(57)【要約】【課題】高品質のボンディング結合を得るための装置及び方法を供給する。特に、いわゆるボール・ウェッジボンディングにおいてできるだけ短いタイミング時間を実現することを目標とする。【解決手段】ボンディング工具（１８）が半径方向振動若しくは回転振動するように励起可能であるようにリニアな振動を半径方向の振動に変換するのに役立つ変換器（１２）が、導振体（１３）とボンディング工具（１８）との間に設けられているようにした。【選択図】図１
2004146826.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　基板（２４）のコンタクト面（２３）に導体（２０）を固定するための工具ヘッドであって、リニアな超音波振動を生ぜしめるための発振器（１４）と、コンタクト面及び／又は導体と接触接続可能なボンディング工具（１８）とが設けられており、このようなボンディング工具（１８）を介した接触接続により、導体（２０）に対して所定の圧着力をコンタクト面（２３）に向かって供給可能であり、このようにしてコンタクト面及び／又は導体に伝達可能な超音波振動を介して、コンタクト位置に対する導体の溶接が実施可能であり、更に、発振器（１４）のリニアな超音波振動を受容する導振体（１３）が設けられている形式のものにおいて、
　ボンディング工具（１８）が半径方向振動若しくは回転振動するように励起可能であるようにリニアな振動を半径方向の振動に変換するのに役立つ変換器（１２）が、導振体（１３）とボンディング工具（１８）との間に設けられていることを特徴とする、コンタクト面に導体を固定するための工具ヘッド。
【請求項２】
　変換器（１２）が、その中心軸線（１６）に関して回転対称な構成部材であり、導振体（１３）が前記中心軸線（１６）に対して垂直方向で変換器（１２）の側方に固定されている、請求項１記載の工具ヘッド。
【請求項３】
　ボンディング工具（１８）の一方の端部が、変換器（１２）の中心軸線（１６）内で取り付けられている、請求項２記載の工具ヘッド。
【請求項４】
　変換器（１２）がそのボディにわたって、導入された回転振動に関して該回転振動の振動振幅がゼロである節点（１９）の範囲を有しており且つ少なくとも１つの節点（１９）の範囲内で遊び無しで工具支持体（１１）に保持されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の工具ヘッド。
【請求項５】
　導振体（１３）及び発振器（１４）が変換器（１２）から自由に突出している、請求項４記載の工具ヘッド。
【請求項６】
　導体（２０）が変換器（１２）を通って、特に供給通路を介してボンディング工具（１８）に供給可能である、請求項１から５までのいずれか１項記載の工具ヘッド。
【請求項７】
　リニアな超音波振動を発生させ、これらのリニアな超音波振動を回転振動に変換し、該回転振動をコンタクト面及び／又は導体に導入して、コンタクト面と導体との間に永続的な結合を生ぜしめることを特徴とする、基板のコンタクト面に導体を固定するための方法。
【請求項８】
　請求項１から６までのいずれか１項記載の工具ヘッドを使用して実施する、請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、基板のコンタクト面に導体を固定するための工具ヘッドであって、リニアな超音波振動を生ぜしめるための発振器と、コンタクト面及び／又は導体と接触接続可能なボンディング工具とが設けられており、このようなボンディング工具を介した接触接続により、導体に対して所定の圧着力をコンタクト面に向かって供給可能であり、このようにしてコンタクト面及び／又は導体に伝達可能な超音波振動を介して、コンタクト位置に対する導体の溶接が実施可能であり、更に、発振器のリニアな超音波振動を受容する導振体が設けられている形式のものに関する。更に本発明は、基板のコンタクト面に導体を固定するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
　プリント配線板、マイクロコントローラ及びマイクロプロセッサ等の基板上の適当なコンタクト位置に、別のコンタクト位置との電気的な接続を生ぜしめるための導体を取り付けられるということは公知である。
【０００３】
　この場合、導体の固定はしばしばいわゆるボンディングによって行われる。ボンディングとは、超音波摩擦溶接によって材料接続的な結合を、コンタクト位置と導体との間に生ぜしめることであると理解される。次いで、工具ヘッドによる適切なガイドに基づき、導体を規定された軌道曲線に沿って第２のコンタクト位置へガイドし、そこで同様に固定してから、導体の供給部から分離する。これにより、例えば制御装置の実装プリント配線板等の、１構成群の２つのコンタクト位置の電気的な接続が得られる。
【０００４】
　基本的に２つの形式のボンディング結合が知られている。いわゆるボールボンディングの場合、２つのコンタクト位置の内の第１のコンタクト位置に導体を載置する前に、ボンディング工具の先端に熱を供給することによって導体の材料を溶融し、これにより、残りの導体とつながる材料玉を形成する。次いで、この玉をボンディング若しくは超音波摩擦溶接によって第１のコンタクト位置に結合することができる。これに対して、いわゆるウェッジボンディング（若しくは楔ボンディング）の場合は、材料玉の形成は行われない。導体をコンタクト位置に直接に載置し、ボンディング工具によって規定された当接力で圧着してから、摩擦溶接を実施するための超音波エネルギを導入する。
【０００５】
　２つのコンタクト位置を、連続的に供給される１つの導体によって接続するためには、有利には少なくとも一方の接続をウェッジボンディングとして実施し、これにより、原則的にウェッジ・ウェッジボンディング及びボール・ウェッジボンディングが考えられる。
【０００６】
　特に、ボール・ウェッジボンディングの場合は、超音波エネルギがリニアな振動によって、基板平面に対して平行にもたらされる。この場合、結合部のウェッジ側はボール側よりも製作しにくい。結合部の品質は、材料、コンタクト位置の表面、トポグラフィー及び超音波エネルギをもたらす方向に関連している。第１のコンタクト位置にボールボンディングした後、工具ヘッドは基板表面に関してあらゆる方向で移動可能である。工具、特にボンディングヘッドの方向転換は不要である。リニアな超音波振動の振動方向と、その時々で特に合致する移動方向との間の規定された整合及び第２のコンタクト位置が得られる前の導体の位置調整は規定されていない。
【０００７】
　ウェッジボンディングの形成において超音波エネルギを供給するときは、コンタクト位置の範囲内の導体の延在部に関するボンディング工具の振動方向が、結合品質に様々な影響を及ぼすということを考慮する必要がある。エネルギ供給方向（線材と振動方向との間の角度）に応じて、場合によっては発生する損失出力に関する修正ファクタを考慮しなければならない。コンタクト位置の範囲内の導体の延在部に関するボンディング工具の位置調整は、工具ヘッドの付加的な移動運動を要求し、つまり、工具ヘッドの移動時間を増大させる。このことは、製作時間及び製作コストを増大させる。他方では、どのような状況下でも確実且つ永続的な結合部を形成するためには、損失出力の査定及び考慮は十分に確実ではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
　従って本発明の課題は、高品質のボンディング結合を得るための装置及び方法を供給することである。特に、いわゆるボール・ウェッジボンディングにおいてできるだけ短いタイミング時間を実現することを目標とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
　この課題を解決するために本発明では、ボンディング工具が半径方向振動若しくは回転振動するように励起可能であるようにリニアな振動を半径方向の振動に変換するのに役立つ変換器が、導振体とボンディング工具との間に設けられているようにした。更に、リニアな超音波振動を発生させ、これらのリニアな超音波振動を回転振動に変換し、該回転振動をコンタクト面及び／又は導体に導入して、コンタクト面と導体との間に永続的な結合を生ぜしめるようにした。
【発明の効果】
【００１０】
　超音波摩擦溶接若しくはボンディングによって基板のコンタクト位置に導体を固定するための工具ヘッドは、リニアな超音波振動を生ぜしめるための発振器と、固定位置と接触接続可能なボンディング工具に前記のリニアな超音波振動を送るための導振体（トランスデューサ）とを有している。固定しようとする導体は、ボンディング工具によって規定された圧着力でコンタクト面に圧着される。本発明では、導振体とボンディング工具との間に変換器が配置されている。この変換器によって、リニアな振動が回転振動（ねじれ）に変換される。
【００１１】
　本発明による工具ヘッドは、そのボンディング工具を以て回転振動、即ちねじり運動を行う。この振動のエネルギは、ボンディング工具に対する導体の位置調整に関わらず、常に同様に同一伝達率で伝達可能である。これにより、複数の超音波摩擦溶接部を均一に且つ制御して形成することが可能である。良好な結合品質が安定して得られる。導体の配線に関するボンディング工具の位置調整延いてはタイミング時間を延ばす工具ヘッドの位置調整運動も、本発明では不要である。これにより、所要の加工時間の減少と同時に、例えばウェッジ結合の品質が改善される。同時に、ボール結合部の製作においても良好な結合部の製作が保証される。それというのも、ボンディング工具の回転振動によって生ぜしめられるボールの回転運動の固定位置における伝達が、正確に材料玉（ボール）の接地点で行われるからである。これにより、局所的に制限された熱発生及びコンタクト面における材料玉の良好な結合が保証される。
【００１２】
　本発明の有利な構成では、変換器は中心軸線に関して回転対称な構成部材である。この場合、導振体は半径方向外側で変換器に固定されており且つ中心軸線に対して垂直方向に向けられている。導振体の延在方向でのリニアな運動は、変換器の中心軸線を中心とした回転運動を生ぜしめる。導振体の変換器における固定は、特に溶接又は硬ろう付けによって行うことができる。伝達されるエネルギに基づき結合位置の範囲内で加熱が生じた場合は、この結合位置を冷却することもでき、このためには当該範囲内で特に空気流を発生させることができる。
【００１３】
　変換器は、基板に面した截頭円錐形の工具軸部を備えた特に円筒形の基体を有していてよい。この場合、本発明の別の有利な構成では、ボンディング工具は工具軸部の範囲内で突出し且つ変換器の中心軸線に整合するように位置調整されて、変換器に固定されていてよい。これにより、有利にはボンディング工具をコンタクト面の中心に位置決めすることも可能になる。この場合、コンタクト面に対してリニアな振動行程は行われないので、簡単且つ確実に位置調整可能である。
【００１４】
　別の有利な構成では、変換器はそのボディの所定の範囲を遊び無しで工具支持体に保持されており、前記範囲では、発振器による振動励起の振動数において、振幅無しの節点が形成される。このように固定位置を選択することにより、一方では回転振動が正確に変換器の中心軸線を中心として行われるということが達成される。他方では、前記固定位置は振動励起されないので、僅かな負荷にしか晒されていない。固定範囲内の熱形成は少なく保持される。工具支持体における変換器の固定は、特に焼きばめによって行われてよく、この場合、工具支持体は変換器を環状に取り囲んで係合している。
【００１５】
　この場合、更に別の有利な構成では、導振体が変換器に固定されており且つ該変換器から自由に突出しており、発振器は特に導振体に保持されている。この場合、発振器又は導振体を、更に工具支持体に固定するということは不要である。この固定法は、結果的に損失出力を伴う恐れのある不都合な振動励起が工具支持体にもたらされることを防止する。
【００１６】
　接触接続しようとする導体の供給は、有利には変換器内で殊に中心軸線に沿って形成された、ボンディング工具に面した供給通路によって行われる。一般に、導体はこの供給通路内で空気流によってガイドされ且つ搬送されてよい。
【００１７】
　基板のコンタクト面に導体を固定するための本発明による方法では、発振器がリニアな超音波振動を発生し、該超音波振動を導振体を介してボンディング工具に供給する。このボンディング工具は、導体を基板のコンタクト面に規定された当接力で圧着する。摩擦溶接結合（ボンディング結合）に必要なエネルギを供給する超音波振動が生ぜしめられる。本発明では、変換器においてリニアな振動が回転振動に変換され、これにより、ボンディング工具は回転振動を行う。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
　以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。
【００１９】
　図１及び図２には、ここでは全体的に符号１０で示した本発明による工具ヘッドの有利な実施例が、それぞれ側面図若しくは平面図で示されている。工具ヘッド１０は変換器１２を有しており、この変換器１２は工具支持体１１に保持されている。この場合、この工具支持体１１は変換器１２を環状に取り囲んでいる。工具支持体１１における変換器１２の固定は、例えば焼きばめによって行える。変換器１２の上部域には導振体１３が設けられており、この導振体１３は、例えば硬ろう付け又は溶接結合部１５を介して変換器１２に結合されている。導振体１３は、棒状又は管状に形成されており且つ半径方向外側若しくは接線方向で変換器１２に固定されている。導振体１３の自由端部域には発振器１４が配置されている。例えば圧電結晶体として形成されたこの発振器１４は、例えば規定された振動数の電気的な交番電圧に基づいて、規定若しくは所望された超音波域内の振動数のリニアな振動を励起可能である。この場合、生ぜしめられた振動は、導振体１３を介して変換器１２に送ることができる。
【００２０】
　変換器１２の下部域にはボンディング工具１８が保持されている。
【００２１】
　導振体１３が変換器１２の半径方向外側に固定されており且つ変換器１２が工具支持体１１に遊び無しで固定されていることに基づき、導振体１３のリニアな振動は、変換器１２においてその中心軸線１６に関する回転振動に変換される。この場合、この回転振動の振動数は、発振器１４によって生ぜしめられたリニアな振動の振動数に等しい。
【００２２】
　この場合、工具支持体１１は変換器１２を、振動励起の励起振動数において節点が形成される領域１２ａにおいて包囲している。前記の節点は、図１に判りやすく符号１９を付して示してある。変換器１２によって実施される振動の振幅も、やはり概略的に破線で示した、節点１９を有する振幅曲線１７によって示唆されている。指摘しておくと、振幅曲線１７を図示したのは、単に振幅比を明らかにするという表現上の目的を意図するものに過ぎない。実際には細分化された振動特性、特により多くの節点が発生する。
【００２３】
　図１及び図２から明らかなように、変換器１２はその中心軸線１６に関して回転対称で形成されており、この場合、上部円筒形区分１２'には、特に截頭円錐形にテーパした区分１２"が続いている。これらの両区分１２'，１２"間の移行域は、工具支持体１１における変換器１２の保持が実現されている、既に述べた領域１２ａに相当する。
【００２４】
　このようにして生ぜしめられる変換器１２の回転振動により、ボンディング工具１８も回転振動するように励起される。このボンディング工具１８は、変換器１２の中心軸線１６と整合するように位置調整されており且つ変換器１２の領域１２"の下縁部から突出している。
【００２５】
　工具ヘッド１０は、基板に関して所望の位置決めを調整するための移動過程を実施するためのガイド手段（図示せず）を備えて形成されている。また、エネルギ、材料及び場合によっては冷却用の適当な供給導管を、ガイド装置（図示せず）又は工具支持体１１を介して工具ヘッド１０に通じさせることもできる。
【００２６】
　図３は、図１及び図２に示した工具ヘッドを使用したウェッジボンディングの形成を判りやすくするのに役立つ。基板２４の固定位置２３の範囲内でウェッジボンディングを形成しようとすることから出発する。このためには、導体２０がボンディング工具１８によって固定位置２３へガイドされる。次いで、導体２０はボンディング工具１８によって規定された当接力でコンタクト位置２３に押し付けられる。規定された時間間隔毎に、発振器１４によって（リニアな）振動が生ぜしめられる。上で説明したように、回転振動に変換されて伝達される振動に基づき、コンタクト面２３と導体２０との間に摩擦溶接が生ぜしめられる。これにより、導体の固定部、即ちここでは符号２２を付したいわゆるボンディングが完成する。固定位置が、例えば基板における導体の第２の固定位置である場合、導体はボンディング位置の直後で分離される。この場合はボンディング過程（摩擦溶接）中に、引き続いて延びている導体と溶接位置との間で、既に目標破断箇所が形成された。即ち、図示のボンディングはウェッジボンディング２２である。
【００２７】
　図４ａ及び図４ｂには、コンタクト位置（図示せず）における導体２０の異なる位置決めが示されている。この場合、導体２０の第１の端部は、それぞれボールボンディング２１として形成されており、第２の端部は、それぞれ図４ａ及び図４ｂでは変換器１２によって隠されている。変換器１２の下位に形成された見えない結合部がウェッジボンディングとして構成されているということから出発する。変換器１２若しくは該変換器１２と結合されたボンディング工具１８（図示せず）の回転振動は、回転軸線１６を中心として回転対称で行われるので、導体２０の図示の両位置決めの場合、ほぼ同一のエネルギ結合が導体２０内で行われ、これにより、導体２０の向きとは無関係の、ウェッジ結合の均一な品質が保証され得る。
【００２８】
　この場合、上で従来技術に関連して述べたような、導体若しくは線材２０の延在方向に関連した修正ファクタに関する考慮は、最早必要ない。本発明により得られるウェッジボンディング結合の品質は一様に良好なので、ボールボンディングとして形成される、従来技術ではウェッジボンディング上にボンディングされた付加的な安全ボンディングを省くことができる。これにより、全体としてより低い線材若しくは導体消費量と同時に、より高度なタイミング時間が実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による工具ヘッドの有利な実施例の側面図である。
【００３０】
【図２】図１に示した工具ヘッドを上から見た図である。
【００３１】
【図３】基板上のウェッジボンディングの形成を明らかにするための図である。
【００３２】
【図４】図４ａ及び図４ｂは、本発明によるボンディング形成が導体の向きとは無関係であることを明らかにするための概略図である。
【符号の説明】
【００３３】
　１０　工具ヘッド、　１１　工具支持体、　１２　変換器、　１３　導振体、　１４　発振器、　１６　中心軸線、　１７　振幅曲線、　１８　ボンディング工具、　１９　節点、　２０　導体、　２１　ボールボンディング、　２３　固定位置、　２４　基板
【図１】
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【図２】
2004146826.tif 000004
【図３】
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【図４】
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