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JP5164230B1 - ボンディング装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】サーチ動作又はボンディング前のボンディング点の高さ測定を行うことなしに、高速でボンディングが可能なボンディング装置を提供すること。
【解決手段】上下方向に揺動可能なボンディングアームに搭載されて、被ボンディング部品の表面に位置するボンディング点の合焦点の検出を行う共焦点光学系と、前記ボンディングアームと一体に可動してボンディングを行うボンディングツールと、前記ボンディングツールの位置を検出する位置検出手段と、を有し、ボンディングツールのボンディング点への下降中に、共焦点光学系による合焦点検出により位置検出手段で検出したボンディングツールの位置から、前もって設定したボンディング点までの所定の距離（合焦点基準下降量）をボンディングツールが下降して、ボンディング点上で停止するように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイスの組立工程において、第１ボンディング点、例えば被ボンディング部品としての半導体チップ（ＩＣチップ）上の電極（パッド）と、第２ボンディング点、例えばフレームとしてのリードフレーム上の外部リードとをワイヤを用いて接続するボンディング装置に関し、特に、高速ボンディングが可能なボンディング装置に関する。
従来、ＩＣチップ上のパッドと外部リードとを接続するボンディング装置としては、図７に示すようなワイヤボンディング装置が知られている。
図７は、従来のワイヤボンディング装置の構成を示す図であり、図８は、従来のワイヤボンディング装置におけるツール高さ、サーチレベルを示す図、図９（ａ）は、従来のワイヤボンディング装置のボンディングツール（キャピラリ）の下降時の速度波形、（ｂ）は、ボンディングツールの下降時の軌跡を示す図である。
図７に示すように、従来のワイヤボンディング装置５０は、超音波振動子（図示せず）を備え、先端に装着されたボンディングツール６としてのキャピラリ６を有する超音波ホーン５３と、一方の先端に超音波ホーン５３を備え、他方が支軸９に結合されているボンディングアーム５２と、ボンディングアーム５２の先端に装着されたキャピラリ６の位置を検出する位置検出手段としてのエンコーダ８と、ボンディングアーム５２を支軸９を中心として上下に駆動するリニアモータ１０と、を有するボンディングヘッド５１と、ボンディングヘッド５１を搭載してＸ方向及び／又はＹ方向に二次元的に移動して位置決めする位置決め手段としてのＸＹステージ２０と、ＩＣチップ４０等をマウントしたリードフレームを搭載してキャピラリ６によりボンディング作業を行うボンディングステージ２２と、マイクロプロセッサを含むコントローラユニット５５と、このコントローラユニット５５からの指令信号に応じてボンディングヘッド５１及びＸＹステージ２０への駆動信号を発する駆動ユニット５７とからなる。
また、ワイヤボンディング装置５０は、ボンディング開始前に被ボンディング部品の表面を撮像してＩＣチップ４０、リード４１の位置ずれを検出するための撮像手段としてのカメラ（図示せず）がボンディングヘッド５１に搭載されている。
ワイヤボンディング装置５０では、一連のボンディング作業を行う前に各種の条件設定、すなわちボンディングパラメータの設定を行う必要がある。
ボンディングパラメータとしては、ツール高さ、サーチレベル、サーチスピード等などがある。以下に図８を参照して、これらのボンディングパラメータについて説明する。
図８に示すように、ツール高さ（ツールハイトともいう）とは、超音波ホーン５３の先端に装着されているキャピラリ６の原点位置（図８の０）から第１ボンディング点であるＩＣチップ４０上のパッドの表面までの距離（図８のＬａ）及び第２ボンディング点であるリード４１の表面までの距離（図８のＬｂ）をいう。キャピラリ６の原点位置は、予め設定しておくようにする。 このツール高さの設定は、キャピラリ６の予め設定した原点位置０からキャピラリ６を低速で降下させキャピラリ６の先端がボンディング表面、すなわちＩＣチップ４０のパッド又はリード４１に当接するまでの距離をキャピラリ６の位置を検出する位置検出手段としてのエンコーダ８の出力を計数して行う。
また、図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、サーチレベルＳとは、キャピラリ６の下降速度が高速から低速に変わる時のキャピラリ６の高さである。キャピラリ６は高速で降下し、サーチレベルＳの手前より減速しサーチレベルＳより低速の一定速度であるサーチスピード（図９（ａ）のＶｓ）で降下してキャピラリ６の先端に係止しているボールが第１ボンディング点のパッドに当接する。また、第２ボンディング点では、キャピラリ６の先端から繰り出されているワイヤがリード４１の表面に当接する。
図８に示すように、サーチレベルは、リードフレームＬ／Ｆ上のＩＣチップ４０とリード４１とでは異なる設定をしている。すなわち、図８に示すように、ＩＣチップ４０側は、ＩＣチップ４０の表面からサーチレベル（図８のＳ１）までの高さ（図８のｈ１）を設定し、リード４１側は、リード４１の表面からサーチレベル（図８のＳ２）までの高さ（図８のｈ２）を設定している。尚、サーチレベルは、ＩＣチップ４０側とリード４１側とが同一の値であってもよい。
サーチレベルの設定を行うのは、以下の理由による。すなわち、リードフレームＬ／Ｆ等に装着されているＩＣチップ４０は樹脂、半田、金などの導電性の接合材で接合されているため、この接合材の厚さのばらつきなどによりＩＣチップ４０の取り付け高さが、各ＩＣチップ４０毎に異なっている。また、接合材の厚さが不均一となりやすいため、ＩＣチップ４０が高さ方向に傾いて装着されていることもある。他方、リードについてもリード部材の厚さのばらつき、リードの反り等でリードの表面の高さが異なっている。
このため、ＩＣチップ、リードの高さにばらつきがある場合には、高さのばらつき等により当接時のパッドへの衝撃力が増加してボールの変形量がばらついたり、また、ボンディング荷重及び超音波パワーの印加タイミングが一定せず、ボール圧着径，接合強度等が変化してボンディングの信頼性が低下するおそれがある。
従って、被ボンディング部品であるＩＣチップ及びリードの高さにばらつきがあるため、ツール高さが各ＩＣチップ、リード毎に異なっている。このため、これらのばらつきを吸収するために低速の一定速度でパッド、リードに当接するようにする。このようにボンディングパラメータとしてのサーチレベルＳは、ＩＣチップの高さ及びリードの高さのばらつき等を十分考慮して設定する必要がある。
また、サーチスピードＶｓとは、サーチレベル以下、すなわちキャピラリ６の下降速度が高速から低速に変わる時の高さ以下でのキャピラリ６の下降速度をいう。このサーチスピードＶｓは、ボールのパッドへの当接時の衝撃によるボールの初期変形量を小さくするためのものである。
次に、従来のワイヤボンディング装置のボンディング工程について述べる。ワイヤボンディングはキャピラリ６を高速下降させて図８に示すサーチレベルＳ１の手前より減速し、サーチレベルＳ１より一定速度のサーチスピードＶｓで降下させ、キャピラリ６の先端のボールをパッドに押しつける。ボールがパッドに当接したことを位置検出手段としてのエンコーダ９により検出後、所定のボンディング荷重を加えると同時にキャピラリ６の先端に対して超音波ホーン５３を介して超音波振動を印加してパッドにボールを接続する。
続いて、キャピラリ６を所定のループコントロールに従って上昇させ、第２ボンディング点となるリードの方向に移動させる。キャピラリ６を高速下降させて、図８に示すサーチレベルＳ２よりサーチスピードＶｓで降下させキャピラリ６の先端のワイヤをリードに押しつける。
ワイヤがリードに当接したことを位置検出手段としてのエンコーダ９により検出後、所定のボンディング荷重を加えると同時にキャピラリ６の先端に対して超音波ホーン５３を介して超音波振動を印加してリードに対しワイヤを接続する。
この後キャピラリ６を上昇させ、キャピラリ６の先端にワイヤを所定の長さまで突出させ、予め設定したキャピラリ６の上昇位置でワイヤカットクランプ（図示せず）を閉じ、リード上のワイヤをカットしてキャピラリ６の先端にワイヤを所定の長さ伸長する。その後、スパークロッド（図示せず）とワイヤ間に高電圧を印加して、ワイヤの先端にボールを形成する。
以上述べたように、従来のワイヤボンディング装置５０はＩＣチップの高さのばらつき、リードの高さのばらつきを吸収するためにサーチレベルＳを設定し、サーチレベルＳの手前で減速させると共に更に十分減速したサーチスピードＶｓで下降してキャピラリの先端のボール又はワイヤがボンディング点の表面に当接したことを位置検出手段により検出してボンディングを行う。
しかしながら、位置検出手段によるボンディングアームの停止判断は、ボンディングアームを駆動する指令速度信号とエンコーダからのフィードバック速度信号の差の値が予め設定した所定の値以上となったとき、ボンディング点に当接したものと判断するため、実際の当接時点よりも遅れて判断される。
すなわち、従来のワイヤボンディング装置５０では、十分減速したサーチスピードＶｓによって位置検出手段としてのエンコーダによってキャピラリがＩＣチップのパッド（又はリード）に実際に当接してから検出するため、キャピラリの先端のボール又はワイヤがサーチレベルＳからパッドへ当接するまでの移動時間は数十ｍｓｅｃであり、また、当接位置の検出も実際に当接してから数ｍｓｅｃ遅れてしまうという問題がある。
サーチレベルからボンディング点までの距離を長くしたり、また位置検出手段による位置検出が遅れたりすると時間の増大となり、このような時間的な遅れ、時間の増大分はボンディング時間全体に占める割合が大きくなりボンディング時間の短縮を図ることが難しいという課題がある。
そこで、特許文献１には、半導体チップのワイヤがボンディングされる個所の高さを非接触で検出するレーザ変位計と、このレーザ変位計からの検出信号に基づいてボンディングツールの駆動目標方向への駆動を制御してボールをＩＣチップの電極にボンディングする制御装置とを具備し、ワイヤに形成されたボールをワークに衝突させてつぶしすぎることなくボンディングできるようにしたワイヤボンディング装置が開示されている。
また、特許文献２には、ボンディング面となる半導体チップや基板およびリードフレームにレーザ光を照射し、予め記憶されたスポット位置とのズレ量を算出し、そのズレ量より高さ方向の差を求めることにより、ボンディング前に実際のボンディング面の高さを算出して、ボンディング時間の短縮を行うワイヤボンディング装置が開示されている。
特開２００２−７６０４９号公報 特開２００４−２７３５０７号公報
しかしながら、特許文献１に開示されたボンディング面の高さ測定は、ボンディング前にレーザ変位計をボンディング点の直上に移動して行うため、レーザ変位計のボンディング点への移動及び移動後の高さ測定が必要となり、これらの動作がボンディング時間の増大となるため、被ボンディング部品の生産数の向上を図ることができない恐れがあった。
また、特許文献２に開示されたワイヤボンディング装置においても、ボンディング前に半導体チップ等にレーザ光を照射して実際のボンディング面の高さの算出を行うため、これらの動作がボンディング時間の増大となり、特許文献１のワイヤボンディング装置と同様に被ボンディング部品の生産数の向上を図ることができないという課題を有していた。
そこで、本発明は、共焦点光学系をボンディングアームに搭載して、ボンディングツールのボンディング点への下降中に、共焦点光学系による合焦点検出時における位置検出手段で検出したボンディングツールの位置から、前もって設定したボンディング点までの所定の距離（合焦点基準下降量）をボンディングツールが下降してボンディングツールがボンディング点上で停止するように制御することにより、サーチ動作又はボンディング前のボンディング点の高さ測定を行うことなしに、高速でボンディングが可能なボンディング装置を提供することを目的とする。
上記目標達成のため、本発明のボンディング装置は、上下方向に揺動可能なボンディングアームに搭載されて、被ボンディング部品の表面に位置するボンディング点の合焦点の検出を行う共焦点光学系と、前記ボンディングアームと一体に可動してボンディングを行うボンディングツールと、前記ボンディングツールの位置を検出する位置検出手段と、を有し、前記ボンディングツールのボンディング点への下降中に、前記位置検出手段は、前記共焦点光学系による合焦点検出により前記ボンディングツールの位置を検出するようにしたことを特徴とする。
また、発明のボンディング装置は、前記共焦点光学系による合焦点検出により前記位置検出手段で検出したボンディングツールの位置から、前もって設定したボンディング点までの所定の距離（合焦点基準下降量）を前記ボンディングツールが下降して、ボンディング点上で停止するように制御することを特徴とする。
また、発明のボンディング装置の前記ボンディングツールは、前もって設定した前記ボンディングツールの原点位置からボンディング点までの距離であるツール高さのデータに基づいて下降開始を行い、前記ボンディングツールのボンディング点への下降中に、前記共焦点光学系による合焦点検出により前記位置検出手段で検出したボンディングツールの位置のデータと前記合焦点基準下降量から、新たなツール高さを算出し、前もって設定したツール高さを新たなツール高さに変更して、前記ボンディングツールがボンディング点上で停止するように制御することを特徴とする。
また、発明のボンディング装置は、前記ボンディングツールのボンディング点への下降中に、前記共焦点光学系による合焦点検出により前記位置検出手段で検出したボンディングツールの位置が、前もって設定した位置許容範囲外のときには、前記ボンディングツールの下降をボンディング点の着地前に停止するように制御することを特徴とする。
本発明は、共焦点光学系をボンディングアームに搭載して、ボンディングツールのボンディング点への下降中に、共焦点光学系による合焦点検出時における位置検出手段で検出したボンディングツールの位置から、前もって設定したボンディング点までの所定の距離（合焦点基準下降量）をボンディングツールが下降してボンディング点上で停止するように制御することにより、サーチ動作又はボンディング前の高さ測定を行うことなしに、高速でボンディングが可能となる。
また、本発明は、ボンディング動作におけるボンディングツールの下降中の一連の動作で、共焦点光学系によってボンディング点の合焦点を検出するため、合焦点の検出に伴う処理時間の増大がないため、被ボンディング部品の生産数の向上を図ることが可能となる。
また、本発明は、ボンディング前に半導体チップ等にレーザ光を照射して実際のボンディング面の高さの算出を行う必要がないため、被ボンディング部品の生産数の向上を図ることができる。
また、本発明は、ボンディング点での合焦点の検出に共焦点光学系を用いているため、高い精度でボンディング点での合焦点の検出が可能となる。
本発明のボンディング装置の構成を示す一部拡大図を含む図である。 共焦点光学系によるボンディング点の合焦点検出における調整（セルフティーチ）を示すフローチャートである。 調整（セルフティーチ）によるツール高さ及び合焦点基準下降量を示す。 共焦点光学系における受光部から出力される電圧値及び判定基準値を示す図である。 ボンディング動作でのボンディングツールの位置における共焦点光学系の状態を示し、（ａ）は、ボンディングツールがボンディング点に対して距離が長い位置での焦点光学系の状態を示し、（ｂ）は、共焦点光学系が合焦点状態となったボンディングツールの位置を示し、（ｃ）は、ボンディングツールがボンディング点に対して距離が短い位置での焦点光学系の状態を示す図である。 ボンディングツールの降下中に共焦点光学系による被ボンディング部品表面のボンディング点での合焦点検出におけるボンディング動作を示すフローチャートである。 従来のワイヤボンディング装置の構成を示す図である。 従来のワイヤボンディング装置におけるツール高さ、サーチレベルを示す図である。 （ａ）は、従来のワイヤボンディング装置のボンディングアームの下降時の速度波形、（ｂ）は、ボンディングアームの下降時の軌跡を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明によるボンディング装置を実施するための形態について説明する。尚、ボンディング装置として、第１ボンディング点としてのパッドと第２ボンディング点としてのリードとを金線等で接続するワイヤボンディング装置について述べる。
［ボンディング装置の構成］
図１は、本発明のボンディング装置の構成を示す一部拡大図を含む図である。尚、図７に示す従来のワイヤボンディング装置の構成部分と同一のものに関しては、同一の符号を用い、構成に関する詳細な説明は省略する。
図１に示すように、ワイヤボンディング装置１は、ボンディングヘッド２と、ボンディングヘッド２を搭載しＸＹ軸の２次元方向に移動可能なＸＹステージ２０と、被ボンディング部品としてのＩＣチップ４０を搭載したリードフレームを載置するボンディングステージ２２と、ワイヤボンディング装置１の制御を行うコントローラユニット３０と、を有している。
ボンディングヘッド２は、ボンディングアーム３を支軸９を介して上下に駆動を行うリニアモータ１０を有し、支軸９を介してリニアモータ１０と反対側に位置するボンディングアーム３の先端には、超音波振動子（図示せず）を組み込んだ超音波ホーン４が取り付けられている。超音波ホーン４の先端には、ボンディングツール６としてのキャピラリ６が取り付けられている。超音波ホーン４は、ショートタイプの超音波ホーンを用いるのが好適である。例えば、超音波ホーン４として、振動伝達部材のノード位置からボンディングツールの装着側の振動伝達部材先端までの長さを、λ（波長）／４になるようにする。ショートタイプの超音波ホーンを用いることにより、後述する共焦点光学系１２の光軸の水平軸に対する角度を大きく設定できる構成にすることができる。
また、ボンディングヘッド２は、支軸９の回転量を検出して超音波ホーン４の先端に装着されたキャピラリ６の位置を検出する位置検出手段としてのエンコーダ８を備えている。エンコーダ８は、例えば、光学式のロータリエンコーダであり、支軸９の回転の変位を発光素子及び受光素子によりパルス状の電気信号に変換して出力するものである。エンコーダ８から出力される電気信号を計数して、支軸９の回転方向及び変位量を検出することができる。キャピラリ６の原点位置を前もって設定しておき、キャピラリ６の原点位置からの支軸９の回転変位量をエンコーダ８で検出することにより、キャピラリ６の位置を特定することができる。
リニアモータ１０は、駆動ユニット３３により上下（垂直）方向に移動するように構成されている。これにより、リニアモータ１０の上下方向の移動に対して、支軸９を介してボンディングアーム３、超音波ホーン４及びキャピラリ６が、逆方向に揺動される。
ワイヤボンディング装置１は、制御部３０ａとしてのマイクロコンピュータを含むコントローラユニット３０と、このコントローラユニット３０からの指令信号に応じてボンディングヘッド２及びＸＹステージ２０への駆動信号を発する駆動ユニット３３とを備えている。
制御部３０ａとしてのマイクロコンピュータは、ワイヤボンディング装置１のボンディング動作等の制御を行うプログラムを内蔵しており、マイクロコンピュータは、プログラムを実行して、ワイヤボンディング装置１の各種動作の制御を行うように構成されている。
［共焦点光学系の構成、動作］
また、ボンディングヘッド２は、ボンディングアーム３に搭載され、ボンディングアーム３の上下移動と同時に移動する共焦点光学系１２を有している。共焦点光学系１２は、発光部１３から成る半導体レーザと、半導体レーザからの光を集光する集光レンズ１４と、集光レンズ１４からの光を透過し、対物レンズ１６からの光を反射して、受光部１８に導くハーフミラー１５と、対物レンズ１６と、受光部１８の入射面側に設けられているピンホール１７とを有している。発光部１３からの光は、集光レンズ１４により照射される光が一点に収束して（発光部１３の収束点とする）、その後ハーフミラー１５を透過して対物レンズ１６に入射されて、対物レンズ１６によりボンディング面に照射される。ボンディング面に照射された光は、反射して、対物レンズ１６に入射されて、対物レンズ１６からの反射光はハーフミラー１５によって反射されてピンホール１７を介して受光部１８に入射される。共焦点光学系１２の光軸を図１に点線で示す。尚、図１に示す共焦点光学系１２は、ボンディングアーム３の内部に組み込んだ構成となっている。
ここで、発光部１３の収束点と受光部１８のピンホール１７が、対物レンズ１６に対して光学的に共役の位置関係となるように設定されている。すなわち、発光部１３の収束点から出た光が受光部１８のピンホール１７の１点に集まる状態となり、共焦点光学系１２では、ボンディング面に照射した照射光の反射が最も強い、合焦点の位置の部分からの反射光のみが、ピンホール１７を介して受光部１８に入射される。受光部１８は、受光した反射光の強さに応じて電気信号（電圧値）に変換する。
また、ボンディングツール６としてのキャピラリ６がボンディング点の直上に位置した状態で、対物レンズ１６からの照射光の合焦点の位置を、ＩＣチップ１０のボンディング点の表面となるように共焦点光学系１２を設定するようにする。このように合焦点の位置を設定した状態で、キャピラリ６を下降させてキャピラリ６の先端部がボンディング点の表面に接触したときのキャピラリ６の移動量を求める。キャピラリ６の移動量は、合焦点の位置におけるキャピラリ６の位置をゼロとして、キャピラリ６を下降させ、このときにエンコーダ８により移動量を計数して、ボンディング点の表面までの移動量を求める。
これにより、キャピラリ６が下降中に共焦点光学系１２の受光部１８から出力される最大電圧値を検知することによって、合焦点検出時のキャピラリ６の位置からボンディング点の表面までの距離が決定されて、キャピラリ６をボンディング点の表面で停止するように制御することができる。
尚、合焦点検出時のキャピラリ６の位置からボンディング点の表面までの距離は、共焦点光学系１２の取付位置、取付角度及び共焦点光学系１２の対物レンズ１６からの合焦点の距離により決定される。
また、本発明のボンディング装置１の共焦点光学系１２は、ボンディングアーム３の内部に組み込まれており、共焦点光学系１２の光軸の水平軸に対する角度を大きく設定できるように、ショートタイプの超音波ホーンを用いるようにする。共焦点光学系１２の光軸の水平軸に対する角度は、３０度以上が望ましい。更に、共焦点光学系１２のボンディング点の表面までの距離の調整を行うための光軸に平行にスライドする調整手段としてのスライド機構を有するようにしてもよい。
このように、ボンディングアーム３に取り付けられた共焦点光学系１２は、ボンディングアーム３の下降と同時に下降して、下降中にボンディング面に照射した照射光の反射が最も強い、合焦点の位置の部分からの反射光のみが、ピンホール１７を介して受光部１８に入射される。受光部１８は、入射光の強さに応じた電圧を出力する。受光部１８の電圧値をチェックすることにより、共焦点光学系１２の合焦点を検知することができる。
［合焦点検出における調整］
次に、共焦点光学系１２によるボンディング点の合焦点検出における調整（セルフティーチ）について図２を用いて説明する。図２は、共焦点光学系１２によるボンディング点の合焦点検出における調整（セルフティーチ）を示すフローチャートである。
セルフティーチは、最初に、ＸＹ移動スイッチ等を操作してＸＹステージ２０を移動させてキャピラリ６をボンディング点直上に位置させるようにする（ステップＳ１）。また、ボンディングアーム３が原点に位置するように設定する。次に、キャピラリ６を原点位置から下降させて、ボンディング面で停止させて、このときのキャピラリ６の移動量をエンコーダ８で計数してツール高さを測定する（ステップＳ２）。計数した移動量をＩＣチップ４０側のツール高さとしてメモリに記憶する（ステップＳ３）。また、キャピラリ６を原点位置に移動させる。
次に、キャピラリ６を下降させて、共焦点光学系１２の合焦点がボンディング点上に位置するように調整する（ステップＳ４）。調整は、共焦点光学系１２の受光部１８からの出力電圧が最大となるように、また、必要により共焦点光学系１２の対物レンズ１６からボンディング点までの距離の長さを調節するようにする。
次に、ボンディング点上での合焦点を調整後に、Ｚ軸移動用スイッチを操作して、キャピラリ６を下降させてボンディング点の表面で停止させる（ステップＳ５）。このときの合焦点の位置からボンディング点までの距離をエンコーダ８により計数する（ステップＳ６）。エンコーダ８で計数した距離（移動量）を合焦点基準下降量として制御部３０ａのメモリに記憶する（ステップＳ７）。以後、ボンディング時に合焦点基準下降量を用いてボンディングを行うようにする。また、リード４１側のツール高さも測定するようにする。
図３に、セルフティーチによるツール高さ及び合焦点基準下降量を示す。図３に示すように、キャピラリ６の原点位置からボンディング面までのツール高さは、Ｌａで示され、共焦点光学系１２の合焦点でのキャピラリ６の位置Ｚｓからボンディング面までの合焦点基準下降量は、Ｌｓで示される。これらのデータは、メモリに記憶されて、ボンディング時に使用される。
尚、セルフティーチは、キャピラリ６の先端にボールを形成した状態で行う。また、キャピラリ６の先端にボールがない状態で調整したときには、エンコーダ８で計数した距離（移動量）からキャピラリ６の先端から突出するボールの垂直方向の長さを引いた値をツール高さ、合焦点基準下降量として記憶するようにする。また、ツール高さ及び合焦点基準下降量のセルフティーチは、キャピラリ６の交換時等に行うようにする。
［合焦点検出における判定基準値］
次に、ボンディング時にボンディング面の共焦点光学系１２における合焦点が正常に検出されたかをチェックするための判定基準値の設定について図４を用いて説明する。図４は、共焦点光学系１２における受光部１８から出力される電圧値及び判定基準値を示す図である。尚、図４の横軸は、キャピラリ６の原点から移動量を示し、縦軸は、共焦点光学系１２の受光部１８から出力される電圧値を示す。図４に示すように、波形ａ及び波形ｂは、キャピラリ６を原点からボンディング面に下降させたときの、受光部１８から出力される電圧値の変化の例を示したものである。波形ａは移動量ｚａでピーク電圧値ｖａが検出されている。
また、波形ｂは移動量ｚｂでピーク電圧値ｖｂが検出されている。尚、波形ａと波形ｂとでは、ピーク電圧値が異なっているが、これはボンディング面の表面状態の違い等によるものである。正常な状態のボンディング面では、波形ａと波形ｂのような電圧値が得られるが、例えば、ボンディング面が欠けていたり、リード４１での曲がり変形があったりした場合には、電圧のピーク値が低かったり、電圧のピーク値でのキャピラリ６の移動量が、少なかったり、多かったりする。これらの異常状態を検出するために、前もって、判定基準値を設定しておく。第１の判定基準値は、受光部１８からの電圧値が、図４に示すＶ１以上のものを合焦点の検出用の電圧として使用するための電圧基準値である。このため、受光部１８から出力された全ての電圧値が、Ｖ１未満のものは、合焦点検出用の電圧が得られないため、異常として判定してエラーとする。また、第２の判定基準値は、電圧のピーク値でのキャピラリ６の移動量が、図４に示すＺ１からＺ２までの範囲にあることを判定するための移動量基準値である。位置許容範囲としての移動量基準値は、例えば、図３に示すセルフティーチにおけるキャピラリ６の原点の位置から共焦点光学系の合焦点までの移動量は、Ｚｓであり、Ｚｓに対して許容範囲を±Ｒとなるように設定する。これにより、Ｚ１は、Ｚｓ−Ｒであり、Ｚ２は、Ｚｓ＋Ｒとなる。このため、電圧のピーク値の位置でのキャピラリ６の移動量が移動量基準値を満たしていない場合には、異常として判定してエラーとするようにする。
［ボンディング動作での合焦点の検出］
次に、ボンディング動作での共焦点光学系の合焦点の検出について図５を用いて説明する。図５は、ボンディング動作でのボンディングツールの位置における共焦点光学系の状態を示し、（ａ）は、ボンディングツールがボンディング点に対して距離が長い位置での焦点光学系の状態を示し、（ｂ）は、共焦点光学系が合焦点状態となったボンディングツールの位置を示し、（ｃ）は、ボンディングツールがボンディング点に対して距離が短い位置での焦点光学系の状態を示す図である。
図５（ａ）に示すように、ボンディングツールがボンディング点に対して距離が長い位置、例えば、ボンディングツール６としてのキャピラリ６の下降開始直後では、共焦点光学系における照射光の焦点までの距離が長いため、共焦点光学系は、非合焦点状態となり反射光がピンホール１７を通過しないため、受光部１８からの電圧は低い値となる。一方、図５（ｂ）に示すように、共焦点光学系が合焦点状態となったキャピラリ６の位置では、ボンディング点の表面からの反射光がピンホール１７を通過して、受光部１８からの電圧は高い値となる。また、図５（ｃ）に示すように、キャピラリ６がボンディング点に対して距離が短い位置、例えば、ボンディングツールがボンディング点に近づいた位置では、共焦点光学系における照射光の焦点までの距離が短いため、非合焦点状態となり反射光がピンホール１７を通過しないため、受光部１８からの電圧は低い値となる。このように、ボンディングツール６としてのキャピラリ６の降下中に、共焦点光学系１の受光部１８からの電圧をチェックすることにより、合焦点状態を検出することができる。
［Ｚ軸制御回路の働き］
次に、リニアモータ１０を介してキャピラリ６の制御を行うＺ軸制御回路３０ｂについて説明する。図１に示すように、Ｚ軸制御回路３０ｂはコントローラユニット３０内に収納されており、制御部３０ａのマイクロコンピュータから出力されるツール高さ等の目標移動量に基づいて、リニアモータ１０に流す電流を駆動ユニット３３を介して制御を行う。このようにＺ軸制御回路３０ｂは、キャピラリ６を高速で目標移動量まで移動制御させるものである。Ｚ軸制御回路３０ｂは、エンコーダ８から出力されるパルス列をカウントして、エンコーダ８からのカウントが目標移動量と一致するように制御し、また、エンコーダ８から出力されるパルス列からキャピラリ６の速度を検出して、高速移動を制御するようにする。Ｚ軸制御回路３０ｂは、最初に、目標移動量が設定されて、リニアモータ１０の制御を開始するが、移動制御中に、目標移動量を変更して、変更した目標移動量に基づいて、制御を行うことが可能なように構成されている。尚、最初に設定する目標移動量と変更した目標移動量の差は、最初に設定する目標移動量に対して数％以内であるため、Ｚ軸制御回路３０ｂは、移動制御中に目標移動量の変更を行っても制御が乱れることなく、安定して制御を行うことができる。
［ボンディング動作］
次に、共焦点光学系をボンディングアームに搭載したボンディング装置のボンディング動作について図６を用いて説明する。図６は、ボンディングツールの降下中に共焦点光学系による被ボンディング部品表面のボンディング点での合焦点検出を用いたボンディング動作を示すフローチャートである。
最初に、ボンディングツール６としてのキャピラリ６を原点位置に移動するようにして、また、ＸＹステージ２０を制御してボンディング点直上に位置決めするようにする（ステップＳ１０）。制御部３０ａは、目標移動量（ツール高さＬａ）をＺ軸制御回路３０ｂに出力して、Ｚ軸制御回路３０ｂは、キャピラリ６が目標移動量（ツール高さＬａ）を移動するように下降の開始を指示する（ステップＳ１１）。制御部３０ａは、キャピラリ６が下降開始後にエンコーダ８の計数を行い、キャピラリ６の現在値を読み出す（ステップＳ１２）。読み出したキャピラリ６の現在値が、前もって設定した位置許容範囲である移動量基準値内であるかをチェックする（ステップＳ１３）。キャピラリ６の現在値が移動量基準値外の場合には（ステップＳ１３でＮｏ）、キャピラリ６の現在値が移動量基準値の上限をオーバーしているかをチェックする（ステップＳ１４）。キャピラリ６の現在値が移動量基準値の上限をオーバーしていない場合には（ステップＳ１４でＮｏ）、即ち、キャピラリ６の現在値が移動量基準値の下限未満の場合には、ステップＳ１２に移行する。一方、キャピラリ６の現在値が移動量基準値の上限をオーバーしている場合には（ステップＳ１４でＹｅｓ）、異常状態でありエラーが発生したと判断する（ステップＳ１５）。そして、キャピラリ６の下降動作を停止して、エラー状態を外部に報知する（ステップＳ１６）。
キャピラリ６の現在値が移動量基準値内の場合には（ステップＳ１３でＹｅｓ）、共焦点光学系１２の受光部１８の電圧値のデータを読み出す（ステップＳ１７）。読み出した受光部１８の電圧値のデータが、前もって設定した電圧基準値以上であるかをチェックする（ステップＳ１８）。読み出した受光部１８の電圧値のデータが、電圧基準未満の場合には（ステップＳ１８でＮｏ）、ステップＳ１２に移行する。一方、読み出した受光部１８の電圧値のデータが、電圧基準以上の場合には（ステップＳ１８でＹｅｓ）、制御部３０ａのメモリに、キャピラリ６の現在値及び受光部１８の電圧値の各データを記憶する（ステップＳ１９）。
次に、制御部３０ａは、受光部１８の電圧値のピーク値のチェックを行う。前回の受光部１８の電圧値をメモリから読み出して、現在の受光部１８の電圧値と比較する（ステップＳ２０）。現在の受光部１８の電圧値が、前回の受光部１８の電圧値以上であるかを判断して（ステップＳ２１）、現在の受光部１８の電圧値が、前回の受光部１８の電圧値以上の場合には（ステップＳ２１でＹｅｓ）、キャピラリ６の下降に伴って受光部１８の電圧値が増加しているため、電圧上昇フラグを“ＯＮ”に設定して、メモリに記憶し（ステップＳ２２）、ステップＳ１２に移行する。一方、現在の受光部１８の電圧値が、前回の受光部１８の電圧値未満の場合には（ステップＳ２１でＮｏ）、キャピラリ６の下降に伴って受光部１８の電圧値が減少しており、ステップＳ２３に移行する。ステップＳ２３では、前回の電圧値の判定で電圧上昇フラグをメモリから読み出して“ＯＮ”であるかをチェックを行う（ステップＳ２３）。
電圧上昇フラグが“ＯＮ”でない場合には（ステップＳ２３でＮｏ）、ステップＳ１２に移行する。これは、ノイズ等の影響により一時的に電圧が減少したものと判断する。電圧上昇フラグが“ＯＮ”の場合には（ステップＳ２３でＹｅｓ）、前回の電圧値のデータが、受光部１８の出力電圧の最大値（電圧のピーク）であると判断する（ステップＳ２４）。また、電圧のピークと判断した前回のキャピラリ６の移動量（下降量Ｚ1）をメモリから読み出す（ステップＳ２５）。
制御部３０ａは、目標移動量をツール高さＬａからＺ1＋合焦点基準下降量Ｌｓに変更して新たな目標移動量としてＺ軸制御回路３０ｂに出力する（ステップＳ２６）。これにより、Ｚ軸制御回路３０ｂは、下降開始位置からＺ1+Ｌｓの移動量を下降して、キャピラリ６がボンディング点の直上で停止するようにする（ステップＳ２７）。
キャピラリ６の下降停止後、キャピラリ６に所定の荷重及び超音波振動を所定の時間印加して、ボンディング面とキャピラリ６先端のボールとの接合を行う。その後、キャピラリ６を上昇させて、次のボンディング点に移動するようにする。
また、リード４１のボンディングに関しても、パッド側と同様にボンディング動作を行う。尚、リードボンディングでのツール高さは前もって設定したＬｂを使用するようにする。
このように、本発明のボンディング装置は、共焦点光学系をボンディングアームに搭載して、キャピラリのボンディング点への下降中に、共焦点光学系による合焦点検出時におけるボンディングツールの位置から、前もって設定したボンディング点までの所定の距離（合焦点基準下降量）をキャピラリが下降してボンディング点上で停止するように制御することにより、サーチ動作又はボンディング前の高さ測定を行うことなしに、高速でボンディングが可能となる。
尚、共焦点光学系のボンディングアームへの取付は、図１に示すように、ボンディングアームの内部に共焦点光学系を組み込む以外に、例えば、ボンディングアームから延設した支持金具により共焦点光学系を傾けて保持するようにして、ボンディング点に照射光が収束するようにしてもよい。これにより、共焦点光学系の光軸をより垂直に近い状態に構成することができる。
尚、ボンディング装置として半導体チップ（ＩＣチップ）上の電極（パッド）と、リードフレーム上の外部リードとをワイヤで接続するワイヤボンディング装置について述べたが、本発明のボンディング装置は、ワイヤボンディング装置に限らず、例えば、ワイヤレスボンディングを行うシングルポイントボンディング装置、ワイヤ先端に形成されたボールを半導体チップ上のパッドに接合してバンプを形成するワイヤバンプボンディング装置等に対しても適用することができる。
以上述べたように本発明によれば、共焦点光学系をボンディングアームに搭載して、ボンディングツールのボンディング点への下降中に、共焦点光学系による合焦点検出時における位置検出手段で検出したボンディングツールの位置から、前もって設定したボンディング点までの所定の距離（合焦点基準下降量）をボンディングツールが下降してボンディング点上で停止するように制御することにより、サーチ動作又はボンディング前の高さ測定を行うことなしに、高速でボンディングが可能となる。
また、本発明は、ボンディング動作におけるボンディングツールの下降中の一連の動作で、共焦点光学系によってボンディング点の合焦点を検出するため、合焦点の検出に伴う処理時間の増大がないため、被ボンディング部品の生産数の向上を図ることが可能となる。
また、本発明は、ボンディング前に半導体チップ等にレーザ光を照射して実際のボンディング面の高さの算出を行う必要がないため、被ボンディング部品の生産数の向上を図ることができる。
また、本発明は、ボンディング点での合焦点の検出に共焦点光学系を用いているため、高い精度でボンディング点での合焦点の検出が可能となる。
この発明は、その本質的特性から逸脱することなく数多くの形式のものとして具体化することができる。よって、上述した実施形態は専ら説明上のものであり、本発明を制限するものではないことは言うまでもない。
１、５０ ボンディング装置（ワイヤボンディング装置）
２、５１ ボンディングヘッド
３、５２ ボンディングアーム
４、５３ 超音波ホーン
６ ボンディングツール（キャピラリ）
８ エンコーダ
９ 支軸
１０ リニアモータ
１２ 共焦点光学系
１３ 発光部（半導体レーザ）
１４ 集光レンズ
１５ ハーフミラー
１６ 対物レンズ
１７ ピンホール
１８ 受光部
２０ ＸＹステージ
２２ ボンディングステージ
３０、５５ コントローラユニット
３０ａ 制御部（マイクロコンピュータ）
３０ｂ Ｚ軸制御回路
３３、５７ 駆動ユニット
４０ ＩＣチップ
４１ リード

Claims (4)

  1. 上下方向に揺動可能なボンディングアームに搭載されて、被ボンディング部品の表面に位置するボンディング点の合焦点の検出を行う共焦点光学系と、前記ボンディングアームと一体に可動してボンディングを行うボンディングツールと、前記ボンディングツールの位置を検出する位置検出手段と、を有し、
    前記ボンディングツールのボンディング点への下降中に、前記位置検出手段は、前記共焦点光学系による合焦点検出により前記ボンディングツールの位置を検出するようにしたことを特徴とするボンディング装置。
  2. 前記共焦点光学系による合焦点検出により前記位置検出手段で検出したボンディングツールの位置から、前もって設定したボンディング点までの所定の距離（合焦点基準下降量）を前記ボンディングツールが下降して、ボンディング点上で停止するように制御することを特徴とする請求項１に記載のボンディング装置。
  3. 前記ボンディングツールは、前もって設定した前記ボンディングツールの原点位置からボンディング点までの距離であるツール高さのデータに基づいて下降開始を行い、前記ボンディングツールのボンディング点への下降中に、前記共焦点光学系による合焦点検出により前記位置検出手段で検出したボンディングツールの位置のデータと前記合焦点基準下降量から、新たなツール高さを算出し、前もって設定したツール高さを新たなツール高さに変更して、前記ボンディングツールがボンディング点上で停止するように制御することを特徴とする請求項１に記載のボンディング装置。
  4. 前記ボンディングツールのボンディング点への下降中に、前記共焦点光学系による合焦点検出により前記位置検出手段で検出したボンディングツールの位置が、前もって設定した位置許容範囲外のときには、前記ボンディングツールの下降をボンディング点の着地前に停止するように制御することを特徴とする請求項１に記載のボンディング装置。
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