JPS6362098B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、ボール接着（ball bonding）により
ワイヤ（線）を他の素子に接続することに関す
る。 ボール接着は、例えば小型素子や小型回路の電
気的な相互接続用として使用される。例えば集積
回路シリコンチツプを基板回路に接続するような
非常に小型の回路には、通常アルミニウム線また
は金線が使用される。典型的には、そのようなワ
イヤの直径は約25μｍである。 一つの公知の金線接着技術においては、金線の
一端にボールが形成され、次いでその金のボール
がシリコンチツプあるいは基板回路に熱圧縮接着
または超音波接着により接続される。ボールの形
成は、ワイヤに水素炎を与えるか、あるいは金線
と電極の間に充分な電圧（350Vまたはそれ以上）
を与え、そのギヤツプに放電を起こさせてワイヤ
と電極の間にスパーク放電を発生させることによ
り、形成される。 他の公知の技術では、くさび形の超音波工具を
用いて、アルミニウム線または金線をシリコンチ
ツプ上のパツドまたは基板回路上のパツドに接続
する。しかし、ボール接着はくさび形工具を用い
た接着に対して多くの長所を有する。 ギヤツプ間に電圧を与えることによりワイヤの
端部に接着用のボールを形成することは、上述し
た直径よりも大きな直径、例えば直径200μｍの
ワイヤを接着することを可能にする。この程度の
直径の金線またはアルミニウム線は、例えば高電
力の電子回路で使用される。ボール接着法はま
た、他の材料（例えば銅または鋼）のワイヤの使
用や電子工学以外の分野における接着への使用な
どにも応用できる。しかしながら上述のようなワ
イヤ径に対しては、電圧（例えば750V）とキヤ
パシタンス（例えば18μF）の組合せによつて好
ましくない電気的シヨツク発生の原因となる。 本発明によるスパーク放電によりワイヤにボー
ルを形成する方法は、高電圧低電流電源から高電
圧を電極とボールを形成するワイヤの間に与え
て、両者の間にアークを形成し、かつアークが形
成されると上記高電圧が無効になる初期工程と；
そして一旦アークが形成されると、高電流低電圧
電源からボールを形成するための電流を取り出す
工程からなる。 上記方法を実現する本発明の装置は、電極と；
ワイヤ先端と電極の間にスパーク放電が発生する
ギヤツプを形成するようにワイヤを支持するワイ
ヤ保持具と；第１の電源回路が第２の電源回路よ
りも高い電圧と低い電流を供給するような第１お
よび第２の電源回路と；初期には第１の高電圧回
路をワイヤと電極の間に接続して両者の間に高電
圧低電流を印加してアーク放電を開始させ、そし
て次に第２の低電圧電源をアークに接続して低電
圧高電流をワイヤと電極の間のギヤツプに通じて
ボールを形成し、高電圧回路がアークが形成され
るまでの間有効であるような回路手段からなる。 例として、低電圧高キヤパシタンス電源の一出
力端と高電圧低キヤパシタンス電源の一出力端が
共通のSCR（サイリスタ）を介してワイヤまたは
電極に接続され、そしてSCRを点火してそれに
よりギヤツプ間に電源を接続するためのスイツチ
手段が設けられる。SCRの点火と同時に、低電
圧電源のスイツチが開成する。 アークを安定させるために従来提案されたこと
は、アークの消滅を防止するためにアークが高い
電圧を必要とする条件の下では、高電圧電源から
の高電圧によりアークを得、かつそのような必要
性がない場合にはアークを低電圧電源から供給す
るというような方法で、高電圧低電流電源と低電
圧高電流電源を接続するものである。しかしなが
らそのような接続では、アークの消滅を防止する
ために、高電圧電源が永久的に印加される。これ
に対して本発明の回路では、高電圧電源は一旦ア
ークが形成されると実質的に無効になり、かつ続
いて起こるアークの消滅を防止することができな
い。高電圧電源は結局再び充電されることはな
い。 本発明を明確に理解するため、本発明を具体化
した２つの方法と装置を以下に説明する。 ワイヤの端部にボールを形成するために、ワイ
ヤ１の先端と電極９の間の約0.005インチ（0.125
mm）のギヤツプにスパーク放電が発生される。電
極９は前部１１（図に断面で示す）が透明に形成
された保持具１０内に支持され、保持具１０は軸
転自在なアーム１２の端部に取り付けられる。駆
動手段１４によつて回転されるカム１３によつて
アーム１２が揺動され、第１図に示すボール形成
位置に電極を移動し、次いで接着が可能な位置に
アーム１２を引き込ませる。電極保持具１０の透
明な前部１１には、ノズル先端とワイヤを保持具
１０内に挿入させる開口１５が形成される。 シールドガス供給源２４が管２５を介して保持
具１０の内部に連通され、必要に応じて（例えば
アルミニウム線の場合）使用される。アーク放電
の間は、シールドガスは電極９に沿つてワイヤ先
端に向けて流れ、開口１５から外部へ排出され
る。 ワイヤと電極間のスパーク放電によりワイヤ端
部にボールが形成される。カム１３が回転を続け
るに従い、電極が引つ込む。 駆動手段１４はまた別のカム３０を駆動する。
このカム３０は、端部に伝導性クランプ３を取り
付けたアーム３２を軸３３周りにフオロワ３１を
介して揺動させる。超音波トランスデユーサ６も
同じく軸３３周りに揺動する。第１図に示す位置
では、カム３０はアーム３２とトランスデユーサ
６とを揺動させて伝導性クランプ３と毛細管状ノ
ズル４を工作物の上方に持ち上げ、ボールを形成
させる。ボールの形成が終ると、カム３０の回転
によつて伝導性クランプ３と毛細管状ノズル４が
下方に揺動し、ボールをマイクロ回路に接触させ
る。スプリング３４はフオロワ３１を常時カム３
０に接触させる。次いで超音波トランスデユーサ
６が励起され、超音波ホーン５を介してノズルお
よびワイヤ端部のボールをマイクロ回路に向けて
振動させ、公知の方法で超音波接着を行なう。 上記の方法でワイヤがマイクロ回路に接着され
ると、ワイヤは取出し端子３５に接続することが
できる。ワイヤを端子３５に接続する方法は本発
明の特徴ではないが、実用上は、得られる接着面
積が大きいのでくさび型接着が行われる。しか
し、マイクロ回路に接続させるためには、得られ
る接着面積が小さく、接着を行なうために必要な
エネルギ量がより臨界的である。必要であれば毛
細管状ノズル４を用いて公知の方法で取出し端子
にくさび型接着を行うことができる。 本発明の第１実施例を示す第２図において、
240Vの電源が２つの並列の巻線４０と４２に印
加される。巻線４０は可変トランスの巻線で、ト
ランスのワイパは別のトランス４４に接続され
る。巻線４２は２つの２次巻線４６と４８を有す
る。 低電圧電源として、巻線４４は全波整流器５
０、スイツチＳ１ａおよび33Ωの抵抗５１を介し
て、本実施例では14000μFの値を持つコンデンサ
５２に接続される。コンデンサ５２の出力側で
は、一方の出力線が出力端子５４に直接延び、か
つ他方の出力線が2.8Ωの抵抗５６、整流器５８
およびサイリスタ６０を介してもう一方の出力端
子６２に延びる。出力端子６２と５４は第１図に
対応して付番された端子に接続される。 高電圧電源は、整流器６４と６６およびコンデ
ンサ６８と７０とを含む倍電圧器と２次巻線４６
とを組み合わせて得られる。倍電圧器の一方側は
直接出力端子５４に接続される。他方側は1MΩ
の抵抗７２、200Ωの抵抗７４およびサイリスタ
６０を介して出力端子６２に接続される。
0.005μFのコンデンサ７６が抵抗７２と７４の接
続点と出力端子５４に接続される出力線の間に接
続される。 巻線４８はサイリスタ６０用の制御電圧を与え
る。巻線４８は全波整流器７８を介してコンデン
サ８０（470μF）の両端に接続され、コンデンサ
８０の一方側はサイリスタ６０のカソードに直接
接続され、他方側は抵抗８２およびスイツチＳ１
ｂ（スイツチＳ１ａと連結されている）を介して
サイリスタ６０のゲートに接続される。 ボールを形成する場合は、トランス４０および
４２への電源回路のスイツチＳ２が閉成されて回
路を励起する。コンデンサ５２が33Ωの抵抗５１
を介して例えば60Vの電圧に充電される。コンデ
ンサ７６は1MΩの抵抗７２を介して（例えば
660V）の高電圧に充電される。コンデンサ８０
はサイリスタ６０を点火するのに適した電圧に充
電される。 次に連結されているスイツチＳ１ａとＳ１ｂが
それぞれ開成および閉成され、スイツチＳ１ａは
大容量のコンデンサ５２を充電状態に残し、そし
てスイツチＳ１ｂを閉成した結果サイリスタ６０
が点火され、導電路を形成して高電圧のコンデン
サ７６によりワイヤと電極間のギヤツプに放電さ
せ、従つてアークを形成する。一旦コンデンサ７
６が放電されると、抵抗７２の値が大きいため
に、コンデンサ７６はボール形成サイクルの期間
中は高電圧レベルに再び充電することができな
い。また、抵抗７４の値（200Ω）が低電圧回路
内の抵抗５６の値（2.8Ω）に比較して大きいた
めに、コンデンサ７６はギヤツプに高電流を供給
することもできない。サイリスタ６０が点火され
ると、先ず回路の出力端子間の高電圧によつてダ
イオード５８が逆バイアスになり、ダイオード５
８によつてコンデンサ５２が出力端子から絶縁さ
れる。一旦コンデンサ７６が放電されると、ギヤ
ツプ間の電圧が落ち、その電圧がコンデンサ５２
の充電電圧より小さい値になると、次にコンデン
サ５２がダイオード５８によりコンデンサ７６に
より供給された電流よりもはるかに大きな電流を
ギヤツプ間に放電する。これによりワイヤにボー
ルが形成される。 大きなキヤパシタンスと組み合わされた低電圧
電源も、小さなキヤパシタンスと高い充放電抵抗
と組み合わされた高電圧電源も、どちらも操作者
にとつて危険を構成するものとはならない。すな
わち、高電圧回路の高抵抗は、一旦アークが形成
されると高電圧は事実上存在しないということを
意味する。 低電圧電源の電圧は、安全規準に従うために
100V以下であることが好ましい。イギリス規準
638、第２部、1978年では、このような装置にお
いては「無負荷電圧」は直流機器に対してリプル
10％で100V（平均値）を超えてはならないこと
が要求されている。同じ要求がアーク溶接機器の
無負荷電圧に関する最終調整書、セネレク２６
（SEC）２３Ｅ、1973年６月にも見い出される。
アークを維持するためには、最小40Vの電圧が一
般に必要である。 第３Ａ図は、高電圧における放電サイクルの初
期の短かい段階についての時間に対する電流のグ
ラフである。第２のより長い段階が第３図Ｂに示
される。アークに沿う電流を測定することは難し
いので、電流は代わりに抵抗負荷により測定し
た。第３図Ｂにおいて、1.1×10³μFのコンデンサ
５２と2.8Ωの抵抗５６に対しては、電流は３ｍ
ｓ程度の間に時定数（63％まで）だけ落ちる。 アルミニウム線にボールを形成する時にシール
ドガスを使用することは既に述べた。本出願人に
係るイギリス特許出願No.31346／77において説明
されているように、スパーク放電技術を用いてア
ルミニウム線にボール接着を行なう際に最初に経
験する問題は、形成されたボールは全く酸化され
ていて使用できないということであつた。保護雰
囲気中でアルミニウム線にボールを形成する試み
がなされた時は、グロー放電はボールが形成され
ないという結果になつた。この問題は、ワイヤの
断面のピーク電流密度が1.2×10⁹A／m²から13.5
×10⁹A／m²の間であるように回路の抵抗を設定
することにより解決した。上記の電流密度は、従
来金線のボール接着に用いられていた電流密度の
40から400倍であつた。 種々の材料および種々の直径のワイヤについて
使用される電圧値とキヤパシタンス値の実際例
を、以下の表に示す。

【表】

【表】 本発明は、鋼線、プラチナ線および銅ニツケル
線にボールを形成する場合にも使用できる。 ワイヤの極性を正にした場合に形成されるボー
ルよりも、ワイヤの極性を負にした方がアルミニ
ウムおよびその合金に形成されるボールの品質が
良く、他の条件が同じ場合は、形成されるボール
の大きさが大きいことが判明した。しかしなが
ら、鉄の場合は逆で、ワイヤを正極にする方が好
ましい。貴金属（例えばプラチナおよび金）につ
いては、極性をどちらにしても良品質のボールが
得られ、主な相違はボールの大きさであり、これ
ら貴金属では、ワイヤを正極にした方が負極にし
た場合よりも大きなボールが得られる。 上述の実施例では、キヤパシタンスと抵抗を用
いて異なつた値の電流と充電電荷とを得る回路に
ついて説明した。電子的電源が上述した回路の出
力波形に類似するように設定することにより、所
望の放電特性を得ることも可能である。あるい
は、予め定められた時間だけ一定電流の放電を与
えるような方法で、電源を動作させることもでき
る。いずれの場合でも、高電圧によつてプロセス
を開始することが必要で、一旦開始されると、プ
ロセスはより低い電源電圧レベルで継続される。 第４図は、一定電流の電源を用いた本発明の第
２実施例による装置をブロツク図で示す。初期放
電は一定電流の電源によつて650Vおよび3Aで
100μs間与えられ、この期間は時間制御によつて
調節される。この初期期間は第５図の電流−時間
グラフで「Ａ」で表示される。第１の定電流電源
と同一の回路の他の一部である第２の定電流電源
によつて、初期の高電圧放電が完了した時に、よ
り長い期間の間パワー放電が行われる。第２の放
電は第５図に領域「Ｂ」で示すように、100Vお
よび10Aで10ｍｓまたは20ｍｓまでの調節自在の
期間の間行われる。

【図面の簡単な説明】

第１図はワイヤと電極をギヤツプ形成位置に支
持した状態を示す本発明装置の正面図、第２図は
本発明の第１実施例によるワイヤと電極間の接続
回路図、第３図ＡおよびＢは第２図の回路を抵抗
負荷に接続した時の出力電流の図、第４図は本発
明の第２実施例によるワイヤと電極間の接続回路
のブロツク図、第５図は第４図の回路の出力電流
の図である。 １……ワイヤ、９……電極、１０……保持具、
４０，４２，４４，４６，４８……巻線、５１，
５６，７２，７４……抵抗、５２，７６……コン
デンサ、５４，６２……出力端子、６０……サイ
リスタ、Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ……スイツチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 素子または端子へワイヤをボール接着するた
   めのボールをスパーク放電によりワイヤに形成す
   る方法において、アークが形成されるまでの間だ
   け有効な高電圧低電流電源からの高電圧を電極と
   ボールが形成されるワイヤの間に印加することに
   より、電極とワイヤの間にアークの形成を開始す
   る工程と、一旦アークが形成された後は、ボール
   を形成するための電流を低電圧高電流電源から取
   り出す工程からなることを特徴とするボール形成
   方法。 ２ ボール形成工程の前に、高電圧低電流電源の
   小容量のコンデンサを高抵抗を介して充電し、か
   つ低電圧高電流電源の大容量のコンデンサをはる
   かに小さい抵抗を介して充電する工程と、続いて
   高電圧のコンデンサを直列の抵抗を介してギヤツ
   プ間に放電してアークを形成する工程と、次に高
   電圧コンデンサの放電抵抗よりもはるかに小さい
   抵抗を介して、低電圧コンデンサをギヤツプ間に
   放電してボールを形成する工程からなることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 素子または端子へワイヤをボール接着するた
   めのボールをスパーク放電によりワイヤに形成す
   る装置において、電極と、ワイヤ先端と電極の間
   にスパーク放電を発生させるギヤツプを形成する
   ようにワイヤを支持するワイヤ保持具と、第１の
   電源回路が第２の電源回路より高い電圧と低い電
   流を与えるような第１および第２の電源回路と、
   最初に第１の高電圧回路をワイヤと電極の間に接
   続して両者の間に高電圧低電流を印加してアーク
   放電を開始させ、かつ続いて第２の低電圧回路を
   アークに接続しワイヤと電極の間のギヤツプに低
   電圧高電流を通過させてそれによりボールを形成
   させるための回路手段から構成され、高電圧回路
   がアークが形成されるまでの間だけ有効であるこ
   とを特徴とするボール形成装置。 ４ 第１および第２電源回路が第１および第２の
   コンデンサを含み、第１のコンデンが第２のコン
   デンサに比べて極めて容量が小さく、第１および
   第２の電源回路がそれぞれのコンデンサについて
   充電・放電抵抗を有し、第１の電源回路の充電・
   放電抵抗の値が第２の電源回路の抵抗の値よりも
   はるかに大きいことを特徴とする特許請求の範囲
   第３項記載の装置。 ５ 低電圧電源の一方側と高電圧電源の一方側が
   共通のサイリスタを介してワイヤまたは電極に接
   続され、サイリスタを点火して電源をギヤツプ間
   に印加するためのスイツチ手段が設けられている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第３項または第
   ４項記載の装置。 ６ 第１の電源回路のコンデンサの容量が0.1μF
   以下であることを特徴とする特許請求の範囲第３
   項または第４項または第５項記載の装置。 ７ 第２の電源回路のコンデンサの容量が
   1000μF以上であることを特徴とする特許請求の
   範囲第３項ないし第６項のいずれかに記載の装
   置。 ８ 第１の電源回路により与えられる電圧が、
   350Vと10000Vの間であることを特徴とする特許
   請求の範囲第３項ないし第７項のいずれかに記載
   の装置。 ９ 第２の電源回路により与えられる電圧が、
   40Vと100Vの間であることを特徴とする特許請
   求の範囲第３項ないし第８項のいずれかに記載の
   装置。 １０ 第１および第２の電源回路が電子的な一定
   電流の電源であることを特徴とする特許請求の範
   囲第３項記載の装置。