(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端にボンディングツールが取付けられ超音波振動源を内蔵した１個の超音波ホーンと、平面上のＸＹ方向に駆動されるＸＹテーブルと、このＸＹテーブルに搭載され前記超音波ホーンを揺動自在に保持したボンディングヘッドとを備えたボンディング装置において、前記超音波ホーンを介して前記ボンディングツールを前記超音波ホーンの軸心に平行なＹ方向に振動させるように伸縮方向がＹ方向になるように配設されたＹ方向用圧電素子を有したＹ方向駆動手段と、前記Ｙ方向に直角な平面のＸ方向に前記超音波ホーンを介して前記ボンディングツールを振動させるように伸縮方向がＸ方向になるように配設されたＸ方向用圧電素子を有したＸ方向駆動手段とを前記ボンディングヘッドに固定し、前記超音波ホーンの超音波発振によるボンディング時の前記超音波発振の終了前に前記圧電素子を駆動させて前記ボンディングツールをボンディング平面のＸＹ方向に振動させるスクラブ動作を行わせることを特徴とするボンディング装置。
【請求項２】
一端にボンディングツールが取付けられ超音波振動源を内蔵した１個の超音波ホーンと、平面上のＸＹ方向に駆動されるＸＹテーブルと、このＸＹテーブルに搭載され前記超音波ホーンを揺動自在に保持したボンディングヘッドとを備えたボンディング装置において、前記超音波ホーンを介して前記ボンディングツールを前記超音波ホーンの軸心に平行なＹ方向に振動させるように伸縮方向がＹ方向になるように配設されたＹ方向用圧電素子及び前記Ｙ方向に直角な平面のＸ方向に振動させるように伸縮方向がＸ方向になるように配設されたＸ方向用圧電素子とを有したＸＹ方向駆動手段を前記ボンディングヘッドに固定し、前記超音波ホーンの超音波発振によるボンディング時の前記超音波発振の終了前に前記圧電素子を駆動させて前記ボンディングツールをボンディング平面のＸＹ方向に振動させるスクラブ動作を行わせることを特徴とするボンディング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワイヤボンディング装置、ダイボンディング装置等のボンディング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ボンディング時にボンディングツールに振動を与えるボンディング装置は、大別して次の３つに分類される。
【０００３】
第１は、ボンディング装置が有するＸＹテーブルを振動させてスクラブ動作を行わせるもの。この種のものとして、例えば特許番号第２５３０２２４号、特許番号第２５６５００９号が挙げられる。
【０００４】
第２は、１つの圧電素子でボンディングのための超音波用振動とスクラブ動作を併用したもの。この種のものとして、例えば特開昭６２−２４９４３７号公報、特開昭６３−２３９８３４号公報が挙げられる。
【０００５】
第３は、複数個の超音波発振子を持ち、振動の組合せにより超音波を印加してボンディングを行うもの。なお、この種のものとして、例えば特開昭５８−１６１３３４号公報が挙げられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記第１のＸＹテーブルによるスクラブ動作は、質量の大きいＸＹテーブル及びボンディングヘッド全体を動かすため、装置全体の振動によりボンディング荷重の変動を引き起こし、またスクラブ動作の振幅及び周波数の精密な制御が困難であること等により、安定したボンディング動作の妨げとなる。
【０００７】
上記第２の１つの圧電素子で超音波用振動とスクラブ動作を併用する方式は、超音波発振とスクラブ動作では要求される振幅に大きな開きがある。そのため、超音波発振に適している圧電素子では変位量が小さ過ぎ、スクラブ動作には適さない。変位量の大きい多数積層タイプの圧電素子は、内部損失が大きく超音波発振用として使うにはロスが大きい。また積層枚数が多くなるほど、つまり変位量が多く採れるほど圧電素子の共振周波数が低くなり、超音波発振には適していない。
【０００８】
上記第３の複数個の超音波発振子を持ったものは、スクラブ動作を行わせるものではなく、次のような問題点を有する。
【０００９】
超音波発振での振幅は極めて小さい振幅から徐々に増加するものであり、振動１サイクル当たりの振幅の増加は極めて小さい。例えば超音波が０．５ｍｓで１μｍまで立ち上がるとすると、周波数が６０ＫＨｚの場合、１μｍになるまで約３０回の振幅が有るから、１ストローク当たり１／３０μｍの振幅の増加ということになる。ワイヤをボンディングツールでボンディング面に加圧すると、ボンディング面に接しているワイヤの面がボンディング面の凹凸に食い込む。この状態で超音波を印加すると、１振幅目に凹凸が食い込んだワイヤの表面の部分が小さい振幅の分だけ塑性変形させられる。この状態から１サイクル毎に振幅が徐々に増加するので、ワイヤ表面のこの変形が１サイクル毎に極めて小さい振幅の増加分だけ広がる。
【００１０】
このように、変形が徐々に広がりながら振幅が最大に達してもワイヤの面がボンディング表面の酸化膜を破壊しようとする動き量は、この１サイクル分の微小な増加分だけなので、ボンディング面の酸化膜が弾性変形するだけで破壊するには不十分である。
【００１１】
これに対してスクラブは、最初の１振幅目のストロークが超音波発振に比べると全然大きいために、酸化膜を破壊するに十分となってボンディングを可能とする。このように、スクラブ動作の優位性は振幅が超音波発振によるスクラブの数倍有るということだけでなく、最初の振幅の移動距離が全く違うということである。
【００１２】
本発明の課題は、スクラブ動作時の振動が軽減され、安定したボンディング動作を行うことができると共に、ワークに最適なスクラブ動作のタイミング及び方向を自由に選択することができるボンディング装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の第１の手段は、一端にボンディングツールが取付けられ超音波振動源を内蔵した１個の超音波ホーンと、平面上のＸＹ方向に駆動されるＸＹテーブルと、このＸＹテーブルに搭載され前記超音波ホーンを揺動自在に保持したボンディングヘッドとを備えたボンディング装置において、前記超音波ホーンを介して前記ボンディングツールを前記超音波ホーンの軸心に平行なＹ方向に振動させるように伸縮方向がＹ方向になるように配設されたＹ方向用圧電素子を有したＹ方向駆動手段と、前記Ｙ方向に直角な平面のＸ方向に前記超音波ホーンを介して前記ボンディングツールを振動させるように伸縮方向がＸ方向になるように配設されたＸ方向用圧電素子を有したＸ方向駆動手段とを前記ボンディングヘッドに固定し、前記超音波ホーンの超音波発振によるボンディング時の前記超音波発振の終了前に前記圧電素子を駆動させて前記ボンディングツールをボンディング平面のＸＹ方向に振動させるスクラブ動作を行わせることを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決するための本発明の第２の手段は、一端にボンディングツールが取付けられ超音波振動源を内蔵した１個の超音波ホーンと、平面上のＸＹ方向に駆動されるＸＹテーブルと、このＸＹテーブルに搭載され前記超音波ホーンを揺動自在に保持したボンディングヘッドとを備えたボンディング装置において、前記超音波ホーンを介して前記ボンディングツールを前記超音波ホーンの軸心に平行なＹ方向に振動させるように伸縮方向がＹ方向になるように配設されたＹ方向用圧電素子及び前記Ｙ方向に直角な平面のＸ方向に振動させるように伸縮方向がＸ方向になるように配設されたＸ方向用圧電素子とを有したＸＹ方向駆動手段を前記ボンディングヘッドに固定し、前記超音波ホーンの超音波発振によるボンディング時の前記超音波発振の終了前に前記圧電素子を駆動させて前記ボンディングツールをボンディング平面のＸＹ方向に振動させるスクラブ動作を行わせることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態を図１乃至図５により説明する。図１及び図２に示すように、平面上のＸＹ方向に駆動されるＸＹテーブル１上にはボンディングヘッド２が搭載されている。ボンディングヘッド２には、Ｙ方向駆動手段２０（詳細は後記する）がボルト３で固定され、Ｙ方向駆動手段２０上にはＸ方向駆動手段４０（詳細は後記する）がボルト４で固定されている。Ｘ方向駆動手段４０の前端部には、十字状に配設された板バネ５がボルト６により固定され、また板バネ５はボルト７によりボンディングアーム８に固定されている。従って、ボンディングアーム８は板バネ５を中心として揺動する。ここで、Ｙ方向は、後記する超音波ホーン１０の軸心に平行な方向を指し、Ｘ方向は、前記Ｙ方向に直角な平面の方向を指す。
【００１８】
ボンディングアーム８には、超音波振動源を内蔵した超音波ホーン１０及びワイヤクランパ１１が取付けられ、超音波ホーン１０の先端部にはボンディングツール１２が取付けられている。そして、図示しないワイヤスプールに巻回されたワイヤ１３は、ワイヤクランパ１１を通してボンディングツール１２に挿通されている。またボンディングアーム８の後端部は、リニアモータ１４を介してボンディングヘッド２に連結されている。
【００１９】
前記Ｙ方向駆動手段２０は、図３に示すような構造となっている。Ｙ方向駆動板２１のほぼ中央には圧電素子取付け用矩形穴２２が設けられ、圧電素子取付け用矩形穴２２には、伸縮方向がＹ方向になるように配設された圧電素子２３の左端部２３ａが固定されている。Ｙ方向駆動板２１の左側はボンディングヘッド固定部２４となっており、このボンディングヘッド固定部２４にはボルト３が挿入されるボルト挿入穴２５が形成されている。Ｙ方向駆動板２１の右側はＸ方向駆動板固定部２６となっており、このＸ方向駆動板固定部２６にはボルト４が螺合される２個のねじ部２７が形成されている。
【００２０】
前記Ｘ方向駆動板固定部２６がＹ方向に変位できるように、前記圧電素子取付け用矩形穴２２の右端部はＸ方向に伸びたスリット２８が側端２６ａの近傍まで形成されている。またスリット２８に近接して両側端２６ａから該スリット２８に平行にスリット２９が形成され、スリット２８と２９間は弾性変形部３０となっている。
【００２１】
前記Ｘ方向駆動手段４０は、図４に示すような構造となっている。Ｘ方向駆動板４１のほぼ中央には圧電素子取付け用矩形穴４２が設けられ、圧電素子取付け用矩形穴４２には、伸縮方向がＸ方向になるように配設された圧電素子４３の一端部４３ａが固定されている。Ｘ方向駆動板４１の右側はＹ方向駆動板固定部４４となっており、このＹ方向駆動板固定部４４にはボルト４が挿入されるボルト挿入穴４５が形成されている。Ｘ方向駆動板４１の左側は板バネ固定部４６となっており、この板バネ固定部４６にはボルト６が螺合されるねじ部４７が表面に２個、側面に２個形成されている。
【００２２】
前記Ｙ方向駆動板固定部４４がＸ方向に変位できるように、前記圧電素子取付け用矩形穴４２の左右端部はＸ方向に伸びたスリット４８が側端４４ａの近傍まで形成され、更にスリット４８の端部に連通して側部４４ａと平行にスリット４９が形成され、Ｘ方向駆動板４１の側端４４ａとスリット４９間は弾性変形部５０となっている。
【００２３】
次にＹ方向駆動手段２０及びＸ方向駆動手段４０の作用について説明する。圧電素子２３、４３は電源５５に接続されている。まず、Ｙ方向駆動手段２０の作用について説明する。圧電素子２３への電圧をオンにする（印加する）と、圧電素子２３は伸びる。圧電素子２３の左端部２３ａは固定されているので、伸びは全て右端部２３ｂに伝えられる。右端部２３ｂが変位すると、弾性変形部３０が弾性変形してＸ方向駆動板固定部２６が−Ｙ方向に変位する。次に圧電素子２３への電圧をオフ（０Ｖ）にすると、圧電素子２３が元の長さに戻り、Ｘ方向駆動板固定部２６も元の位置に戻る。
【００２４】
Ｘ方向駆動板固定部２６にはＸ方向駆動板４１のＹ方向駆動板固定部４４が固定され、Ｘ方向駆動板４１の板バネ固定部４６には板バネ５を介してボンディングアーム８が取付けられているので、前記のようにＸ方向駆動板固定部２６がＹ方向に動くと、ボンディングツール１２もＹ方向に移動する。
【００２５】
次にＸ方向駆動手段４０の作用について説明する。圧電素子４３への電圧をオンにすると、圧電素子４３は伸びる。圧電素子４３の一端部４３ａは固定されているので、伸びは全て他端部４３ｂに伝えられる。他端部４３ｂが変位すると、弾性変形部５０が弾性変形して板バネ固定部４６が＋Ｘ方向に変位する。次に圧電素子４３への電圧をオフにすると、圧電素子４３が元の長さに戻り、板バネ固定部４６も元の位置に戻る。
【００２６】
そこで、Ｙ方向駆動手段２０及びＸ方向駆動手段４０の駆動を組み合わせることにより、ボンディング面に対して平行な任意の方向にボンディングツール１２を駆動することができる。このＹ方向駆動手段２０及びＸ方向駆動手段４０の駆動のタイミングは、図５に示すボンディングのタイミングで行われる。
【００２７】
まず、スクラブ動作を除いた周知の動作を図５を参照しながら説明する。リニアモータ１４によるＺ軸方向の駆動によるボンディングツール１２の下降と、ＸＹテーブル１のＸＹ軸方向の駆動による平面移動とにより、ボンディングツール１２は第１ボンディング面６０に当接し、その第１ボンディング面６０より更に若干ボンディングツール１２は下降させられてワイヤ１３の先端に形成された図示しないボールが加圧６２される。またワイヤ加圧後に超音波ホーン１０が超音波発振６４を行ってボンディングツール１２に超音波振動が印加される。これにより、第１ボンディング面６０にボールがボンディングされる。
【００２８】
次にボンディングツール１２は上昇、ＸＹ方向への駆動及び下降させられてワイヤ１３の繰り出しが行われ、第２ボンディング面６１にボンディングツール１２は当接し、第１ボンディング面６０のボンディングと同様にワイヤ１３の加圧６３及び超音波発振６５が行われ、第２ボンディング面６１にワイヤ１３がボンディングされる。その後、ボンディングツール１２が上昇する途中にワイヤクランパ１１が閉じ、ワイヤ１３は第２ボンディング面６１の根元部より切断される。
【００２９】
本実施の形態においては、前記した加圧６２、６３中に圧電素子２３又は４３若しくは圧電素子２３と４３への電圧をオン、オフし、スクラブ動作が行われる。このスクラブ動作は、ワークに最適なタイミングを選択することができる。例えば、図５の▲１▼に示すように超音波発振６４、６５より前に圧電素子２３、４３をオン、オフさせてもよく、図５の▲２▼に示すように超音波発振６４、６５中に圧電素子２３、４３をオン、オフさせてもよく、図５の▲３▼に示すように超音波発振６４、６５より前に圧電素子２３、４３をオンにして超音波発振６４、６５中に圧電素子２３、４３をオフにしてもよい。
【００３０】
このように、超音波発振６４、６５と圧電素子２３、４３によるスクラブ動作を同時に行うことができるので、タイミングの組合せを自由に選択することができる。これによって、ワークに最適なスクラブ動作のタイミングを選択できる。また圧電素子２３への電圧のオン、オフと圧電素子４３への電圧のオン、オフの組合せにより、第１ボンディング面６０、第２ボンディング面６１に対して任意の方向にスクラブ動作を行うことができる。これによって、ワークに最適なスクラブ動作の方向が自由に選択することができる。
【００３１】
なお、上記実施の形態においては、Ｙ方向駆動手段２０上にＸ方向駆動手段４０を固定したが、逆にＸ方向駆動手段４０上にＹ方向駆動手段２０を固定してもよい。
【００３２】
図６は本発明の他の実施の形態を示す。前記実施の形態においては、Ｙ方向駆動手段２０とＸ方向駆動手段４０の組合せよりなっている。本実施の形態は１つのＸＹ方向駆動手段７０よりなっている。ＸＹ方向駆動板７１の右側は、ボンディングヘッド固定部７２となっており、このボンディングヘッド固定部７２にはボルト４（図１参照）が挿入されるボルト挿入穴７３が形成されている。ＸＹ方向駆動板７１の左側は、板バネ固定部７４となっており、この板バネ固定部７４にはボルト６（図１参照）が螺合されるねじ部７５が表面に２個、側面に２個形成されている。
【００３３】
ボンディングヘッド固定部７２と板バネ固定部７４間におけるボンディングヘッド固定部７２側には、圧電素子取付け用矩形穴８０が設けられ、圧電素子取付け用矩形穴８０には、伸縮方向がＹ方向になるように配設された圧電素子８１の左端部８１ａが固定されている。また前記板バネ固定部７４がＹ方向に変位できるように、圧電素子取付け用矩形穴８０の右端部はＸ方向に伸びたスリット８２が両側端７１ａの近傍まで形成され、またスリット８２に近接して両側端７１ａからスリット８２に平行にスリット８３が形成され、スリット８２と８３間は弾性変形部８４となっている。
【００３４】
ボンディングヘッド固定部７２と板バネ固定部７４間における板バネ固定部７４側には、圧電素子取付け用矩形穴９０が設けられ、圧電素子取付け用矩形穴９０には、伸縮方向がＸ方向になるように配設された圧電素子９１の一端部９１ａが固定されている。また前記板バネ固定部７４がＸ方向に変位できるように、圧電素子取付け用矩形穴９０の左右端部はＸ方向に伸びたスリット９２が両側端７１ａの近傍まで形成され、更にスリット９２の端部と連通して側端７１ａと平行にＹ方向に伸びたスリット９３が形成され、側端７１ａとスリット９３間は弾性変形部９４となっている。
【００３５】
そこで、Ｙ方向駆動手段２０（図１参照）の大きさに相当するブロック（図示せず）を図１に示すボンディングヘッド２にボルト３で固定し、前記ブロックに本実施の形態のＸＹ方向駆動手段７０をボルト４で固定する。その他の構成は前記実施の形態と同じである。
【００３６】
次に作用について説明する。圧電素子８１への電圧をオンにすると、圧電素子８１はＹ方向に伸びる。圧電素子８１の左端部８１ａは固定されているので、伸びは全て他端部８１ｂに伝えられる。他端部８１ｂが変位すると、弾性変形部８４が弾性変形して板バネ固定部７４が＋Ｙ方向に変位する。次に圧電素子８１への電圧をオフにすると、圧電素子８１が元の長さに戻り、板バネ固定部７４も元の位置に戻る。
【００３７】
圧電素子９１への電圧をオンにすると、圧電素子９１はＸ方向に伸びる。圧電素子９１の一端部９１ａは固定されているので、伸びは全て他端部９１ｂに伝えられる。他端部９１ｂが変位すると、弾性変形部９４が弾性変形して板バネ固定部７４が＋Ｘ方向に変位する。次に圧電素子９１への電圧をオフにすると、圧電素子９１が元の長さに戻り、板バネ固定部７４も元の位置に戻る。
【００３８】
前記したように、板バネ固定部７４がＹ方向に動くと、ボンディングツール１２もＹ方向に移動し、また板バネ固定部７４がＸ方向に動くと、ボンディングツール１２もＸ方向に移動する。そこで、圧電素子８１及び９１の駆動を組み合わせることにより、ボンディング面に対して平行な任意の方向にボンディングツール１２を駆動することができ、前記実施の形態と同様の効果が得られる。
【００３９】
なお、上記各実施の形態においては、ボンディングアーム８を板バネ５を介してＸ方向駆動手段４０又はＸＹ方向駆動手段７０に取付けたが、ボンディングアーム８を支軸を介してＸ方向駆動手段４０又はＸＹ方向駆動手段７０に揺動自在に取付けてもよい。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、一端にボンディングツールが取付けられ超音波振動源を内蔵した１個の超音波ホーンと、平面上のＸＹ方向に駆動されるＸＹテーブルと、このＸＹテーブルに搭載され前記超音波ホーンを揺動自在に保持したボンディングヘッドとを備えたボンディング装置において、前記超音波ホーンを介して前記ボンディングツールを前記超音波ホーンの軸心に平行なＹ方向に振動させるように伸縮方向がＹ方向になるように配設されたＹ方向用圧電素子を有したＹ方向駆動手段と、前記Ｙ方向に直角な平面のＸ方向に前記超音波ホーンを介して前記ボンディングツールを振動させるように伸縮方向がＸ方向になるように配設されたＸ方向用圧電素子を有したＸ方向駆動手段とを前記ボンディングヘッドに固定し、前記超音波ホーンの超音波発振によるボンディング時の前記超音波発振の終了前に前記圧電素子を駆動させて前記ボンディングツールをボンディング平面のＸＹ方向に振動させるスクラブ動作を行わせる構成よりなるので、スクラブ動作の振動が軽減され、安定したボンディング動作を行うことができると共に、ワークに最適なスクラブ動作のタイミング及び方向を自由に選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のボンディング装置の一実施の形態を示す側面図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】Ｙ方向駆動手段を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図４】Ｘ方向駆動手段を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図５】ボンディング及びスクラブ動作のタイミング図である。
【図６】本発明のＸＹ方向駆動手段の他の実施の形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【符号の説明】
１    ＸＹテーブル
２    ボンディングヘッド
８    ボンディングアーム
１０  超音波ホーン
１２  ボンディングツール
１３  ワイヤ
１４  リニアモータ
２０  Ｙ方向駆動手段
２１  Ｙ方向駆動板
２３  圧電素子
３０  弾性変形部
４０  Ｘ方向駆動手段
４１  Ｘ方向駆動板
４３  圧電素子
５０  弾性変形部
７０  ＸＹ方向駆動手段
７１  ＸＹ方向駆動板
８１  圧電素子
８４  弾性変形部
９１  圧電素子
９４  弾性変形部
【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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