JPS61101042A - ボンデイング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明はボンディング技術に関し、特に、ボンディング
速度の向上および半導体装置等のボンディング製品の信
頼性の向−Ｆを図ったワイヤボンダに利用して有効なボ
ンディング技術に関するものである。

〔背景技術〕

半導体装置の製造には、半導体素子が形成さねているペ
レットをパッケージ基板に固着するペレットポンダや、
ペレットと外部リードとの間を金域細線によってワイヤ
接続するワイヤボンダ等のボンディング装置が必要とさ
れる。そして、これらのボンディング装置は平面ＸＹ方
向に移動可能ｔｘ、　Ｘ　Ｙテーブル上にボンディング
ヘッドを搭載し、このヘッドには、ボンディングアーム
およびボンディングツールが構成要素として含まれてい
る。

ところで、ワイヤボンダ゛で代表して述べるが、前述し
たボンディングアームはその先端に取着したワイヤ接続
工具であるツールを上下に移動させるためにボンディン
グヘッドにカム機構（たとえば、特開昭５６−１４０６
３６号公報記載のもの）あるいはねじ機構（たとえば特
公昭５７−５８０８１号公報記載のもの）を設けている
。たとえば、カム機構ではカムを駆動力源としてのモー
タによって回動させカムプロフィールに従ってアームを
上下に揺動させている。また、ねじ機構ではねじを駆動
力源としてのモータにより軸転させ、ねじに螺合させた
アームを螺旋に沿って上下させている。

勿論、ボンディングヘッドにはこれらの機構の外に、ワ
イヤクランパ駆動用の機構や電気トーチの機構的鴫作磯
構、そねにその外のシーケンス動作を行なう機構も設け
らねている。

しかしながら、このような構成の従来のワイヤボンダに
あっては、ボンディングヘッドーヒにカム機構あるいは
ねじ機構とそれをＩＬＡ動する駆−源であるモータ等の
比較的に大きな機構・電気部品を搭載しているため、全
体重重が大きくなり、ＸＹテーブルによる平面移動に際
してその尚速移動が困餘になり、かつ酊曾の増加と共に
慣性力が犬になって振動が増大し、結局高速でかつ安定
したワイヤボンディングが姉しくなる。

一方、前述のカム機構あるいけねじ機構によるボンディ
ングアームの駆動構造では、カムとアームあるいはねじ
とアームの間に摺動部分（犀擦部分）が存在しているた
め、この摺動部分から摩耗粉が発生してこれが発塵帥と
なる。このため、ワイヤボンディングを行なう素子ペレ
ットや外部リード等にこれら摩耗粉が付着し、ワイヤ接
続部で短絡事項を生じる等その信頼性を低下させること
になる。

これらの不其合はワイヤボンダにおいて熱圧着法又は超
音波法に拘らず生じており、またペレットボンダにおい
ても同様な間賄が生じている。

〔発明の目的〕

本発明の目的はボンディングヘッドを初めとしてボンデ
ィング装置のｖ！ｌ−化を図ると共に摺動個所を低減し
て発靭個所の低減を図り、これにより茜速化および披ボ
ンディング製品の信頼性を向上することのできるボンデ
ィング装置を提供することにある。

また、本発明の目的は軽量化と共にボンディングヘッド
の小型化を図り、全体としても小型化を達成したボンデ
ィング装置を提供することにある。

本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、
本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであ
ろう。

〔発明の概要〕

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡却に説明すれば、下記のとおりである。

すなわち、ボンディングヘッド上に支持したポンディン
グアーム等の駆動力［株］に４￥：′ｊ１かつ小型形状
の圧電素子を用い、この圧＊索子への印加電圧をコント
ロールし得るよう構成することにより、カム機構あるい
はねじ機構およびそわらの駆動力源であるモータ等の搭
載を不要にすることにより、軽量化を図り、かつ摺動個
所を低減し、こねによりボンディング装置の軽量化と、
発塵防止による被ボンデイング製品の信頼性の向上を達
成するものである。

また、ボンディングアーム等と圧電素子との間に振幅拡
大レバーを介装することにより、圧電素子の変位量を増
大してボンディングアーム等に伝達でき、同じストロー
ク動作蓋を得る除の圧電素子の小型化、更にはボンディ
ングアームやそね以外の部品の小型化る図ることもでき
る。

なお、ワイヤボンダにおけるクランプや熱圧着法ポンダ
のボール形成用トーチの各駆動部に圧電素子を用いるこ
ともできる。

〔実施例１〕 第１図は本発明をポールボンディング方式のワイヤボン
ダに適用した実施例を示す図であり、同図偽）は側面図
、（Ｂ、）は平Ｅ用図である。図において、駆動力源と
して＠址で小型形状の圧＆索子を用いているものであっ
て、平面Ｘ、Ｙ方向に移動可能なＸＹテーブル１上には
ボンディングヘッドＡを搭載し、このボンディングヘッ
ドＡにおける支持体２上に上下に揺動可能なボンディン
グアーム３を装備している。このボンディングアーム３
け図示左方に突出された先端（一端）にボンディングツ
ール（ワイヤ接続工具）としてのキャピラリ４を取着し
、基端（他端）よりの一部を前記支持体２に枢支５して
いる。そして、この枢支５′＠所に１ｒいアーム３の他
端には突片６を住方に突設し、ここに駆動力源としての
圧電素子７を係合さ七′ている。即ち、−前記支持体２
には突片６の上方に被さるようにブラケット８を固着し
、このブラケット８と支持体２とに一直想状態に夫々取
着した一対の圧電素子？ａ、７ｂの各内端で前記突片６
を上下に挾持するようにしている。前記圧電素子７　ａ
　＊　７　ｂは例えはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）
系セラミックスからなる素子をその厚さ方向に複数枚重
ねたもので、この圧電素子’Ｉａ、１ｂＫ＠圧を印加す
ることにより素子全体が図示上下方向に伸縮される。な
おＰＺＴは鉛のＰ、ジルコンのＺ、チタンのＴをとって
付けられた米りレイバイト社の商標である。本例では圧
電素子７　ａ　＋　７　ｂに夫々逆方向の電圧を印加し
得るよう構成し、これにより一方の素子が伸長するとき
には他方が短縮されるようになっている。なお、前記圧
電素子７　ａ　＋　７　ｂとして商品名［ＮＴＫピエゾ
スタックＴ１０５０５ＭＭ（日本特殊陶業）」を用いた
ときには、４００Ｖの印加で３５μｍの変位が得られ、
かつ発生力は最大で７０に、９ｆが得らねる。

勿論、前述の印加電圧は連続的又は段階的に変化可能で
あり、これに伴なって素子７ａ、７ｂの変位蓋の調整が
可能である。図中、９けボンディングアーム３の一端を
下方に付勢するためのスプリングである。

一方、前記ボンディングアーム３上の位置には、ボンデ
ィングアーム３の駆動手段とは別の駆動手段で動作する
クランパ機構が設けられている。このクランパ機ｗはボ
ンディングアーム３の動きと関連してたとえばボンディ
ングアーム３と上下に相対的に変位可能となっているも
のである。

このクランパ機構は、一対のクランパアーム１０．１１
を設け、各アーム１０．１１の先端には前記キャピラリ
４の１ｕ上にクランパ１３．１４を固着している。なお
、図示しないがクランパアーム１０，１１を上下動させ
る駆動力源としても圧電素子を用いて小型軽量化をはか
つている。そ［７て、各アーム１０．１１の基端間にけ
これに挾まれるように＠菫でかつ小型形状の圧ｍ索子（
クランパ機構の駆動力源）１５を介装し、これには所要
の電圧を印加し得るよう罠なっている。前記クランパ１
３．１４の上方には、ボンディングワイヤである金線（
ワイヤ）１６を巻回したスプール１７を配置してこねを
支持体２に支持し、ワイヤ１６はスプール１７から下方
に引き出してクランパ１３．１４問およびキャピラリ４
を挿通させている。他方、キャピラリ４の下方には前記
ワイヤの先端にボール（金ポール）１６ａを形成するた
めの電気トーチ１８を配設し、これを進退できるように
構成しているか、この進退動作の駆動力源としても本実
施例においては圧電素子（図示は省略する）を用いてい
る。

図中、１９はボンディングステージであり、例えばリー
ドフレーム２０と素子ペレット２１からなる被ボンデイ
ング体２２を載酸し、こｔｌらり一部フレーム２０と素
子ベレット２１間にワイヤ１６の接続を行なう。

以上の構成によねば、ボンディングアーム３の上下揺動
によるキャピラリ４の上下動と、クランパアーム１０．
１１の回動によるクランパ１３゜１４の開閉作用、更に
電気トーチ１８やポンディングステージ１９の作用によ
って、被ボンデイング体２２に熱圧着法によるワイヤボ
ンディングを行なう。なお、この際、ボンディングアー
ムには超音波振動が印加されるようになっている。なお
ボンディングアームに超音波振動を印加する機構は図示
さねていない。そして、ボンディングアーム２の上下揺
動に際しては、圧電素子７ａ、７ｂへの印加電圧を経時
的に制御することにより圧電素子７ａ、７ｂは各々の伸
縮に伴なって突片６、つまりアーム３の他端を一体的に
上下に移動させアーム３全体を上下に揺動させることに
なる。これにより、レバー比（枢支個所５に対するキャ
ピラリ４と突片６の各長さ、ｅ＋　　、−６１の比−１
３＋　／１３　ｔ　）によって圧電素子７　ａ　＋　７
　ｂの変位ｉｔは拡大されてキャピラリ４に伝えらねる
。なお、各圧電素子７　ａ　、　７１）の伸紬普は必ず
しも一対一に対応″１−るものではなく、第２図に示す
ようにキャピラリ４によるボンディング時に画素子７ａ
、７ｂ間に遊びが生じるようにし、被ボンデイング体２
２側における高さのバラツキに対処できる。また、圧電
素子１５の印加電圧をコントロールすることによリクラ
ンパ１３．１４の開閉動作を行なうことも菖うまでもｔ
「い。

したがって、このワイヤボンダによれば、ボンディング
アーム３やクランパアーム１０．１１そ１＋に電気トー
チ１８の機械的動作の駆動力源にカム機構あるいはねじ
機構およびそねの駆動力神であるモータを使用せす、極
めて＠蓄でかつ小型形状の圧電素子を利用しているので
、ボンディングヘッド２全体の軽１°化を図ってＸＹテ
ーブル１による水平移動の酸、連化な実現すると共に、
摩擦部分が殆んど存在しないので摩耗粉等の発塵もなく
、被ボンデイング体２２における信頼性の向上を達成で
きる。

、　第３図は前例の変形例を示しており、圧電素子７　
ａ　＋　７　ｂによる変位葉な更に拡大してキャピラリ
４を上下動させるために振幅拡大用のレバー２３−を介
装したものである。すなわち、この拡大レバー２３は一
端２３ａをボンディングアーム３の他端に枢着する一方
、他端２３’ｂを支持体２に枢支させ、この他端２３ｂ
寄りの位置で圧電素子７ａ＋７ｂを係合させたものであ
る。

本実施例によれば、ボンディングアーム３のレバー比４
３　＋　／　−１３ｔ　拡大レバー２３のレバー比（他
端２３ｂと一端２３ａの間の長さｌ、に対する他端２３
ｂと圧電素子７までの長さ１４の比−ｇｓ／−ｇａ）の
相開ｅ＠ｘｉｓ／、ｅ２Ｘ−ｇ４の拡大率が倚らね、十
分に大きなキャ゛ピラリ４の上下ストロークを得ること
ができる。

〔実施例２〕 第４図（Ａ＋　、　（［３）は本発明の他の実施例であ
るワイヤボンディング装置を示す図であって、図中、第
１図、第３図と同一部分には同一符号を符している。本
例は、図示のように支持体２に一方σ）クランパアーム
ＩＯＡを上下揺動可能に枢支５　Ａ、　Ｌ、他方のクラ
ンパアームＩＩＡをこの一方のクランパアームＩＯＡ上
に水平回動可能に枢着している。

そして、両クランパアームＩＯＡ、ＩＩＡは夫々先端に
クランパ１３．１４を取着し、かつ基端側に介装した圧
電素子１５によって開閉動作可能に構成している。前記
一方のクランパアームＩＯＡの他端には、基端２４ａを
支持体２に枢支した第１拡大レバー２４の先端２４ｂを
連結し、かつこの第１拡大レバー２４の基端よりの位置
にピン２５を植設して第２拡大レバー２６の先端２６ａ
に連結している。この第２拡大レバー２６け第１拡大レ
バー２４と平行にかつ逆向きに並設し、基端２６ｂを支
持体２に枢支すると共にこの基端２６ｂよりの位置にブ
ラケット８を用いて一対の圧電素子７ａ　＋　７ｂを係
合させている。

他方、前記一方のクランパアームＩＯＡの一部には、先
端にキャピラリ４を固着したボンディングアーム３Ａの
基端３　Ａ　ａ近傍を上下揺動可能に枢着２７している
。そして、この基端３　Ａ　ａとクランパアームＩＯＡ
との間には圧電素子２８と引張スプリング２９を介装し
ている。

本例によれば、クランパ１３．１４の開閉動作は圧電素
子１５によって他方のクランパアーム１１Ａを一方のク
ランパアームＩＯＡに対して水平回動することにより達
成できる。また、圧電素子７　ａ　＋　７　ｂの伸縮を
制御することにより、その変位を第２、第１の各拡大レ
バー比り、、Ｌ、とクランパアームＩＯＡのレバー比り
、とによって拡大し、これＫよりクランパ１３．１４を
上下動させる。更に圧電素子２８の伸縮の制御により、
ボンディングアーム３ＡをクランパアームＩＯＡに対し
て上下揺動でき、ボンディングアーム３Ａはクランパア
ームＩＯＡの上下揺動と、こび）相対揺動との和によっ
て大きなストロークでキャピラ１１４を上下動できる。

本実施例においても、カム機構あるいはねじ機構および
そ１の駆動力源であるモータを使用しないので４１１ｉ
化および摺動摩擦個所の低減を図ることができ、尚連化
と信頼性を向上できる。また、本実施例では第１．第２
の拡大レバー２４　、２６を用いて振幅の拡大を図って
いるので、同一ストロークをイ）するためには各レバー
２４．２６の長さを短かくでき、装置全体の小型化が達
成できる。

また、本実施例では、クランパアームとボンディングア
ームとの共用部分があり、しかもそｆｌらの駆動力源も
共用しているものであるため、ボンディングヘッドＡの
軽量化、小型化９発塵淵低減に大きな効果があるもので
ある。

〔効果〕

ｉｌ＋　　ボンディングアームはもとよりクランパや電
気トーチ等の部材の駆動力源に圧電素子を用い、この圧
電素子に印加する電圧を制御し得るように構成している
ので、印加電圧の制御によって圧電素子を伸縮し、かつ
この変位に基づいてボンディングアームやクランパ、電
気トーチ等を動作させることができるので、従来それら
に用いていたカム機構あるいはねじ機構および七ねの駆
動力源であるモータ等を不要にし、これによりボンディ
ングヘッドを初めとして装置全体の大幅な軽量化な図り
、可動テーブルに伴なう動作の高速化を達成しかつ慣性
の低減によって振動の低減を達成できる。

（２１ボンディングヘッドにおける従来のカム機構ある
いはねじ機構等を不要にできることがら摺動摩擦個所の
低減を図り、摩耗粉等の発塵が大幅に防止でき半導体装
置などの被ボンデイング体への付着を未然に防止し、半
導体装置等の被ボンデイング体の信頼性を向上できる。

（３１ボンディングアームやクランパ等と、駆動力源と
しての圧電素子との間に振幅（変位ｉｔ）を拡大するレ
バーを設けているので、レバー比の任意設定により必要
十分なストローク量を得ることができる。

（４１振幅を拡大するレバーを沙数本のレバーで構成す
ることにより、各レバーの長さを短かくでき、こねによ
りボンディングヘッドないし装置全体の小型化を達成で
きる。

（５）圧電素子は、＠菫でかつ小型形状のものである。

そのため、ボンディング装置のボンディングアーム、ク
ランハ、Ｆ＃ｌ気トーチの機械的動作、ＸＹテーブル等
の駆動力源として使用した場合、従来のカム機構あるい
はねじ機構およびその駆動力源としてのモータに比較し
て大幅にボンディングヘッドを＠蓋なものにでき、しか
も小型形状のコンパクトなものにできる。

（６）　　圧電素子は、電圧を印加すると力を発生し形
状の変位を発生するものである。したがって電圧という
電気的入力に対し迅速かつ高精度に位置変位が行なわれ
る。また、電圧という電気的入力量に対応した榛椋的変
位ｌが行なわｉｌるため、制御が確実でばらつきのｔ「
い高精庸なものが達成できる。それゆえ、ボンディング
装置のボンディングアーム、クランパ、電気トーチの機
械的動作、ＸＹテーブル等の駆動力源として圧電素子を
用いた本発明は、カム機構あるいはねじ機構およびその
駆動力源としてのモータに比較して、ボンディングアー
ム、クランパなどを動作を制御する際の、正確性、確実
性、信頼性は一段と昼いものである。

（７）本発明すなわち、圧電素子を駆動力源として使用
したボンディングアーム機構、クランパ機構。

電気トーチの機械的動作機＠、ＸＹテーブル機構は、機
械的要素が少なく、機械的摺動個所も少なり摩耗のない
ものである。したがって、従来のカム機構あるいはねじ
機構の機械的摺動個所が多いものに比較して、本発明は
、摩耗がないため、動力伝達性は格段に優れており、動
力伝達時の相互の機械的要素間の動力伝達に対する正確
度は高く、経時的にも変化せず劣化もしないものである
。また、摺動個所が少なく摩耗の少ない本発明は、発塵
個所も少なくなることより、清浄雰囲気のもとで動作を
行なうことができ、被ボンデイング体に異物付着が少な
くなるので、異物付着による被ボンデイング体の不良発
生などの悪影響を低減することができる。

以上本発明者によってなさねた発明を実施例にもとづき
具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定される
ものではな（、その要旨を逸脱しない範囲で柚々変史可
能であることはいうまでもない。たとえは、ボンディン
グアーム、クランパアームの形状、振幅拡大用レバーの
形状、構造およびこｔｌらと圧電素子との相関構造等は
釉々に変形できる。また、一対の圧電素子はその一方を
スプリング等で代替構成することもできる。

〔利用分野〕

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその背景となった利用分野であるポールボンディング
のワイヤボンダに適用した場合について説明したが、そ
Ｊｌに限定されるものではなく、たとえばワイヤ接続工
具としてウェッジを用いる超音波法のワイヤボンダやペ
レットボンディングを行なうものであってボンディング
アーム先端にコレットを取り付けているペレットボンダ
尋にも同様に適用できろ。

【図面の簡単な説明】

第１図（４）、（Ｂ）は本発明の一夾流側のワイヤボン
ディング装置を示す側面図と平面図、 第２図はキャピラリを上下動させるための駆動力源であ
る一対の圧電素子の各変位特性図、第３図は本発明の他
の実施例のワイヤボンディング装置・を示す側面図、 第４図（ＡＪ　、　（Ｂ）は本発明の他の実施例のワイ
ヤボンディング装置を示す側面図と平面図である。 Ａ・°°ボンディングヘッド、１・・・ＸＹテーブル、
２・・・支持体、３．３Ａ・・・ボンディングアーム、
４キヤピラリ、７（７ａ、７ｂ）・・・圧電素子、９・
・・スプリング、１０，１．ＯＡ、１１．ＩＩＡ・・・
クランパアーム、１３．１４・・・クランパ、１５・・
・圧電素子、１６・・・ワイヤ、１７・・・スプール、
１８・・・トーチノズル、１９・・・ボン・ディングス
テージ、２２・・・被ボンデイング体、２３・・・拡大
レバー、２４・・・！１甲ｄ獣ｒけり−い−（＼

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ボンディングヘッドにおけるボンディングアームの
   駆動力源に圧電素子を用い、この圧電素子の印加電圧を
   コントロールしてボンディングアームを動作し得るよう
   に構成したことを特徴とするボンディング装置。 ２、ボンディングアームは上下揺動可能にボンディング
   ヘッドおける支持体に枢支し、その一端にボンディング
   ツールを取着し、その他端とボンディングヘッドとの間
   に圧電素子を介装してなる特許請求の範囲第１項記載の
   ボンディング装置。 ３、圧電素子を一対設け、各々の外側端をボンディング
   ヘッド側に取着する一方、各々の内側端でボンディング
   アームの他端を挾持してなる特許請求の範囲第２項記載
   のボンディング装置。 ４、ワイヤボンダであって、ボンディングヘッドに含ま
   れるクランパの駆動力源に圧電素子を用いてなる特許請
   求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載のボンデ
   イング装置。 ５、ワイヤボンダであって、ボンディングヘッドに含ま
   れる電気トーチの機械的動作の駆動力源に圧電素子を用
   いてなる特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか
   に記載のボンディング装置。 ６、ボンディングヘッドにおけるボンディングアームの
   駆動力源に圧電素子を用いると共に圧電素子と前記アー
   ムとの間には圧電素子の変位量を拡大してアームに伝達
   する振幅拡大レバーを介装し、かつ圧電素子の印加電圧
   をコントロールしてボンディングアームを動作し得るよ
   うに構成したことを特徴とするボンディング装置。 ７、ボンディングアームは上下揺動可能にボンディング
   ヘッドにおける支持体に枢支し、その一端にボンディン
   グツールを取着し、その他端に振幅拡大レバーを連設し
   てこれを圧電素子により揺動し得るよう構成してなる特
   許請求の範囲第６項記載のボンディング装置。 ８、振幅拡大レバーは複数個を連設して拡大率を増大さ
   せ、或いは同一拡大率でのレバー長を低減してなる特許
   請求の範囲第６項又は第７項記載のボンディング装置。 ９、クランパを取着したクランパアームを圧電素子によ
   って上下揺動可能に構成すると共に、このクランパアー
   ムに対して相対揺動可能にボンディングアームを支持し
   かつこれら両アーム間に圧電素子を介装してなる特許請
   求の範囲第６項記載のボンディング装置。