(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャピラリ先端から突出したワイヤの先端と放電電極との間のスパーク放電により前記ワイヤ先端にボールを形成するワイヤボンダー用ボール形成装置であって、
一端部に電磁吸着片を有し揺動可能に設けられた揺動アームと、
前記揺動アームの他端部に設けられた放電電極と、
前記揺動アームの電磁吸着片を吸着して前記放電電極をキャピラリ真下の放電位置に保持可能な電磁石と、
前記揺動アームを介して前記放電電極を前記放電位置側方の回避方向へ付勢する回避ばねと、
前記放電電極を前記放電位置の側方の第１回避位置と該放電電極を前記第１回避位置よりさらに外側方の第２回避位置とに可変可能な回避位置可変手段と、
を備えてなることを特徴とするワイヤボンダー用ボール形成装置。
【請求項２】
キャピラリ先端から突出したワイヤの先端と放電電極との間のスパーク放電により前記ワイヤ先端にボールを形成するワイヤボンダー用ボール形成装置であって、
一端部に電磁吸着片を有し揺動可能に設けられた揺動アームと、
前記揺動アームの他端部に設けられた放電電極と、
前記揺動アームの電磁吸着片を吸着して前記放電電極をキャピラリ真下の放電位置に保持可能な電磁石と、
前記揺動アームを介して前記放電電極を前記放電位置の側方へ回避移動可能に付勢する回避ばねと、
前記揺動アームを前記放電電極が前記放電位置の側方の第１回避位置に到来する第１係止点と該放電電極が前記第１回避位置よりさらに外側方の第２回避位置に到来する第２係止点とに選択的に係止可能な可動ストッパと、
を備えてなることを特徴とするワイヤボンダー用ボール形成装置。
【請求項３】
キャピラリ先端から突出したワイヤの先端と放電電極との間のスパーク放電により前記ワイヤ先端にボールを形成するワイヤボンダー用ボール形成装置であって、
一端部に電磁吸着片を有し揺動可能に設けられた揺動アームと、
前記揺動アームの他端部に設けられた放電電極と、
前記揺動アームの電磁吸着片を吸着して前記放電電極をキャピラリ真下の放電位置に保持可能な電磁石と、
前記揺動アームを介して前記放電電極を前記放電位置の側方へ回避移動可能に付勢するばねと、
前記揺動アームを前記放電電極が前記放電位置の側方の第１回避位置に到来する第１係止点と該放電電極が前記第１回避位置よりさらに外側方の第２回避位置に到来する第２係止点とに選択的に係止可能な可動ストッパとを備え、
前記可動ストッパが、前記電磁石による電磁吸着片の吸着前に前記揺動アームを第１係止点へ移動可能に構成されてなる
ことを特徴とするワイヤボンダー用ボール形成装置。
【請求項４】
前記可動ストッパが、プランジャ形電磁石により駆動されてなることを特徴とする請求項２又は請求項３記載のワイヤボンダー用ボール形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体デバイスのワイヤボンディング装置におけるワイヤボンダー用ボール形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスのワイヤボンディング装置においては、金線、または銅、アルミ等のワイヤを用いて、第１ボンディング点となる半導体チップ上のパッドと第２ボンディング点となるリードとの間の接続が行われる。
【０００３】
従来、この種のワイヤボンディング装置においては、ボンディング作業に先立って、キャピラリーから突出したワイヤの先端と放電電極との間に高電圧を印加し、両者間に放電を生じさせ、その放電エネルギーによりワイヤ先端部分を溶融して、キャピラリに挿通されたワイヤ先端にボールの形成が行われている。
【０００４】
図９，１０は、このワイヤ先端にボールを形成するボール形成装置の一例を示したものである。
【０００５】
この従来のボール形成装置１００は、上端部に電磁吸着片１０２を有し支軸１０３により揺動可能に設けられた揺動アーム１０１と、揺動アーム１０１の下端部に設けられた放電電極１０４と、電磁吸着片１０２を吸着して、放電電極１０４をキャピラリ１１０の真下の放電位置へ移動し保持可能な電磁石１０５と、揺動アーム１０１を引張付勢して、放電電極１０４を放電位置側方（距離ｅ1  ）の回避位置へ移動させる回避ばね１０６と、揺動アーム１０１に係合して放電電極１０４を回避位置に保持するストッパ１０７とを備えて構成されている。
【０００６】
そして、電磁石１０５に給電されたとき、電磁吸着片１０２が電磁石１０５に吸着され、揺動アーム１０１がほぼ垂直状に移動して、放電電極１０４とキャピラリ１１０先端から突出した図示しないワイヤ先端とが、所定距離をおいて正対する放電位置へ移動するように形成されている（図９参照）。
【０００７】
また、電磁石１０５への給電が断たれたとき、揺動アーム１０１が回避ばね１０６に引張されて傾斜し、放電電極１０４が回避位置へ移動して、キャピラリ１１０の下降を許容するように形成されている（図１０参照）。
【０００８】
そして、上記放電位置の放電電極１０４と、キャピラリ１１０に挿通されたワイヤとの間に高電圧を印加して、ワイヤ先端部にボールを形成し、これに続いて、ボンディング作業が行われていた。
【０００９】
このボール形成、およびボンディング工程を図１１を参照して説明する。なお、図１１において符号１１１はワイヤを示し、ワイヤ１１１は、キャピラリ１１０上方のスプール（図示省略）より供給されるとともに上向き方向の張力が付与され、クランプ機構１１４により把持、解除されるように構成されている。
【００１０】
まず、電磁石１０５に給電し、電磁吸着片１０２を吸着して放電電極１０４を放電位置に移動させ、キャピラリ１１０先端から突出しクランプ機構１１４により把持されたワイヤ１１１先端と、放電電極１０４とを正対させる。そして、ワイヤ１１１と放電電極１０４との間に高電圧を印加して、ワイヤ１１１先端部にボール１１２を形成する（図１１（ａ）参照）。
【００１１】
次いで、電磁石１０５への給電を断ち、回避ばね１０６により放電電極１０４を回避位置へ移動させ、クランプ機構１１４を解放して、ワイヤ１１１のバックテンションにより、ボール１１２をキャピラリ１１０先端に当接させる（図１１（ｂ）参照）。
【００１２】
続いて、キャピラリ１１０を下降し、ボール１１２を半導体チップ１１５のパッド１１６（第１ボンディング点）に当接させ、ボンディング加圧と超音波振動の印加により接続を行う（図１１（ｃ）参照）。
【００１３】
そして、図１１（ｄ）〜（ｆ）に示すように、キャピラリ１１０を、所定のループコントロールに従ってＺ軸方向、およびＸ−Ｙ軸方向へ移動させる。すなわち、キャピラリ１１０先端を、放電電極１０４とほぼ同じ高さまで上昇させ、さらに、キャピラリ１１０よりワイヤ１１１を繰出しつつ、第２ボンディング点となるリード１１７方向へ移動させる。続いて、リード１１７上にキャピラリ１１０を位置させ、ワイヤ１１１の一部を押しつぶすとともに、キャピラリ１１０に超音波振動を印加してリード１１７に接続する。
【００１４】
その後、クランプ機構１１４を閉じてキャピラリ１１０を上昇させることにより、ワイヤ１１１をリード１１７より切断し、パッド１１６とリード１１７との間にワイヤ１１１がループ状にボンディングされる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
このような、従来のワイヤーボンダー用ボール形成装置においては、放電電極１０４の放電位置と回避位置との間の動作距離ｅ1  は、動作時間を短縮する目的で極力短く設定されており、また、放電電極１０４の取付け高さは、通常、半導体チップ１１５より約６ｍｍ上方位置に取付けられている。
【００１６】
そのため、第１ボンディング点と第２ボンディング点間の直線距離が、７ｍｍを越えるような極長のワイヤをボンディングする場合、良好なループ形状を得るために、キャピラリ１１０を上記直線距離とほぼ同等の高さ、またはそれ以上の高さまで上昇させてループ形成する必要が生じる。
【００１７】
従って、極長ワイヤのボンディング時には、キャピラリ１１０先端が放電電極１０４よりも上昇し、ループ形成時に、キャピラリ１１０が上昇後Ｘ−Ｙ軸方向へ移動する際、図１２に示すように、ループ形成途時のワイヤ１１１に、回避位置の放電電極１０４が接触して、不測のワイヤ変形が発生するという問題があった。
【００１８】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、極長ワイヤのボンディングにおいて、放電電極とワイヤとの干渉によるワイヤ変形を防止することのできるワイヤボンダー用ボール形成装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記目的を達成するためになされたものであり、第１の発明のワイヤボンダー用ボール形成装置は、キャピラリ先端から突出したワイヤの先端と放電電極との間のスパーク放電により前記ワイヤ先端にボールを形成するワイヤボンダー用ボール形成装置であって、一端部に電磁吸着片を有し揺動可能に設けられた揺動アームと、前記揺動アームの他端部に設けられた放電電極と、前記揺動アームの電磁吸着片を吸着して前記放電電極をキャピラリ真下の放電位置に保持可能な電磁石と、前記揺動アームを介して前記放電電極を前記放電位置側方の回避方向へ付勢する回避ばねと、前記放電電極を前記放電位置の側方の第１回避位置と該放電電極を前記第１回避位置よりさらに外側方の第２回避位置とに可変可能な回避位置可変手段と、を備えてなることを特徴とするワイヤボンダー用ボール形成装置である。
【００２０】
第２の発明のワイヤボンダー用ボール形成装置は、キャピラリ先端から突出したワイヤの先端と放電電極との間のスパーク放電により前記ワイヤ先端にボールを形成するワイヤボンダー用ボール形成装置であって、一端部に電磁吸着片を有し揺動可能に設けられた揺動アームと、前記揺動アームの他端部に設けられた放電電極と、前記揺動アームの電磁吸着片を吸着して前記放電電極をキャピラリ真下の放電位置に保持可能な電磁石と、前記揺動アームを介して前記放電電極を前記放電位置の側方へ回避移動可能に付勢する回避ばねと、前記揺動アームを前記放電電極が前記放電位置の側方の第１回避位置に到来する第１係止点と該放電電極が前記第１回避位置よりさらに外側方の第２回避位置に到来する第２係止点とに選択的に係止可能な可動ストッパと、を備えてなることを特徴とするワイヤボンダー用ボール形成装置である。
【００２１】
第３の発明のワイヤボンダー用ボール形成装置は、キャピラリ先端から突出したワイヤの先端と放電電極との間のスパーク放電により前記ワイヤ先端にボールを形成するワイヤボンダー用ボール形成装置であって、一端部に電磁吸着片を有し揺動可能に設けられた揺動アームと、前記揺動アームの他端部に設けられた放電電極と、前記揺動アームの電磁吸着片を吸着して前記放電電極をキャピラリ真下の放電位置に保持可能な電磁石と、前記揺動アームを介して前記放電電極を前記放電位置の側方へ回避移動可能に付勢するばねと、前記揺動アームを前記放電電極が前記放電位置の側方の第１回避位置に到来する第１係止点と該放電電極が前記第１回避位置よりさらに外側方の第２回避位置に到来する第２係止点とに選択的に係止可能な可動ストッパと、を備え、前記可動ストッパが、前記電磁石による電磁吸着片の吸着前に前記揺動アームを第１係止点へ移動可能に構成されてなることを特徴とするワイヤボンダー用ボール形成装置である。
【００２２】
第４の発明のワイヤボンダー用ボール形成装置は、請求項２又は３記載のワイヤボンダー用ボール形成装置であって、前記可動ストッパが、プランジャ形電磁石により駆動されてなることを特徴とするワイヤボンダー用ボール形成装置である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施態様を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は、本発明のボール形成装置１０を含むワイヤーボンディング装置の要部をなすボンディングヘッド１を示し、図２は、図１のボール形成装置１０の拡大図である。
【００２５】
図１において、ボンディングヘッド１は、図示しないＸ−Ｙテーブル上に搭載され、先端部にキャピラリ３を有しＺ軸方向に揺動するボンディングアーム４を装備して構成され、その上方に第１クランプ機構５，第２クランプ機構６が配設され、キャピラリ３の近傍には、ボール形成装置１０が配設されている。
【００２６】
また、ボンディングアーム４の上方には、長尺のワイヤ９が巻回されてバックテンションを付与されたスプール７が配設され、スプール７から引出されたワイヤ９は、第２クランプ機構６，第１クランプ機構５を介してキャピラリ３先端まで送給されている。なお、ボンディングアーム４には、キャピラリ３を励振する超音波振動子が取り付けられている。
【００２７】
本発明のワイヤボンダー用ボール形成装置１０は、電磁吸着片１３を有する揺動アーム１１と、揺動アーム１１に取付けられた放電電極１５と、電磁吸着片１３を吸着する電磁石１７と、揺動アーム１１を回避方向へ付勢する回避ばね２１と、プランジャ形電磁石２３に駆動される可動ストッパ２５とを備えて構成され、図示しないフレームを介してボンディングヘッド１に取付けられている。
【００２８】
揺動アーム１１は、上下方向に延びて設けられ、長手方向のほぼ中央部において水平の支軸１２により、図３〜５の矢印Ａ方向へ揺動可能に支持され、上端部の所定位置に電磁吸着片１３が取付けられている。
【００２９】
放電電極１５は、ほぼＬ字状に形成され揺動アーム１１の下端部に固着され、キャピラリ３の真下に所定距離をおいて相対する放電位置と、その放電位置の側方であって、キャピラリ３の下降を許容する回避位置との間を移動するように構成されている。
【００３０】
電磁石１７は、電磁吸着片１３に相対して配設され、内蔵するコイルへの給電により、電磁吸着片１３を吸着する電磁吸着力を発生し、揺動アーム１１を揺動して、放電電極１５をキャピラリ３真下の放電位置に保持するように構成されている。なお、図に符号１９で示すストッパは、電磁石１７による電磁吸着片１３吸着時に、放電電極１５をキャピラリ３の真下、詳しくは、キャピラリ３より突出したワイヤ９先端に、上下方向に正対させるための位置決め用ストッパである。
【００３１】
回避ばね２１は、引張コイルばねからなり、一端が揺動アーム１１の上半部に係止され、他端が図示しないフレームに係止されて、電磁吸着片１３を電磁石１７から離間する方向へ付勢するように形成されている。
【００３２】
プランジャ形電磁石２３は、図示しないコイルと、コイル内を直線移動する可動鉄心と、可動鉄心を一方向へ付勢するコイルばねとを内蔵して形成され、可動鉄心の先端部に、軸線を同一にして可動ストッパ２５が固着されている。
【００３３】
可動ストッパ２５は、ピン状部材からなり、揺動方向Ａにほぼ沿って直線移動して、揺動する揺動アーム１１に当接可能に設けられている。
【００３４】
この可動ストッパ２５は、プランジャ形電磁石２３への給電時に進出して、図４に示す第１係止点に移動し、放電電極１５をキャピラリ３真下より距離ｅ1  （従来と同じ回避距離）だけ側方の第１回避位置へ移動する。また、非給電時に、可動ストッパ２５は後退して、図５に実線で示す第２係止点に移動し、放電電極１５を第１回避位置より、さらに距離ｅ2  外側方の第２回避位置へ移動するように構成されている。このプランジャ形電磁石２３と可動ストッパ２５とにより、回避位置可変手段が構成されている。
【００３５】
次に、このように構成されたワイヤボンダー用ボール形成装置１０の作用を説明する。
【００３６】
まず、第１ボンディング点であるパッド３３と、第２ボンディング点であるリード３５との間の直線距離が、放電電極１５の高さ（放電電極１５の半導体チップ３１よりの高さ）より大きい極長ワイヤのボンディングについて説明する。この場合、極長のワイヤ９へのボール形成、ボンディング工程の順序は、従来例にほぼ準じて行われ、キャピラリ３の上昇高さおよび可動ストッパ２５による放電電極１５の回避動作が異なったものとなる。
【００３７】
図６は、極長ワイヤ９のボール形成、ボンディング工程における、キャピラリ３，電磁石１７，プランジャ形電磁石２３（可動ストッパ２５）の動作制御の一例を示すタイミングチャートである。なお、動作カーブの右端は同カーブの左端へ連続している。
【００３８】
ボール形成にあたっては、プランジャ形電磁石２３に給電され、可動ストッパ２５が第１係止点（放電電極１５が第１回避位置）の状態において、電磁石１７に給電される。これにより、第１係止点の揺動アーム１１は、電磁吸着片１３が電磁石１７に吸着され、回避ばね２１の付勢力に勝って図３のほぼ垂直状に移動する。
【００３９】
このとき、放電電極１５は、従来例のものと同一動作時間でキャピラリ３真下の放電位置へ移動し、第１クランプ機構５に把持されてキャピラリ３から突出したワイヤ９先端と所定距離をおいて正対する。
【００４０】
この放電位置の放電電極１５とワイヤ９先端との間に、図示しない高電圧電源より高電圧を印加して放電を発生させ、その放電エネルギーによりワイヤ９先端を溶融してボールを形成する。そして、第１クランプ機構５を解除し、ワイヤ９のバックテンションによりボールをキャピラリ３先端に当接させる。
【００４１】
ボール形成が完了すると、図５に示すように電磁石１７およびプランジャ形電磁石２３への給電を断ち、可動ストッパ２５を第２係止点へ移動させる。これにより、揺動アーム１１は、回避ばね２１に引張られ、可動ストッパ２５に当接して停止し、放電電極１５が放電位置より回避距離ｅ1  ＋ｅ2  離れた第２回避位置へ移動する。なお、プランジャ形電磁石２３への給電の遮断は、パッド３３における接続完了までに行えば、プランジャ形電磁石２３の動作時間や放電電極１５の移動による時間損失は発生しない。
【００４２】
その後、キャピラリ３を下降してパッド３３にワイヤ９先端のボールを当接し、ボンディング荷重を加えつつ超音波振動を印加して、パッド３３にワイヤ９を接続する。パッド３３へのボンディングが終わると、キャピラリ３は所定のループコントロールに従ってＺ軸方向、およびＸ−Ｙ軸方向に移動する（図７，８参照）。
【００４３】
ループ形成にあたっては、キャピラリ３を、放電電極１５よりも高い位置まで上昇させる。そして、キャピラリ３よりワイヤ９を繰出しつつ、図８の１点鎖線に沿ってリード３５方向へキャピラリ３を移動させる。
【００４４】
このとき、キャピラリ３とパッド３３とを結ぶワイヤ９に対して、第２回避位置の放電電極１５は、十分な距離をおいて離隔して移動し、両者の接触を回避している。
【００４５】
ループ形成の進行につれて、キャピラリ３がリード３５へ下降し始め、キャピラリ３先端が放電電極１５の高さと同等以下の高さになったとき、プランジャ形電磁石２３へ給電し、可動ストッパ２５を第１係止点へ移動させる。
【００４６】
これにより、揺動アーム１１が、回避ばね２１の付勢力に勝って第１係止点へ押出され、放電電極１５が第１回避位置へ移動するとともに、電磁吸着片１３が電磁石１７に近付いて吸着待機位置となる。このプランジャ形電磁石２３への給電開始タイミングは、電磁石１７への給電タイミング前であれば、プランジャ形電磁石２３による動作時間の損失は発生しない。
【００４７】
なお、キャピラリ３が放電電極１５と同じ高さ、またはそれ以下に下降すれば、キャピラリ３のＸ−Ｙ軸方向移動により放電電極１５とワイヤ９とが接触することはない。また、プランジャ形電磁石２３への給電タイミングの設定により、プランジャ形電磁石２３の電力消費を節減することができる。
【００４８】
続いて、リード３５上にキャピラリ３を下降させ、キャピラリ３に超音波振動を印加してワイヤ９をリード３５に接続し、パッド３３とリード３５との間に、極長のワイヤ９による所定形状のループが形成される。
【００４９】
本発明のワイヤボンダー用ボール形成装置１においては、ワイヤ９の長さが、従来例に示すように通常長の場合は、可動ストッパ２５を第１係止点として、放電電極１５を第１回避回避位置と放電位置との間で移動させ、ループ形成時に、キャピラリ３を放電電極１５とほぼ同じ高さまで上昇させて、従来と同様にボール形成、ボンディング作業を行うことができる。
【００５０】
また、可動ストッパ２５の第１係止点と第２係止点とを随時選択し、放電電極１５を第１回避位置と第２回避位置とに選択的に移動して、通常長のワイヤと上述のような極長ワイヤとを、適宜混合してボール形成、ボンディング作業を行うことができる。
【００５１】
なお、本発明は、上述の説明および図例に限定されることなく、その実施形態を変更することができる。例えば、プランジャ形電磁石は、可動鉄心が給電時に後退し、非給電時に進出する構成であってもよい。また、可動ストッパの駆動には、他の電動手段を用いることができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明のワイヤボンダー用ボール形成装置は以上のような構成なので、極長ワイヤのボンディングにおいて、放電電極が第２回避位置へ移動して、ワイヤとの干渉を回避し、ワイヤ変形を防止することができる。
【００５３】
また、電磁石による電磁吸着片の吸着前に、可動ストッパにより揺動アームを第１係止点へ移動する構成なので、放電電極の放電位置への移動動作時間の増加を防止して、放電電極の大きな回避動作量が得られるとともに、大きな回避動作量に伴う時間損失の発生を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のボール形成装置を含むワイヤボンダーの要部を示す斜視図。
【図２】図１のワイヤボンダー用ボール形成装置の拡大斜視図。
【図３】放電電極が放電位置にある状態を示すボール形成装置の側面図。
【図４】放電電極が第１回避位置にある状態を示すボール形成装置の側面図。
【図５】放電電極が第２図回避位置にある状態を示すボール形成装置の側面図。
【図６】本発明に係るループ形成、ボンディング工程におけるキャピラリ，電磁石，プランジャ形電磁石の動作タイミングを表すタイミングチャート。
【図７】同じく、ボンディング工程におけるループ形成時のキャピラリの上昇を示す説明図。
【図８】同じく、ループ形成時の放電電極の回避を示す説明図。
【図９】従来のボール形成装置における放電電極が放電位置の状態を示す側面図。
【図１０】従来のボール形成装置における放電電極が回避位置の状態を示す側面図。
【図１１】従来のボール形成、ボンディング工程を示す説明図。
【図１２】従来のループ形成時におけるワイヤ変形を示す説明図。
【符号の説明】
１      ボンディングヘッド
３      キャピラリ
９      ワイヤ
１０      ボール形成装置
１１      揺動アーム
１３      電磁吸着片
１５      放電電極
１７      電磁石
２１      回避ばね
２３      プランジャ形電磁石
２５      可動ストッパ
３３      パッド
３５      リード
【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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