JPS6026298B2 - ボンデイング装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はボンディング装置に関し、とくに半導体集積回
路等の超小形電子装置の組立において、半導体集積回路
素子（以下チップと称す）上の複数個の電極と外部リー
ドとを金線、アルミ線等で接続するボンディング装置に
関する。

半導体集積回路産業においても、最近、人件費の高騰が
激しく人手を要する作業が解決しなければならない重要
な問題になって来た。

特にチップの電極と外部リードとを結ぶいわゆるボンデ
ィング工程の省力化が大きくクローズアップされている
。

このボンディング工程においていまだに主流を占めるワ
イヤボンディングのボンディング装置（以下ボンダーと
称す）もマイクロコンピューター等の応用によって従来
の手作業に代って最初のスタート点のみを位置決めする
だけで後は自動的にボンディングできるものや、人間の
目に代って半導体素子からなるイメージセンサーを利用
してチップとりード側のずれ量を自動的に検出し、以下
前述のボンダーと同様に無人化できるものが一般的にな
って釆た。これらの自動ポンダーは前者においてはボン
ディングツールの位置を示すスポットライトを備え、こ
れを作業者が毎回スタート点の位置決めを行なう事によ
り、ｘ、ｙ、８方向の規定位置からのずれ量を検出し、
これをもとに補正計算式により演算し、後は正しく自動
的にボンディングできるもの、又後者においては例えば
イメージセンサーがスキャンニングされる事により毎回
のチップの位置を認識し、これを図形処理部において演
算処理する事により後は自動的にボンディングできるも
の等が普通である。これらはいずれも装置の内部あるい
は外部にある程度複雑な計算ができる補正計算演算部を
抱いているものが一般的である。

これらの自動ボンダーにおいて熱圧着ボンディング（以
下ＮＴＣと称す）の場合は、回転機構がない為に実際の
ボンディングで精度的に問題なく自動化が進んできたが
超音波ボンディング（以下ＵＳボンディングと称す）に
おいてはＮＴＣボンディングと違って回転要素が入る為
にもし機械的な回転中心が補正計算式で使う計算中心と
一致していないと後述する様にいくら精度よくチップの
位置ずれが検出できても実際のボンディングすべきパッ
ドは１００〜１２０ムの角と４・さし、のでボンディン
グツールとうまく−致しなく、いわゆるパッド上でのボ
ンディング位置ずれの問題が生じていた。これが、ＮＴ
Ｃボンダーと比較して、ＵＳボンダーの自動化が遅れた
大きな要因となっていた。そこで本発明の目的のひとつ
はこの問題を解決すべく上記機械的回転中心と計算中心
を一致させる為にその機械的回転中′○を容易に見つけ
出そうとするものである。

本発明の他の目的は機械的回転中心を簡単に求めた後、
その回転中心を計算中心に合わせる事によりＮＴＣと大
差ないボンディング精度が補償された自動ボンディング
装置を提供することにある。本発明によれば、回転体上
の半導体チップにワイヤボンディングをほどこすボンデ
ィング装置において、チップの計算位置と実際位置との
距離を検出する手段と、この検出された距離をもとに回
転体の回転中心を計算し、この回転中心に基づき初期の
補正計算式をさらに補正することを特徴とするボンディ
ング装置が得られる。

とくに本発明によれば、半導体集積回路のチップと外部
リードを接続する為の回転要素が入るボンディング装置
において、任意のチップに対し、ボンディングの操作を
させ、実際のボンディングパッドとボンディングツール
のずれ量を複数回測定し、これをもとにして演算装置に
逆算させる事により、上記装置の演算基準に対する機械
的な回転中心を導き出す事をも特徴とする半導体集積回
路の自動ボンディング装置が得られる。すなわち、上述
の様な一般の自動ボンダーの場合においては、実際の機
械的回転中心と計算中心（理想的な中心であって機械的
な回転中心がずれていない場合を示す。

以下、理想的な中心という）とがずれている時には、こ
のまま普通の作業通り位置決めしスタートさせると、ツ
ールは理想的な中心による従来の補正計算式による出力
値に基づいた場所に位置し、一方、半導体チップのボン
ディングパッドは、実際の機械的中心によって動かされ
るから、このパッドの位置と上記ッ−ルの位置とは一致
しない。この一致しない距離はあらかじめチップのマウ
ント位置ずれを測定するセンサーがついているので、マ
ニピレーター等を使用して（Ｘ一Ｙ方向に手で動かせる
微動機構が一般にポンダーにはついている）、ツールの
位置を示すスポットを実際のパッド上に手動でもつて行
く事によりいくらずれているかが測定できる。すなわち
、理想的な中心と実際の機械的回転中心とのずれは直接
に測定できない。そこで本発明では、このずれに帰因し
て発生したツールの位置とパッドの位置とのずれを測定
して、これから上記回転中心のずれを換算し、この回転
中心のずれを上記補正計算式に導入して新たな補正計算
式を作り、この新たな補正計算式によりツールを動かそ
うとするものである。このようにすれば、ツールの動き
は実際の回転中心のずれも含んで動くから、チップのパ
ッドの位置とツールの位置とを一致させることができる
。尚、この操作は、たとえば１日の作業始めにモニター
用のチップを用いて数個所のパッドとツールの位置関係
について行い、その平均を出してその日の補正計算式を
確立させておけばよい。次に図面を用いて本発明を詳細
に説明する。

回転機構をもつボンダーとしてはＵＳボンディングが典
型的であるのでそれについて説明する。第１図にＵＳボ
ンダーの概略側面図を示すが、ＮＴＣボンダーと異なる
所はＮＴＣのボンディングツールはオペレータに対して
前後左右、自由自在（無方向性）に運動できるが、ＵＳ
ボンディングの場合、ツールはワイヤ方向（前後）にし
か動けないので（現在はＵＳを前後方向にかけるのが主
流の為）チップの全パッドをくまなくボンディングする
にはチップをのせている受台の方を回転させなければな
らない。第１図でボンディングツール１がついたヘッド
側はＮＴＣボンダーと同様に×−Ｙ方向に動く駆勤モー
ターがある。

これに対してＩＣがのっている受台２はその下方部に駆
動モータ−３を有している。ここで、問題になる機械的
な回転中心と補正計算で使用する理想的な中心について
述べる。第１図で受台２の回転中心線５とツールの位置
を定める理想的な中心線すなわち計算に用いる中心線４
は理想的な場合一致しているはずで、ツール１側、受台
２側共にその共通中心線をもとに計算式通り中央演算処
理装置（ＣＰＵ）が演算して、演算出力信号の１パルス
において５〜１０ム凧の精度で正しくボンディングでき
る。これが理想的な中心をもとにしたものでいわゆるパ
ツド‘こおけるボンディングずれがない。一方、実際に
おいては、受台２側の機械的回転中心５は目で見てはっ
きりわかるものではなく、機械的にセッテイングしただ
けでは両中心線４と５とをピタリー致させる事は不可能
に近い。従来は、理想的な中心線４上に受台２の中心が
あるものとして計算して、ツール側および受台側の各モ
ータに出力されていたのであるが、実際は受台側の回転
中心５は上記理想的な中心４よりずれている。しかがっ
て、ツールは理想的な中心線４すなわち計算中心にもと
づいて計算された結果に従って移動し、所定の場所に位
置するが、パッドの方は実際の回転中心５により回転さ
れるから、両者の位置は、ずれが生じてくる事となる。
これはチップサイズが大きければ大きい程、このずれが
増中される事になる。たとえば、パッド数２１、ピン数
２２のチップ（５．７７×４．２６側）の場合、パッド
寸法が１２０山肌口、リード幅が４００ｒｍ（充分広い
）であり、最大７０〆の近くもパッドの中心に対してず
れる事になり位置決め誤差、その他の機械的総合誤差等
を考えると実際に使用できうるものでない事がわかる。
そこで本発明はこの機械的回転中心をできる限り計算中
心に簡単に近づける方法を提供しようとするものである
。本発明を説明するにあたり、このＵＳボンダ−で使用
している補正計算方法から述べる必要があるので以下に
それを説明する。

第２図はチップのマウントがずれていてもこれを正しく
ボンディングすべき補正計算を導出するための説明図で
、第１図の顕微鏡７を見ながらスポット６等を参考にし
て位置決めする場合の状態を示している。尚この補正計
算の時は計算のみの事であるから第１図で言う受台５は
存在せず、当然中心線４，５は一致しているものとして
考える。第２図において参照数字８は実際のチップを回
転方向だけを合わした時の中心であり、９はマウントず
れのない正規のチップ位置、１川ま実際のチップ位置、
１１はそれを回転方向だけ合わせた場合のチップ位置を
それぞれ示す。又、１２は正規のｎ番パッド座標（ｘｎ
、仇）、１３は回転だけ合わした時則ち１１のチップの
ｎ番パッド座標（柳′、肌′）、１４は正規の場合のｎ
番リード座標（ｘＬｎ、ｙＬｎ）、１５は回転だけ合わ
せた時則ちチップが１１に来た時のｎ番リード座標（刈
ｎ′「 ｙＬｎ′）を表わす。そして１６，１７はチッ
プ９，１１の差（回転のみ合わせた時の正規の位置から
のずれ量）ね、ｙｏを示す。この場合にパッド側は次式
が成立する。又リード側は次式が成立する。山ｎ′＝Ａ
・ｃｏｓ（８‐ａ。

）但し、 一方向則ちｙ方向にだけしかツールは動作しないのでパ
ッドとりード側ボンディング位置の方向をすべてｙ軸と
平行にしなければならない。

従ってそうする為の角度８ｎ（第２図で１８）は次の様
になる。８ｎ＝ねｎ−，空土コ虹 …………
ｔ３’ｙｎ′−ｙＬｎ′そして実際のボンディング時に
は受台２のモーター３に上記ａｎが出力される事になり
、一方ツール１側Ｘ−Ｙモーターに出力される値をＸｎ
、Ｙｎ（パッド側）、ＸＬｎ、ＹＬｎ（リード側）とす
ればその出力値の一般式は次の様になる。

但し、ｎの変化によって（パッドとりードの位置によっ
て）＋、一も変化する。

以上の様にして補正計算式が求まったが、次に本発明に
よる機械的中心を出す説明に入る。

第３図において参照数字１９は最初機械的回転中心と計
算中心すなわち理費想的な中心が合っているものとして
考えた中心で２１のスタート点を正規の位置決めで合わ
せ、スタートさせると補正計算後のｎ番目のパッド側の
出力としては｛４’式から（Ｘｎ、Ｙｎ）が求まり、ツ
ールは２２の点に移動する。しかし、実際には機械的な
回転中心が２０にあったとすれば、即ち回転中心２０と
計算中心すなわち理想的な中心１９との差がｘ、ｙ方向
にそれぞれは、８だけずれているとすれば、実際のｎ番
目のパッドは２３のところにあり、これに対してツール
は２２のところにあるからパッド２２と２３との差をＸ
ｎｏ、Ｙｎｏとするとｎ番目のパッドではこの差×比、
Ｙｎｏだけ位置ずれしてボンディングされる事になる。
ここで前述の様に１９を計算中心として出る出力値はｍ
〜ｔ５｝式より求まるが、実際の計算中心すなわち理想
的な中心を２０として考えると前式の‘１ｌは次式に置
きかえられる。そこでｍ〜■式の様にして最終的に計算
中心すなわち理想的な中心２０としたＸｎ・２ｏ、Ｙｎ
・２。

は次式の様になる。ここでの（Ｘｎ・抑、Ｙｎ・幼）は
【４ーとは異なるので２０をつけた即ち‘４１‘ま中心
１９で考えた座標系、‘７｝は２０を中心とした座標系
だからである。

そこで第３図においてツールは２２の位置に、実際のパ
ッドは２３の位置にあり、ツールの位置を示すスポット
が２２を照射しているから、マニピレーターで２２から
パッド２３上へツールを移動させることができる。この
移動距離は前述の様に２２と２３の差すなわちＸ〜、Ｙ
〜であるから次の関係が成立する。右の座標系に一致さ
せる為に、左辺にＱ、８を加えた。

又Ｘ比、Ｙ〜は前述した様にあらかじめ電気マイクロか
カウンターをセットしておけば容易に求まる。従って‘
７’、■式より Ｘｎ＋Ｘｎ。

十Ｑニ（血＋８十為）Ｘｎ−（叩十８十松）ｘｍ
……■Ｙｎ＋Ｙｎ。

十Ｂニ（血＋Ｑ＋為）Ｘｍ＋（肌十８十ｙ。

）ｘｎ ……【ＩＱ但し、ｍ＝ｓｉｎａ
ｎ、ｎ＝ｃｏｓｏｎとする。が成立する事は明らかであ
ろう。そこで、■×（ｎ一１）と００×ｍより Ｑ＝（ｎ−１）｛戊ｎ＋Ｘｎジー○ｎ＋ｘｏｈ＋血＋ｙ
ｏ）山｝（ｎ−１ア十ｍ２十ｍ｛。

ｎ十ＹｎＱ）岸き呈声拳常磐−（ごｍ＋地）ｎ｝
‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐（１１）同様にＢは
８＝仇−１）｛〇ｎ＋Ｙｎ。

）−〇ｎ＋ｘｏ）川−（如十九）ｎリ仇−１￥十ｍ２ｍ
｛〆ｎ＋ｘｎ。

）−（ｘｎ＋ｘ。ｈ＋０ｎ＋ｙ。）ｍ｝
…………（１２）（ｎ一１）２十ｍ２
となり、Ｑ、Ｂは求まる。

以上の様にして計算中心すなわち理想的な中心と機械的
回転中心の差Ｑ、Ｂが求まる事になるが、実際のボンダ
ーでこの作業をする事は容易である。

即ちｍ〜（１２）式まではソフトウェアの設計により容
易にプログラムする事は可能である。そしてボンダーに
例えば回転中心出し用の切り換えスイッチ等をもたせれ
ばオペレーターは１日の作業前にまずこのスイッチを入
れる。次に任意のサンプルＩＣを受台にセットし、平常
通り位置決めしてスタートさせる。任意のパッド例えば
２番号で止まる様にすれば実際のツールとパッドは当然
いくらか（Ｘ２．ｏ、Ｙ２．ｏ）だけずれているので、
これをマニピレーターで２番号のパッドに一致させ、中
心出し計算等と称したスイッチを押す事により回転中心
出しは完了する事になる（Ｑ、８が求まり、ボンダーの
メモリーに記憶された事になる）。Ｑ、８が（１１）、
（１２）式で求まると、実際の作業に入る時には【６１
、｛７１式の計算をして実際のパッドのある点２３、即
ち（Ｘｎ・２ｏ、Ｙｎ・拠）が出力され、正しくボンデ
ィングする事が可能になるわけである。上述の例は２番
パッドで止めてＱ、Ｂを出したが、任意のパッドで可能
であるので必要ならば何個かのパッドでこの作業を行な
い、即ちＱ．・…・・・・・・・・Ｑｎと３．・・・・
・・・・・・・・８ｎを求め、この算術平均三（Ｑ，十
．．，．．，．．．．，．Ｑｎ）と三（８，．．，．．
．．．．，．．８ｎ）をもってＱ、Ｐとすればオペレー
ターの位置決めの誤差が平均化されるので、回転中心出
しの精度を上げる事になる。

以上の方法により本発明を採用したポンダーにおいては
、従来ではその機械的な回転中心と計算中心すなわち理
想的な中心を一致させる事（見つける事）がむつかしか
ったものが簡単な操作で短時間に正確に求める事ができ
る様になった。

従ってＵＳボンダーの歩留向上と作業性の向上に寄与し
、ＩＣの製造コストを下げるメリットを有するものであ
る。以上を要約すると次のようになる。

従来の演算部では、第【１１式〜第５｝式をのみ用いて
いた。

すなわち、第２図に示すパッドの位置１３（第‘１１式
）およびリードの位置１５（第【２１式）をｙ軸方向に
平行になるように、第【３’式によって８ｎ回転させて
第４｝式および第風式に示す位置にパッドおよびリード
が位置しているものと計算していた。すなわち、受台の
実際の中心がずれていないとして計算していた。第３図
でいえば２１の位置にあるパッドが２２の位置に移った
ように計算されていた。この２２の位置が■式で計算さ
れた位置であり、その上のりードの位置が【５）式で計
算された位置である。したがって、ツールはこの計算さ
れた場所に位置されることとなる。しかしながら、受台
の実際の機械的中心が理想的な中心と一致していないで
第３図に示すようにＱ、８だけずれている。したがって
実際のパッドは２２の場所に位置しない。この中心のず
れは、直接測定出来ない。

本発明では、実際のパッドの位置２３と上記計算された
位置２２とをまず測定する。理想的に中心が一致されて
いるとして計算された位置２２上には、上記したように
ツールが位置しており、このツールの直下にはスポット
があてられているから、位置２３と位置２２とのずれ×
〜、Ｙ比は容易に測定できる。次にこのＸ比、Ｙ〜を式
（１１）、式（１２）に導入して中心のずれＱ、８を本
発明の演算部で演算する。次にこのＱ、８を式‘６’、
式‘刊こ導入して本発明の演算部で、回転台の機械的な
中心がずれていたときのパッド実際の位置を演算する。
そして、この式‘７｝にもとずし、てボンダーを動かせ
ば、ツールは（Ｘｎ・２ｏ、Ｙｎ・２ｏ）に位置するこ
ととなる。すなわち、ツールの位置は回転台の機械的中
心がずれていたときの実際のパッドの位置と一致するこ
ととなる。通常、機械的回転中心の位置は、いつも変化
するものではない。したがって、たとえば１日の作業の
始めにモニターのゥェハ−を用いて上記操作を行ってお
けば、その日の作業においては、パッド、リード上にツ
ールが確実に位置することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般のＵＳボンダーの概略側面図、第２図は補
正計算を説明するための概略図、第３図は本発明の−実
施例にもとずき、機械的回転中心を求める為の説明図、
１……（ボンディング）ツール、２……（ＩＣ）受台、
３……回転モーター、４・・・…計算中心、５・・・・
・・回転中心、６・・…・スポット、７・・・・・・顕
微鏡、８・・・・・・実際のチップ中心、９・・・・・
・正規のチップ位置、１０・・・・・・実際のチップ位
置、１１・・・・・・回転方向を合わせたチップ位置、
１２・・・・・・正規のｎ番パッド、１３・・・・・・
回転方向を合わせたｎ番パッド、１４・・・・・・正規
のｎ番リード、１５・・…・回転方向を合わせたｎ番リ
ード、１６，１７…・・・回転後のずれ量、１８……ｙ
軸と平行にする為の角度、１９，２０・・・・・・計算
中心と機械中心、２１〜２３……スタートパッドと１９
，２０が中心の時のパッドの位置。 多′図 髪２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 超音波ボンデイングを行うボンデイングツールと、
   半導体素子が載置される回転台と、補正計算演算部とを
   有し、該補正計算演算部は半導体素子のボンデイングパ
   ツドの正規の位置からの偏差値および該ボンデイングパ
   ツドに対するリードの相対関係を計算し、かつ該ボンデ
   イングパツドとリードとが、所定方向の直線上に位置す
   るよう回転させる計算を行う機能を有し、この計算結果
   にもとずいて該ボンデイングツールを所定の場所に位置
   させ、かつ該回転台を所定の角度だけ回転させるボンデ
   イング装置において、前記回転台の中心と前記計算に用
   いた中心とがずれていたことに帰因する前記ボンデイン
   グツールの前記計算に基づく位置と前記ボンデイングパ
   ツドの実際の位置とのずれ量を検出する検出手段を有し
   、前記補正計算演算部は、該ずれ量を導入することによ
   り、前記両中心のずれ値を計算し、この両中心のずれ値
   を含めて計算を行い、前記回転台に載置せる半導体素子
   の実際のボンデイングパツド位置を算出する機能を有し
   、この結果にもとづいて該ボンデイングツールを実際の
   ボンデイングパツドと同じ場所に位置させることを可能
   ならしめたことを特徴とするボンデイング装置。