(57)【要約】【課題】　ボンディングワイヤの接合性を高め、ボンディング中のモニタを行うことのできるワイヤボンディング装置を提供する。【解決手段】　ワイヤボンディング装置を、ワーク１に作用する力の、ワークの面と平行でツールの加振方向、ワーク上面と平行でツールの加振方向と直交する方向、ツールによる加圧方向の３つの各独立軸方向の成分を検出する力検出手段５と、この力検出手段５の出力に基づいてボンディング異常を判定する判定手段９と、この判定手段９の判定に基づいてボンディング動作を停止するボンダ停止機能１０と、で構成する。【選択図】　　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボンディングワイヤに荷重と超音波を印加して塑性変形させワークと接合するワイヤボンディング装置において、
　前記ワークに作用する力の、前記ワークの面と平行でツールの加振方向、前記ワーク上面と平行で前記ツールの加振方向と直交する方向、前記ツールによる加圧方向の３つの各独立軸方向の成分を検出する力検出手段と、該力検出手段の出力に基づいてボンディング異常を判定する判定手段と、該判定手段の判定に基づいてボンディング動作を停止するボンダ停止機能を備えたことを特徴とするワイヤボンディング装置。
【請求項２】
前記判定手段は、前記ボンディングワイヤとツールの凝着力に基づいて異常判定することを特徴とする請求項１記載のワイヤボンディング装置。
【請求項３】
前記判定手段は、前記ワークの表面と平行で前記ボンディングワイヤに印加する前記超音波の加振方向と直交する方向に作用する力に基づいて前記ワークの固定状態を判定することを特徴とする請求項１記載のワイヤボンディング装置。
【請求項４】
前記判定手段は、前記ワークへの荷重印加時における前記荷重の立ち上がりに基づいて前記ワークの浮き上がりを判定することを特徴とする請求項１記載のワイヤボンディング装置。
【請求項５】
前記判定手段は、前記ワークの表面に鉛直な方向に作用する力に対しこれと直交する方向の力の割合に基づいて前記ワークに対するダメージを判定することを特徴とする請求項１記載のワイヤボンディング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は半導体装置等の組立て工程において金属ワイヤによる配線を行うワイヤボンディング装置に関するもので、さらに詳しくは超音波ワイヤボンディング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
　超音波ワイヤボンディング装置（以下、単にワイヤボンダと呼ぶ）は、ボンディングツールと呼ぶボンディングヘッドの先端部で金属のボンディングワイヤ（以下、単にワイヤと呼ぶ）をワークに押し付けて超音波を印加し、ワイヤとワークを接合させる。従来のワイヤボンダでは移動するボンディングツールの保持部とワークとの間のギャップを距離センサにより検出し、ワイヤをワークに押し付け、距離センサでワイヤの変形に伴って生じるボンディングツールの変位が予め設定した量に達したことを検出した後、超音波を発振する仕組みになっている。このような機構であるため、超音波発振前に必ずワイヤの変形が発生する。
【０００３】
　また、特許文献１にはワイヤとワークの間に加えるボンディング圧力が一定になるようにしたワイヤボンダが記載されている。この装置ではボンディングヘッドの先端部に設けたキャピラリを搭載した揺動アーム近傍に、キャピラリの移動量と移動速度を検出する位置検出手段と速度検出手段に加え、キャピラリの上下方向に加わる力を検出する力検出手段を備え、これらの検出手段によりボンディング中の状態を揺動アームの駆動機構にフィードバックして安定したボンディング動作を行うようにしている。
【０００４】
【特許文献１】特開平４−７８１４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
　上述したように、従来のワイヤボンダでは距離センサを使用し、ワイヤをワークに押し付け、ワイヤの変形に伴って生じるボンディングツールの変位が予め設定した量に達したことを検出した後、超音波を発振するので超音波発振前に必ずワイヤの変形が発生する。一方、超音波によるワイヤの接合現象はワイヤの変形と超音波の印加が同時に進行している部分にのみ起こるため、従来のワイヤボンダでは超音波の印加前にワイヤが変形し、その変形部分ではワークとワイヤが接合しないため、接合強度・接合の寿命などの品質面からも不利であった。
【０００６】
　また、荷重の大きさや超音波の印加タイミングなどにずれが発生するとボンディング不良が発生するためモニタ法が必要である。このモニタ法は数々の方式が提案されているが、従来の装置ではボンディングツール付近にセンサーを設置しているためボンディング現象の進行に伴い超音波発振器に加わる負荷の影響を受けやすい。また、高速かつ複雑な軌跡で移動するボンディングツールおよびその近傍部分の駆動に伴う振動がノイズとして加わるため、高精度なモニタが不可能であった。
【０００７】
　さらに、ワイヤの断線や接合不良、ワーク押え不良やボンディングツール先端の摩耗状態管理など、モニタ機能について満足できる効果が得られなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
　本発明に係るワイヤボンディング装置は、ワークに作用する力の、ワークの面と平行でツールの加振方向、ワーク上面と平行でツールの加振方向と直交する方向、ツールによる加圧方向の３つの各独立軸方向の成分を検出する力検出手段と、この力検出手段の出力に基づいてボンディング異常を判定する判定手段と、この判定手段の判定に基づいてボンディング動作を停止するボンダ停止機能を備えた。
【発明の効果】
【０００９】
　本発明によるワイヤボンディング装置は、ワークに作用する力の、ワークの面と平行でツールの加振方向、ワーク上面と平行でツールの加振方向と直交する方向、ツールによる加圧方向の３つの各独立軸方向の成分を検出する力検出手段と、この力検出手段の出力に基づいてボンディング異常を判定する判定手段と、この判定手段の判定に基づいてボンディング動作を停止するボンダ停止機能を備えたので、ボンディング異常の発生によってワイヤボンダを自動停止でき後続の工程とくに目視検査の省略が可能になった。
【００１０】
　さらに、ワイヤとツールの凝着力に基づいて異常判定するように構成したので、ツール先端の摩耗状態を的確に把握でき、ツールの寿命に対して適正管理が可能で、そのコストを削減できる。また、ワイヤの不着の判定が正確に行えるので、後続の工程とくに目視検査の省略が可能になった。
【００１１】
　さらに、ワークの表面と平行でワイヤに印加する前記超音波の加振方向と直交する方向に作用する力に基づいてワークの固定状態を判定するように構成したので、ワーク押え不良を正確に検出でき、押え不良によりボンディング不良が検出でき不良の連続的な発生を抑制できる。
【００１２】
　さらに、ワークへの荷重印加時における荷重の立ち上がりに基づいてワークの浮き上がりを判定するように構成したので、ワークの浮き上がりを正確に検出でき、ワークの浮き上がりによるボンディング不良が検出でき不良の連続的な発生を抑制できる。
【００１３】
　さらに、ワークの表面に鉛直な方向に作用する力に対しこれと直交する方向の力の割合に基づいてワークに対するダメージを判定するように構成したので、ワークへのダメージ発生がモニタでき、不適切なボンディング条件を迅速に修正できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
　実施の形態１．
　以下、この発明をその実施の形態を示す図面を用いて具体的に説明する。図１はこの発明の第１の実施形態を説明するためのワイヤボンダの構成概念図であり、１はワーク、２はツール、３はボンディングアーム、４はワーク台、５はワーク台４中に埋設しツール２からワーク１に加わる力を検出する圧電型検出素子等を用いた力検出器、６は遅延回路、７は超音波発振器、８はワイヤである。なお、ワーク搭載面の大きさは縦１００ｍｍ、横１００ｍｍで、ワーク搭載面の下方５０ｍｍの位置に力検出器５を埋設した。
【００１５】
　ツール２を下降させてワイヤを加圧しボンディングを実行する。力検出器５として圧電型検出素子を用いるのは、剛性および感度が高くかつ応答が高速であるため、ワークに影響を与えずにワイヤがワークに接触した瞬間を確実に検知することができるからである。力検出器５からの信号を高感度増幅器で増幅し遅延回路６をトリガし所定の時間遅延させてから超音波発振器７を発振させるように構成した。ワーク上のボンディング位置による検出信号のバラつきを確認するためボンディングをワーク台４上の中心と中心から５０ｍｍ離れた位置とで行ったが、力検出器５から同等の検出信号が得られた。
【００１６】
　なお実験における装置構成としては、超音波工業社製超音波ワイヤボンダー（ＵＲＢ−６１２）、田中電子工業社製アルミワイヤー（Ｓｏｆｔ−２ワイヤ直径３００μｍ）、ＧＡＩＳＥＲ社製超硬ボンディングツール（８２３７−ＶＥ−３００−１）、キスラー社製圧電素子（９１３２Ａ）およびチャージアンプ（５０１１Ａ）を用い、セラミック基板上にはんだでダイボンドしたＩＧＢＴチップをワークとして使用した。
【００１７】
　従来のワイヤボンダでは、一般に沈み込みセンサと呼ばれる距離センサを用いており、上述のようにワークにワイヤが接触してから所定の荷重を印加しワイヤの変形によって生じるボンディングツールの変位を検出した後に超音波を発振するので、超音波の発振以前に必ずワイヤにつぶれが生じる。しかし、図１のワイヤボンダではワークにワイヤが接触した瞬間を力検出器５によって検知できるため、ワイヤのつぶれが生じる前に超音波を発振することができ、ワイヤの接合性が向上する。従来の構成ではワークにワイヤが接触してから超音波の発振までに６０ｍｓｅｃ程度を要したが、図１の構成によればこれを５ｍｓｅｃ程度まで短縮することができる。なお、ワークとワイヤの接触直後に超音波を発振すると、ワークに損傷を生じる恐れがあるため、遅延回路６によってワークとワイヤの接触から適当な時間の経過後に超音波を発振する。このように構成することによって、ワークの損傷発生の可能性に応じて最適なタイミングで超音波を発振させることができる。
【００１８】
　図２は従来のワイヤボンダとこの発明を適用したワイヤボンダそれぞれによるワークとワイヤの接合部の差異を示す模式図である。
【００１９】
　（ａ）は従来のワイヤボンダによるもので、超音波発振前に生じるワイヤのつぶれが原因と考えられる中心部の未接合部が見られる。実験の結果これはワイヤ直径のほぼ７％のつぶれが生じてから超音波を発振したものに相当することが分かった。（ｂ）はこの発明を適用したワイヤボンダによるもので、ワイヤにほとんどつぶれが生じない時点で超音波の発振が開始されるため、未接合部がなく従来に比べて接合状態が良好で接合面積が大きい。
【００２０】
　なお、直径３００μｍのワイヤを用いた場合について説明したが、この結果はワイヤの直径とはほとんど無関係に適用できることが判明している。
【００２１】
　実施の形態２．
　図３はこの発明の第２の実施形態であるワイヤボンダのモニタ機能を説明するための構成概念図であり、９は判定手段、１０はボンダ停止機能であり、図１と同一もしくは相当する部分に同一の符号を付している。この構成が図１に示した構成と併用できることはいうまでもない。
【００２２】
　ワークを力検出器５を埋設したワーク台上に設置してボンディングを行い、ワークに作用する３軸方向（各独立軸方向）の力を検出する。なお、実際の装置構成では力検出器としてキスラー社製の３成分動力計（９２５４）とチャージアンプ（５０１９Ａ）を用いた。
【００２３】
　超音波印加時のワークに加わる３軸方向の力、接合終了後のワイヤ８とツール２の凝着力およびワイヤ破断力等を検出し判定手段１０で異常と判定した場合ボンダ停止機能によりボンディングを中止する。
【００２４】
　このように構成しているため、装置の自動運転中に不良を検出可能である。
【００２５】
　図４にツール先端部の摩耗判定およびワークとワイヤの不着判定に用いる検出信号波形を示す。以下、ワークの面と平行でツールの加振方向をＸ方向、ワーク上面と平行でＸ方向と直交する方向をＹ方向、ツールによる加圧方向をＺ方向と呼ぶ。
【００２６】
　ボンディングが完了して超音波の印加を停止し、ワークからツールを離脱する過程でＺ方向に作用する力を検出する。
【００２７】
　（ａ）はボンディング数が数百ワイヤ程度の場合を、（ｂ）はボンディング数１０万程度の場合を、（ｃ）はワークとワイヤが不着の場合を示している。（ａ）の場合に比べ、（ｂ）ではツールとワイヤの凝着が強く、ワークとツールの離脱に要する時間が長い。この検出信号波形を基にツール先端の摩耗状態が判断できる。この離脱時間と離脱の際に作用する力が予め設定したしきい値を超えた場合にボンダを停止しツールを交換すればよい。（ｃ）の場合は関係する要因について別途対処する必要がある。
【００２８】
　超音波加振中にＹ方向に作用する力を検出してワーク押えの異常判定ができる。図５にこの判定に用いる検出信号波形を示す。（ａ）は正常なボンディングが進行している場合を、（ｂ）はワークにバタつきがあるかワークの固定が不十分な場合を示す。この検出信号に基づいて予め設定したしきい値と比較し異常判定できる。
【００２９】
　ツールでワークを加圧する過程でＸ方向およびＺ方向に作用する力を検出しボンディングリードの浮き上がりが判定できる。図６にこの判定に用いる検出信号波形を示す。（ａ）はボンディングリードがワーク台上に密着した状態を、（ｂ）はボンディングリードがワーク台上で浮き上がっている状態を示している。力の立ち上がりの傾きあるいは規定の加圧力が確立するまでの経過時間によって異常判定ができる。
【００３０】
　超音波の加振中にＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向に作用する力を検出しワークに作用する力の大きさとその方向とからワークへのダメージの大小を判断できる。図７にこの判定に用いる検出信号波形を示す。Ｚ方向に作用する力に比べてＸおよびＹ方向の力が大きい場合にワークにダメージの生じる確率が著しく高いことを確認した。Ｚ方向に作用する力に対するＸおよびＹ方向の力大きさについて予め設定したしきい値を設定し、ワークに対するダメージの発生を判定できる。
【００３１】
　同様の方法で、ワイヤのつぶれ異常についての判定も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す構成概念図である。
【図２】ワイヤ接合部の差異を示す模式図である。
【図３】本発明の第２の実施形態を示す構成概念図である。
【図４】本発明によるボンディング異常を判定するための力検出器の検出信号波形である。
【図５】本発明による第１のボンディング異常を判定するための力検出器の検出信号波形である。
【図６】本発明による第２のボンディング異常を判定するための力検出器の検出信号波形である。
【図７】本発明による第３のボンディング異常を判定するための力検出器の検出信号波形である。
【符号の説明】
【００３３】
　１　ワーク、　２　ツール、　３　ボンディングアーム、　４　ワーク台、　５　力検出器、　６　遅延回路、　７　超音波発振器、　８　ワイヤ、　９　判定手段、　１０　ボンダ停止機能。
【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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