焊接好坏判定方法,焊接好坏判定装置以及焊接装置

摘要

本发明的焊接好坏判定装置用于焊接装置，该焊接装置包括：与超声波振子的振动共振、沿着中心轴方向纵向振动的超声波模具，安装在超声波模具的振动波腹的毛细管，设在超声波模具的振动波节的凸缘，焊接臂，以及从超声波模具的长度方向的中心轴相对焊接对象沿着接离方向偏移、安装在焊接臂的回转中心和凸缘安装面之间的载荷传感器，焊接时，通过载荷传感器连续检测施加在焊接工具的相对焊接对象接离方向的载荷，将检测到的载荷的最大值作为冲击载荷，根据冲击载荷判定焊接好坏。由此，能在焊接中途，判定焊接好坏。

说明书

技术领域

本发明涉及焊接装置的焊接好坏判定方法，用于焊接装置的焊接好坏判定装置，以及进行焊接好坏判定的焊接装置的结构。

背景技术

在半导体装置的制造工序中，大多使用以作为金属细线的引线连接作为半导体芯片电极的焊接点(pad)和作为引脚框电极的引脚之间的引线焊接装置。引线焊接装置大多设有由驱动电机驱动回转的焊接臂，安装在焊接臂的超声波模具(horn)，安装在超声波模具前端的毛细管，以及安装在超声波模具的超声波振子，驱动焊接臂回转，使得毛细管相对焊接点或引脚沿接离方向移动，将形成在毛细管前端的初始球压焊在焊接点，引线压焊在引脚，同时，通过超声波振子使得超声波模具共振，将超声波振动赋与毛细管前端，进行焊接。

通过引线焊接装置进行焊接场合，插入穿通毛细管的引线前端形成的初始球以某种速度与焊接点碰撞后，以一定载荷被推压到焊接点，压焊在焊接点，成为压焊球，即使在碰撞影响后的以一定载荷的推压期间，引线和毛细管沿着推压方向振动，因该振动，推压载荷变化，有时压焊球的形状及压焊球径等产生偏差，发生焊接不良。又，因初始球形成不良，不满足所定大小的所谓小球场合，也会因推压载荷变化产生焊接不良。

为此，在引线焊接装置中，在焊接头设有检测毛细管高度方向变位的编码器，将该编码器的检测输出反馈到控制装置，控制驱动电机的输出，防止推压载荷的变化。但是，编码器不能直接检测引线的推压载荷，因此，不能通过编码器输出反馈充分抑制推压载荷变化。

于是，提出以下方法：通过设在超声波模具和焊接臂之间的压力传感器检测推压载荷，根据该推压载荷控制驱动电机，抑制毛细管振动，使得推压载荷一定(例如，参照专利文献1)。

又，若在焊接臂及毛细管产生机械松弛或磨耗，则在引线焊接中，有时会因通过毛细管使得引线与半导体芯片的焊接点碰撞时的冲击力，半导体芯片产生龟裂或裂纹等芯片破坏。为此，提出以下方法：在焊接台安装测定冲击力的冲击传感器，根据检测到的波形和基准波形差异，发出警报，确认焊接臂和毛细管的机械松弛或磨耗(例如，参照专利文献2)。

[专利文献1]日本特开2003-258021号公报

[专利文献2]日本特开平7-74215号公报

另一方面，半导体芯片和基板的焊接系顺序焊接多个半导体芯片的焊接点和基板的引脚进行。这时，即使没有焊接臂及毛细管的机械松弛或磨耗，毛细管推压焊接点的推压载荷控制在所定值，有时也会发生球的异常压塌或芯片破坏等焊接不良。但是，在专利文献1或专利文献2记载的以往技术中，在焊接中途不能检测焊接不良，因此，在半导体芯片的多个焊接点和基板的多个引脚全部焊接后进行的焊接部的目测检查工序前，不能发现焊接不良。因此，存在为了修正制品需要化费很多时间的问题。又，在制造中途工序中，不实行焊接部的目测检查工序场合，在最终检查工序前不能发现不合格品，存在制品成品率恶化问题。

发明内容

本发明的目的在于，在焊接中途，判定焊接好坏。

为了达到上述目的，本发明的焊接好坏判定方法的特征在于，系焊接装置的焊接好坏判定方法，该焊接装置包括：

基体部；

超声波模具，与超声波振子振动共振，沿着长度方向纵向振动；

焊接工具，安装在超声波模具的振动波腹；

凸缘，设在超声波模具的振动波节；

焊接臂，包含固定超声波模具凸缘的凸缘安装面，安装成基体部回转自如，使得焊接工具前端相对焊接对象沿着接离方向动作；以及

载荷传感器，从超声波模具的长度方向的中心轴相对焊接对象沿着接离方向偏移，安装在焊接臂的回转中心和凸缘安装面之间；

焊接时，通过载荷传感器连续检测施加在焊接工具的相对焊接对象接离方向的载荷，将检测到的载荷的最大值作为冲击载荷，根据冲击载荷判定焊接好坏。

在本发明的焊接好坏判定方法中，较好的是，冲击载荷比所定阈值大场合，判定为焊接不良。又，较好的是，滤波器截止处于超声波模具固有共振频率的频带的信号，同时，使得比超声波振子的共振频率低的频带的信号通过，由上述滤波器从通过上述载荷传感器检测到的载荷信号抽出不包含处于超声波模具固有共振频率的频带的信号的、比超声波振子的共振频率低的频带的信号，根据抽出信号判定焊接好坏。又，较好的是，焊接工具接地(焊接工具与焊接对象接触)后，当由载荷传感器检测到的载荷信号的相对时间的增大比例比阈值大场合，判定为球异常压塌。

本发明的焊接好坏判定装置用于焊接装置，该焊接装置包括：

基体部；

超声波模具，与超声波振子振动共振，沿着长度方向纵向振动；

焊接工具，安装在超声波模具的振动波腹；

凸缘，设在超声波模具的振动波节；

焊接臂，包含固定超声波模具凸缘的凸缘安装面，安装成基体部回转自如，使得焊接工具前端相对焊接对象沿着接离方向动作；以及

载荷传感器，从超声波模具的长度方向的中心轴相对焊接对象沿着接离方向偏移，安装在焊接臂的回转中心和凸缘安装面之间；

滤波器截止处于超声波模具固有共振频率的频带的信号，同时，使得比超声波振子的共振频率低的频带的信号通过，由上述滤波器从通过上述载荷传感器检测到的载荷信号抽出不包含处于超声波模具固有共振频率的频带的信号的、比超声波振子的共振频率低的频带的信号，将抽出信号的最大值作为冲击载荷，根据冲击载荷大小判定焊接好坏。

本发明的焊接装置，包括：

基体部；

超声波模具，与超声波振子振动共振，沿着长度方向纵向振动；

焊接工具，安装在超声波模具的振动波腹；

凸缘，设在超声波模具的振动波节；

焊接臂，包含固定超声波模具凸缘的凸缘安装面，安装成基体部回转自如，使得焊接工具前端相对焊接对象沿着接离方向动作；

载荷传感器，从超声波模具的长度方向的中心轴相对焊接对象沿着接离方向偏移，安装在焊接臂的回转中心和凸缘安装面之间；以及

控制部，进行焊接好坏判定；

控制部具有：

滤波手段，截止处于超声波模具固有共振频率的频带的信号，同时，使得比超声波振子的共振频率低的频带的信号通过；

信号抽出手段，焊接时，通过载荷传感器连续检测施加在焊接工具的相对焊接对象接离方向的载荷信号，由滤波手段从载荷信号抽出不包含处于超声波模具固有共振频率的频带的信号的、比超声波振子的共振频率低的频带的信号；

判定手段，将由信号抽出手段抽出的信号的最大值作为冲击载荷，根据冲击载荷大小判定焊接好坏。

下面说明本发明效果。

本发明具有能在焊接中途判定焊接好坏的效果。

附图说明

图1是表示适用本发明实施形态的焊接好坏判定装置的引线焊接装置结构的说明图。

图2(a)是表示适用本发明实施形态的焊接好坏判定装置的引线焊接装置的焊接臂的上面的平面图，图2(b)是表示适用本发明实施形态的焊接好坏判定装置的引线焊接装置的焊接臂的下面的平面图。

图3是表示适用本发明实施形态的焊接好坏判定装置的引线焊接装置的超声波振动的模式图。

图4是表示本发明实施形态的焊接好坏判定装置的信号处理的说明图。

图5(a)是表示适用本发明实施形态的焊接好坏判定装置的引线焊接装置的焊接时的初始球状态变化的说明图，图5(b)是表示适用本发明实施形态的焊接好坏判定装置的引线焊接装置的焊接时的初始球状态变化的说明图。图5(c)是表示适用本发明实施形态的焊接好坏判定装置的引线焊接装置的焊接时的初始球状态变化的说明图，图5(d)是表示适用本发明实施形态的焊接好坏判定装置的引线焊接装置的焊接时的初始球状态变化的说明图。

图6是表示本发明实施形态的焊接好坏判定装置的滤波后的推压载荷的时间变化的曲线。

图7是表示本发明实施形态的引线焊接装置的构成的说明图。

图8是表示本发明实施形态的引线焊接装置动作的流程图。

符号说明如下：

10 引线焊接装置

11 焊接头

12 超声波模具

13 超声波振子

14 凸缘

15 中心轴

16 螺栓

17 毛细管

17a 前端

17b 内倒角部

18 初始球

19 压焊球

21 焊接臂

21a 前端侧部分

21b 后端侧部分

22 凸缘安装面

23，25 缝隙

24 连接部

26 槽

27 螺钉

28 中心轴

29 凹部

30 回转轴

31 载荷传感器

33 焊接台

34 半导体芯片

35 基板

41 焊接面

43 回转中心

45 驱动电机

50 焊接好坏判定装置

51 狭带通滤波器

55 载荷传感器接口

60 控制部

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的较佳实施形态。如图1所示，安装本实施形态的焊接好坏判定装置的引线焊接装置10包括作为基体部的焊接头11，超声波振子13，超声波模具12，作为焊接工具的毛细管17，设在超声波模具12的凸缘14，焊接臂21，载荷传感器31，驱动电机45，控制部60，吸附固定作为焊接对象的半导体芯片34及基板35的焊接台33。

在焊接头11上设有驱动焊接臂21回转的驱动电机45。超声波振子13系叠合多片压电元件构成，安装在超声波模具12的后端侧。又，在超声波模具12前端安装毛细管17。凸缘14设在后文说明的成为超声波模具12的振动波节的位置，凸缘14由螺栓16固定在焊接臂21前端的凸缘安装面22上。

焊接臂21安装为绕设在焊接头11的回转轴30回转自如。焊接臂21的回转中心43与吸附在焊接台33上的基板35的表面或安装在基板35的半导体芯片34的表面位于同一面上。

焊接臂21沿着超声波模具12的中心轴15的方向延伸，大致呈长方体，包括具有凸缘安装面22的前端侧部分21a，以及包含回转中心43的后端侧部分21b，薄板状连接部24设在包含超声波模具12的中心轴15的高度方向位置(Z方向位置)，通过该连接部24连接前端侧部分21a和后端侧部分21b。在连接部24的焊接面41侧以及焊接面41的相反侧，在焊接臂21的前端侧部分21a和后端侧部分21b之间，设有细的缝隙23，25。在焊接臂21的与焊接面41相反侧、即Z方向上侧，设有用于安装载荷传感器31的槽26。槽26设置为与焊接臂21的前端侧部分21a和后端侧部分21b之间对向。安装在槽26的载荷传感器31构成为由从焊接臂21的前端侧部分21a向着后端侧部分21b拧入的螺钉27，夹入前端侧部分21a和后端侧部分21b之间被加压。载荷传感器31的中心轴28安装为从超声波模具12的中心轴15沿着焊接面41和毛细管17的前端17a的接离方向即Z方向偏离距离L。该距离L比凸缘14的Z方向的宽度宽，成为对于从毛细管17施加到超声波模具12的弯曲力能具有大的刚性的结构。

如图2(a)所示，载荷传感器31安装在焊接臂21的宽度方向中央部，螺钉27设在载荷传感器31的两侧。又，如图2(b)所示，在焊接臂21的焊接面41侧，设有收纳超声波模具12和超声波振子13的凹部29。

如图3所示，超声波模具12因超声波振子13沿着中心轴15方向、即长度方向共振，进行纵向振动。在此，所谓纵向振动是指振动传递方向和振幅方向为同一方向的振动。如图3模式所示，超声波模具12因安装在后端的超声波振子13的振动，在安装超声波振子13的后端和安装毛细管17的前端之间，以后端和前端成为振动波腹的共振模式振动。并且，在后端和前端之间产生的振动波节，也就是即使处于共振状态也不振动的部位，设有将超声波模具12固定在焊接臂21的凸缘14。凸缘14由螺栓16固定在焊接臂21的凸缘安装面22上。凸缘14不因超声波模具12共振而振动，因此，因超声波模具12共振引起的超声波振动不传递到焊接臂21的凸缘安装面22。因此，因超声波模具12共振引起的超声波振动也不会传递到设在焊接臂21的载荷传感器31。图3是用于说明焊接臂21和超声波模具12、凸缘14、螺栓16的关系的模式图，凸缘14从超声波模具12朝着作为水平面的XY面方向延伸，将该凸缘14表示为纵方向。又，图3(b)模式表示超声波模具12的振幅，将沿中心轴15方向的振幅作为与中心轴15垂直方向的振幅表示。

如图1所示，载荷传感器31与焊接好坏判定装置50连接，在其内部包含低通滤波器。低通滤波器具有使得处于比超声波振子13的共振频率f₀低的频带的信号通过，同时，截止处于超声波模具12固有共振频率f₁的频带的信号的切口(notch)功能，从由载荷传感器31检测到的信号，能抽出不包含处于超声波模具12固有共振频率f₁的频带的信号的、比超声波振子13的共振频率f₀低的频带的信号。超声波振子13和驱动电机45与控制部60连接，根据控制部60的指令，控制超声波振子13的输出以及驱动电机45的回转方向及输出。又，焊接好坏判定装置50与控制部60连接，能向控制部60输出焊接好坏的判定信号。

焊接好坏判定装置50及控制部60既可以由内部包含CPU及存储器等的计算机构成，也可以由电气电路构成检测、控制系统构成。

说明通过上述构成的焊接好坏判定装置50检测在引线焊接装置10的焊接动作中施加在毛细管17前端17a的冲击载荷的检测动作。

图1所示控制部60通过没有图示的放电焊枪等使得从毛细管17前端17a伸出的引线前端形成球状的初始球18。接着，控制部60输出驱动上述驱动电机45的指令。驱动电机45根据该指令开始回转，使得毛细管17向着半导体芯片34上开始下降。又，控制部60输出使得超声波振子13开始振动的指令。根据该指令，对超声波振子13施加能与焊接条件对应输出预先设定的振动输出的电压。焊接好坏判定装置50开始向存储器存储来自载荷传感器31的载荷信号。

毛细管17前端形成的初始球18与半导体芯片34表面相接前，如图3所示，超声波模具12与超声波振子13振动共振，实行安装毛细管17的前端和安装超声波振子13的后端为振动波腹的纵向振动。凸缘14配置在振动的波节位置，因此，在超声波模具12的共振中不振动，载荷传感器31也没有检测到载荷。但是，超声波模具12因焊接时向焊接点的碰撞，沿着Z方向以固有共振频率f₁作微小振动。因此，如图4(a)所示，载荷传感器31检测到因超声波模具12振动引起的微小的周期变化载荷。

焊接臂21因驱动电机45加速，以所定下降速度在图4(a)时间t₁，与半导体芯片34的焊接点碰撞。于是，载荷传感器31检测到的推压载荷急剧上升。接着，在图4(a)所示时间t₂，成为最大值F₀。此后，控制部60控制驱动电机45，使得由载荷传感器31检测的推压载荷成为预先决定的推压载荷P₀。并且，若所定的推压时间结束，控制部60朝着与最初相反的方向驱动上述驱动电机45，使得毛细管17上升。若毛细管17上升，则载荷传感器31检测到的推压载荷逐渐降低成为零，此后，载荷传感器31检测超声波模具12的沿着Z方向的因固有振动引起的微小的周期变化。该期间，焊接好坏判定装置50将来自载荷传感器31的载荷信号存储在存储器，将其间的最大值F₀作为冲击载荷存储在另一存储器。

如图5(a)所示，初始球18形成所定直径d₁场合，因毛细管17下降引起的冲击载荷将初始球18压塌为圆板状压焊球19场合，如图5(b)所示，初始球18变形为具有所定厚度H₁的压焊球19。另一方面，如图5(c)所示，初始球18的大小比所定大小小的直径d₂场合，初始球18被毛细管17的前端17a压塌时，初始球18进入位于毛细管17前端的内倒角部17b中，如图5(d)所示，压焊球19的厚度成为比所定厚度H₁薄的H₂，成为球异常压塌。初始球18的直径成为比所定直径d₁小的所定直径d₂场合，初始球18不能以变形吸收冲击载荷的能量，因此，载荷传感器31检测到比初始球18为所定直径d₁场合大的冲击载荷。这样，当载荷传感器31检测到的冲击载荷比所定值大的场合，发生球异常压塌等。

又，为了正确地检测该冲击载荷，载荷传感器31需要安装在不会因冲击载荷而变形的位置。在本实施形态中，载荷传感器31从超声波模具12的中心轴偏移比凸缘14的Z方向宽度大的距离，安装在刚性高的长方体的焊接臂21，因此，能正确地检测冲击载荷。

焊接好坏判定装置50将存储在另一存储器的冲击载荷与存储在其他存储器的所定阈值比较，当存储在另一存储器的冲击载荷比所定阈值大场合，判定为球的异常压塌或芯片破坏等的焊接不良，例如，使得表示焊接不良的灯点亮。又，焊接好坏判定装置50也可以将焊接不良发生信号向控制部60输出，使得引线焊接装置10停止，使得异常发生灯点亮。

如图4(b)所示，焊接好坏判定装置50也可以在其内部包含低通滤波器51，该低通滤波器51具有使得比超声波振子13的共振频率f₀低的频带的信号通过，同时，截止处于超声波模具12固有共振频率f₁的频带的信号的切口功能，从由载荷传感器31检测到的信号，抽出不包含处于超声波模具12固有共振频率f₁的频带的信号的、且比超声波振子13的共振频率f₀低的频带的信号，将该抽出信号存储在存储器，将最大值作为冲击载荷F₀’检测。这种场合，如图4(c)所示，从载荷传感器31检测到的载荷信号除去高频成份和超声波模具12固有共振频率f₁引起的周期变化载荷，在存储器存储简单的曲线数据。因此，能容易地决定作为冲击载荷的最大值F₀’。又，例如，以一定的周期检测来自载荷传感器31的载荷信号，通过低通滤波器51，抽出信号，仅仅将所定周期数的抽出数据预先存储在存储器，通过检测抽出数据的值的增加量从正变为负时的抽出信号的值作为最大值，能更快地检测冲击载荷。

又，如图6所示，当初始球18的直径比所定直径d₁小场合，冲击载荷变大，同时，由图6的点划线b表示的通过滤波器51抽出的信号增大斜度比由图6的实线a表示的正常焊接时抽出信号增大斜度大。因此，当抽出信号的相对时间的增加比例比阈值大场合，也可以判定发生球异常压塌等的焊接不良。

如上所述，本实施形态的焊接好坏判定装置50具有在焊接中途能判定、检测焊接不良的效果。又，由于能在焊接中途判定、检测焊接不良，因此，能在刚发生焊接不良后停止引线焊接装置10，具有能容易地修理发生焊接不良的制品的效果。进一步说，由于能在焊接中途停止制造发生焊接不良的制品，因此，具有能提高制品成品率的效果。

在本实施形态中，关于焊接不良说明球的异常压塌，但是，也可以适用于因半导体芯片破坏等发生的焊接不良的判定。又，本实施形态说明引线焊接装置10，但本发明并不局限于此，也可以适用于凸块(bump)焊接装置等其他焊接装置。

在上述实施形态中，说明了发生焊接不良通过与控制部60不同的另外设置的焊接好坏判定装置50进行判定，下面，说明加入通过控制部60进行焊接不良判定的功能的引线焊接装置10的实施形态。与参照图1至图6说明的实施形态相同的部分标以相同符号，说明省略。

如图7所示，本实施形态的引线焊接装置10与参照图1至图3说明的引线焊接装置10构成相同，载荷传感器31通过载荷传感器接口55与控制部60连接，控制部60能取得来自载荷传感器31的信号。载荷传感器接口55包含A/D转换器，将来自载荷传感器31的模拟信号变换为数字信号向控制部60输出。

下面，参照图8说明本实施形态的引线焊接装置10的动作。如图8的步骤S101所示，若引线焊接装置10开始焊接动作，则控制部60从载荷传感器接口55取得载荷传感器31的信号。接着，如图8的步骤S102所示，控制部60将通过载荷传感器接口55取得的载荷传感器31的数字信号，通过例如IIR滤波器、FIR滤波器等的数码式滤波器滤波(滤波手段)，如图8的步骤S103所示，抽出不包含处于超声波模具12固有共振频率f₁的频带的信号的、比超声波振子13的共振频率f₀低的频带的载荷信号，存储、蓄积在存储器(信号抽出手段)。这种场合，数码式低通滤波器只要能抽出不包含处于超声波模具12固有共振频率f₁的频带的信号的、比超声波振子13的共振频率f₀低的频带的载荷信号就行，例如，可以是具有使得比超声波振子13的共振频率f₀低的频带的信号通过、并截止处于超声波模具12固有共振频率f₁的频带的信号的切口功能的低通滤波器。在控制部60的存储器存储如图4(c)所示那样的比较简单的曲线。

如图8的步骤S104所示，控制部60从存储在存储器的经滤波的抽出数据中拾取最大值，检测冲击载荷。这时，控制部60可以预先仅仅将所定周期数的抽出数据存储在存储器，当抽出数据的值的增加量从正成为负时的抽出数据的值作为最大值拾取，检测冲击载荷。

如图8的步骤S105所示，控制部60比较检测到的冲击载荷和所定阈值，当冲击载荷比所定阈值大场合，如图8的步骤S106所示，判断为发生焊接不良，如图8的步骤S107所示，停止引线焊接装置。又，当冲击载荷为所定阈值以下场合，控制部60如图8的步骤S108所示，判断为焊接良好(判定手段)。

如上所述，本实施形态的引线焊接装置10在焊接中途能判定、检测焊接不良，能在刚发生焊接不良后停止引线焊接装置10，具有能容易地修理发生焊接不良的制品的效果。进一步说，由于能在焊接中途停止制造发生焊接不良的制品，因此，具有能提高制品成品率的效果。

又，本实施形态说明引线焊接装置10，但是，本发明并不局限于引线焊接装置，也可以适用于凸块焊接装置等其他焊接装置。

本发明并不局限于上述说明的实施形态，包含不脱离由权利要求书规定的本发明技术范围或本质的全部变更及修正，它们都属于本发明的保护范围。