(57)【要約】【課題】予備運転によってボンディングツールを予め暖めることにより、ボンディング品質を安定させて信頼性の高いボンディングを行う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。【解決手段】半導体チップ３を基板４に超音波ボンディングする前に、超音波振動子５によりホーン２ａを発振させる予備運転を行い、ボンディングツール２を常温から３８℃程度まで暖める。発振回数、発振累計時間、温度上昇率の変化等から、ホーン２ａが所定温度まで上昇したことを検知し、その後、通常のボンディング運転を行う。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動子に駆動されて超音波振動するボンディングツールに設けられた圧着子をボンディング対象物に押し当ててボンディング対象物を被接合面にボンディングする超音波ボンディング装置であって、予備運転を行って前記ボンディングツールが所定温度まで上昇したことを判定する判定部を備えたことを特徴とする超音波ボンディング装置。
【請求項２】
予備運転における前記ボンディングツールの発振回数を演算する演算部を備え、発振回数が所定回数に到達したことを前記判定部が検知することにより、ボンディングツールが所定温度まで昇温したと判定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の超音波ボンディング装置。
【請求項３】
予備運転における前記ボンディングツールの発振時間を演算する演算部を備え、発振時間が所定累計時間に到達したことを前記判定部が検知することにより、ボンディングツールが所定温度まで昇温したと判定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の超音波ボンディング装置。
【請求項４】
前記ボンディングツールの温度上昇率を演算する演算部を備え、温度上昇率がゼロに近づいたことを前記判定部が検知することにより、ボンディングツールが所定温度まで昇温したと判定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の超音波ボンディング装置。
【請求項５】
前記ボンディングツールの電気的特性の変化率を演算する演算部を備え、変化率がゼロに近づいたことを前記判定部が検知することにより、ボンディングツールが所定温度まで昇温したと判定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の超音波ボンディング装置。
【請求項６】
前記ボンディングツールに温度測定素子を設け、ボンディングツールが所定温度まで上昇したことを前記判定部が検知することにより、ボンディングツールが所定温度まで昇温したと判定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の超音波ボンディング装置。
【請求項７】
超音波振動子に駆動されて超音波振動するボンディングツールに設けられた圧着子をボンディング対象物に押し当ててボンディング対象物を被接合面にボンディングする超音波ボンディング方法であって、前記ボンディングツールを予備的に予め暖めた後で、ボンディング対象物を被接合面にボンディングするようにしたことを特徴とする超音波ボンディング方法。
【請求項８】
前記ボンディングツールを前記超音波振動子により予備的に発振させることにより予め暖めることを特徴とする請求項７記載の超音波ボンディング方法。
【請求項９】
前記ボンディングツールを前記超音波振動子によりインターバルをおいて間欠的に発振させることを特徴とする請求項８記載の超音波ボンディング方法。
【請求項１０】
前記間欠的な発振回数を演算部によりカウントし、発振回数が所定回数に到達したならば、前記ボンディングツールが所定温度まで暖められたものと判定部により判定するようにしたことを特徴とする請求項９記載の超音波ボンディング方法。
【請求項１１】
前記ボンディングツールの発振累計時間を演算部により求め、この累計時間が所定時間に到達したならば、前記ボンディングツールが所定温度まで暖められたものと判定部により判断するようにしたことを特徴とする請求項８または９記載の超音波ボンディング方法。
【請求項１２】
前記ボンディングツールの温度を温度測定子により測定し、所定温度に到達したことを判定部により判定するようにしたことを特徴とする請求項７記載の超音波ボンディング方法。
【請求項１３】
ボンディングツールの温度上昇率を演算部により求め、温度上昇率が所定温度上昇率に到達したことを判定部により判定することにより、前記ボンディングツールが所定温度まで暖められたことを検知するようにしたことを特徴とする請求項７記載の超音波ボンディング方法。
【請求項１４】
前記ボンディングツールの出力の電気的特性の変化率から前記温度上昇率を求めるようにしたことを特徴とする請求項１３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、フリップチップなどの電子部品や電極接合用ワイヤに超音波振動を作用させて被接合面にボンディングする超音波ボンディング装置および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】
電子部品などのボンディング対象物を基板の電極などの被接合面にボンディングする方法として、超音波圧接を用いる方法が知られている。この方法は、電子部品を被接合面に対して押圧しながら電子部品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。この方法に用いられるボンディングツールは、振動発生源である超音波振動子の振動を電子部品に伝達させるホーンを有しており、このホーンに設けられた圧着子によって電子部品に荷重と振動を加えながら、電子部品を被接合面に圧着してボンディングするようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ボンディングツールは、超音波振動するにしたがって、運転開始時の常温から次第に温度上昇し、一般には約３８℃程度まで昇温する。この温度上昇にともなって、インピーダンスは次第に低下し、ボンディングツールの出力（Ｗ）は次第に上昇し、したがってボンディング力も次第に上昇し、遂には定常状態に到達する。このようにボンディングツールの出力（Ｗ）が次第に上昇するにともない、ボンディング力も次第に上昇し、ボンディング品質も変化することがある。すなわち、ボンディングツールの出力（Ｗ）が所定の定常状態に到達する迄の間は、ボンディング力は不足し、ボンディング対象物を被接合面にしっかりボンディングすることはできない場合が生じる。
【０００４】
そこで本発明は、このような従来の問題点を解消できる超音波ボンディング装置および超音波ボンディング方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、超音波振動子に駆動されて超音波振動するボンディングツールに設けられた圧着子をボンディング対象物に押し当ててボンディング対象物を被接合面にボンディングする超音波ボンディング装置であって、予備運転を行って前記ボンディングツールが所定温度まで上昇したことを判定する判定部を備えた。
【０００６】
また本発明は、超音波振動子に駆動されて超音波振動するボンディングツールに設けられた圧着子をボンディング対象物に押し当ててボンディング対象物を被接合面にボンディングする超音波ボンディング方法であって、前記ボンディングツールを予備的に予め暖めた後で、ボンディング対象物を被接合面にボンディングするようにした。
【０００７】
本発明は、ボンディングツールを予備的に予め暖めた後で、ボンディング対象物を被接合面にボンディングするようにしているので、運転開始時からボンディングツールの出力が定常状態になる迄の間のボンディング力の不足によるボンディング不良を解消でき、すべてのボンディング対象物を被接合面にしっかりボンディングすることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態における超音波ボンディング装置の構成を示すブロック図、図２は本発明の一実施の形態における予備運転のフローチャート、図３は本発明の一実施の形態におけるボンディングツールの温度変化図、図４は本発明の一実施の形態におけるボンディングツールの出力（Ｗ）変化図、図５は本発明の一実施の形態における予備発振の具体例図である。
【０００９】
まず図１を参照して超音波ボンディング装置の構成を説明する。図１において、ボンディングヘッド１の下端部にはボンディングツール２が装着されている。ボンディングツール２は水平方向に細長形状の棒体から成るホーン２ａを主体としており、ホーン２ａの中央部から下方に向って突設された圧着子２ｂを有している。圧着子２ｂをボンディング対象物の電子部品である半導体チップ３の上面に当接し、被接合面である基板４の上面に押圧する。ホーン２ａの端部には超音波振動子５が装着されており、超音波振動子５を駆動することによりホーン２ａを超音波振動させ、圧着子２ｂを介して半導体チップ３に超音波振動が伝達される。またボンディングツール２の適所には、必要に応じて温度測定子としての温度センサ２４が設けられている。
【００１０】
ボンディングヘッド１は、シリンダなどのボンディングヘッド駆動手段６を備えており、ボンディングヘッド駆動手段６を駆動することにより、半導体チップ３はボンディングツール２によって基板４に対して押圧される。そして半導体チップ３を基板４に対して押圧した状態で超音波振動子５を駆動することにより、半導体チップ３は荷重と振動によって基板４に超音波接合される。
【００１１】
ここで超音波振動子５をボンディングツール２に装着して用いた場合の駆動特性について説明する。超音波振動子５は圧電素子を積層して構成されており、各圧電素子に交流電圧を印加することにより、振動を発生する。このとき、印加される電圧値が大きいほど、また流れる電流値が大きいほど、振動が大きくなる。このような超音波振動子５をボンディングツール２に装着して用いた場合、ボンディングツール２から圧着子２ｂを介してチップ３に伝達される超音波振動の振動状態は、超音波振動子５によって消費される電力値によって決定される。したがって、半導体チップ３に伝達される超音波振動の振動状態を一定に保つためには、超音波振動子５の消費電力を一定に保つことが必要である。
【００１２】
図１において、超音波振動子５は出力トランス１４を介して出力部１３と接続されている。出力部１３は発振部１２および制御部１８の出力指令変換部１９と接続されており、出力部１３は発振部１２から送られる発振波形を、出力指令変換部１９から送られる駆動指令値（電圧値と対応したデジタル値）に基づいた大きさに増幅して出力トランス１４へ出力する。発振部１２は制御部１８からのＯＮ／ＯＦＦ指令に従い、周波数補正部１０から入力される電圧に応じた周波数の発振波形を出力部１３へ出力する。制御部１８は演算部２０と判定部２１を有している。
【００１３】
発振周波数設定部１１は、制御部１８によって予め設定された発振周波数に応じた電圧を周波数補正部１０に出力する。周波数補正部１０は位相比較部１０ａと加減演算部１０ｂより構成される。位相比較部１０ａは出力トランス１４の出力側の電圧と電流の位相差に応じた電圧を出力する。この電圧は、発振周波数設定部１１から出力された電圧と加減演算され、演算結果は発振部１２に対して出力される。これにより、ボンディングツール２の共振周波数との偏差が補正され、出力トランス１４からの出力は、電圧・電流の位相差がない状態で超音波振動子５を駆動する。出力部１３および出力トランス１４は、駆動指令値に基づいて超音波振動子５を駆動する振動子駆動手段となっている。
【００１４】
出力トランス１４の出力側には電気的特性測定部１５が接続されており、電気的特性測定部１５は出力側の電流および電圧を検出することによりボンディングツールの電気的特性、例えば超音波振動子５の駆動によって消費される電力値を測定する。測定された電力値は、当該電力値と対応する経時パラメータ（例えば発振回数、経過時間等）と関連づけられた形で、すなわち電力値と経時パラメータとの相関関係を示すデータとして電気的特性測定値記憶部１７に記憶される。電気的特性測定値記憶部１７は制御部１８に接続されている。出力指令変換部１９は制御部１８から出力される出力指令値、すなわち超音波振動子５の駆動電力の大きさを指令する電力値を受け取り、この電力値を対応する駆動指令値に変換する。変換された駆動指令値は出力部１３に対して出力される。ここで、制御部１８は出力部１３に対して任意の駆動指令値を出力できるようになっている。
【００１５】
ボンディングヘッド駆動部２２はボンディングヘッド駆動手段６を駆動する。制御部１８によってボンディングヘッド駆動部２２を制御することにより、ボンディングヘッド駆動手段６の動作が制御される。また記憶部２３には、ボンディング条件、すなわちボンディング荷重、ボンディング時間、振動子駆動電力などのデータが各ボンディングツール、および半導体チップの種類毎に記憶されている。記憶部２３には、ボンディングツールの電気的特性と、経時パラメータとの相関関係を示すデータ、本装置の運転に必要なプログラム、運転データなども記憶される。ボンディング動作時には必要なデータが制御部１８に読み出され、これらのデータに基づいてボンディング条件の設定等が行われる。
【００１６】
この超音波ボンディング装置は上記のように構成されており、以下運転方法について説明する。この超音波ボンディング装置は、半導体チップ３を基板４にボンディングするのに先立ち、ボンディングツール２を予備的に暖めて所定温度まで上昇させるための予備運転を行う。図２はこの予備運転のフローチャートを示している。また図３、図４はそれぞれ予備運転中のボンディングツールの温度変化図、ボンディングツールの出力（Ｗ）変化図を示している。横幅は発振回数（発振ショット数）である。また図５は予備発振の例図を示している。
【００１７】
本実施の形態では、図５に示すように、望ましくは、実際の運転（半導体チップ３を基板４に実際にボンディングする運転）と同程度の一定の駆動指令電圧とインターバルＴをおいて超音波振動子５を間欠的に駆動することにより、ボンディングツール２を間欠的に発振（振動）させる。発振回数（発振ショット数）は、発振累計時間のパラメータである。
【００１８】
ボンディングツール２をインターバルＴをおいて間欠的に発振させる理由は次のとおりである。すなわち第１には、実際の運転に極力合わせることが望ましいことである。第２には、ボンディングツール２をインターバル無しで高出力で連続発振させると、超音波振動子５にダメージを与えるおそれがあり、また温度の安定性にも問題が生じるおそれがあるからである。第３には、ボンディングツール２をインターバル無しで低出力で連続発振させると、昇温に時間がかかり、予備運転時間が長くなるためである。第４には、このインターバルＴによって、熱のボンディングツール２の全体への伝達時間を確保するためである。したがって図６に示すように、実際の運転時と同程度の駆動指令電圧とインターバルＴをおいて間欠発振させることが望ましい。
【００１９】
さて、図３に示すように、予備運転により、ボンディングツール２の表面温度は、常温（本例では２７℃）から次第に温度上昇し、遂には定常の運転温度（本例では３８℃）まで昇温する。これは、振動エネルギーが熱に変化したことによるものである。また図４は、発振回数すなわち発振累計時間が大きくなるにしたがい、ボンディングツール２の出力（Ｗ）が増大することを示している。なお発振回数や発振累計時間の演算等の本装置の運転に必要な演算は、演算部２０で行う。
【００２０】
さて、制御部１８の判定部２１は、ボンディングツール２が所定温度（本例では３８℃）まで到達したか否かを判定し、これに到達したことが判明したならば、予備運転を停止し、以後は半導体チップ３を基板４にボンディングする実際の運転に移行する。
【００２１】
上記判定の具体的方法は次のとおりである。まず第１には、図５に示す予備運転の発振回数を予め設定し（例えば２０００回）、これを記憶部２３に登録しておく。そして発振回数を演算部２０で演算し、所定の発振回数に到達したことを判定部２１が検知したならば、ボンディングツール２は所定温度まで昇温したものと判断して予備運転を停止する。あるいは、発振累計時間は発振回数のパラメータであるから、例えば発振回数２０００回に相当する発振累計時間（例えば５０分間）を記憶部２３に登録しておき、発振累計時間を内蔵されたクロックを基に演算部２０で演算し、これが所定累計時間（本例では上記のように５０分間）に到達したことを判定部２１が検知したならば、ボンディングツール２は所定温度まで昇温したものと判断して予備運転を停止する。なお、予備運転の条件を変更することにより所定累計時間を延長あるいは短縮可能であることは言うまでもない。
【００２２】
また第２には、図３に示す温度上昇曲線から温度上昇率（温度勾配）を演算部２０により演算して求め、温度上昇率がゼロに近づいたこと（本例では、３８℃に近づけば、温度上昇率はゼロに近づく）を判定部２１が検知したならば、ボンディングツール２は所定温度まで昇温したものと判断して予備運転を停止する。
【００２３】
第３は、図４に示すボンディングツール２の電気的特性の変化率（例えば出力（Ｗ）の上昇率（上昇勾配））を演算部２０により演算し、変化率（上昇率）がゼロに近づいたことを判定部２１が検知したならば、ボンディングツール２は所定温度まで昇温したものと判断して予備運転を停止する。
【００２４】
第４には、ボンディングツール２に温度測定子としての温度センサ２４（図１）を設け、ボンディングツール２が所定温度まで上昇したことを判定部２１が検知したならば、予備運転を停止する。
【００２５】
上記第１〜４の方法のうち、第１〜３の方法は既設の超音波ボンディング装置に簡単に適用できる利点がある。但し、第１の方法は簡単であるが、本発明者の実験によれば信頼性がやや低い。これに対し、第２、第３の方法は、信頼性が高く、第１の方法よりもすぐれている。また第４の方法は、別途温度センサ２４を必要とする。
【００２６】
なお、本実施の形態においては、電気的特性として電力（出力（Ｗ））を採用した場合を示したが、これに限られるものではなく、インピーダンスや電流値を採用してもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、運転開始時からボンディングツールの出力（Ｗ）が定常状態になる迄の間のボンディング力の不足によるボンディング不良を解消でき、すべてのボンディング対象物を被接合面にしっかりボンディングすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における超音波ボンディング装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の一実施の形態における予備運転のフローチャート
【図３】本発明の一実施の形態におけるボンディングツールの温度変化図
【図４】本発明の一実施の形態におけるボンディングツールの出力（Ｗ）変化図
【図５】本発明の一実施の形態における予備発振の具体例図
【符号の説明】
２　ボンディングツール
２ａ　ホーン
２ｂ　圧着子
３　半導体チップ
４　基板
５　超音波振動子
１８　制御部
２０　演算部
２１　判定部
２４　温度センサ
【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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