(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤを挿通し保持するボンディングツールと、
前記ボンディングツールに所定の押付荷重を与える荷重印加手段と、
前記ボンディングツールに超音波エネルギを与える超音波印加手段と、
前記ボンディングツールのボンディング対象に対する高さ位置であるツール高さ位置を検出する高さ位置検出手段と、
前記ボンディングツールの下降に応じてボンディング作業を制御するコンピュータと、
を備え、
前記コンピュータは、
前記ツール高さ位置が、前記ボンディング対象に前記ワイヤの先端のボールが接触する第１高さとなる前に、前記超音波エネルギを前記ボンディングツールに供給開始する処理を実行する手段と、
前記超音波エネルギによる振動である超音波振動と前記押付荷重でもって前記ワイヤの前記先端のボールが所定の扁平形状となる前に、前記超音波振動を停止させ、前記停止後は、いままでに与えられていた前記超音波振動の減衰状態と、前記押付荷重とによって前記所定の扁平形状にまで変形させる処理を実行する手段と、
を有することを特徴とするボンディング装置。
【請求項２】
請求項１に記載のボンディング装置において、
前記コンピュータは、
前記ボンディングツールによって第１ボンド点に前記ワイヤの前記先端のボールをボンディングし、前記ワイヤをループ状に繰り出してさらに第２ボンド点に前記ワイヤをボンディングする処理を実行するために、
前記ツール高さ位置が、前記第２ボンド点における前記ボンディング対象に前記ワイヤが接触する第３高さとなる前に、前記超音波エネルギを前記ボンディングツールに供給開始する処理を実行する手段と、
前記第１ボンド点から繰り出した前記ワイヤの前記ループ状の形状が前記超音波振動と前記押付荷重でもって所定の曲率状態となる前に、前記超音波振動を停止させ、前記停止後は、いままでに与えられていた前記超音波振動の減衰状態と、前記押付荷重とによって前記所定の曲率状態にまで変形させる処理を実行する手段と、
を有することを特徴とするボンディング装置。
【請求項３】
請求項１に記載のボンディング装置において、 
前記コンピュータは、 
前記ツール高さ位置が前記第１高さとなる時刻を第１時刻とし、前記ワイヤの前記先端のボールが前記所定の扁平形状となる時刻を第２時刻として、前記第１時刻の前後の時刻であり、かつ前記第２時刻の前の時刻であって、適宜任意に設定された時刻から、前記ボンディング対象のボンディングの際の機械的強度または損傷の特性であるボンディング特性に応じて、前記超音波エネルギを時間経過に従って低下させる処理を実行する手段を含むことを特徴とするボンディング装置。
【請求項４】
請求項２に記載のボンディング装置において、
前記コンピュータは、
前記ツール高さ位置が前記第３高さとなる時刻を第３時刻とし、前記ワイヤの前記ループ状の形状が前記所定の曲率状態となる時刻を第４時刻として、前記第３時刻の前後の時刻であり、かつ前記第４時刻の前の時刻であって、適宜任意に設定された時刻から、前記ボンディング対象のボンディングの際の機械的強度または損傷の特性であるボンディング特性に応じて、前記超音波エネルギを時間経過に従って低下させる処理を実行する手段を有することを特徴とするボンディング装置。
【請求項５】
請求項１に記載のボンディング装置において、
前記高さ位置検出手段は、
前記ボンディングツールの高さ方向移動量を検出する手段、
または、
前記ボンディングアームに設けられ、前記ボンディングツールの接触荷重を検出する手段、
または、
前記ワイヤと前記ボンディング対象とが接触したときに流れる電流を検出する手段のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とするボンディング装置。
【請求項６】
請求項１または請求項２に記載のボンディング装置において、
前記コンピュータは、
前記ツール高さ位置が適宜任意に設定される所定の荷重変更位置まで降下したときに、前記押付荷重を低下させる処理を実行する荷重低下手段を有することを特徴とするボンディング装置。 
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１に記載のボンディング装置において、 
前記ワイヤが、銅を主成分とする銅ワイヤであることを特徴とするボンディング装置。
【請求項８】
請求項７に記載のボンディング装置において、
前記ボンディングツールに挿通された前記銅ワイヤの先端を溶融してボール形状とするボール形成手段と、
前記ボール形成手段が前記ワイヤの先端を前記ボール形状とするときに、前記ボンディングツールの周囲を前記銅の酸化を抑制するガス雰囲気に保持する雰囲気保持手段と、
を備えることを特徴とするボンディング装置。
【請求項９】
ワイヤを挿通し保持するボンディングツールに押付荷重と超音波エネルギを与え、前記ボンディングツールの下降に応じてボンディング作業を行うボンディング方法であって、
前記ボンディングツールのボンディング対象に対する高さ位置であるツール高さ位置が、前記ボンディング対象に前記ワイヤの先端のボールが接触する第１高さとなる前に、前記超音波エネルギを前記ボンディングツールに供給開始する工程と、
前記超音波エネルギによる振動である超音波振動と前記押付荷重でもって前記ワイヤの前記先端のボールが所定の扁平形状となる前に、前記超音波振動を停止させ、前記停止後は、いままでに与えられていた前記超音波振動の減衰状態と、前記押付荷重とによって前記所定の扁平形状にまで変形させる工程と、
を含むことを特徴とするボンディング方法。
【請求項１０】
請求項９に記載のボンディング方法において、
前記ボンディングツールによって第１ボンド点に前記ワイヤの前記先端のボールをボンディングし、前記ワイヤをループ状に繰り出してさらに第２ボンド点に前記ワイヤをボンディングする処理を実行するために、
前記ツール高さ位置が、前記第２ボンド点における前記ボンディング対象に前記ワイヤの先端が接触する第３高さとなる前に、前記超音波エネルギを前記ボンディングツールに供給開始する工程と、
前記第１ボンド点から繰り出した前記ワイヤの前記ループ状の形状が前記超音波振動と前記押付荷重でもって所定の曲率状態となる前に、前記超音波振動を停止させ、前記停止後は、いままでに与えられていた前記超音波振動の減衰状態と、前記押付荷重とによって前記所定の曲率状態にまで変形させる工程と、
を含むことを特徴とするボンディング方法。
【請求項１１】
請求項９に記載のボンディング方法において、
前記ツール高さ位置が前記第１高さとなる時刻を第１時刻とし、前記ワイヤの前記先端のボールが前記所定の扁平形状となる時刻を第２時刻として、前記第１時刻の前後の時刻であり、かつ前記第２時刻の前の時刻であって、適宜任意に設定された時刻から、前記ボンディング対象のボンディングの際の機械的強度または損傷の特性であるボンディング特性に応じて、前記超音波エネルギを時間経過に従って低下させる工程を含むことを特徴とするボンディング方法。 
【請求項１２】
請求項１０に記載のボンディング方法において、
前記ツール高さ位置が第３高さとなる時刻を第３時刻とし、前記ワイヤの前記ループ状の形状が前記所定の曲率状態となる時刻を第４時刻として、前記第３時刻の前後の時刻であり、かつ前記第４時刻の前の時刻であって、適宜任意に設定された時刻から、前記ボンディング対象のボンディングの際の機械的強度または損傷の特性であるボンディング特性に応じて、前記超音波エネルギを時間経過に従って低下させる工程を含むことを特徴とするボンディング方法。
【請求項１３】
請求項９または請求項１０に記載のボンディング方法において、
前記ツール高さ位置が適宜任意に設定された所定の荷重変更位置まで降下したときに、前記押付荷重を低下させる荷重低下工程を含むことを特徴とするボンディング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボンディング装置及びボンディング方法に係り、特に、ワイヤを挿通し保持するボンディングツールに押付荷重と超音波エネルギを与え、ボンディングツールの下降に応じてボンディング作業を行うボンディング装置及びボンディング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワイヤボンディング装置は、例えば、ＬＳＩ等の半導体チップにおける入出力端子等の第１ボンド点と、半導体チップが搭載される回路基板の端子の第２ボンド点との間を細い金属ワイヤで接合する装置である。そして、端子と金属ワイヤとを接合するために、金属ワイヤを挿通するボンディングツールが用いられ、ボンディングツールに適切な荷重と適切な超音波エネルギと、必要があれば適切な加熱とが行われる。なお、ボンディングツールは、第１ボンド点から第２ボンド点に金属ワイヤを繰り出しながら移動させるためにも用いられる。したがって、印加荷重、加熱温度と共に、超音波エネルギの印加条件を適切に制御することで、端子と金属ワイヤとの間の接合状態を適切なものとすることができる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ボンディングワイヤの先端部のボールのボンディングパッドに対するワイヤボンディングにおいて、キャピラリの降下量にてボールの変形量を監視して、超音波振動の開始タイミングと印加期間を制御することが開示されている。なお、従来は、これらは固定条件である、と述べられている。ここでは、押圧直後はボールの線径で定まる高さＨ０となり、その時刻ｔ０から超音波発振器を起動し、ボールの押圧変形によって高さＨ１まで降下し、この時刻ｔ１から接合が開始し、ボールは接合によって固定されて振動しづらくなり、ボールのさらなる変形で例えば数μｍ降下し、所定の変形量に対応する高さＨ２となる。この所定の変形量に達したところで超音波発振器を停止させ、超音波振動の印加を停止させる。このように、ボンディング部位の変形量に基づいて、超音波エネルギの印加時間または押圧荷重を変化させることにより、ボンディングワイヤの線径の微細化に影響を受けることなく、接着面積を正確に管理できる、と述べられている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２９７７４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１においては、ボールの線径に相当する高さ、すなわちボールがボンディング対象に接触してから超音波の印加を開始し、ボールが所定の形状高さに変形したところで超音波の印加を止める。このようにすることで、ワイヤの線径によらずに、ボールの変形高さ、ボールの接着面積等が同じになるように管理できる。
【０００６】
しかし、近年のワイヤボンディングに対する要求は、このような制御では対応が困難なことが多い。
【０００７】
例えば、半導体チップの絶縁層に、いわゆるＬｏｗ−ｋ材と呼ばれる低誘電率材料が用いられる。この材料は、絶縁層として従来用いられてきた酸化膜、窒化膜等に比較して機械的強度が低く、超音波エネルギを印加しすぎると、ボンディング対象を損傷する可能性がある。
【０００８】
また、ボンディングに用いられる金属ワイヤとしては金ワイヤが従来から用いられているが、コスト低減のために銅ワイヤが検討されてきている。銅ワイヤは、導電率が高いために同一線径の金線に比較して電流容量が大きく、また金に比べ低コストであるが、一方で酸化しやすく、また加工によって硬化する度合いが強い性質を有している。したがって、通常の方法で銅ワイヤをボンディングすると、酸化された銅ワイヤがボンディングツールによって押圧され加工硬化し、硬くて変形しにくくなって、ボンディング対象である端子の金属層、例えばアルミニウム層を押し広げ、あるいは一部突き破ることが起こる。この現象は、花びら状、あるいはスプラッシュ、あるいはクレータと呼ばれることがある。このように、銅のワイヤボンディングにおいては、超音波エネルギを印加し続けていると、ボンディング対象に損傷を与えることがある。
【０００９】
したがって、特許文献１の改良法によっても、ボールがボンディング対象に接触するときから超音波を印加し、所定の変形高さになるまで超音波を印加し続けると、機械的強度の低いボンディング対象を損傷する可能性があり、あるいは銅ワイヤのように加工硬化性のワイヤを用いるときにボンディング対象を損傷する可能性がある。
【００１０】
本発明の目的は、ボンディング対象に損傷を与えることを抑制できるボンディング装置及びボンディング方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るボンディング装置は、ワイヤを挿通し保持するボンディングツールと、  前記ボンディングツールに所定の押付荷重を与える荷重印加手段と、前記ボンディングツールに超音波エネルギを与える超音波印加手段と、前記ボンディングツールのボンディング対象に対する高さ位置であるツール高さ位置を検出する高さ位置検出手段と、前記ボンディングツールの下降に応じてボンディング作業を制御するコンピュータと、を備え、前記コンピュータは、前記ツール高さ位置が、前記ボンディング対象に前記ワイヤの先端のボールが接触する第１高さとなる前に、前記超音波エネルギを前記ボンディングツールに供給開始する処理を実行する手段と、前記超音波エネルギによる振動である超音波振動と前記押付荷重でもって前記ワイヤの前記先端のボールが所定の扁平形状となる前に、前記超音波振動を停止させ、前記停止後は、いままでに与えられていた前記超音波振動の減衰状態と、前記押付荷重とによって前記所定の扁平形状にまで変形させる処理を実行する手段と、を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係るボンディング装置において、前記コンピュータは、前記ボンディングツールによって第１ボンド点に前記ワイヤの前記先端のボールをボンディングし、前記ワイヤをループ状に繰り出してさらに第２ボンド点に前記ワイヤをボンディングする処理を実行するために、前記ツール高さ位置が、前記第２ボンド点における前記ボンディング対象に前記ワイヤが接触する第３高さとなる前に、前記超音波エネルギを前記ボンディングツールに供給開始する処理を実行する手段と、前記第１ボンド点から繰り出した前記ワイヤの前記ループ状の形状が前記超音波振動と前記押付荷重でもって所定の曲率状態となる前に、前記超音波振動を停止させ、前記停止後は、いままでに与えられていた前記超音波振動の減衰状態と、前記押付荷重とによって前記所定の曲率状態にまで変形させる処理を実行する手段と、を有することが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係るボンディング装置において、前記コンピュータは、 前記ツール高さ位置が前記第１高さとなる時刻を第１時刻とし、前記ワイヤの前記先端のボールが前記所定の扁平形状となる時刻を第２時刻として、前記第１時刻の前後の時刻であり、かつ前記第２時刻の前の時刻であって、適宜任意に設定された時刻から、前記ボンディング対象のボンディングの際の機械的強度または損傷の特性であるボンディング特性に応じて、前記超音波エネルギを時間経過に従って低下させる処理を実行する手段を含むことが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係るボンディング装置において、前記コンピュータは、前記ツール高さ位置が前記第３高さとなる時刻を第３時刻とし、前記ワイヤの前記ループ状の形状が前記所定の曲率状態となる時刻を第４時刻として、前記第３時刻の前後の時刻であり、かつ前記第４時刻の前の時刻であって、適宜任意に設定された時刻から、前記ボンディング対象のボンディングの際の機械的強度または損傷の特性であるボンディング特性に応じて、前記超音波エネルギを時間経過に従って低下させる処理を実行する手段を有することが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係るボンディング装置において、前記高さ位置検出手段は、前記ボンディングツールの高さ方向移動量を検出する手段、または、前記ボンディングアームに設けられ、前記ボンディングツールの接触荷重を検出する手段、または、前記ワイヤと前記ボンディング対象とが接触したときに流れる電流を検出する手段のうちの少なくとも１つを含むことが好ましい。
【００１６】
また、本発明に係るボンディング装置において、前記コンピュータは、前記ツール高さ位置が適宜任意に設定される所定の荷重変更位置まで降下したときに、前記押付荷重を低下させる処理を実行する荷重低下手段を有することが好ましい。
【００１７】
また、本発明に係るボンディング装置において、前記ワイヤが、銅を主成分とする銅ワイヤであることが好ましい。
【００１８】
また、本発明に係るボンディング装置において、前記ボンディングツールに挿通された前記銅ワイヤの先端を溶融してボール形状とするボール形成手段と、前記ボール形成手段が前記ワイヤの先端を前記ボール形状とするときに、前記ボンディングツールの周囲を前記銅の酸化を抑制するガス雰囲気に保持する雰囲気保持手段と、を備えることが好ましい。
【００１９】
また、本発明に係るボンディング方法は、ワイヤを挿通し保持するボンディングツールに押付荷重と超音波エネルギを与え、前記ボンディングツールの下降に応じてボンディング作業を行うボンディング方法であって、前記ボンディングツールのボンディング対象に対する高さ位置であるツール高さ位置が、前記ボンディング対象に前記ワイヤの先端のボールが接触する第１高さとなる前に、前記超音波エネルギを前記ボンディングツールに供給開始する工程と、前記超音波エネルギによる振動である超音波振動と前記押付荷重でもって前記ワイヤの前記先端のボールが所定の扁平形状となる前に、前記超音波振動を停止させ、前記停止後は、いままでに与えられていた前記超音波振動の減衰状態と、前記押付荷重とによって前記所定の扁平形状にまで変形させる工程と、を含むことを特徴とする
。
【００２０】
また、本発明に係るボンディング方法において、前記ボンディングツールによって第１ボンド点に前記ワイヤの前記先端のボールをボンディングし、前記ワイヤをループ状に繰り出してさらに第２ボンド点に前記ワイヤをボンディングする処理を実行するために、前記ツール高さ位置が、前記第２ボンド点における前記ボンディング対象に前記ワイヤの先端が接触する第３高さとなる前に、前記超音波エネルギを前記ボンディングツールに供給開始する工程と、前記第１ボンド点から繰り出した前記ワイヤの前記ループ状の形状が前記超音波振動と前記押付荷重でもって所定の曲率状態となる前に、前記超音波振動を停止させ、前記停止後は、いままでに与えられていた前記超音波振動の減衰状態と、前記押付荷重とによって前記所定の曲率状態にまで変形させる工程と、を含むことが好ましい。
【００２１】
また、本発明に係るボンディング方法において、前記ツール高さ位置が前記第１高さとなる時刻を第１時刻とし、前記ワイヤの前記先端のボールが前記所定の扁平形状となる時刻を第２時刻として、前記第１時刻の前後の時刻であり、かつ前記第２時刻の前の時刻であって、適宜任意に設定された時刻から、前記ボンディング対象のボンディングの際の機械的強度または損傷の特性であるボンディング特性に応じて、前記超音波エネルギを時間経過に従って低下させる工程を含むことが好ましい。
【００２２】
また、本発明に係るボンディング方法において、前記ツール高さ位置が第３高さとなる時刻を第３時刻とし、前記ワイヤの前記ループ状の形状が前記所定の曲率状態となる時刻を第４時刻として、前記第３時刻の前後の時刻であり、かつ前記第４時刻の前の時刻であって、適宜任意に設定された時刻から、前記ボンディング対象のボンディングの際の機械的強度または損傷の特性であるボンディング特性に応じて、前記超音波エネルギを時間経過に従って低下させる工程を含むことが好ましい。
【００２３】
また、本発明に係るボンディング方法において、前記ツール高さ位置が適宜任意に設定された所定の荷重変更位置まで降下したときに、前記押付荷重を低下させる荷重低下工程を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
上記構成の少なくとも１つによれば、ボンディング装置は、ツール高さ位置が、ボンディング対象にワイヤ先端のボールが接触する第１高さとなる前に、超音波エネルギをボンディングツールに供給開始し、ワイヤの先端のボールが所定の扁平形状となる前に、超音波振動を停止させ、停止後は、いままでに与えられていた超音波振動の減衰状態と、押付荷重とによって前記所定の扁平形状にまで変形させる。これにより、機械的強度の低いボンディング対象について過度に超音波エネルギが与えられることを防止できることが期待でき、また、銅ワイヤを用いる場合に超音波を印加し続けてスプラッシュ等の損傷をボンディング対象に与えることを防止できることが期待される。
【００２５】
また、ボンディング装置において、ボンディングツールによって第１ボンド点にワイヤ先端のボールをボンディングし、ワイヤをループ状に繰り出してさらに第２ボンド点にワイヤをボンディングする場合には、ツール高さ位置が、第２ボンド点におけるボンディング対象にワイヤが接触する第３高さとなる前に、超音波エネルギをボンディングツールに供給開始し、第１ボンド点から繰り出したワイヤのループ形状が所定の曲率状態となる前に、超音波振動を停止させ、停止後は、いままでに与えられていた前記超音波振動の減衰状態と、前記押付荷重とによって前記所定の曲率状態にまで変形させる。これにより、機械的強度の低いボンディング対象について損傷を抑制できることが期待され、また、銅ワイヤを用いる場合にボンディング対象に対する損傷を抑制できることが期待される。
【００２６】
また、ツール高さ位置が第１高さとなる時刻を第１時刻とし、ツール高さが第２高さとなる時刻を第２時刻として、第１時刻の前後の時刻であり、かつ第２時刻の前の時刻であって、ボンディング対象のボンディング特性に応じて設定された任意の時刻から、超音波エネルギを時間経過に応じた出力プロファイルに従って低下させる。
【００２７】
また、ツール高さ位置が第３高さとなる時刻を第３時刻とし、ツール高さが第４高さとなる時刻を第４時刻として、第３時刻の前後の時刻であり、かつ第４時刻の前の時刻であって、ボンディング対象のボンディング特性に応じて設定された任意の時刻から、超音波エネルギを時間経過に応じた出力プロファイルに従って低下させる。
【００２８】
つまり、ワイヤ先端がボンディング対象に接触するタイミングの前後から、超音波エネルギの出力を所定のプロファイルで低下させる。従来技術では、超音波エネルギをオン・オフするだけであったが、近年の制御技術によって、超音波エネルギの出力レベルを任意に調整可能となってきている。この技術を用い、ボンディング対象のボンディング特性に応じ、接合段階における超音波の出力レベルを調整することで、ボンディング対象に適合したボンディングを行うことができる。
【００２９】
ここで、所定のプロファイルは、ボンディング対象のボンディング特性、例えば、ボンディングの際に問題となる機械的強度等に応じたものとされる。例えば、機械的強度が低い構造のボンディング対象、あるいはワイヤの振動等によって損傷しやすいボンディング対象等の場合に、超音波エネルギの出力低下の程度がより大きなプロファイルとするものとできる。
【００３０】
また、ワイヤ先端のボールまたはワイヤの接触前から超音波エネルギの出力レベルの低下を開始することで、ボンディング対象に接触時の衝撃を少なくできる。また、ワイヤ接触後もしばらくは超音波エネルギを高出力のままとし、その後出力を低下させることで、例えば加工硬化の生じる前に接合を行い、加工硬化に応じて出力を低下させて、スプラッシュ等の発生を抑制することができる。
【００３１】
また、高さ位置検出は、ボンディングツールの高さ方向移動量の検出、ボンディングツールの接触荷重の検出、ワイヤとボンディング対象とが接触したときに流れる電流の検出のうちの少なくとも１つで行うので、ワイヤ先端とボンディング対象との接触を検出することができる。
【００３２】
また、ボンディング装置において、ツール高さ位置が所定の荷重変更位置まで降下したときに、荷重を低下させるので、過度な荷重印加を防止し、ボンディング対象の損傷を抑制できる。
【００３３】
また、銅を主成分とする銅ワイヤを用いることとするので、上記構成により、加工硬化によるボンディング対象に対する損傷を抑制しながら、安価な銅ワイヤを用いてボンディング特性のよいボンディングを行うことができる。
【００３４】
また、ボンディング装置において、ボンディングツールに挿通された銅ワイヤの先端を溶融してボール形状とするときに、ボンディングツールの周囲を銅の酸化を抑制するガス雰囲気に保持するので、銅ボール形成時の酸化を抑制でき、銅ワイヤのボンディング特性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、ワイヤボンディングにおいて、銅ワイヤを用い、第１ボンド点を回路基板のリード端子に、第２ボンド点をチップのパッドにして、回路基板とチップとの間を接続する例を説明する。これは説明の例示であって、第１ボンド点と第２ボンド点とを入れ替えてもよい。また、回路基板に代えて、例えばリードフレーム等であってもよい。また、チップは、半導体ウエファをダイシングして個々のチップに切り出したままのものであってもよく、例えばＣＳＰ（Ｃｈｉｐ  Ｓｉｚｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）等のパッケージングが施された小型電子部品であってもよい。なお、第１ボンド点も第２ボンド点も共にチップのパッドであるスタックドＩＣにおけるボンディングであってもよい。
【００３６】
また、銅ワイヤのボンディング対象が、一般的な回路基板、一般的なチップよりも機械強度の低い材質から構成されるものであってもよい。例えば、絶縁層にＬｏｗ−ｋ材と呼ばれる誘電体を用いるチップであってもよい。また、ワイヤは、一般的に用いられる金ワイヤ、アルミニウムワイヤであってもよい。
【００３７】
図１は、ボンディング装置１０の構成を示す図である。ボンディング装置１０は、細い金属ワイヤを用いて、回路基板のリード端子とチップのパッドとの間を接合するボンディング作業を行うワイヤボンディング装置である。ボンディング装置１０は、機構ブロック１２と制御ブロック５０とに大別できる。これらは、図示されていない筐体にまとめられて、１つのボンディング装置１０を構成する。例えば、筐体の内部に制御ブロック５０の大部分が収納され、筐体の上面が機構ブロック１２のステージ１３となるように構成することができる。なお、ここでは、細い金属ワイヤとして銅ワイヤ２８が用いられる。
【００３８】
機構ブロック１２は、ステージ１３の上に配置されるフィーダ１４と、ＸＹテーブル１６と、ＸＹテーブル１６の上に搭載されるボンディングヘッド部２０とを含んで構成される。
【００３９】
ステージ１３は、上記のように、ボンディング装置１０の筐体の上面側に配置されるテーブルで、ボンディング作業の作業面を構成する部材である。機構ブロック１２を構成する要素の多くは、このステージ１３の上面に配置される。なお、ステージ１３の上面は、図１に示されるＸＹ平面に平行である。
【００４０】
フィーダ１４は、ボンディング対象をキャピラリ２６の真下のボンディング位置に移動する機構である。なお、図１には、ボンディング装置１０の構成要素ではないがボンディング対象８として、チップが搭載された回路基板が図示されている。かかるフィーダ１４としては、適当な基板コンベアを用いることができる。一般的には、同種類のボンディング対象８を順次ワイヤボンディング処理することが多いので、フィーダ１４は、同種類のボンディング対象８を一定のピッチで配置して、その一定ピッチごとに移動を行い、各移動ごとに、各ボンディング対象８の基準点がボンディング作業の位置に来るようにされる。かかるフィーダ１４の作動は、制御ブロック５０によって制御される。
【００４１】
フィーダ１４の上部に設けられるガス雰囲気室３６は、銅ワイヤ２８の先端を溶融してボール形状に形成する際に、銅ワイヤ２８の酸化を抑制するため、不活性ガス雰囲気を形成する領域空間である。例えば、銅ワイヤ２８が挿通されるキャピラリ２６の周囲を囲む壁部を設け、その壁部の中に不活性ガスを流すことで、壁部の中の領域空間をガス雰囲気室３６とすることができる。
【００４２】
ガス雰囲気室３６には、ガス供給部３８から不活性ガス、または不活性ガスに少量の水素ガスを混合させた還元性ガスが供給される。ガス供給部３８は、不活性ガス源と、適当なレギュレータ等の調整機器で構成できる。ガス供給部３８の作動は、制御ブロック５０によって制御される。なお、不活性ガスとは、銅ワイヤの酸化を抑制する気体を広く含み、例えば、窒素ガスのほか、アルゴンガス等の狭義の不活性ガスを用いることができる。
【００４３】
図２は、ガス雰囲気室３６を形成するためのガス雰囲気形成手段４０の一例を示す図である。以下では、図１と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図２（ａ）は、ガス雰囲気形成手段４０周りの正面断面図、（ｂ）は、平面断面図である。このガス雰囲気形成手段４０は、キャピラリ２６を囲む内壁部４２と、内壁部２４の外側に配置される外壁部４４と、内壁部４２と外壁部４４とで形成される中空部４３と、内壁部４２に設けられ中空部４３に接続する貫通穴である複数のガス噴出口４５を含んで構成されている。
【００４４】
外壁部４４には、ガス供給部３８と中空部４３とを接続するガス供給口が設けられる。内壁部２４は、キャピラリ２６の先端部の三方を取り囲むように、平面図においてＵ字あるいはコ字の形状に形成されている三方壁である。ガス噴出口４５は、この三方壁のそれぞれの壁面に複数設けられる。なお、ガス雰囲気形成手段４０は、ボンディング装置１０の適当な固定部を中心に回動可能に取り付けられ、キャピラリ２６の先端から退避させることができる。
【００４５】
かかるガス雰囲気形成手段４０を用い、ガス供給部３８から不活性ガス、または還元性ガスを中空部４３に供給し、内壁部４２に設けられるガス噴出口４５から流し出すことで、キャピラリ２６の三方を囲む空間であるガス雰囲気室３６に、不活性ガス、または還元性ガスが供給される。
【００４６】
再び図１に戻り、ＸＹテーブル１６は、ボンディングヘッド部２０を図１に示されるＸＹ平面内の任意の位置に移動する機構である。これによって、ボンディングヘッド部２０に取り付けられるキャピラリ２６の先端を、ＸＹ平面内の任意の位置に移動させることができる。
【００４７】
ボンディングヘッド部２０は、揺動可能に支持されるボンディングアーム２２、ボンディングアーム２２の一方端に設けられる超音波ホーン２４及び超音波発振器３０、他方端に設けられるＺモータ３２、超音波ホーン２４の先端に取り付けられるキャピラリ２６を含んで構成される。
【００４８】
ボンディングアーム２２の一方端の側に設けられる超音波発振器３０は、電力を供給することで超音波エネルギを出力する装置である。具体的には、圧電素子に交流信号を印加し、超音波振動を起こさせて、その振動エネルギを出力する。
【００４９】
超音波ホーン２４は、超音波発振器３０から出力された超音波エネルギをできるだけよい効率でキャピラリ２６に伝達するための超音波エネルギ伝達部材である。その外形形状、及び材質等は、超音波エネルギの減衰を抑制する観点から設定される。また、超音波発振器３０と超音波ホーン２４をボンディングアーム２２の一方端の側に取り付ける支持部についても、その支持位置、支持方法が、超音波エネルギの減衰を抑制する観点から設定される。
【００５０】
キャピラリ２６は、銅ワイヤ２８を挿通する細長い円筒状のツールである。キャピラリ２６は、超音波ホーン２４を介して伝達される超音波エネルギを用いて、銅ワイヤ２８の先端をボンディング対象８に押し付け、銅ワイヤ２８とボンディング対象８とを接合させる接合ツールとしての機能を有する。その意味で、キャピラリ２６をボンディングツールと呼ぶことができる。なお、広義では、超音波エネルギと押付圧がボンディングに必要であるので、これらの伝達要素も含めて、ボンディングツールと考えることができる。
【００５１】
銅ワイヤ２８は、ここでは銅を主成分とするボンディング用細線である。銅ワイヤ２８の直径は、ボンディング対象８のパッドの大きさ、リード端子の大きさ等によって選択できるが、例えば、約２０μｍのものを用いることができる。
【００５２】
銅ワイヤ２８がボンディング対象８にボンディングされるときの形状は、第１ボンド点と、第２ボンド点とで異なる。ここで、第１ボンド点と第２ボンド点とは、１本の銅ワイヤ２８によって相互に接合されるパッドまたはリード端子のうち、最初にボンディングされる方が第１ボンド点で、第１ボンド点から銅ワイヤ２８が繰り出されて次にボンディングされる方が第２ボンド点である。
【００５３】
第１ボンド点においては、銅ワイヤ２８の先端が溶融されてボール形状となっている。ボール形状の直径は、元々の銅ワイヤ２８の直径よりも大きい。例えば上記の例で、元々の銅ワイヤ２８の直径が約２０μｍとして、第１ボンド点における銅ワイヤ２８先端のボール形状の直径は、約４０μｍ程度である。ボンディングは、このボール形状をキャピラリ２６の先端とボンディング対象８とで挟み込み、押圧しながら超音波エネルギを与えることで行われる。
【００５４】
第２ボンド点においては、第１ボンド点から繰り出されてきた銅ワイヤ２８がボンディングされるので、ボール形状でない一様な径の細線である銅ワイヤ２８が、ボンディングに用いられる。すなわち、銅ワイヤ２８の軸方向をボンディング対象８の平面に平行に置き、これをキャピラリ２６とボンディング対象８とで挟み込み、銅ワイヤ２８の太さ方向、すなわち径方向に押圧しながら超音波エネルギを与えることでボンディングが行われる。
【００５５】
ここでボンディングアーム２２は、ボンディングヘッド部２０に設けられる揺動中心の周りに回転可能な細長いアーム状の部材である。このアーム状の一方端の側に、上記の超音波発振器３０、超音波ホーン２４、キャピラリ２６等が設けられていることになる。ここで、揺動中心の軸方向は、図１に示されるＹ軸方向である。したがって、ボンディングアーム２２は、Ｙ軸に平行な軸周りに回転可能である。ボンディングアーム２２がＹ軸に平行な軸の周りに回転することで、ボンディングアーム２２の一方端の側に設けられるキャピラリ２６は、ほぼＺ方向に上下することになる。したがって、ボンディングアーム２２の揺動とは、キャピラリ２６のＺ方向の移動のことである。
【００５６】
ボンディングアーム２２の他方端に設けられるＺモータ３２は、ボンディングアーム２２をその他方端においてＺ方向に移動させる機能を有する装置である。Ｚモータ３２の運動は、揺動中心を介してボンディングアーム２２の一方端のキャピラリ２６の運動となる。したがって、キャピラリ２６の位置、速度、加速度等は、このＺモータ３２の駆動制御によって制御されることになる。
【００５７】
Ｚモータ３２の駆動制御は２つの機能に大別される。１つは、ボンディングアーム２２に搭載される超音波発振器３０、超音波ホーン２４、キャピラリ２６等の要素を含んでこれらを一体として駆動し、キャピラリ２６の位置、速度、加速度等を目標値に対して追随するよう制御するキャピラリ移動サーボ制御である。もう１つの機能は、キャピラリ先端が半導体チップに接触した後に所定のボンディング荷重、すなわち押付圧をキャピラリに対して印加する機能である。かかるＺモータ３２としては、精密リニアモータ、精密ステッピングモータ等を用いることができる。
【００５８】
したがって、Ｚモータ３２の出力部の位置、速度、加速度等のデータから、キャピラリ２６の位置、速度、加速度、ボンディング荷重を得ることができる。例えば、Ｚモータ３２がリニアモータの場合は、可動子の移動位置、移動速度、移動加速度等から、キャピラリ２６の位置等のデータを得ることができる。Ｚモータ３２がステッピングモータの場合は、出力軸の回転角度、角速度、角加速度等から、キャピラリ２６の位置等のデータを得ることができる。
【００５９】
図１においてＺモータ３２に付随して示されているツール高さ検出部３４は、Ｚモータ３２の位置からキャピラリ２６の高さであるツール高さを検出する機能を有するもので、実際には、Ｚモータ３２の位置検出センサである。あるいは、Ｚモータ３２への目標位置データ等の駆動指令データを用いて、ツール高さ位置を検出するものとしてもよい。
【００６０】
以上が機構ブロック１２の各要素の説明である。次に制御ブロック５０について説明する。制御ブロック５０は、機構ブロック１２を構成する各要素の作動を全体として制御し、ボンディング対象８に銅ワイヤ２８をボンディングするワイヤボンディング作業を実行させる機能を有する。
【００６１】
制御ブロック５０は、ＣＰＵ５２と、複数の操作ボタン等の入力部５４と、ディスプレイ等の出力部５６と、プログラム等を記憶する記憶装置５８と、機構ブロック１２の各構成要素とのインタフェース回路とを含んで構成される。記憶装置５８には、超音波エネルギをボンディングツールに印加開始する印加開始プログラム、超音波エネルギを停止させる印加停止プログラム、超音波エネルギを時間経過に応じた出力プロファイルに従ってその出力を低下させる出力低下プログラム、ボンディング制御を行うボンディング制御プログラム等のプログラムと、ボンディング対象の特性に基づき超音波エネルギを時間経過に応じて定める各種の出力プロファイルと、各種の制御データ等とが格納される。また、インタフェース回路としては、フィーダ１４と接続されるフィーダＩ／Ｆ６０、ガス供給部３８と接続されるガス供給Ｉ／Ｆ６２、超音波発振器３０と接続される超音波Ｉ／Ｆ６４、Ｚモータ３２と接続されるＺモータＩ／Ｆ６６、ツール高さ検出部３４と接続されるツール高さ位置Ｉ／Ｆ６８、ＸＹテーブル１６と接続されるＸＹ駆動Ｉ／Ｆ７０を含む。制御ブロック５０を構成する各要素は、内部バスで相互に接続される。かかる制御ブロック５０は、コンピュータで構成することができる。
【００６２】
ＣＰＵ５２は、制御ブロック５０において演算処理を通して制御を行う機能を有するものであるが、ここでは特に、キャピラリ２６に供給される超音波エネルギの制御を行う機能を有する。この機能は、超音波制御部８０によって実行される。超音波制御部８０は、超音波エネルギの印加開始時期を制御する印加開始モジュール８４、超音波エネルギの出力を低下させる制御を行う出力低下モジュール８６、超音波エネルギの印加停止時期を制御する印加停止モジュール８８を含んで構成される。また、ＣＰＵ５２は、ボンディング制御全般の制御を行う機能を有する。この機能は、ボンディング制御部８２によって実行される。これらの機能は、ソフトウェアによって実現され、具体的には、対応するボンディングプログラムを実行することで実現される。これらの機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。
【００６３】
以下に上記構成の作用、特に、ＣＰＵ５２の各機能について、図３のフローチャート、図４の状態変化図、図５から図８、図１３から図１６の説明図等を用いて詳細に説明する。なお、以下では、図１と同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。また、以下では、図１の符号を用いて説明する。図３は、ボンディング作業の手順、特に超音波エネルギの制御に関する手順を示すフローチャートである。各手順の内容は、対応するボンディングプログラムの各処理手順の内容に対応する。
【００６４】
ボンディング対象にボンディングを行うときは、ボンディング装置１０を起動し、ボンディングプログラムを立ち上げる。これにより、ボンディング装置１０の各要素が初期設定される。そして、ボンディング対象８はフィーダ１４にセットされる。ここでは、ボンディング対象８として、チップが搭載された回路基板が用意され、以下の諸工程を通して、回路基板のリード端子からチップのパッドに銅ワイヤ２８によってワイヤボンディングが行われることになる。
【００６５】
最初に、ガス雰囲気が形成される（Ｓ１０）。この工程は、ＣＰＵ５２のボンディング制御部８２の機能によって実行され、具体的には、ガス供給Ｉ／Ｆ６２を介してガス供給部３８に対し、ガス雰囲気室３６に不活性ガスまたは還元性ガスを供給する指令がなされる。この指令によりレギュレータが作動して、ガス源から窒素等の不活性ガスがガス雰囲気室３６に導入される。
【００６６】
次にボール形成が行われる（Ｓ１２）。この工程もボンディング制御部８２の機能によって実行される。ボール形成は、キャピラリ２６に銅ワイヤ２８が挿通され、キャピラリ２６の先端に銅ワイヤ２８の先端が出る状態で、ガス雰囲気室３６の中にキャピラリ２６が降下し、そこで図１には図示されていないトーチとキャピラリ２６先端の銅ワイヤ２８の先端部との間に高電圧を印加することで行われる。この放電によって、キャピラリ２６の先端から出ている銅ワイヤ２８の先端が溶融し、ボール形状になる。このボール形成は、ガス雰囲気室３６の中で行われるので、銅ワイヤ２８が溶融する際の酸化を抑制することができる。
【００６７】
そして、フィーダ１４に搭載されたボンディング対象８がキャピラリ２６の真下に移動し、位置決めされる。具体的には、１つのボンディング対象８の全体の基準位置がキャピラリ２６の真下になるように位置決めされる。そして、その後に、ＸＹテーブル１６の移動によって、キャピラリ２６の位置が移動し、ボンディング対象８の回路基板における実際にボンディング作業が行われるリード端子のところに位置決めされる。このようにして位置決めされた状態が、第１ボンド点の真上である。すなわち、ボンディング対象８とキャピラリ２６とが第１ボンド点の上方に移動する（Ｓ１４）。なお、キャピラリ２６の高さ位置、すなわちツール高さ位置は、ボンディング対象８よりかなり上方の位置である。この工程もボンディング制御部８２の機能により実行され、具体的には、フィーダＩ／Ｆ６０を介してフィーダ１４に搬送指令がなされ、また、ＸＹ駆動Ｉ／Ｆ７０を介してＸＹテーブル１６に移動指令がなされて行われる。
【００６８】
そして、超音波エネルギがキャピラリ２６に印加される（Ｓ１６）。この工程は、ＣＰＵ５２の超音波制御部８０の印加開始モジュール８４の機能によって実行される。具体的には、超音波Ｉ／Ｆ６４を介し、超音波発振器３０に対し、出力指令が出される。なお、超音波発振器３０は、動作の安定性を確保するため、発振自体は、ボンディング装置１０の起動と同時に開始し、ボンディング装置１０の作動停止まで持続させることが好ましい。勿論、作動の立ち上がりの速い特性の超音波発振器３０の場合は、Ｓ１６において発振を開始するものとしてもよい。
【００６９】
Ｓ１６において、キャピラリ２６に対する超音波エネルギの供給が開始するが、このとき、キャピラリ２６の先端、およびキャピラリ２６に保持されているボール形状の銅ワイヤ２８はまだボンディング対象８である回路基板のリード端子に接触していない。このように、銅ワイヤ２８がボンディング対象８に接触する前に超音波エネルギをキャピラリ２６に与えるのは、これによりキャピラリ２６及び銅ワイヤ２８が振動し、その振動状態でボンディング対象８に接触させるようにするためである。振動する銅ワイヤ２８がボンディング対象８に接触することで、ボンディング対象８の表面の酸化物、銅ワイヤ２８の表面の酸化物等が摩擦によって一部除去され、これによってボンディング対象８の表面、銅ワイヤ２８の表面にそれぞれ清浄面が露出する。これによって、ボンディング対象８と銅ワイヤ２８との間の接合状態が良好になり、ボンディング特性が向上する。
【００７０】
次に、押付圧、すなわち、キャピラリ２６に印加されるＺ方向の荷重が変更される。この工程は、ボンディング制御部８２の機能によって実行される。具体的には、ＺモータＩ／Ｆ６６を介し、Ｚモータ３２に対し、押付圧の変更指示がなされる。
【００７１】
一般的にボンディング装置１０において、ボンディングワイヤがボンディング対象８に接触せず、キャピラリ２６がＸＹテーブル１６の移動によってＸＹ平面内で移動可能な期間中のキャピラリ２６に印加されるＺ方向の荷重は、サーチ荷重と呼ばれる。これに対し、ボンディングワイヤがボンディング対象８に接触し、超音波エネルギが印加されて接合が行われるときの押付圧はボンディング荷重と呼ばれる。サーチ荷重はボンディング荷重よりもかなり軽い値に設定されている。例えば、ボンディング荷重を約２００ｍＮ（約２０グラムの質量の重さに相当する）として、サーチ荷重は約７０ｍＮ程度とすることができる。
【００７２】
上記の押付圧変更は、サーチ荷重からボンディング荷重に変更するものである。この押付圧変更も、銅ワイヤ２８がボンディング対象８に接触する前に行われる。そして、この押付圧の大きさは、ボンディング対象８のボンディング特性によって設定されることが好ましい。例えば、機械的強度が低い構造のボンディング対象、あるいはワイヤの振動等によって損傷しやすいボンディング対象等の場合に、ボンディング荷重を比較的小さな値とするものとできる。場合によっては、一般的に設定されるサーチ荷重よりも小さく設定してもよい。上記の例で、サーチ荷重を約７０ｍＮとして、押付圧変更後のボンディング荷重を、ボンディング対象８のボンディング特性に応じ、例えば、約３０ｍＮから約２７００ｍＮとすることができる。
【００７３】
Ｓ１４以降は、第１ボンド点である回路基板のリード端子に向けて、キャピラリ２６が降下する。降下の途中において、Ｓ１６の超音波印加、及び上記の押付圧の変更が行われる。もちろん、降下に先立って、超音波印加の開始、押付圧の変更を行うものとしてもよい。キャピラリ２６の降下工程は、ボンディング制御部８２の機能によって実行される。具体的には、ＺモータＩ／Ｆ６６を介し、Ｚモータ３２に対して、所定のツール高さ位置プロファイルに従ってキャピラリ２６の高さ位置を変更するように駆動指令が与えられる。所定のツール高さ位置プロファイルとしては、降下の初期は高速度降下とし、ボンディング対象８に近くなって低速度降下とすることが好ましい。
【００７４】
図４には、超音波エネルギＰ、押付圧Ｗ、キャピラリ２６の高さ位置に対応するツール高さ位置Ｈについて、時間変化の様子を示す図で、図４（ａ）には、横軸に共通の時間をとり、縦軸にＰ，Ｗ，Ｈの値がとられている。そして、超音波エネルギＰの時間変化である出力プロファイルについて、ボンディング対象８のボンディング特性に応じて設定されるいくつかの出力プロフィルの例が、図４（ａ）の一部拡大図として、図４（ｂ），（ｃ）に示されている。
【００７５】
図４（ａ）において、時刻ｔ1は、ツール高さ位置Ｈの降下速度が、高速度降下から低速度降下に切り換わったときである。すなわち、時刻ｔ1は、キャピラリ２６が降下し、かなりボンディング対象８に近接してきたときである。なお、時刻ｔ1においては、まだ銅ワイヤ２８先端のボールがボンディング対象８に接触していない。
【００７６】
図４（ａ）において、時刻ｔ1より後の時刻ｔ2は、Ｓ１６において超音波エネルギが印加開始されたときである。すなわち、時刻ｔ2において、超音波発振が開始する。超音波エネルギＰは、時刻ｔ2においてゼロからかなりの急峻さで所定の大きさに上昇し、その大きさのまま、後述する立下りの時刻まで維持される。なお、上記のように、ツール高さ位置Ｈは、時刻ｔ2の以前から既に降下を始めているので、この例では、キャピラリ２６の降下の途中であって、降下速度が低速に移った後に、超音波エネルギＰの印加開始が行われていることになる。
【００７７】
そして、ツール高さ位置Ｈがさらに降下すると、銅ワイヤ２８先端のボールがボンディング対象８に接触する。すなわち、いわゆるボンドタッチの状態となる。図４の各図では、そのときのツール高さ位置をＨ1、時刻をＴ1として示されている。したがって、Ｈ1は、ボンディング対象８に銅ワイヤ２８先端のボールが接触する高さ位置で、これを基準にボンディングの接合が行われるので、他の高さ位置と区別して、第１高さＨ1と呼ぶことにする。また、Ｔ1は、ボンディング対象８に銅ワイヤ２８が接触する時刻で、これを基準にボンディングの接合が行われるので、他の時刻と区別して、第１時刻Ｔ1と呼ぶことにする。
【００７８】
尚、図４の各図で、ツール高さ位置Ｈ1に並べてＨ3が、時刻Ｔ1に並べてＴ3が示されているが、これは、後述する第２ボンド点において、ボンディング対象８に銅ワイヤ２８が接触するツール高さ位置と、時刻とをそれぞれ示すものである。
【００７９】
ここで、図３に戻り、図４のＡ部にも示されているように、ツール高さ位置が第１高さＨ1となる第１時刻Ｔ1の前後で、超音波エネルギを時間経過に応じて出力を低下させる処理が行われる（Ｓ２０）。この工程は、超音波制御部８０の出力低下モジュール８６の機能によって実行される。
【００８０】
この超音波エネルギの出力低下の程度は、ボンディング対象８のボンディング特性に応じた超音波エネルギ出力プロファイルに従って定められる。様々な出力プロファイルの例が、図４（ａ）におけるＡ部の拡大図である図４（ｂ），（ｃ）に示されている。ボンディング対象８のボンディング特性に応じた出力プロファイルは、図１の制御ブロック５０の記憶装置５８に記憶される。例えば、ボンディング対象８の名称等を検索キーとして対応する出力プロファイルを記憶装置５８から読み出し、これに従って、超音波発振器３０に対し出力レベルの変更を指示できる。
【００８１】
従来技術では、超音波エネルギをオン・オフするだけであったが、近年の制御技術によって、超音波エネルギの出力レベルを任意に調整可能となってきている。この技術を用いることで、ボンディング対象８のボンディング特性に応じ、ボンディングの接合段階における超音波の出力レベルを調整することで、ボンディング対象８に適合したボンディングを行うことができる。
【００８２】
ここで、所定の出力プロファイルは、ボンディング対象８のボンディング特性、例えば、ボンディングの際に問題となる機械的強度等に応じたものとできる。例えば、機械的強度が低い構造のボンディング対象８、あるいはボンディングワイヤの振動等によって損傷しやすいボンディング対象８等の場合に、超音波エネルギの出力低下の程度がより大きなプロファイルとするものとできる。
【００８３】
なお、超音波エネルギの出力低下処理は、第１時刻Ｔ1の前後で行われるというのは、ある出力プロファイルは、第１時刻Ｔ1の前の低下開始時刻から出力低下が開始し、別の出力プロファイルは、第１時刻Ｔ1の後の低下開始時刻から出力低下が開始する、との意味である。図４（ｂ）には、第１時刻Ｔ1以前に、超音波エネルギがゼロ、すなわち超音波出力が停止することはないいくつかの出力プロファイルの例が示されている。図４（ｃ）には、第１時刻Ｔ1において超音波エネルギが一旦小さな値に低下し、再び低下以前の大きな値に復帰し、その後出力停止処理が行われるいくつかの出力プロファイルの例が示されている。
【００８４】
このように、銅ワイヤ２８先端のボールがボンディング対象８に接触する前から超音波エネルギの出力レベルの低下を開始することで、ボンディング対象に接触時の衝撃を少なくできる。また、別のボンディング特性を有するボンディング対象８に対し、ワイヤ接触後もしばらくは超音波エネルギを高出力のままとし、その後出力を低下させることで、例えば加工硬化の生じる前に接合を行い、加工硬化に応じて出力を低下させて、スプラッシュ等の発生を抑制することができる。
【００８５】
なお、第１時刻Ｔ1は、上記のように第１高さＨ1に対応する時刻であり、第１高さＨ1は、ツール高さ検出部３４によって検出されるが、実際には、Ｚモータ３２の位置検出によって検出が行われる。例えば、銅ワイヤ２８の線径が与えられると、そのボール形状の直径が分かる。また、銅ワイヤ２８がキャピラリ２６に挿通されていないときにキャピラリ２６がボンディング対象８に接触するときに対応するＺモータ３２の位置が予め分かっていれば、ボール形状の銅ワイヤ２８がキャピラリ２６の先端にあるときに、ボール形状の銅ワイヤ２８がボンディング対象８に接触するＺモータ３２の高さが分かることになる。
【００８６】
したがって、銅ワイヤ２８がボンディング対象８に接触するときのＺモータ３２の高さ位置が予め分かるので、これを第１高さＨ1に対応するものとしてツール高さ検出部３４に設定しておけば、現在のツール高さ位置が、第１高さＨ1よりどの程度高い位置にあるのかが分かる。また、図４に示されるように、ツール高さ位置Ｈの時間変化、つまりキャピラリ２６の下降速度は予め分かっているので、現在の時刻が、第１時刻Ｔ1よりどの程度前の時刻にあるのかが分かる。このようにして、第１時刻Ｔ1以前の任意の時刻を設定することができ、その設定された時刻から所定の出力プロファイルを適用するものとできる。
【００８７】
上記のように、ツール高さ位置Ｈは、ボンディング工程の進展を示すものとなるものである。このツール高さ位置Ｈは、ボンディング対象８の表面を基準高さとし、基準高さからキャピラリ２６の先端までの距離で示すことができる。ボンディング対象８の表面位置は、ボンディング対象８の種類によって異なることを考えると、ツール高さ位置Ｈの基準を、ボンディング装置１０に固有の基準位置に取ることがよい。例えば、ボンディング装置１０のステージ１３の表面を基準高さとすることができる。あるいは、後述のように、Ｚモータ３２の出力部の位置がキャピラリ２６の位置と密接に関連するので、Ｚモータ３２の移動に関する基準位置をツール高さ位置Ｈの基準高さとすることができる。
【００８８】
なお、第１高さＨ１は、銅ワイヤ２８先端のボールがボンディング対象８に接触するツール高さ位置であるが、この状態の検出は、Ｚモータ３２の高さ位置を用いてボンディングツールの高さ方向移動量を検出する方法の外にも、次のような方法で検出することができる。例えば、ボンディングアームに設けられ、ボンディングツールの接触荷重を検出する手段によって、接触荷重が変化したときを第１高さＨ１とできる。また、ワイヤとボンディング対象とが接触したときに流れる電流を検出する手段を設け、電流が検出されたときを第１高さＨ１とできる。また、これらの方法を組み合わせて、総合的に第１高さＨ１を検出するものとしてもよい。
【００８９】
再び図３に戻り、Ｓ２０において超音波エネルギの出力低下処理が行われると、所定の出力プロファイルに従って、超音波エネルギの出力は次第に小さくなり、最後には出力ゼロとなり、超音波エネルギの供給が停止する（Ｓ２２）。この工程は、出力低下モジュール８６の機能の一部でもあるが、特に区別して、印加停止モジュール８８の機能とする。すなわち、場合によっては、Ｓ２０の出力低下処理を行わず、超音波エネルギの印加を停止することがあるからである。
【００９０】
なお、押付圧Ｗは、図４（ａ）において、ツール高さ位置Ｈの降下速度が、高速度降下から低速度降下に切り換わる時刻ｔ1においてダンパー荷重と呼ばれる荷重から、サーチ荷重に切り換わる。そして、ツール高さがＨ1まで降下したときと同時か、あるいはそれ以後の時刻において、押付圧Ｗは、サーチ荷重からボンディング荷重に変更される。換言すれば、銅ワイヤ２８先端のボールがボンディング対象８に接触したいわゆるボンドタッチと同時かまたはそれ以後の時刻において、押付圧Ｗがサーチ荷重からボンディング荷重に増加される。
【００９１】
超音波停止の処理は、銅ワイヤ２８先端のボールが所定の扁平形状となる前の段階で行われる。ここで、所定の扁平形状とは、一般的に適正ボンドボール（ＤＦＢ）と呼ばれる形状で、経験的に定めることができる。例えば、ボール形状の直径の３０％の厚さまで扁平変形したもの、換言すれば、元の直径の７０％が押しつぶされた形状をＤＦＢとすることができる。これをツール高さ位置に直すと、上記の例では、第１高さＨ1から、ボール形状の直径の７０％分の高さだけ降下したツール高さ位置、ボール形状の直径を約４０μｍとして、第１高さＨ1から約２８μｍ低いツール高さ位置ということになる。
【００９２】
この所定の扁平形状に達すると、ボンディングの接合は終了するので、このツール高さ位置を他のものと区別して、第２高さＨ2と呼ぶことにする。また、この第２高さに達する時間を第２時刻Ｔ2と呼ぶことにする。したがって、Ｓ２２の超音波停止処理が行われた後に、第２高さＨ2となり（Ｓ２４）、これによって第１ボンド点におけるボンディング処理が終了する（Ｓ２６）。
【００９３】
すなわち、超音波エネルギの供給を停止するのは、ツール高さ位置が第２高さＨ2になる前、時刻で言えば第２時刻Ｔ2に達する前に行われる。図４では、この超音波停止のツール高さ位置を超音波停止位置Ｈ5、時刻を超音波停止時刻Ｔ5として示されている。図４に示されるように、超音波停止位置Ｈ5は、第１高さＨ1よりも低い位置で、第２高さＨ2よりも高い位置に設定され、超音波停止時刻Ｔ5は、第１時刻Ｔ1よりも後の時刻で、第２時刻Ｔ2よりも前の時刻に設定される。
【００９４】
超音波停止を第２高さＨ2あるいは第２時刻Ｔ2に達する前に行うということは、超音波停止時刻Ｔ5以降は超音波エネルギの供給がなく、もっぱら、いままで与えられていた超音波振動の減衰状態と、押付圧によって、所定の扁平形状にまで変形させることを意味する。これにより、機械的強度の低いボンディング対象８について過度に超音波エネルギが与えられることを防止でき、また、銅ワイヤ２８を用いる場合に超音波を印加し続けてスプラッシュ等の損傷をボンディング対象８に与えることを防止できる。
【００９５】
図５から図８は、第１ボンド点と第２ボンド点における銅ワイヤ２８とキャピラリ２６の様子を時系列で示したものである。ここでは、ボンディング対象はチップが搭載された回路基板であるが、第１ボンド点に対応するものとして回路基板のリード端子９０が示され、第２ボンド点に対応するものとしてチップのパッド９２が示されている。図５は、第１ボンド点において、ツール位置高さが第１高さＨ1となったとき、図６は、第１ボンド点において、ツール位置高さが第２高さＨ2になったときの様子をそれぞれ示している。なお、図７、図８の説明は、第２ボンド点におけるボンディング処理に関連して後述する。
【００９６】
第１ボンド点におけるボンディング処理が終了すると、キャピラリ２６は上方に引き上げられ、銅ワイヤ２８も第１ボンド点に一端が固定された状態でキャピラリ２６の移動に従って繰り出され、次に第２ボンド点上方に移動が行われる（Ｓ２８）。この工程は、Ｓ１４と同様にボンディング制御部８２の機能により実行されるが、フィーダ１４の駆動は行われず、もっぱら、ＸＹテーブル１６の移動駆動によって、キャピラリ２６の移動と銅ワイヤ２８の繰り出しが行われる。ここでは、第２ボンド点は、図５で説明したように、チップの上のパッドである。
【００９７】
そして、超音波エネルギがキャピラリ２６に印加される（Ｓ３０）。この工程は、第１ボンド点におけるＳ１６と同じ内容で、銅ワイヤ２８がボンディング対象８に接触する前に超音波エネルギがキャピラリ２６に与えられる。
【００９８】
第１ボンド点においては、その後に押付圧の変更が行われたが、第２ボンド点において同じボンディング荷重を用いるときは、この押付圧の変更は行われない。勿論、第１ボンド点のボンディング荷重と第２ボンド点のボンディング荷重とを異なるものとすることもでき、その場合には、Ｓ３０の後で、押付圧の変更が行われる。
【００９９】
Ｓ２８以降、第２ボンド点であるチップのパッドに向けて、キャピラリ２６が降下することも第１ボンド点の場合と同様で、したがって、降下の途中において、Ｓ３０の超音波印加、及び必要があれば上記の押付圧の変更が行われる。キャピラリ２６のツール高さ位置プロファイルとして、降下の初期は高速度降下とし、ボンディング対象８に近くなって低速度降下とすることが好ましいことも第１ボンド点と同様である。
【０１００】
第２ボンド点についても、図４に示される状態は、ツール高さ位置Ｈが異なるのみで、超音波エネルギＰ、押付圧Ｗ、ツール高さ位置Ｈの時間的推移の傾向は同じである。
【０１０１】
そして、ツール高さ位置Ｈがさらに降下すると、銅ワイヤ２８がボンディング対象８に接触する。図４において、そのときのツール高さ位置を第３高さＨ3、時刻を第３時刻Ｔ3として示した。
【０１０２】
また、超音波エネルギの出力低下処理が行われる（Ｓ３４）。この低下処理も、第１ボンド点におけると同様に、ツール高さ位置が第３高さＨ3となる第３時刻Ｔ3の前後で行われる。「前後」の意味、低下処理の出力プロファイルがボンディング対象８のボンディング特性に応じて行われることも第１ボンド点の場合と同様であるが、第１ボンド点における出力プロファイルは、回路基板及びそのリード端子のボンディング特性に応じて行われるのに対し、第２ボンド点における出力プロファイルは、チップ及びそのパッドのボンディング特性に応じて行われることが相違する。つまり、第２ボンド点における出力プロファイルは、第１ボンド点における出力プロファイルと異なるものであってもよい。
【０１０３】
そして、次に、超音波エネルギの供給が停止される。すなわち、超音波エネルギの印加が停止する（Ｓ３６）。
【０１０４】
第２ボンド点における超音波停止の処理は、第１ボンド点から繰り出した銅ワイヤ２８のループ形状が所定の曲率状態となる前の段階で行われる。ここで、ループ形状の所定の曲率状態は、経験的に定めることができる。この所定のループ形状に達すると、ボンディングの接合が終了したものとされるので、このツール高さ位置を他のものと区別して、第４高さＨ4と呼ぶことにする。また、この第４高さに達する時刻を第４時刻Ｔ4と呼ぶことにする。
【０１０５】
その様子を、図７、図８を用いて説明する。図７、図８は、第１ボンド点において説明した図５、図６と同様に、第３高さＨ3の状態が図７に、ループの形状が適正ループ形状となる第４高さＨ4の状態が図８に示される。ここで、図７の第３高さＨ3の状態においては、キャピラリ２６の先端における銅ワイヤ２８は、パッド９２に単に接触しているだけなので、ループ形状はなだらかなものとなり、チップ表面からあまり離れていない。その状態からキャピラリ２６がさらに降下し銅ワイヤ２８が変形するに従い、キャピラリ２６の先端における銅ワイヤ２８が押しつぶされ、その影響で、銅ワイヤ２８が立ってきて、ループ形状が次第に小さな曲率となり、銅ワイヤ２８のループ部分がチップから離れてくる。
【０１０６】
このように、第２ボンド点においては、ループ形状が１つの評価基準となるので、ループの高さ、ループの曲率等を総合的に見て、適正なループ形状を定め、これを適正ループ形状とする。そして適正ループ形状になるときをもって第２ボンド点における接合処理の終了とされる。
【０１０７】
したがって、第４高さＨ4とは、ループ形状が所定の曲率状態を有する適正ループ形状となるときのツール高さ位置である。適正ループ形状と銅ワイヤ２８の変形量とは相関関係があるので、銅ワイヤ２８の変形量で適正ループ形状の状態を示すことができる。例えば、銅ワイヤ２８の直径の４０％の厚さまで扁平変形したもの、換言すれば、元の直径の６０％が押しつぶされた形状となるときを適正ループ形状に対応する変形量とすることができる。これをツール高さ位置に直すと、上記の例では、第３高さＨ3から、銅ワイヤ２８の直径の６０％分の高さだけ降下したツール高さ位置、銅ワイヤ２８の直径を約２０μｍとして、第３高さＨ3から約１２μｍ低いツール高さ位置ということになる。
【０１０８】
ここで再び図３に戻ると、Ｓ３６の超音波停止処理が行われた後に、第４高さＨ4となる（Ｓ３８）。すなわち、第４高さＨ4となる前に、超音波停止が行われる。図４では、超音波停止高さをＨ5、超音波停止時刻をＴ5として示されており、第１ボンド点におけると同様に、超音波停止位置Ｈ5は、第３高さＨ3よりも低い位置で、第４高さＨ4よりも高い位置に設定され、超音波停止時刻Ｔ5は、第３時刻Ｔ3よりも後の時刻で、第４時刻Ｔ4よりも前の時刻に設定される。
【０１０９】
その後、キャピラリ２６が引き上げられると共に銅ワイヤ２８は第２ボンド点において切断されて、これによって第２ボンド点におけるボンディング処理が終了する（Ｓ４０）。
【０１１０】
そして、これによって１つのボンディング対象８において、回路基板のリード端子と、チップのパッドとの間が銅ワイヤ２８によって接合され、そのボンディング対象８についてのボンディング処理が完了する。その後は、Ｓ１２に戻り、ボール形成が行われ、ついで、Ｓ１４において、フィーダ１４が所定のピッチで搬送され、次のボンディング対象８が第１ボンド点に移動される。このようにして、上記の工程が新しいボンディング対象８について繰り返される。
【０１１１】
上記の図５から図８においては、ボンディング対象はチップが搭載された回路基板であるが、第１ボンド点を回路基板のリード端子９０とし、第２ボンド点をチップのパッド９２として説明した。例えばスタック構造の回路基板の場合には、高さの低い位置である回路基板のリード端子９０を第１ボンド点とし、ここから高さの高いスタック構造のチップの上方にワイヤを延ばし、チップのパッド９２を第２ボンド点とすることが便利なことが多い。一方、通常のチップと回路基板との間のボンディングにおいては、チップのパッド９２を第１ボンド点とし、回路基板のリード端子９０を第２ボンド点とすることが一般的である。そこで、後者の第１ボンド点をチップのパッド９２にとる方法を、正ボンド法と呼び、前者の図５から図８で説明した回路基板のリード端子９０を第１ボンドに取る方法を逆ボンド法と呼ぶことができる。
【０１１２】
図９から図１２は、正ボンド法を用いたときの様子を示す図である。図５から図８と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。ここでは、ボンディング対象はチップが搭載された回路基板であるが、第１ボンド点に対応するものがチップのパッド９２であり、第２ボンド点に対応するものが、回路基板のリード端子９０である。図９は、第１ボンド点において、ツール位置高さが第１高さＨ1となったとき、図１０は、第１ボンド点において、ツール位置高さが第２高さＨ2になったときの様子をそれぞれ示している。また、図１１は、第２ボンドにおいて、ツール位置高さが第３高さＨ3となったときの様子がそれぞれ示され、そして、図１２には、ループの形状が適正ループ形状となる状態として、ツール高さが第４高さＨ4の様子が示されている。
【０１１３】
正ボンド法は、図５から図８で説明した逆ボンド法と比較して、第１ボンド点の位置が第２ボンド点の位置より高いところにあることが相違するのみである。したがって、図９から図１２の状態のそれぞれの内容は、図５から図８で説明した状態のそれぞれの内容と同じである。例えば、図１１の第３高さＨ3の状態においては、キャピラリ２６の先端における銅ワイヤ２８は、リード端子９０に単に接触しているだけなので、ループ形状はなだらかなものとなり、回路基板表面からあまり離れていない。その状態からキャピラリ２６がさらに降下し銅ワイヤ２８が変形するに従い、キャピラリ２６の先端における銅ワイヤ２８が押しつぶされ、その影響で、銅ワイヤ２８が立ってきて、ループ形状が次第に小さな曲率となり、銅ワイヤ２８のループ部分が回路基板から離れてくる。
【０１１４】
このように、図８と同様に、正ボンド法においても、第２ボンド点において、ループ形状が１つの評価基準とすることができ、ループの高さ、ループの曲率等を総合的に見て、適正なループ形状を定め、これを適正ループ形状とすることができる。そして適正ループ形状になるときをもって第２ボンド点における接合処理の終了とされる。適正ループ形状と銅ワイヤ２８の変形量との関係は、図８に関連して説明したように、例えば、銅ワイヤ２８の直径の４０％の厚さまで扁平変形したもの、換言すれば、元の直径の６０％が押しつぶされた形状となるときを適正ループ形状に対応する変形量とすることができる。
【０１１５】
図１３から図１６は、上記構成のボンディング方法における効果を従来例と比較して説明する図である。図１３は、従来例における超音波エネルギＰの制御を示す図で、図１４は、図１３の制御の下でのボンディングの様子を示す図である。図１５は、従来例におけるボンディング後の状態を示す斜視図で、図１６は、図３の手順による方法を用いたときのボンディング後の状態を示す斜視図である。なお、以下では、図１から図８における要素と同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。また、以下では図１から図８の符号を用いて説明する。
【０１１６】
図１３は、横軸に時間、縦軸に超音波エネルギＰをとって、キャピラリに供給される超音波エネルギの制御の様子を示す図である。ここでは、特許文献１に述べられている例を示してある。すなわち、この制御法においては、銅ワイヤ２８がボンディング対象８に接触する第１時刻Ｔ1において超音波エネルギの印加を開始し、銅ワイヤ２８が所定の変形量に達した時刻Ｔ2で超音波エネルギの印加を停止する。
【０１１７】
図１４は、図１３の制御法に従ってボンディング処理を行ったときの銅ワイヤ２８と、ボンディング対象であるパッド９４の状態を示したものである。図１４（ａ）は、第１時刻Ｔ1より前の状態で、銅ワイヤ２８のボールの部分はパッド９４に接触していない。超音波エネルギはこの状態では印加されていない。図１４（ｂ）は、第１時刻Ｔ1の状態で、ちょうど、銅ワイヤ２８のボールの部分がパッド９４に接触し、この時刻から超音波エネルギが印加開始される。図１４（ｃ）は、第２時刻Ｔ2の状態で、銅ワイヤ２８のボールの部分は所定の変形量に達し、例えば初期のボールの直径の７０％が押しつぶされた状態となっている。ところが、パッド９４は、この扁平形状のボールの周囲部分が盛り上がり、花びら状のスプラッシュ９６が発生している。
【０１１８】
これは、銅ワイヤ２８が加工硬化しやすい材料であるため、時刻Ｔ1からの変形によって次第に硬化し、変形が次第に困難になってくるにも関わらず、所定の変形量に達するまではその硬い形状の状態において超音波エネルギの供給が続けられるためである。すなわち、扁平形状のボールは次第に硬くなり、その硬い状態の扁平形状のボールに超音波振動が伝達されるので、硬い材料でパッド９４をこすることになる。このような状態が、硬くて変形が困難になった扁平形状のボールについて所定の変形量に達するまで継続する。したがって、硬化した扁平形状のボールによってこすられたパッド９４の中央部が次第に薄くなり、扁平形状のボールの周辺部にパッド材料が盛り上がってくる。このようにして、パッド９４は、扁平形状のボールの周辺部に花びら状のスプラッシュ９６が発生することになる。
【０１１９】
このように、スプラッシュ９６が形成されると、扁平形状のボールの下部のパッド９４が薄くなり、ボンディング後の環境によっては水分、有機物の付着、浸透等が生じやすく、ボンディングの信頼性が低下する。
【０１２０】
図１５は、パッド９４にスプラッシュ９６が形成された従来例のボンディング状態を示す図である。図１６は、図３の方法によって銅ワイヤ２８をパッド９４にボンディングしたもので、図１５に示されるようなスプラッシュは検出されていないことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】本発明に係る実施の形態におけるボンディング装置の構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態において、ガス雰囲気室の様子を示す図である。
【図３】本発明に係る実施の形態におけるボンディング作業の手順、特に超音波エネルギの制御に関する手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明に係る実施の形態において、超音波エネルギ、押付圧、ツール高さ位置について、時間変化の様子を示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、第１高さにおける状態を示す図である。
【図６】本発明に係る実施の形態において、第２高さにおける状態を示す図である。
【図７】本発明に係る実施の形態において、第３高さにおける状態を示す図である。
【図８】本発明に係る実施の形態において、第４高さにおける状態を示す図である。
【図９】図５に対応し、正ボンドのときの第１高さにおける状態を示す図である。
【図１０】図６に対応し、正ボンドのときの第２高さにおける状態を示す図である。
【図１１】図７に対応し、正ボンドのときの第３高さにおける状態を示す図である。
【図１２】図８に対応し、正ボンドのときの第４高さにおける状態を示す図である。
【図１３】従来例における超音波エネルギの制御を示す図である。
【図１４】図９の制御の下でのボンディングの様子を示す図である。
【図１５】従来例におけるボンディング後の状態を示す斜視図である。
【図１６】本発明に係る実施の形態による方法を用いたときのボンディング後の状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【０１２２】
８  ボンディング対象、１０  ボンディング装置、１２  機構ブロック、１３  ステージ、１４  フィーダ、１６  ＸＹテーブル、２０  ボンディングヘッド部、２２  ボンディングアーム、２４  超音波ホーン、２６  キャピラリ、２８  銅ワイヤ、３０  超音波発振器、３２  Ｚモータ、３４  ツール高さ検出部、３６  ガス雰囲気室、３８  ガス供給部、４０  ガス雰囲気形成手段、４２  内壁部、４３  中空部、４４  外壁部、４５  ガス噴出口、５０  制御ブロック、５２  ＣＰＵ、５４  入力部、５６  出力部、５８  記憶装置、６０  フィーダＩ／Ｆ、６２  ガス供給Ｉ／Ｆ、６４  超音波Ｉ／Ｆ、６６  ＺモータＩ／Ｆ、６８  ツール高さ位置Ｉ／Ｆ、７０  ＸＹ駆動Ｉ／Ｆ、８０  超音波制御部、８２  ボンディング制御部、８４  印加開始モジュール、８６  出力低下モジュール、８８  印加停止モジュール、９０  リード端子、９２，９４  パッド、９６  スプラッシュ。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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