(57)【要約】【課題】接合部位の表面状態に材料学的な外乱が生じた場合でも、適切なプロセス制御の実行によって、良好な接合を実現することが出来る超音波接合方法を提供する。【解決手段】本発明に係る超音波接合方法は、ボンディングツールを用いて接合部材を被接合部材に圧接せしめると共に、該ボンディングツールに超音波振動を与え、その過程で、接合部材に対するボンディングツールの荷重と超音波出力を変化させることによって、接合部材を被接合部材に接合するものであって、ボンディングツールの荷重と超音波出力を変化させる際、ボンディングツール先端部の振動波形を計測して、その計測結果に基づいて、予め用意されている複数の荷重及び超音波出力の変化パターンの中から１つの変化パターンを選択し、実行する。【選択図】図４
2008047596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボンディングツールを用いて接合部材を被接合部材に圧接せしめると共に、該ボンディングツールに超音波振動を与え、その過程で、接合部材に対するボンディングツールの荷重と超音波出力を変化させることによって、接合部材を被接合部材に接合する超音波接合方法において、ボンディングツールの荷重と超音波出力を変化させる際、ボンディングツール先端部の振動波形を計測して、その計測結果に基づいて、予め用意されている複数の荷重及び超音波出力の変化パターンの中から１つの変化パターンを選択し、実行することを特徴とする超音波接合方法。
【請求項２】
ボンディングツール先端部の振動波形の計測結果から、振動波形に偶数次高調波が出現しているか否かを判断すると共に、超音波振幅が変動しているか否かを判断し、それらの判断結果に基づいて、前記１つの変化パターンを選択する請求項１に記載の超音波接合方法。
【請求項３】
ボンディングツールの荷重と超音波出力をそれぞれ初期荷重と初期超音波出力に設定する第１接合工程と、ボンディングツールの荷重と超音波出力をそれぞれ初期荷重と初期超音波出力から最大荷重と最大超音波出力まで増大させる第２接合工程と、ボンディングツールの荷重と超音波出力をそれぞれ最大荷重と最大超音波出力に設定する第３接合工程とを有し、
第１接合工程では、ボンディングツールの荷重方向の変位量と、ボンディングツール先端部の振動波形を計測し、ボンディングツールの荷重方向の変位量が所定の閾値を超えた後の振動波形に、偶数次高調波が出現しているか否かを判断すると共に、超音波振幅の変動が生じているか否かを判断し、これらの判断の結果に基づいて、第２接合工程で設定すべきボンディングツールの荷重と超音波出力の変化パターンを、予め設定されている複数のカテゴリの中から選択し、第２接合工程では、第１接合工程で選択したカテゴリの変化パターンに従って、ボンディングツールの荷重と超音波出力を変化させる請求項１に記載の超音波接合方法。
【請求項４】
第１接合工程では、ボンディングツールの荷重方向の変位量が第１の閾値を超えた後、ボンディングツール先端部の振動波形を計測し、ボンディングツールの荷重方向の変位量が第２の閾値を超えた時点で、第２接合工程に移行する請求項３に記載の超音波接合方法。
【請求項５】
前記複数のカテゴリは、偶数次高調波が出現し、且つ超音波振幅が変動する第１カテゴリと、偶数次高調波が出現し、且つ超音波振幅が増加しない第２カテゴリと、偶数次高調波が出現せず、且つ超音波振幅が変動する第３カテゴリと、偶数次高調波が出現せず、且つ超音波振幅が変動しない第４カテゴリとを有している請求項３又は請求項４に記載の超音波接合方法。
【請求項６】
荷重と超音波出力の変化パターンとして、第２接合工程の初期における荷重の増加割合が大、中、小の第１、第２、第３パターンと、第２接合工程の初期における超音波出力の増加割合が大、中、小の第１、第２、第３パターンを用意し、第１カテゴリの変化パターンとしては、荷重が第１パターンで超音波出力が第３パターンを選択し、第２カテゴリの変化パターンとしては、荷重が第１パターンで超音波出力が第２パターン、若しくは荷重が第２パターンで超音波出力が第３パターンを選択し、第３カテゴリの変化パターンとしては、荷重が第２パターンで超音波出力が第２パターンを選択し、第４カテゴリの変化パターンとしては、荷重が第２パターンで超音波出力が第１パターン、若しくは荷重が第３パターンで超音波出力が第１パターンを選択する請求項５に記載の超音波接合方法。
【請求項７】
ボンディングツールを用いて接合部材を被接合部材に圧接せしめると共に、該ボンディングツールに超音波振動を与え、その過程で、接合部材に対するボンディングツールの荷重と超音波出力を変化させることによって、接合部材を被接合部材に接合する超音波接合装置において、
ボンディングツール先端部の振動波形を計測する波形計測装置と、
ボンディングツールの荷重と超音波出力を変化させる際、波形計測装置の計測結果に基づいて、予め用意されている複数の荷重及び超音波出力の変化パターンの中から１つの変化パターンを選択し、実行する接合制御装置
とを有していることを特徴とする超音波接合装置。
【請求項８】
前記接合制御装置は、ボンディングツール先端部の振動波形の計測結果から、振動波形に偶数次高調波が出現しているか否かを判断すると共に、超音波振幅が変動しているか否かを判断し、それらの判断結果に基づいて、前記１つの変化パターンを選択する請求項７に記載の超音波接合装置。
【請求項９】
更に、ボンディングツールの荷重方向の変位を計測する変位計測装置を具え、前記接合制御装置は、ボンディングツールの荷重と超音波出力をそれぞれ初期荷重と初期超音波出力に設定する第１接合工程と、ボンディングツールの荷重と超音波出力をそれぞれ初期荷重と初期超音波出力から最大荷重と最大超音波出力まで増大させる第２接合工程と、ボンディングツールの荷重と超音波出力をそれぞれ最大荷重と最大超音波出力に設定する第３接合工程とを実行し、
第１接合工程では、変位計測装置によってボンディングツールの荷重方向の変位量を計測すると共に、波形計測装置によってボンディングツール先端部の振動波形を計測し、ボンディングツールの荷重方向の変位量が所定の閾値を超えた後の振動波形に、偶数次高調波が出現しているか否かを判断すると共に、超音波振幅の変動が生じているか否かを判断し、これらの判断の結果に基づいて、第２接合工程で設定すべきボンディングツールの荷重と超音波出力の変化パターンを、予め設定されている複数のカテゴリの中から選択し、第２接合工程では、第１接合工程で選択したカテゴリの変化パターンに従って、ボンディングツールの荷重と超音波出力を変化させる請求項８に記載の超音波接合装置。
【請求項１０】
第１接合工程では、ボンディングツールの荷重方向の変位量が第１の閾値を超えた後、ボンディングツール先端部の振動波形を計測し、ボンディングツールの荷重方向の変位量が第２の閾値を超えた時点で、第２接合工程に移行する請求項９に記載の超音波接合装置。
【請求項１１】
前記複数のカテゴリは、偶数次高調波が出現し、且つ超音波振幅が変動する第１カテゴリと、偶数次高調波が出現し、且つ超音波振幅が増加しない第２カテゴリと、偶数次高調波が出現せず、且つ超音波振幅が変動する第３カテゴリと、偶数次高調波が出現せず、且つ超音波振幅が変動しない第４カテゴリとを有している請求項９又は請求項１０に記載の超音波接合装置。
【請求項１２】
前記接合制御装置には、荷重と超音波出力の変化パターンとして、第２接合工程の初期における荷重の増加割合が大、中、小の第１、第２、第３パターンと、第２接合工程の初期における超音波出力の増加割合が大、中、小の第１、第２、第３パターンとが用意され、前記接合制御装置は、第１カテゴリの変化パターンとして、荷重が第１パターンで超音波出力が第３パターンを選択し、第２カテゴリの変化パターンとして、荷重が第１パターンで超音波出力が第２パターン、若しくは荷重が第２パターンで超音波出力が第３パターンを選択し、第３カテゴリの変化パターンとして、荷重が第２パターンで超音波出力が第２パターンを選択し、第４カテゴリの変化パターンとして、荷重が第２パターンで超音波出力が第１パターン、若しくは荷重が第３パターンで超音波出力が第１パターンを選択する請求項１１に記載の超音波接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトロニクス実装用のワイヤボンディング装置の如く、ボンディングツールを用いて接合部材を被接合部材に圧接せしめると共に、該ボンディングツールに超音波振動を与え、その過程で、接合部材に対するボンディングツールの荷重と超音波出力を変化させることによって、接合部材を被接合部材に接合する超音波接合方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロニクス実装における回路配線形成に使用される超音波接合は、１点ずつ接合していくシングルボンディングと、一度に複数部位を接合するギャングボンディングに分類され、前者としては、ワイヤボンディング（ボールボンドと第二ステッチボンド）やウエッジボンディングが挙げられ、後者としては、フリップチップボンディング（ＦＣＢ）やテイプオートマティックボンディング（ＴＡＢ）等が挙げられる。
【０００３】
例えばワイヤボンディングにおいては、図２に示す如く、ボンディングツール(２)を用いて接合部材であるワイヤ(８)を被接合部材である基板(９)に圧接せしめると共に、該ボンディングツール(２)に超音波振動を与え、その過程で、ワイヤ(８)に対するボンディングツール(２)の荷重と超音波出力を変化させることによって、ワイヤ(８)を基板(９)上の電極に接合する。
【０００４】
この様な超音波接合において、基本となる接合条件は、接合時間、荷重（加圧力）及び超音波出力の３つである。一般には、接合後のボンド状態（例えばシェア強度、接合形状等）を観察し、経験的に、この３条件が決定されてきた。
しかし、この３条件を接合中に一定（固定）として接合を行なうと、満足な接合強度（母材並み強度）が得られない場合がある。又、接合部位の表面状態（例えば表面の汚れ、粗さ等）が変化した場合、即ち、材料学的な外乱が生じた場合、接合進行状況は必然的に変化する。
【０００５】
そこで、接合表面に酸化膜などの介在物があった場合でも接合進行状態をモニタリングして、フィードバックにより接合状態を制御する技術が提案されている（特許文献１）。しかしながら、該技術によっても、接合がうまく進行していない場合は、接合機構との対応が為されないままであるため、適切な接合条件を設定することは困難である。
【０００６】
また、基本波に高次の超音波振動波形を意図的に加え、摩擦すべり（スリッピング）接合を促進しようとする試みも行われている（特許文献２）。しかしながら、これによって多くの周波数の振動が発生する結果を招き、振動モードが複雑になって、波形と界面すべりとの関係が判別不能となる。また、界面のすべり挙動は、ワイヤ／基板（電極）におけるすべりだけでなく、ボンディングツール／ワイヤ界面でもすべるため、計測による認識が複雑になり、計測制御を困難にしている。
【０００７】
その他、基本周波数（奇数波に相当）と第２高調波（偶数波に相当）の比を求め、溶着状態を知る技術(特許文献３)や、接合初期の低荷重期間に超音波を印加し、接合後期の高荷重域では、超音波を非動作する技術(特許文献４)が提案されているが、何れによっても、満足な接合強度を得ることは出来なかった。
【特許文献１】特開平５−２０６２２４公報
【特許文献２】特開２００１−２７６７３８号公報
【特許文献３】特開平１１−１９７８５４号公報
【特許文献４】特願２００３−０９５０４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明の目的は、接合部位の表面状態に材料学的な外乱が生じた場合においても適切（シェア強度が高く、接合形状が良好）な接合を実現するべく、超音波接合原理と摩擦すべりモード及び振動波形との関係を把握し、その上で、限られた接合時間内で荷重及び超音波出力を変化させ、適切なプロセス制御を達成させるソフト／ハード面の技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、上記目的を達成するべく鋭意研究を行なった結果、超音波接合には、共通の接合機構原理、即ちスリップアンドフォールディング機構(slip  and  folding  mechanism)があることを発見し、この発見に基づき、接合プロセスを制御する本発明の完成に至った。
【００１０】
即ち、スリッピング機構が重要となる初期接合期間において、摩擦すべり挙動とボンディングツール振動モードの関係を明らかにし、その結果に基づいて、ボンディングツールの変位（ワイヤ変形）とボンディングツールの振動をモニタリングし、初期接合期間に接合中央部の凝着を確保しつつ、モニタリングした初期接合期間中の超音波波形と振動モード（周波数分布と振幅変動）から、接合進行状態を４つのカテゴリに分類する。そして、各カテゴリに対して、ボンディングツール／ワイヤ間のすべりを防止し、且つ、スリップアンドフォールディング機構を促進するように、初期接合期間以降の接合過程に対する荷重と超音波出力の条件と、その印加タイミング及び増加割合（速度：ｒａｔｅ）を制御する。
【００１１】
本発明に係る超音波接合方法は、ボンディングツールを用いて接合部材を被接合部材に圧接せしめると共に、該ボンディングツールに超音波振動を与え、その過程で、接合部材に対するボンディングツールの荷重と超音波出力を変化させることによって、接合部材を被接合部材に接合するものである。
そして、ボンディングツールの荷重と超音波出力を変化させる際、ボンディングツール先端部の振動波形を計測して、その計測結果に基づいて、予め用意されている複数の荷重及び超音波出力の変化パターンの中から１つの変化パターンを選択し、実行する。
【００１２】
具体には、ボンディングツール先端部の振動波形の計測結果から、振動波形に偶数次高調波が出現しているか否かを判断すると共に、超音波振幅が変動しているか否かを判断し、それらの判断結果に基づいて、前記１つの変化パターンを選択する。
【００１３】
具体的構成において、本発明に係る超音波接合方法は、ボンディングツールの荷重と超音波出力をそれぞれ初期荷重と初期超音波出力に設定する第１接合工程と、ボンディングツールの荷重と超音波出力をそれぞれ初期荷重と初期超音波出力から最大荷重と最大超音波出力まで増大させる第２接合工程と、ボンディングツールの荷重と超音波出力をそれぞれ最大荷重と最大超音波出力に設定する第３接合工程とを有している。
第１接合工程では、ボンディングツールの荷重方向の変位量と、ボンディングツール先端部の振動波形を計測し、ボンディングツールの荷重方向の変位量が所定の閾値を超えた後の振動波形に、偶数次高調波が出現しているか否かを判断すると共に、超音波振幅の変動が生じているか否かを判断し、これらの判断の結果に基づいて、第２接合工程で設定すべきボンディングツールの荷重と超音波出力の変化パターンを、予め設定されている複数のカテゴリの中から選択し、第２接合工程では、第１接合工程で選択したカテゴリの変化パターンに従って、ボンディングツールの荷重と超音波出力を変化させる。
【００１４】
第１接合工程では、ボンディングツールの荷重方向の変位量が第１の閾値を超えた後、ボンディングツール先端部の振動波形を計測し、ボンディングツールの荷重方向の変位量が第２の閾値を超えた時点で、第２接合工程に移行する。
【００１５】
前記複数のカテゴリは、偶数次高調波が出現し、且つ超音波振幅が変動する第１カテゴリと、偶数次高調波が出現し、且つ超音波振幅が増加しない第２カテゴリと、偶数次高調波が出現せず、且つ超音波振幅が変動する第３カテゴリと、偶数次高調波が出現せず、且つ超音波振幅が変動しない第４カテゴリとを有している。
【００１６】
荷重と超音波出力の変化パターンとして、第２接合工程の初期における荷重の増加割合が大、中、小の第１、第２、第３パターンと、第２接合工程の初期における超音波出力の増加割合が大、中、小の第１、第２、第３パターンを用意し、第１カテゴリの変化パターンとしては、荷重が第１パターンで超音波出力が第３パターンを選択し、第２カテゴリの変化パターンとしては、荷重が第１パターンで超音波出力が第２パターン、若しくは荷重が第２パターンで超音波出力が第３パターンを選択し、第３カテゴリの変化パターンとしては、荷重が第２パターンで超音波出力が第２パターンを選択し、第４カテゴリの変化パターンとしては、荷重が第２パターンで超音波出力が第１パターン、若しくは荷重が第３パターンで超音波出力が第１パターンを選択する。
【００１７】
本発明に係る超音波接合装置は、ボンディングツールを用いて接合部材を被接合部材に圧接せしめると共に、該ボンディングツールに超音波振動を与え、その過程で、接合部材に対するボンディングツールの荷重と超音波出力を変化させることによって、接合部材を被接合部材に接合するものであって、
ボンディングツール先端部の振動波形を計測する波形計測装置と、
ボンディングツールの荷重と超音波出力を変化させる際、波形計測装置の計測結果に基づいて、予め用意されている複数の荷重及び超音波出力の変化パターンの中から１つの変化パターンを選択し、実行する接合制御装置
とを有している。
【００１８】
具体的構成において、前記接合制御装置は、ボンディングツール先端部の振動波形の計測結果から、振動波形に偶数次高調波が出現しているか否かを判断すると共に、超音波振幅が変動しているか否かを判断し、それらの判断結果に基づいて、前記１つの変化パターンを選択する。
【００１９】
更に具体的には、ボンディングツールの荷重方向の変位を計測する変位計測装置を具え、前記接合制御装置は、ボンディングツールの荷重と超音波出力をそれぞれ初期荷重と初期超音波出力に設定する第１接合工程と、ボンディングツールの荷重と超音波出力をそれぞれ初期荷重と初期超音波出力から最大荷重と最大超音波出力まで増大させる第２接合工程と、ボンディングツールの荷重と超音波出力をそれぞれ最大荷重と最大超音波出力に設定する第３接合工程とを実行し、
第１接合工程では、変位計測装置によってボンディングツールの荷重方向の変位量を計測すると共に、波形計測装置によってボンディングツール先端部の振動波形を計測し、ボンディングツールの荷重方向の変位量が所定の閾値を超えた後の振動波形に、偶数次高調波が出現しているか否かを判断すると共に、超音波振幅の変動が生じているか否かを判断し、これらの判断の結果に基づいて、第２接合工程で設定すべきボンディングツールの荷重と超音波出力の変化パターンを、予め設定されている複数のカテゴリの中から選択し、第２接合工程では、第１接合工程で選択したカテゴリの変化パターンに従って、ボンディングツールの荷重と超音波出力を変化させる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る超音波接合方法及び装置によれば、接合部位の表面状態に材料学的な外乱が生じた場合でも、適切なプロセス制御の実行によって、良好な接合を実現することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係る超音波接合装置は、図１に示す如く、ボンディングツール(２)を具えたワイヤボンダー(１)と、ワイヤボンダー(１)に接続された計測制御系から構成され、該計測制御系には、ボンディングツール(２)の荷重方向の変位を計測する変位計(３)と、ボンディングツール(２)の先端部の振動を計測するセンサ部(５)を有するレーザドップラー振動計(４)と、振動波形を観察するオシロスコープ(６)と、振動波形を判別してワイヤボンダー(１)へ波形判別データを供給する波形判別装置(７)とが設けられている。
【００２２】
ワイヤボンダー(１)のボンディングツール(２)は、図２に示す如く、荷重Ｆでワイヤ(８)を基板(９)上の電極に圧接せしめ、この状態でワイヤ(８)に超音波出力を与えることにより、ワイヤ(８)を基板(９)上の電極に接合するものである。
ここで、ボンディングツール(２)とワイヤ(８)の間に第１の界面Ｓ１が形成されると共に、ワイヤ(８)と基板(９)上の電極の間に第２の界面Ｓ２が形成されることになる。
【００２３】
超音波接合においては、図４に示す如く、ボンディングツール(２)に対するワイヤ(８)の荷重Ｌと超音波出力Ｕとを変化させる。
先ず期間０(ｔ＝ｔ0〜ｔ1)においては、ボンディングツールの荷重を初期荷重Ｌｏに設定して、ボンディングツールをワイヤにフィットさせる。
次に期間１(ｔ＝ｔ1〜ｔ2)において、ボンディングツールの荷重と超音波出力をそれぞれ初期荷重Ｌｏと初期超音波出力Ｕｏに設定し、第１接合工程を実行する。
その後、期間２(ｔ＝ｔ2〜ｔ3)において、ボンディングツールの荷重と超音波出力をそれぞれ初期荷重Ｌｏと初期超音波出力Ｕｏから最大荷重Ｌｍと最大超音波出力Ｕｍまで増加させて、第２接合工程を実行する。
最後に、期間３(ｔ＝ｔ3〜ｔ4)において、ボンディングツールの荷重と超音波出力をそれぞれ最大荷重Ｌｍと最大超音波出力Ｕｍに維持して、第３接合工程を実行する。
第３接合工程の終了後は、先ず(ｔ＝ｔ4)、超音波出力を零に落とし、その後(ｔ＝ｔ5)、荷重を零に落とす。
【００２４】
ここで、期間０は、接合能率を上げるために２０ｍｓ以内とする。
その後、期間１においては、出力Ｕｏの超音波の印加によって、接合部位では、先ずその中央部に、スリッピング（摩擦すべり）による島状の凝着部が生じる。大気中にて中央部に凝着を確保するには、スリッピングが必要で、接合面どうしを単純に押し当てただけでは接合はできない。そこで、この初期凝着に必要なスリッピングを促進させるために、初期荷重Ｌｏと初期超音波出力Ｕｏの条件設定が必要となる。
【００２５】
図３は、ワイヤボンディングにおけるワイヤ(８)の変形過程(ａ)(ｂ)(ｃ)を示しており、荷重前にはワイヤ(８)は基板(９)に線接触しているが、荷重及び超音波の印加によって、徐々にワイヤ(８)が変形して、基板(９)との接触部が拡大していく。ここで、ワイヤ(８)の初期の直径をＤ、ワイヤ(７)の高さ変化をΔＤ、ワイヤ(８)と基板(９)間の接触幅をｗとして、次の数式によって、期間０及び期間１の初期接合過程における比率ｗ／ＤとΔＤ／Ｄを定義する。
【００２６】
(数式)
ｗ／Ｄ＝ａ  〜  ｂ        ａ＝０.１      ｂ＝０.３〜０.３３
ΔＤ／Ｄ＝Ａ  〜  Ｂ        Ａ＝０.０２    Ｂ＝０.０５〜０.０７
【００２７】
初期接合過程では、比率ｗ／ＤとΔＤ／Ｄとは、互いに略比例的な関係を有する。また、初期接合過程は、ｗ／Ｄ＜ｂで定義される。Ｂとｂに範囲を与えているのは、ワイヤの曲がりによる位置ずれにばらつきがあるためである。
図９は、初期接合過程におけるワイヤの断面写真であって、ワイヤの初期直径Ｄが３００μm、基板(シリコンチップ)との接触幅ｗが８４μmの場合、ワイヤの高さが３００μmから２８９μmに変化して、その高さ変化ΔＤが１１μmとなっている。この場合、ｗ＝８４μmはΔＤ＝１１μmに換算することが出来る。
【００２８】
期間１以後、期間２において最終的に到達すべき最大荷重Ｌｍと最大超音波出力Ｕｍは、予め実験等によって最適値を求めておく。また、Ｄ≧３００ｍｍの太線ワイヤ接合に対しては、初期接合面積が大きいので、適当な時間確保のため、期間１＝｜ｔ2−ｔ1｜≧１０ｍｓという制限を加えることも可能である。
【００２９】
期間１においては、ボンディングツールの垂直変位、水平変位、及び振動モードを計測し、波形解析を行なう。そして、垂直変位の計測結果から比率ΔＤ／Ｄを認識する。また、波形分析結果から即座に、振動モードと振幅変動状況を認識し、予め接合機構解析から定めた４つのカテゴリ１〜４（図５参照）に従って、その後のプロセス制御（荷重増加、超音波出力増加）を実施する。その際、ボンディングツールの垂直変位（ワイヤの高さ変化）ΔＤを計測し、ΔＤ／Ｄ＞Ｂ（ｗ／Ｄ＞ｂ）となった時点をもって、期間１に続く期間２のプロセス制御の実施タイミングとする。
【００３０】
図３に示す様に、ワイヤボンディングにおけるワイヤ変形過程では、時間と共に初期接触部（期間０で接触した中央部Ｘ）から、スリッピングにより凝着が達成していき、同時に、ワイヤ変形によりワイヤ表面の外周部Ｙが基板に密着していく。この外周部Ｙの密着をフォールディング(folding)と称す。接合部領域の拡大にはこのフォールディングが必要であるが、良好な接合達成には、スリッピングが必要である。また、一度、凝着した接合中央部を剥離させないように工夫する必要がある。
本発明は、スリップアンドフォールディング機構を促進させるプロセス制御を見出したものである。
【００３１】
スリッピングは、荷重（圧縮垂直応力σ）と界面における剪断応力τとの関係で生じる。摩擦係数をμとすると、スリッピングを発生させるためには、その部分で、μσ＜τの応力条件が必要である。荷重を増加させると、初期接合部には大きな圧縮が生じ、超音波振動を同時に増加させると、フォーディングも促進し、且つ、中央部ではμσ＞τが達成し、周辺部ではμσ＜τが達成する。凝着が生じた個所では、摩擦係数が本質的に高くなり、μσ＞τの条件が満たされ易くなる。その結果、接合中央部でμσ＞τ、周辺部でμσ＜τが達成するという条件が生じる。
【００３２】
アルミニウムワイヤ、金ワイヤ、金バンプのように柔らかい材料に対しては、既に形成されている接合中央部の島状凝着部を剥離しないように、中央部界面近傍で容易に変形が生じて超音波振動を吸収し、且つ、μσ＜τが成立する周辺部のみでスリップが生じ、フォールディングを継続するというスリップアンドフォールディング機構が働く。この機構により、広い面積で凝着が達成できる接合過程、即ち中央部では凝着保持、周辺部ではスリップ達成が可能となるのである。
【００３３】
本発明は、この原理に基づいて接合プロセスを制御するものであり、これによって、初期接合部を損なうことなく、接合周辺部を合理的に接合していくプロセス制御を実行できるのである。
但し、初期接合過程では、図２に示す第１界面Ｓ１（ボンディングツール／ワイヤ界面）と第２界面Ｓ２（ワイヤ／基板界面）で、同時にスリッピングが生じる場合がある。接合すべきは第２界面Ｓ２であるので、第１界面Ｓ１でスリッピングが発生している場合は、第１界面Ｓ１を固着させつつ、荷重及び超音波出力を増加させる必要がある。
【００３４】
図１０に、直径３００μｍのアルミニウムワイヤを対象とするワイヤボンディングの期間１におけるボンディングツール振動波形のＦＦＴ解析結果を示す。尚、図の縦軸は対数表示としている。
図１０(ａ)は、第２界面Ｓ２のみスリッピングが生じている場合で、基本波（１１０ｋＨｚ）と奇数次高調波が出現し、奇数高調波以外の周波数成分のパワーの変動は小さい。
【００３５】
一方、図１０(ｂ)は、第１界面Ｓ１でスリッピングが生じている場合であり、ボンディングツール／ワイヤ間での固着（スティックないしはフィックス）状態が不安定で、第１界面Ｓ１の「凝着を伴わないすべり」を示すパワースペクトル分布である。図示の如く、偶数次高調波が出現し、その半値幅も増加し、ノイズ成分（基本波とその高調波以外の周波数成分）に増減が現れ、その増減がほぼ一様である。
【００３６】
図１１は、期間１においてボンディングツール／ワイヤ間の第１界面Ｓ１ですべりが生じる場合のボンディングツールの水平方向振動を示している。途中で振幅が増加しているのは、ボンディングツール／ワイヤ間の固着がはがれるとボンディングツールの実効質量が減少し、ボンディングツールが軽くなったためである。
【００３７】
振幅が小さい期間はボンディングツール／ワイヤ固着期間であるが、第１界面Ｓ１が固着状態にあることは、この期間に偶数次高調波が観察されないことで確認できる。この場合、期間１の後期で、ボンディングツール／ワイヤ間の第１界面Ｓ１においてすべりが再び生じ、ワイヤへの振動伝達が行われず、第１界面Ｓ１ですべりが生じて、偶数次高調波が観察される。即ち、偶数次高調波と振動振幅増大の協調計測により第１界面Ｓ１のすべりを同定することが出来る。
【００３８】
以上の接合機構と振動波形との解析から、接合進行状態を４つのカテゴリに分類し、その各々の状況に対して、期間１以後の接合プロセス制御をアルゴリズム化した。
図５に、カテゴリの区分と、各カテゴリにおける波形モードと界面すべり状況を示す。又、図６に、各カテゴリに対するプロセス制御の目的と対応策を示す。対応策としては、期間１以後の期間２における荷重と超音波出力の変化パターンを示している(図４参照)。
【００３９】
図４は、接合プロセス中の荷重と超音波出力の変化パターンを示している。期間２においては、荷重増加と超音波出力増加を協調させる。期間２の制約としては、期間長Ｄｔ＜２００ｍｓとする。この理由は、スリップアンドフォールディング機構には摩擦加熱効果も得られるが、時間が長いと加熱効果が小さくなるためである。
【００４０】
以下に各カテゴリを説明する。
（１）カテゴリ１
期間１で第１界面Ｓ１が固着とすべりを繰り返す場合である。図５に示す様に、期間１において、その初期には奇数次高調波が観測される。又、偶数次高調波も観察され、期間１のある一定期間で偶数次高調波は出現、消失を繰り返す。更に、超音波振幅が変動し、期間１の後期で増加する。
【００４１】
界面が固着したりすべったりを繰り返している場合、いきなり超音波を増加させると第１界面Ｓ１の固着が不安定となり、第２界面Ｓ２へ超音波エネルギーを伝達することが難しくなる。そこで、先ず、第１界面Ｓ１を固着させ、安定化させる必要が優先する。荷重を超音波出力に先行して増加させる。これによって、第１界面Ｓ１が固着（固定）され、振動が第２界面Ｓ２に伝わって第２界面Ｓ２でも凝着が生じ、その後の超音波出力の増加によって、スリップアンドフォールディング機構がうまく働き、接合外周部でも凝着（接合）が達成される。
この様に、期間２のプロセス制御は、荷重増加を優先して、図４及び図６に示すように、Ｌ１−Ｕ３の変化パターンを与える。
【００４２】
（２）カテゴリ２
第１界面Ｓ１（ボンディングツール／ワイヤ界面）で、定常的な摩擦すべりが生じる場合である。超音波エネルギーを第２界面Ｓ２に安定して伝え得るが、ある程度、荷重増加割合を超音波出力増加割合に先行させると、第１界面Ｓ１の固着が安定し、その結果、第２界面Ｓ２への超音波エネルギー伝達が良くなる。
従って、Ｌ１−Ｕ２、又はＬ２−Ｕ３の変化パターンを与える。例えば、ワイヤ材質の効果を考慮して、Ｌ１−Ｕ２の変化パターンを採用することが出来る。
【００４３】
（３）カテゴリ３
第１界面Ｓ１が固着されている場合である。一方、第２界面Ｓ２では均一な摩擦すべりを起こさず、凝着が生じたり、一旦凝着が生じた後に剥離が生じて、再度摩擦すべりを生じるという現象を繰り返す場合である。カテゴリ１の第１界面Ｓ１の現象に類似しているが、機械的な固着とは違い、凝着なので化学結合が破壊されたり再結合したりする現象である。また、初期接合期間において、凝着している個所は、局所的で面積も小さいため、ボンディングツールの超音波振幅は、カテゴリ１のような突発的な変動ではなく、周期的な増減となることが多い。
【００４４】
第１界面Ｓ１は固着しているので、安定に超音波エネルギーを第２界面Ｓ２に伝達することができるが、超音波エネルギーを荷重増加割合より先行しすぎると、一度凝着した所を破壊し、すべらせている結果となるので、超音波出力は、荷重の増加割合とほぼ平行して増加させる必要がある。
また、荷重と超音波を並行して増加させると、ワイヤ変形とフォールディング機構を促進し、結果として、接合部面積を増加させることができる。
従って、接合中央部の凝着を保存しつつ、ワイヤ表面の外周部をフォールドさせ、接合部面積増加を達成するために、漸次増加のＬ２−Ｕ２の変化パターンを与える。
【００４５】
（４）カテゴリ４
第１界面Ｓ１は固着しているが、第２界面Ｓ２は凝着不足のため、その摩擦係数が小さく、すべっている状態である。これは、基板表面やワイヤ表面が汚れたり酸化皮膜が厚く存在する場合で、期間１だけでは、第２界面Ｓ２で凝着が達成し難い場合である。従って、超音波出力を荷重増加割合に先行して増加し、第２界面Ｓ２で摩擦すべりを促進し且つスリップアンドフォールディング機構を促進させる必要がある。
【００４６】
超音波振動効果として、スリッピング促進とワイヤ変形促進（フォールディング促進）があるが、まさに、この両効果を高めるために、超音波出力の増加を先行させるように、Ｌ３−Ｕ１、または、Ｌ２−Ｕ１の変化パターンを与える。
但し、初期接触部で凝着が一様に生じ、すべりが全く生じなく、ワイヤの変形が超音波振動に対応しているだけの場合が希に発生するが、カテゴリ３より必ず安定した凝着であると推察できるので、超音波出力を荷重に優先して増加させても第２界面Ｓ２は剥離し難い。
そこで、Ｌ２−Ｕ１、又はＬ３−Ｕ１の変化パターンを与える。例えば、ワイヤ材質の効果を考慮して、Ｌ３−Ｕ１の変化パターンを採用することが出来る。
【００４７】
初期接合期間の接合条件（Ｌｏ、Ｕｏ）は、本質的に接合中央部で凝着が達成し易い条件なので、ワイヤ表面や基板電極が清浄であるならば、第２界面Ｓ２が凝着不足である場合は少ない。しかし、酸化皮膜等の影響で、凝着不十分状況が生じる場合がある。このような場合でも、超音波出力を変化パターンＵ１で荷重に先立って増加させることにより、必ず中央部で摩擦すべりが生じ、接合中央部の凝着を達成できる点が、本発明の特徴である。これは、接合部の信頼性確保の点から極めて重要と考えられ、本発明の大きな価値である。
【００４８】
接合中央部の凝着が生じると、超音波出力増加はワイヤ変形とフォールディングを促進する結果となり、接触域増加を促進させる。結果として、荷重を超音波出力より遅らせても、中央部でμσ＞τ、周辺部でμσ＜τが成立し、スリップアンドフォールディング機構により、結果的に中央部から周辺部へと接合域が増加していく。
【００４９】
上記分析の正当性を実証するために、変形し難い、即ち塑性変形の影響が少ないタングステン線（３００μm径）のワイヤを使用し、ワイヤと基板間を強力接着剤で凝着させ、ボンディングツール／ワイヤの第１界面Ｓ１で強制的に摩擦すべりを起こさせた実験（荷重１Ｎ、超音波出力２.０Ｗ）を試みた。
その結果（パワースペクトル）を図１２に示す。タングステンワイヤを用いているので、図１２に示すように基本波のピークの半値幅はアルミニウムワイヤの場合よりも狭くなるが、偶数次高調波が図１０(ｂ)と同様に観察された。また、この場合、第１界面Ｓ１では摩擦すべりが持続されているので、ボンディングツール先端部の振動振幅は一定を保っていた。このことから、固着／すべりを繰り返していないことが理解できる。
【００５０】
以上の議論から、図５及び図６に示す対応策を講じることによって、スリップアンドフォールディング機構を合理的に適応した接合プロセス制御を実現出来ると言える。
【００５１】
図７及び図８は、本発明に係る超音波接合のプロセス制御のアルゴリズムを示している。
先ず、図７のステップＳ１では、接合条件（ｔ0〜ｔ4、Ｌｍ、Ｕｍ）の設定を行なう。ここで、制約条件：Ｌｏ＝０.０５Ｌｍ〜０.３Ｌｍ、Ｕｏ＝０.１Ｕｍ〜０.５Ｕｍ、ｔ＜２０ｍｓでΔＤ／Ｄ＞０.０１の下で、Ｕｏ、Ｌｏを設定する。又、制約条件：Ｄｔ≦２００ｍｓの下で、Ｄｔを設定する。更に、比率ΔＤ／Ｄの閾値となるＡ、Ｂを設定する。
【００５２】
次にステップＳ２では、Ｌ＝Ｌｏで荷重を開始する（期間０；ｔ＝ｔ0〜ｔ1）。但し、ｔ1＜２０ｍｓとする。続いてステップＳ３では、Ｕ＝Ｕｏで超音波の印加を開始する（ｔ＝ｔ1）。
【００５３】
ステップＳ４では、ボンディングツールの垂直位置を計測する（期間１；ｔ＝  ｔ1〜ｔ2）。但し、ワイヤ材質によっては、Ｄ≧３００ｍｍに対して｜ｔ2−ｔ1｜≧１０ｍｓの制約を設ける。
その後、ステップＳ５では、ΔＤ／Ｄ＞Ａ（又は０.０１）となったか否かを判断し、イエスと判断されたとき、ステップＳ６に移行する。
【００５４】
ステップＳ６では、振動波形及び振幅変化を計測し、ステップＳ７では、波形分析を行なう。更に、ステップＳ８では、偶数次高調波とその周囲の周波数の成分が観測されるか否か（半値幅が増大しているか否か）を判断する。同時に、奇数次高調波も観測する。
ステップＳ８にてイエスと判断されたときは、ステップＳ９に移行して、ボンディングツールの超音波振動の振幅が増加しているか否かを判定する。又、ステップＳ８にてノーと判断されたときは、ステップＳ１０に移行して、ボンディングツールの超音波振動の振幅が減少又は増減しているか否かを判定する。
【００５５】
そして、ステップＳ９及びＳ１０での判断結果に応じて、ステップＳ１１
Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４の何れかに移行し、カテゴリ１〜４の分類を行なう。
即ち、ステップＳ９にてイエスと判断されたときはステップＳ１１に移行し、ステップＳ９にてノーと判断されたときはステップＳ１２に移行し、ステップＳ１０にてイエスと判断されたときはステップＳ１３に移行し、ステップＳ１０にてノーと判断されたときはステップＳ１４に移行する。
【００５６】
その後、図８のステップＳ１５では、ボンディングツールの垂直変位を計測し、ステップＳ１６では、ΔＤ／Ｄ＞Ｂとなったか否かを判断する。ここで、ワイヤ材質によっては、ΔＤ／Ｄ＞Ｂと共に、｜ｔ2−ｔ1｜≧１０ｍｓを判断する。
ΔＤ／Ｄ＞Ｂ（又は、ΔＤ／Ｄ＞Ｂであり、且つ｜ｔ2−ｔ1｜≧１０ｍｓ）ならば、ステップＳ１７にて、期間２の開始時点(ｔ＝ｔ２)とし、カテゴリの種類に従って、荷重及び超音波出力を増加させる。
【００５７】
続いて、ステップＳ１８では、ｔ3＝ｔ2＋Ｄｔの時点で、荷重及び超音波出力の増加を中止し、一定値(Ｌ＝Ｌｍ、Ｕ＝Ｕｍ)を維持する。
その後、ｔ＝ｔ3〜ｔ4の期間では、ボンディングツール垂直振幅（超音波振幅）は徐々に減少することをモニタリングし、ステップＳ１９では、ｔ＝ｔ4の時点で、超音波の印加を停止して、接合工程を終了する。
【００５８】
本発明に係る超音波接合方法及び装置によれば、次の効果が得られる。
・接合部が清浄な場合、初期接合工程（期間１）において、条件（Ｌｏ、Ｕｏ）の設定により、ワイヤの塑性変形を抑制して、接合中央部をスリッピング機構により凝着することが出来る。
・ボンディングツール／ワイヤ間のすべりを認識し、その界面の固着を確保することが出来る。
・本アルゴリズム制御により、各カテゴリに応じ、期間２において適当な荷重Ｌ及び超音波出力Ｕの増加速度を与えることが出来る。
【００５９】
・本アルゴリズムにより、スリップアンドフォールディング機構に適応させて、接合域を増加し且つ凝着していくことが出来る。又、期間３では、その凝着を確実なものにすることが出来る。
・ボンディングツール先端部のレーザドップラー振動計による振動計測によって得られるスペクトル分析と、基本波、偶数次高調波及び奇数次高調波の観測に基づいて、接合時の荷重及び超音波印加のタイミング制御を容易に行なうことが出来る。
【００６０】
・波形判別装置による波形判別結果に基づいて、奇数次高調波の発生状態と偶数次高調波の発生状態を判別することが出来る。
・偶数次高調波が発生した時点をボンダへ伝達することによって、超音波出力を印加するタイミングを決定し、荷重／振幅協調制御の下でボンディングを行なうことが出来る。
【００６１】
この結果、本発明の超音波接合方法及び装置によれば、ワイヤの曲がりや酸化皮膜による材料学的外乱の影響に拘わらず、良好な接合を実現することが出来る。
【００６２】
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。又、本発明に係る超音波接合方法及び装置は、ワイヤボンディングに限らず、ボールボンディングやその他のボンディングにも実施することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係る超音波接合装置の構成を示す図である。
【図２】ボンディングツール／ワイヤ／基板間の界面を示す図である。
【図３】接合進行状況を説明する一連の断面図である。
【図４】本発明における荷重及び超音波出力の変化パターンを示すタイムチャートである。
【図５】波形分析結果と界面すべりモードを４つのカテゴリに分類した図表である。
【図６】各カテゴリにおけるプロセス制御の目的と対応策を示す図表である。
【図７】本発明におけるプロセス制御の前半を示すフローチャートである。
【図８】本発明におけるプロセス制御の後半を示すフローチャートである。
【図９】基板上に接合されているワイヤの断面写真である。
【図１０】奇数次高調波と偶数次高調波の発生を示すパワースペクトル分布図である。
【図１１】超音波振動の振幅の変化を示す波形図である。
【図１２】本発明における分析の正当性を実証するために行なった実験の結果を表わすパワースペクトル分布図である。
【符号の説明】
【００６４】
(１)  ワイヤボンダー
(２)  ボンディングツール
(３)  変位計
(４)  レーザドップラー振動計
(５)  センサ部
(６)  オシロスコープ
(７)  波形判別装置
【図１】
2008047596.tif 000003
【図２】
2008047596.tif 000004
【図３】
2008047596.tif 000005
【図４】
2008047596.tif 000006
【図５】
2008047596.tif 000007
【図６】
2008047596.tif 000008
【図７】
2008047596.tif 000009
【図８】
2008047596.tif 000010
【図９】
2008047596.tif 000011
【図１０】
2008047596.tif 000012
【図１１】
2008047596.tif 000013
【図１２】
2008047596.tif 000014