８】
次に図３を参照して接合判定処理について説明する。この接合判定処理は上記ボンディング時計測の第１の高さ位置計測工程、超音波計測工程および第２の高さ位置計測工程で得られた計測データに基づいて、接合状態を判定するものである。まず先に計測された高さ検出値ＬＡ，ＬＢより沈み込み量ΔＬを算出する（ＳＴ１１）。次に、超音波振動指標値の変化量を算出する（ＳＴ１２）。上記例では超音波振動指標値として電流値を用いており、電流モニタ値ＵＡとＵＢの差ΔＵを求める。
【００２９】
次に沈み込み量ΔＬと超音波振動指標値の変化量ΔＵに基づいて、接合状態の判定を行う（ＳＴ１３）。そしてこの判定結果は、計測結果とともに表示装置１６のモニタ画面に表示される（ＳＴ１４）。ここで接合状態の判定に用いられる判定基準について図５を参照して説明する。図５は上述のΔＵ，ΔＬをそれぞれ横軸、縦軸とする２次元のデータ領域を示すものであり、ＵＡ，ＬＡをそれぞれの座標軸上での上限とする範囲内で、Ａ１〜Ａ５の５領域に区分されている。
【００３０】
これらの領域の境界は、横軸上で設定される基準値Ｕ１、縦軸上で設定される２つの基準値Ｌ１，Ｌ２によって定められる。これらの基準値はボンディング結果の適正条件を規定するものであり、ΔＵについては基準値Ｕ１以上であることが、またΔＬについては基準値Ｌ１〜Ｌ２の範囲にあることが適正条件とされる。
【００３１】
以下、各領域について説明する。まず領域Ａ１はΔＬが（−）側、すなわち全くボンディングによるボールＢの沈下がない領域と、ΔＬが基準値Ｌ１以下でかつΔＵがＵ１以下の領域とを含んでおり、いずれの場合もボールＢがボンディングされていない不着領域を示している。領域Ａ２は、沈下量ΔＬは適正範囲にあるものの、ΔＵが条件を満たしておらず、ボンディング強度が十分でない強度不足領域を示している。領域Ａ３は、ΔＬが適正範囲を超えており、ボールＢが過度に押しつぶされた圧着過剰領域を、また領域Ａ５は、逆にボールＢの押しつぶし量が不足の圧着不足領域を示している。そしてΔＵがＵ１以上で、かつΔＬがＬ１〜Ｌ２の範囲にある領域Ａ４が、適正領域を示している。
【００３２】
すなわち前述のボンディング時計測によってΔＵ，ΔＬを求め、これらの２つの計測データで示すデータ点（ΔＵ，ΔＬ）が上記領域のいずれに属するかを判断することにより、ボンディング時の接合状態の良否を判定することができる。上述の基準値Ｕ１，Ｌ１，Ｌ２は、経験データを統計的に整理することにより求められ、記憶部１５に数値データとして記憶される。
【００３３】
なお図３のフロー図において、ＳＴ１３における接合状態の判定を行わず、ＳＴ１４において計測結果のみを表示させ、作業者が表示内容によって良否を判断するようにしてもよい。本実施の形態に示すように判定条件は２つのデータによって定められるデータ点（ボンディング結果点）がいずれの領域に属するかを目視判断するだけで、正しい判定が行えることから、作業者への判定負荷が極めて軽減されたものとなっている。
【００３４】
このように、ボンディング時に、ボールの沈下量および超音波振動状態の指標値としての電流値、電圧値またはインピーダンスの変化量を求め、これらの２つの計測データを基準値と比較することにより、ワイヤボンディング装置に備えられている機能に特別な機能を付加することなく、接合状態の判定を行うことができる。
【００３５】
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２の電子部品のボンディング装置の構成を示すブロック図、図７は本発明の実施の形態２の電子部品のボンディング装置のボンディング動作の工程説明図である。本実施の形態２は、超音波ボンディングの接合対象物としての電子部品のバンプを、被接合物としての基板の電極に接合するバンプボンディングの例を示している。
【００３６】
図６において基板保持部２０上には、電極２１ａが形成された基板２１が保持されている。基板保持部２０の上方には、ボンディング部２３が配設されている。ボンディング部２３はモータおよびエンコーダを内蔵したツール昇降駆動部２４を備えており、ツール昇降駆動部２４はホルダ２５に保持された当接ツールとしてのボンディングツール２６を昇降駆動する。ボンディングツール２６は、下方に突出した接合作用部２６ａを備えており、接合作用部２６ａはバンプ付きの電子部品２２を吸着して保持するとともに、電子部品２２を基板２１に対して押圧する。このときボンディングツール２６に装着された振動子２７を駆動することにより、電子部品２２には超音波振動が印加される。
【００３７】
図６において、制御部３１、Ｚ軸ドライバ３０、アンプ２９およびＵＳドライバ２８は、実施の形態１における制御部１０、Ｚ軸ドライバ８、アンプ７およびＵＳドライバ９と同様の機能を有しており、ボンディングツール２６による電子部品２２の超音波ボンディング工程において、実施の形態１に示す例と同様のボンディング時計測処理、接合状態の判定処理および表示装置３２への表示処理を行う。
【００３８】
すなわち図７に示すように、ボンディングツール２６の接合作用部２６ａに保持された電子部品２２を基板２１の電極２１ａに対して下降させ、バンプ２２ａが電極２１ａに当接したタイミングｔ１において、ボンディングツール２６の接合作用部２６ａの下端部の高さ位置Ｌ’Ａを計測し記憶させる（第１の高さ位置計測工程）。そして電子部品２２を押圧してバンプ２２ａに押圧荷重を印加するとともに超音波振動を印加し、実施の形態１と同様の超音波振動指標値の変化量を求める（超音波計測工程）。すなわち、超音波ボンディング工程の前期と後期において、電流モニタ値Ｕ’Ａ、Ｕ’Ｂを計測し記憶させる。
【００３９】
次いで超音波ボンディング後、ボンディングツール２６を上昇させるまでの間に、再度ボンディングツール２６の下端部の高さ位置Ｌ’Ｂを計測して記憶させる（第２の高さ位置計測工程）。そして、実施の形態１と同様に、第１の高さ位置計測工程、超音波計測工程および第２の高さ位置計測工程の計測データに基づいて、バンプ２２ａの電極２１ａへの接合状態の判定を行う。この実施の形態２においても、実施の形態１と同様に超音波ボンディングによる接合状態の判定を簡便に行うことができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、接合対象物が被接合物に当接したタイミングおよびボンディング工程終了後当接ツールの上昇開始までの間のいずれかのタイミングにおいて当接ツールの高さ位置を計測するとともに、当接ツールを超音波振動させる振動子の駆動電流およびまたは駆動電圧をボンディング工程の少なくとも前期および後期の２回計測し、これらの計測データに基づいて接合状態を判定するようにし、かつ２つの計測データより超音波振動の状態を表す超音波振動指標値の変化量を求め、前記接合判定工程において、少なくとも前記変化量が所定の基準値以上であるときに前記接合状態が良であると判定するようにしたので、超音波ボンディング装置に備えられた機能のみを利用して、簡便な方法で高い信頼性の接合状態判定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１のワイヤボンディング装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態１のワイヤボンディング装置のボンディング時計測処理のフロー図
【図３】本発明の実施の形態１のワイヤボンディング装置の接合測定処理のフロー図
【図４】本発明の実施の形態１のワイヤボンディング装置によるボンディング動作の工程説明図
【図５】本発明の実施の形態１のワイヤボンディング装置による接合判定条件を示すグラフ
【図６】本発明の実施の形態２の電子部品のボンディング装置の構成を示すブロック図
【図７】本発明の実施の形態２の電子部品のボンディング装置のボンディング動作の工程説明図
【符号の説明】
１  ホーン駆動機構
２ａ  キャピラリツール
４、２７  振動子
１０、３１  制御部
１２  位置検出部
１３  当接検出部
１４  処理部
１６  表示装置
２４  ツール昇降駆動部
２６  ボンディングツール
２７  振動子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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