JPH0964120A - ボンディングツールへの超音波電力供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波振動子に供給される超音波電力の周波
数を、超音波ホーンの共振周波数に常に一致させるよう
にすること。 【解決手段】 超音波電力供給回路は、超音波振動子に
印加される超音波電圧と超音波振動子に流入する電流と
の位相差を弁別し弁別出力を発生する電圧・電流位相差
検出器１７と、この電圧・電流位相差検出器１７からの
弁別出力に基づいて超音波ホーンにおける共振周波数に
対応した発振周波数の制御信号を発生させるＰＬＬ１８
と、このＰＬＬ１８から供給される制御信号によって発
振周波数が可変される超音波発振器１１と、この超音波
発振器１１からの超音波電圧を入力とし、前記位相差弁
別器１７からの弁別出力に基づいて超音波電圧の位相を
回転させる位相回転速度制御器１９とが具備されてい
る。そしてＰＬＬ１８における入出力の応答速度を、前
記位相回転速度制御器１９によって補償するようにして
おり、超音波振動子に供給される超音波電力の周波数
は、超音波ホーンの共振周波数に常に一致させることが
できる。

Description

【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
組立工程に用いられるワイヤボンディング装置に関する
ものであり、特にワイヤボンディング装置のボンディン
グツールに対して超音波電力を供給するための超音波電
力供給装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの組立工程に用いられる
ワイヤボンディング装置は、金線又は銅、或いはアルミ
ニウムなど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（電極）と、第２ボンディング
点となるリードとを接続するように構成されている。

【０００３】図２（ａ）及び（ｂ）は、従来のワイヤボ
ンディング装置におけるボンディングツールの一例を示
したものである。図２に示すボンディングツール１は、
超音波ホーン２と、超音波振動子（電気−音響変換素
子）３と、キャピラリ４とで構成されている。

【０００４】超音波ホーン２は、ストレートホーン部２
ａと、超音波振動子３を取り付け固定するための円筒フ
ランジ部２ｂと、先端部に縦方向に形成されたスリット
２ｃ１を有するコニカル部２ｃと、前記キャピラリ４を
締め付け固定するために、該コニカル部２ｃの一側面に
形成された孔２ｄに螺合されたねじ２ｅとで構成されて
いる。

【０００５】この超音波ホーン２は、主にステンレス鋼
やチタン合金で形成されており、図示していないが、ハ
イブリットＩＣやサーマルヘッド基板等のような面積の
広いＩＣチップ上のパッド（電極）とリードフレームの
リードとを前記ワイヤによりボンディング接続する。

【０００６】この場合ボンディングツール１は、ストレ
ートホーン部２ａの下方にＸＹテーブル（図示せず）の
移動時における余裕を持たせ、また上方に配置されるテ
レビカメラ等よりなる認識装置（図示せず）の関係を考
慮して約３／２波長（λ）共振モードの長さで構成され
る。

【０００７】またストレートホーン部２ａは円柱形状よ
りなり、このストレートホーン部２ａの端部より約１／
４λのノーダル・ポイント（超音波振動の節位置）に、
該ホーンの外周よりも大きな径を有する円筒フランジ部
２ｂが一体に形成されている。前記ストレートホーン部
２ａの端部には外周にねじが形成された軸（図示せず）
が設けられ、この軸のねじと超音波振動を発生するボル
ト締めランジュバン型振動子よりなる超音波振動子３と
が螺合により結合される。この結合される超音波振動子
全体は前記円筒フランジ部２ｂを介して本体ヘッド部に
固定される。

【０００８】またコニカル部２ｃは、ストレートホーン
部２ａの端部より２／２λの長さより前方に向かって円
錐状に形成されている。このコニカル部２ｃは前記スト
レートホーン部２ａにより伝達される超音波振動の振動
振幅を拡大するためのものであり、またその自由端部が
先細りに形成されてキャピラリ４が取り付けられてい
る。超音波振動子３は、図２に示すようにリード線５
ａ，５ｂを介してコネクタ６に接続されており、このコ
ネクタ６を介して後述する超音波信号供給回路より超音
波信号が与えられるように構成されている。

【０００９】図３は前記のように構成されたボンディン
グツールにおける超音波振動子３に対して超音波電力を
供給するようにした従来の超音波電力供給回路の一例を
示したブロック図である。

【００１０】図３において、１１は超音波電圧を発生す
る発振器であり、この発振器１１から出力される超音波
電圧は可変利得増幅器１２に印加されるよう構成されて
いる。

【００１１】この可変利得増幅器１２には出力制御器１
３が接続されており、出力制御器１３からのゲイン調整
信号により、超音波電圧は可変利得増幅器１２において
パワーコントロールが成され、整合器１４を介して出力
端子１５ａ，１５ｂに出力される。この出力端子１５
ａ，１５ｂには前記コネクタ６が接続され、該コネクタ
６を介して超音波電力が前記超音波振動子３に対して与
えられる。

【００１２】また前記出力端子１５ａ，１５ｂの両端よ
り超音波電力の電圧成分が引き出されると共に、整合器
１４と、一方の出力端子１５ｂとの間に挿入された電流
検出器１６より電流成分が引き出される。前記電圧成分
と電流成分とは、例えば電圧成分の位相を基準として電
流成分の位相を弁別する位相差弁別手段としての電圧・
電流位相差検出器１７に供給される。この電圧・電流位
相差検出器１７によってもたらされる位相差弁別出力
は、フェーズロックループ回路（以下ＰＬＬ回路と称す
る）１８に供給される。

【００１３】このＰＬＬ回路１８は前記電圧・電流位相
差検出器１７からの弁別出力に基づいて、前記超音波ホ
ーン２における共振周波数に対応した発振周波数の制御
信号を発生させるものであり、前記ＰＬＬ回路１８から
供給される制御信号は、前記発振器１１に帰還されて発
振器１１からは超音波ホーン２における共振周波数に対
応した発振周波数が出力されるように構成されている。

【００１４】そして、前記図２に示した構成からなるボ
ンディングツール１を用いてボンディング接続を行うに
際しては、ボンディングステージ（図示せず）の下面に
配設されたヒータブロックによってボンディングステー
ジ上のリードフレームが加熱され、この加熱された状態
でボンディングツール１が図示せぬ駆動機構により上下
方向に移動してキャピラリ４内に挿入されたワイヤの先
端に形成されたボールをＩＣチップのパッドに押し潰し
て加熱圧着する。この押し潰しと同時に図３に示す超音
波電力供給回路より超音波電力が超音波振動子３に供給
されて、超音波による振動が超音波ホーン２より印加さ
れ、キャピラリ４によってワイヤが接続される。

【００１５】このような工程を各チップとリードとの全
てに行い、一連のボンディング工程が完了する。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記超音波
ホーン２の固有共振周波数は、一般に６０ＫＨｚ程度に
成されているが、超音波ホーン２に加わる負荷の変動に
応じて、その共振周波数は約±１ＫＨｚ程度変動する。
そして一般に負荷が加わると、共振周波数は例えば５９
ＫＨｚ程度の低い方に変動することが知られており、こ
のように超音波ホーン２の共振周波数と、発振器１１か
らの超音波電圧の発信周波数にずれが生じた場合には、
超音波ホーン２の出力効率は低下する。

【００１７】そこで図３に示す超音波電力供給回路は、
発振器１１に対してＰＬＬ回路１８を含む帰還回路を設
けることにより、発振器１１から出力される超音波信号
の周波数が超音波ホーン２における共振周波数に追従す
るように構成されている。

【００１８】しかしながら、前記ＰＬＬ回路１８は、周
知のようにＰＬＬのループに発生するジッタを押さえる
ために、ある程度定数の大きなローパスフィルタをルー
プ内に挿入しなければならず、このローパスフィルタが
ＰＬＬ回路の入出力の応答特性を低下させてしまう。こ
のＰＬＬ回路の入出力の応答特性が低下した場合には、
超音波ホーン２に加わる負荷の急激な変動に対して、発
振器１１の発信周波数が追従できなくなり、この結果、
超音波ホーン２の出力効率は低下し、ボンディング不良
を招く恐れがある。

【００１９】そこで、本発明は前記した従来のものの問
題点に鑑みて成されたものであり、超音波振動子に供給
する超音波電力の周波数が、超音波ホーンの共振周波数
の変動に瞬時に追従することができ、以て超音波ホーン
の出力効率を維持し、ボンディング不良の発生を抑制す
ることが可能なボンディングツールへの超音波電力供給
装置を提供することを目的とするものである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】前記した目的を達成する
ために成された本発明に係るボンディングツールへの超
音波電力供給装置は、先端にキャピラリが取り付けられ
た超音波ホーンと、前記超音波ホーンに対して超音波振
動を供給する超音波振動子と、前記超音波振動子に対し
て超音波電力を供給する超音波電力供給回路より成り、
前記超音波電力供給回路は、超音波振動子に印加される
超音波電圧と超音波振動子に流入する電流との位相差を
弁別し弁別出力を発生する位相差弁別手段と、前記位相
差弁別手段からの弁別出力に基づいて超音波ホーンにお
ける共振周波数に対応した発振周波数の制御信号を発生
させるフェーズロックループ手段と、前記フェーズロッ
クループ手段から供給される制御信号によって発振周波
数が可変される超音波発振手段と、前記位相差弁別手段
からの弁別出力に基づいて超音波電圧の位相を回転させ
る位相回転速度制御手段とを具備し、前記フェーズロッ
クループ手段における入出力の応答速度を、前記位相回
転速度制御手段によって補償するように構成したもので
ある。そして好ましくは位相回転速度制御手段によって
得られる超音波電圧を、電力制御が成される増幅手段を
介して超音波振動子に印加させるように構成される。前
記した超音波電力供給装置においては、超音波発振手段
からの超音波電圧が、位相回転速度制御手段に供給され
る。この位相回転速度制御手段に対して、超音波振動子
に印加される超音波電力の電圧位相と超音波振動子に流
入する電流位相との位相差弁別出力をフィードバックし
て超音波発振器からの超音波電圧に対して位相回転を施
すように作用させる。この結果、超音波振動子に供給さ
れる超音波電力の周波数が、超音波ホーンの共振周波数
の変動に瞬時に追従することができるようになる。

【００２１】

【発明の実施の形態】この発明は、図１に示すフェーズ
ロックループ手段１８における入出力の応答速度を、前
記位相回転速度制御手段１９によって補償するようにし
たものである。その結果、超音波振動子に供給される超
音波電力の周波数は、超音波ホーンの共振周波数に常に
一致させることができる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
つつ説明する。なお図２（ａ）及び（ｂ）に示すボンデ
ィングツールは、本実施例においても同様の構成並びに
機能を有するので、同じ参照符号を用いて説明し、詳細
な説明は省略する。

【００２３】図１は本発明に係るボンディングツールへ
の超音波電力供給装置の回路構成をブロック図によって
示したものである。この図１において、前記した図３と
同一符号は同一部分を示しており、従ってその同一ブロ
ック部分の構成の説明は省略する。

【００２４】図１に示す構成においては、超音波発振手
段としての発振器１１において生成される超音波電圧
は、図中符号１９として示す位相回転速度制御手段とし
ての位相回転速度制御器に供給される。

【００２５】この位相回転速度制御器１９は、コンデン
サＣ１と可変抵抗器Ｒ１から成る第１直列回路と、固定
抵抗器Ｒ２と固定抵抗器Ｒ３から成る第２直列回路より
構成されている。そして前記第１直列回路を構成するコ
ンデンサＣ１と可変抵抗器Ｒ１との接続中点ｊ１と、第
２直列回路を構成する固定抵抗器Ｒ２と固定抵抗器Ｒ３
との接続中点ｊ２より出力が導出されるように構成され
ており、前記可変抵抗器Ｒ１は、例えば半導体による抵
抗値可変素子により構成されている。この位相回転速度
制御器１９は、図１には１つの回路で構成されており、
この回路は±９０度すなわち、１８０度の位相回転が得
られる。しかしながら、安定した位相回転速度制御は、
図１に示す位相回転速度制御器１９を２つ以上用いて構
成し、これを順次切り換えて位相回転速度制御を行うよ
うにすることができる。

【００２６】そして前記位相回転速度制御器１９の各接
続中点ｊ１，ｊ２からの出力は、出力制御器１３からの
ゲイン調整信号によって電力出力が制御される増幅手段
としての可変利得増幅器１２に供給され、この増幅器１
２によってパワーコントロールされた超音波電力は整合
手段としての整合器１４に供給されるように構成されて
いる。

【００２７】この整合器１４はスイッチング素子として
のＮＰＮ型パワートランジスタＱ１，Ｑ２を具備し、こ
れらの各ベース端子に増幅器１２からの信号が供給さ
れ、またコレクタ端子が共通接続されて基準電位点に接
続されたプッシュプル構成とされている。また各コレク
タ端子は中間タップを有する１次側整合巻線の両端子に
接続され、中間タップは動作電源＋Ｂに接続されてい
る。そして１次側整合巻線に対してステップアップされ
る２次側巻線より超音波電力が導出され、出力端子１５
ａ，１５ｂに対して出力されるように成されている。

【００２８】この出力端子１５ａ，１５ｂには、前記図
２に示したコネクタ６が接続され、該コネクタ６を介し
て超音波電力が超音波振動子３に対して与えられる。

【００２９】そして出力端子１５ａ，１５ｂの両端より
超音波電力の電圧成分が引き出されると共に、整合器１
４と一方の出力端子１５ｂとの間に挿入された電流検出
器１６より電流成分が引き出される。この電流検出器１
６は、図１に示すように出力端子１５ｂへの電流路を中
央に挿入した環状のコア１６ａと、このコア１６ａに巻
回されたコイル１６ｂより構成されており、出力端子１
５ｂへ流れる電流値を電圧値として引き出す電流電圧変
換器としての作用をするものである。

【００３０】前記出力端子１５ａ，１５ｂの両端より引
き出された電圧成分と、電流検出器１６により引き出さ
れた電流成分とは、位相差弁別手段としての電圧・電流
位相差検出器１７に供給される。この電圧・電流位相差
検出器１７は、電圧成分の位相を基準として電流成分の
位相を弁別する例えば同期検波回路により構成されてお
り、電圧位相と電流位相との差に基づいた弁別出力が生
成される。

【００３１】前記電圧・電流位相差検出器１７によって
もたらされる位相差弁別出力は、フェーズロックループ
手段としてのＰＬＬ回路１８に供給され、ＰＬＬ回路１
８は前記電圧・電流位相差検出器１７からの弁別出力に
基づいて、超音波ホーン２における共振周波数に対応し
た発振周波数の制御信号を発生させる。そして前記ＰＬ
Ｌ回路１８から供給される制御信号は、前記発振器１１
に帰還されて発振器１１からは超音波ホーン２における
共振周波数に追従した発振周波数が出力されるように構
成されている。

【００３２】一方、電圧・電流位相差検出器１７によっ
てもたらされる位相差弁別出力は、前記位相回転速度制
御器１９の可変抵抗器Ｒ１に対して供給されるよう構成
されている。

【００３３】ここで、超音波ホーン２の共振周波数と、
超音波振動子３に対して与えられる超音波電力の周波数
が一致しているときには、超音波電力の電圧位相と電流
位相とが一致し、また超音波ホーン２の共振周波数と、
超音波振動子３に対して与えられる超音波電力の周波数
にずれが生じた場合には、前記電圧位相と電流位相とに
ずれが生ずる。

【００３４】従って、前記電圧・電流位相差検出器１７
は、超音波ホーン２の共振周波数と、超音波振動子３に
対して与えられる超音波電力の周波数のずれに応じた弁
別出力を発生することになり、この弁別出力を前記ＰＬ
Ｌ回路１８に与えて、発振器１１の発振周波数を超音波
ホーン２の共振周波数に追従させるように作用させる。
ところが、ＰＬＬ回路１８は前記したとおり、ＰＬＬの
ループ内のジッタを押さえるために、ある程度大きなロ
ーパスフィルタ（図示せず）がループ内に挿入されてお
り、従ってこのローパスフィルタの存在がＰＬＬ回路の
入出力の応答特性を低下させるという、いわゆるフライ
ホイール効果を有している。従って、前記電圧・電流位
相差検出器１７からの弁別信号に応じて、発振器１１の
発振周波数を追従させるには遅れが生ずる。

【００３５】これを補償するために、前記電圧・電流位
相差検出器１７によってもたらされる位相差弁別出力
は、位相回転速度制御器１９における可変抵抗器Ｒ１に
与えられている。位相回転速度制御器１９における可変
抵抗器Ｒ１は、前記したとおり例えば半導体等の抵抗値
可変素子により構成されており、電圧・電流位相差検出
器１７によってもたらされる位相差弁別出力に応じて、
その抵抗値は瞬時に変化する。

【００３６】位相回転速度制御器１９におけるコンデン
サＣ１は９０度の進相作用をなし、従って、第１直列回
路を構成するコンデンサＣ１と可変抵抗器Ｒ１との接続
中点ｊ１よりもたらされる出力の位相は、抵抗器Ｒ１の
値に応じて回転されることになる。また、第２直列回路
を構成する固定抵抗器Ｒ２と固定抵抗器Ｒ３とが同一の
値であるとすれば、第１直列回路の接続中点ｊ１と第２
直列回路の接続中点ｊ２との間で出力される信号は、電
圧・電流位相差検出器１７によってもたらされる位相差
弁別出力に応じて位相が連続的に回転されたものにな
る。位相回転速度制御器１９が２つ以上で構成される場
合には、順次切り換えることによって速度位相回転が得
られる。

【００３７】この結果、ＰＬＬ回路１８によるフィード
バックによって制御される発振器１１の発振周波数の追
従に遅れがあったとしても、位相回転速度制御器１９
が、その遅れを補償し、刻々変化する超音波ホーン２の
共振周波数に対して、超音波振動子３に与える超音波信
号の周波数を一致させることができる。

【００３８】そして多少の遅延時間をもってＰＬＬ回路
１８によるフィードバックによって発振器１１の発振周
波数が追従し、またさらに超音波ホーン２の共振周波数
が変化した場合には、一時的に位相回転速度制御器１９
によって供給周波数を追従させるように作用する。換言
すれば、超音波ホーン２の共振周波数の遅い変化に対し
ては、ＰＬＬ回路１８によるフィードバックによって発
振周波数を追従せしめ、共振周波数の早い変化に対して
は、位相回転速度制御器１９によって供給周波数を追従
させるように成される。これによりＰＬＬ回路１８によ
るフィードバックによって精度の高い発振作用を行わ
せ、位相回転速度制御器１９によって追従速度の向上を
可能にさせることができる。

【００３９】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
係るボンディングツールへの超音波電力供給装置による
と、ＰＬＬ回路による超音波発振手段へのフィードバッ
クとは別に、位相回転速度制御手段へのフィードバック
を施すようにしている。そして、位相回転速度制御手段
に対して、超音波振動子に印加される超音波電力の電圧
位相と超音波振動子に流入する電流位相との位相差弁別
出力を加えて超音波発振手段からの超音波電圧に対し
て、位相回転を施すよう作用させる。従って、超音波振
動子に供給される超音波電圧の周波数は、超音波ホーン
の共振周波数に常に一致させることができる。よって、
超音波ホーンの出力効率を常に高効率に保持することが
可能であり、良好なボンディング作用をすることが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係るボンディングツールへの
超音波電力供給装置の一実施例の構成を示したブロック
図である。

【図２】図２は、図１に示すボンディングツールへの超
音波電力供給装置で用いられるボンディングツール及び
超音波振動子の構成を示す図である。

【図３】図３は、従来の超音波電力供給装置の一例を示
したブロック図である。

【符号の説明】

１ ボンディングツール ２ 超音波ホーン ３ 超音波振動子 ４ キャピラリ ５ リード線 ６ コネクタ １１ 発振器 １２ 増幅器 １３ 出力制御器 １４ 整合器 １５ 出力端子 １６ 電流検出器 １７ 電圧・電流位相差検出器 １８ ＰＬＬ回路 １９ 位相回転速度制御器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端にキャピラリが取り付けられた超音
   波ホーンと、前記超音波ホーンに対して超音波振動を供
   給する超音波振動子と、前記超音波振動子に対して超音
   波電力を供給する超音波電力供給回路より成り、 前記超音波電力供給回路は、超音波振動子に印加される
   超音波電圧と超音波振動子に流入する電流との位相差を
   弁別し弁別出力を発生する位相差弁別手段と、 前記位相差弁別手段からの弁別出力に基づいて超音波ホ
   ーンにおける共振周波数に対応した発振周波数の制御信
   号を発生させるフェーズロックループ手段と、 前記フェーズロックループ手段から供給される制御信号
   によって発振周波数が可変される超音波発振手段と、 前記位相差弁別手段からの弁別出力に基づいて超音波電
   圧の位相を回転させる位相回転速度制御手段とを具備
   し、 前記フェーズロックループ手段における入出力の応答速
   度を、前記位相回転速度制御手段によって補償するよう
   にしたことを特徴とするボンディングツールへの超音波
   電力供給装置。
2. 【請求項２】 前記位相回転速度制御手段によって得ら
   れる超音波電圧を、電力制御が成される増幅手段を介し
   て超音波振動子に印加させるようにしたことを特徴とす
   る請求項１記載のボンディングツールへの超音波電力供
   給装置。