JP3566678B2 - ワイヤーボンディング用キャピラリー - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はLSIやIC等の半導体装置のワイヤーボンディングに使用する高強度のキャピラリーに関するものであり、特に、ボンディングピッチの狭いワイヤーボンディングに使用されるキャピラリーに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、半導体装置において、半導体チップの電極とパッケージのリード電極との接続には、金(Au)、アルミニウム(Al)、又は銅(Cu)よりなる直径0.015〜0.1mm程度の細い導線が用いられている。
【0003】
この接続工程(ワイヤーボンディング)には、図3に示すようなキャピラリーが用いられ、先細りの先端部11と、導線を先端から送り出す直径0.025〜0.1mm程度の貫通孔12が備えられており、超音波振動を先端部11よりワイヤーに伝達して電極にワイヤーをボンディングするものである。
【0004】
また、上記キャピラリーは、高強度で貫通孔12の加工精度が高いこと、摩耗係数が小さく貫通孔12へのワイヤーの挿通が容易であること、また、ヤング率が高くボンディング時の超音波振動の伝達効率が高いこと等から、アルミナセラミックスや高純度のアルミナセラミックス、またサファイア、ルビー等の単結晶アルミナから形成されていた(特公平3−16779号公報参照)。
【0005】
また、より高い強度、破壊靭性を得るためにアルミナにジルコニアを添加したアルミナ−ジルコニア複合体からなるキャピラリーも提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体チップにおける電極間のピッチは、従来では80〜120μmであったものが、半導体チップの小型化に伴い50μm程度まで狭小化してきている。そのため、キャピラリーの外径を細くしてボンド位置のピッチが小さい高密度なボンディングを行うことが要求され、先端部11の先端面の外径を100μm以下に細く絞ったものが要求されている。
【0007】
しかしながら、上記高純度のアルミナセラミックスや、サファイア、ルビー等の単結晶アルミナからなるキャピラリーでは、外径の細い先端部11がボンディング時の負荷に耐え切れず、先端面付近にクラックや摩耗、破損が生じやすいという欠点を有していた。
【0008】
また、先端部11の破損を防止するために、ボンディング時の負荷を低く抑えようとするため、ワイヤーの接合強度が弱くなるという欠点を有していた。
【0009】
さらに、キャピラリーの製造工程においても同様に、加工による負荷に耐え切れず、先端部11に破損が生じるため、サファイア、ルビー等の高価な単結晶アルミナは、この破損によって歩留が低下し、キャピラリーを非常に高価なものとしてしまうという欠点を有していた。
【0010】
また、上記アルミナ−ジルコニア複合体からなるキャピラリーは、ジルコニアの添加により強度、破壊靭性を高めることができるが、硬度、ヤング率、耐薬品性が著しく低下するという欠点を有していた。
【0011】
キャピラリーの硬度が低下すると、先端部11が磨耗し易くなり、ヤング率が低下すると、キャピラリーにおける超音波振動の伝達効率が低下するため、ボンディング時の接合強度が低下しやすい。そこで、ボンディング時の負荷を強くしたり、ワイヤーの接合時間を長くするが、先端部への負荷がさらに大きくなり、破損が生じやすく、長期間の使用に供することができないという欠点を有している。
【0012】
また、キャピラリーに付着したワイヤーをクリーニングする際、王水や硝酸等の洗浄水を使用するため、耐薬品性の低いキャピラリーは侵食されやすく長期間の使用に供することができないという欠点を有している。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーは、先細り状の先端部を有するワイヤーボンディング用キャピラリーであって、少なくとも上記先端部が、アルミナを主成分とし、副成分としてジルコニアを含有してなり、曲げ強度が700MPa以上、ヤング率が380GPa以上及びビッカース硬度が17.5GPa以上であるアルミナ質焼結体からなることを特徴とするものである。
【0014】
また、本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーは、上記先端部の先端面の外径が100μm以下であることを特徴とするものである。
【0015】
さらに、本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーは、上記アルミナの含有量が90〜99.5重量%、ジルコニアの含有量が0.5〜10重量%であることを特徴とするものである。
【0016】
本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーによれば、少なくとも先端部が、アルミナを主成分とし、副成分としてジルコニアを含有してなり、曲げ強度が700MPa以上、ヤング率が380GPa以上及びビッカース硬度が17.5GPa以上であるアルミナ質焼結体からなることから、先端部に摩耗や破損が生じることを有効に防止することができ、ヤング率が高いことから、キャピラリーの超音波振動の伝達効率が高く、ワイヤーの接合強度を高くすることができる。
【0017】
また、本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーによれば、上記先端部の先端面の外径が100μm以下であることから、ボンド位置のピッチの小さな高密度なワイヤーボンディングが可能となる。
【0018】
さらに、本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーによれば、上記アルミナの含有量が90〜99.5重量%、ジルコニアの含有量が0.5〜10重量%であることから、ヤング率及びビッカース硬度を高い値に保持したまま、曲げ強度を高くすることができることから、先端部に破損や摩耗等が生じるのを防止しでき、また、キャピラリーに付着した導線をクリーニングする際、王水や硝酸等の薬品への耐薬品性を高くすることができ、長期間の使用に供するキャピラリーを得ることができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0020】
図1(a)は、本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーの一実施形態を示す平面図であり、(b)は同図(a)の先端部1を示す拡大図である。
【0021】
本発明のキャピラリーは、先細り状の先端部1と、その中心にワイヤーを挿通する貫通孔2とを備え、アルミナを主成分とし、副成分としてジルコニアを含有してなるアルミナ質焼結体からなる。
【0022】
上記アルミナ質焼結体は、主成分であるアルミナの含有量が90〜99.5重量%、副成分であるジルコニアの含有量が0.5〜10重量%であることから、曲げ強度を700MPa以上、ヤング率を380GPa以上、及びビッカース硬度を17.5GPa以とすることができる。そのため、先端部1に摩耗や破損が生じるのを有効に防止することができるとともに、キャピラリーの超音波振動の伝達効率が高く、ワイヤーの接合強度を高くすることができる。
【0023】
上記ジルコニアの含有量が0.5重量%未満となると、ジルコニア添加によるアルミナ質焼結体の高強度化の効果が少ないため、曲げ強度が700MPa未満となり、一方、含有量が10重量%を超えると、ジルコニアが多くなり過ぎてアルミナ質焼結体そのものの特性が劣化し、硬度、ヤング率、耐薬品性を低下させてしまう。従って、上記ジルコニアの含有量は0.5〜10重量%、より好ましくは3〜10重量%とすることが好ましい。
【0024】
さらに、上記ジルコニアは、実質的に正方晶及び/又は立法晶からなることによって、アルミナ質焼結体に発生するクラックの先端のエネルギーをジルコニアの相転移で吸収させることができることから、高強度、高靭性を有するものである。
【0025】
またさらに、上記アルミナ質焼結体中には不純物成分としてシリカ(SiO2)が含まれるが、このシリカはアルミナの粒成長を促進する作用をなし、アルミナの結晶粒子径を大きくし、結晶粒子の形状を不揃いなものとするため、微細で粒子の揃ったアルミナ質焼結体を得ることができなくなる。そこで、上記シリカの含有量を少なくするために、原料粉末をボールミルやピンミル等で混合粉砕する際、ボールやビーズ等のメディアとして、アルミナ純度が99.5%以上の高純度アルミナやジルコニア純度が99.5%以上の高純度ジルコニアを用いる必要がある。これは、メディアの磨耗粉が不純物として混入しても組成に悪影響を与えないようにするためであり、ボールミルやピンミル等の内張りライナーにもシリカの混入が少ない材質を選択することが好ましく、原料粉末中のシリカの含有量が0.05重量%以下となるように調合することが重要である。
【0026】
なお、焼結助剤としては、マグネシア(MgO)、カルシア(CaO)等を若干含有させることもでき、焼結助剤は1重量%以下とすることが好ましい。
【0027】
このように含有量を調整した原料を、原料粉末が均一になるまで混合粉砕し、そのスラリーを噴霧乾燥して原料顆粒とし、所定形状に成形、焼成して製作される。
【0028】
上記焼成方法としては、大気中で常圧焼成、ホットプレス、熱間静水圧プレス(HIP)処理を採用できるが、高緻密化のためには、まず1400〜1700℃で常圧焼成した後、さらに真空中またはアルゴン等の中性あるいは還元性雰囲気において、1200〜1600℃、100〜300MPaにて熱間静水圧プレス(HIP)処理を施す。
【0029】
また、熱間静水圧プレス(HIP)処理を施すことにより、ジルコニアの平均結晶粒子径が0.1〜1.0μm、アルミナの平均結晶粒子径が0.1〜2.5μmで、表面ボイド率が0.1%の高緻密、高強度なジルコニア分散アルミナ質焼結体とすることができる。
【0030】
次いで、ダイヤモンドホール等による研削加工及びダイヤモンドパウダーによる表面研磨仕上げにて加工して製作される。
【0031】
このようにして得られたキャピラリーでは、曲げ強度が700MPa以上、ヤング率が380GPa以上、及びビッカース硬度が17.5GPa以とすることができることから、先端部1に摩耗や破損が生じるのを有効に防止することができ、ヤング率が380GPa以上と高いことから、キャピラリーの超音波振動の伝達効率が高く、ワイヤーの接合強度を高くすることができる。また、製造工程における加工負荷による破損発生も少なくなり、歩留まりを向上させることができる。
【0032】
特に、キャピラリーにおける先端部1の先端面の外径Tが100μm以下の小さなものとしても、ヤング率が380GPa以上高ことから超音波振動を効率よく伝達するとともに、曲げ強度、ビッカース硬度が高く、先端部1に破損が生じるのを有効に防止することができる。
【0033】
また、ワイヤーのボンド位置のピッチが50μm以下(千鳥配置では35μm程度)の小さい場合においても、隣接するワイヤー同士が接触するのを有効に防止することができ、先端部1の先端面の外径Tが100μm以下の小さなものとしても、破損や摩耗を有効に防止することができる。
【0034】
さらに、先端部1の外径Tが100μm以下と小さいことから、貫通孔2に挿通するワイヤー径も20〜30μm程度の細い線径のワイヤーをボンディングするのに適し、上記貫通孔2の径はワイヤー径の1.5倍程度、即ち30〜45μmとすることが好ましく、特に、各ワイヤーのボンド位置のピッチが狭い場合には、貫通孔2の径を小さくすることによってボンド位置を高精度に調整することができる。
【0035】
さらにまた、上記先端部1は、その両端の角度βが0〜11°となっており、外周の角部は20〜80μm程度のR面となっており、ワイヤーの材質等によって適切な値を選択する。
【0036】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限り種々の変更は可能であり、上述の実施形態では先端部1が先細り状のテーパ部から形成されていたが、図2に示すように先端部1を1つのテーパ部4と、それに連続するボトルネック部3から形成するボトルネック形状のキャピラリーにおいても、先端部1の先端面の外径Tが100μm以下の小さなものとしても、破損、摩耗が生じるのを有効に防止することができる。また、上述の実施形態では先端部1を含むキャピラリー全体を上記ジルコニアを含有したアルミナ質焼結体によって形成したが、少なくとも先端部1のみを上記ジルコニアを含有したアルミナ質焼結体にて形成することによって同様の効果を奏することができる。
【0037】
【実施例】
ここで、本発明の実施例について説明する。
(実施例1)
まず、本発明のジルコニアを含有するアルミナ質焼結体からなるキャピラリーを得るため、表1の試料No.4〜8に示す如くアルミナの含有量、ジルコニアの含有量として原料粉末が均一になるまで混合粉砕し、そのスラリーを噴霧乾燥して原料顆粒とし、1400〜1700℃で常圧焼成した後、さらに真空中またはアルゴン等の中性あるいは還元性雰囲気において1200〜1600℃、100〜300MPaにて熱間静水圧プレス(HIP)処理を施し、ダイヤモンドホイール等による研削加工及びダイヤモンドパウダーによる表面研磨仕上げを行い本発明のキャピラリー試料を作製した。
【0038】
また、比較例として表1の試料No.1〜3及びNo.9,10に示す如くアルミナ、ジルコニア、シリカの各含有量を有する原料粉末を上記同様に作製してキャピラリー試料を得た。
【0039】
本発明及び比較例の試料ともに、先端部の外径を100μmとする。
【0040】
そして、各キャピラリー試料に金線(Au 直径28μm)を用いて、ボンディング周波数65kHz、ボンディング負荷80g(1st)・100g(2nd)、超音波接合時間0.1秒の条件設定にてワイヤーボンディング試験を行い、ワイヤーのボンディング強度と30万回ボンディングした後の破損率の関係を調べた。
【0041】
表1における曲げ強度は、各試料と同様な焼結体を作製し、研削加工を施して3mm×4mm×40mmの角柱体を得、JIS R 1601に準拠して、スパン幅30mm、クロスヘッドスピード0.5mm/minの条件にて3点曲げ試験にて測定した。
【0042】
ヤング率は、試料を鏡面研磨仕上げし、超音波パルス法(JIS R 1602−1995に準拠)にて求めた。
【0043】
ビッカース硬度(Hv)は、JIS R 1601に準拠し、ダイヤモンド圧子の試験荷重を1000gfで5秒間保持させて測定した。
【0044】
アルミナ、ジルコニアの各平均粒子径は、SEM写真を撮影し、粒径を計測して平均結晶粒径を算出した。また、ボイド率は、試料に鏡面加工を施し、ニレコ製LUZEX−FS画像解析装置を用いて、顕微鏡倍率200倍、測定ポイント10ヶ所、測定面積10.0×103μm2条件にて画像解析して測定した。
【0045】
加工歩留は、キャピラリーを製作した時の投入数に対する完成品の数を割合にて数値化した。
【0046】
ボンディング強度は、ボンディングしたワイヤーをフックに引っ掛け、ワイヤーが切断した時の荷重をグラムゲージにて測定した。
【0047】
破損率は、ワイヤーボンディング試験にて30万回ボンディングした時の、破損した割合を調査して数値化した。
【0048】
結果は表1に示す通りである。
【0049】
【表1】
【0050】
表1より明らかなように、ジルコニアの添加量が0.5〜10重量%の試料(No.4〜8)は、曲げ強度が710MPa以上で、ヤング率が381GPa以上、及びビッカース硬度が17.7GPa以上と高い値を有している。
【0051】
また、加工歩留は90%以上と高く、30万回ボンディング後の破損率が0%と高ことがわかった。
【0052】
これに対し、ジルコニアの含有量が0.5重量%未満の試料(No.1〜3)は、曲げ強度が370〜650MPaと著しく低下していることがわかる。
【0053】
また、ジルコニアの含有量が10重量%より多い試料(No.9、10)は、ヤング率が345GPa以下と著しく低下するため、超音波振動の伝達効果が悪く、ボンディング強度が9.3g以下と低くなった。
【0054】
(実施例2)
次に、試料No.6と同様の組成比を有する原料を用いて、先端部の外径を40〜100μmのキャピラリー試料を作製した。
【0055】
また、比較例として試料No.2と同様の組成比を有する原料を用いて、上述と同様に先端部の外径が40〜100μmのキャピラリー試料を作製し、各試料に金線(Au 28μm)を用いて、ボンディング周波数65kHz、ボンディング負荷80g(1st)・100g(2nd)、超音波接合時間0.1秒の条件設定にてワイヤーボンディング試験を行い、ワイヤーのボンディング強度と30万回ボンディングした後の破損率の関係を調べた。
【0056】
結果は表2に示す通りである。
【0057】
【表2】
【0058】
表2から明らかなように、試料No.6−1〜6−4のアルミナ質焼結体からなるキャピラリー試料では、先端部の外径が40μmと小さくなっても、30万回ボンディング後の破損率は10%と小さいことがわかった。
【0059】
これに対し、比較例である試料No.2のアルミナ質焼結体からなるキャピラリー試料は、先端部の外径が40μmと小さくなると、加工歩留が45%と小さくなり、ボンディング時に破損しやすく30万回使用することができなかった。
【0060】
【発明の効果】
本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーによれば、少なくとも先端部が、アルミナを主成分とし、副成分としてジルコニアを含有してなり、曲げ強度が700MPa以上、ヤング率が380GPa以上及びビッカース硬度が17.5GPa以上であるアルミナ質焼結体からなることから、先端部に摩耗や破損が生じることを有効に防止することができ、ヤング率が高いことから、キャピラリーの超音波振動の伝達効率が高く、ワイヤーの接合強度を高くすることができる。
【0061】
また、本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーによれば、上記先端部の先端面の外径が100μm以下であることから、ボンド位置のピッチの小さな高密度なワイヤーボンディングが可能となる。
【0062】
さらに、本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーによれば、上記アルミナの含有量が90〜99.5重量%、ジルコニアの含有量が0.5〜10重量%であることから、ヤング率及びビッカース硬度を高い値に保持したまま、曲げ強度を高くすることができることから、先端部に破損や摩耗等が生じるのを防止しでき、また、キャピラリーに付着した導線をクリーニングする際、王水や硝酸等の薬品への耐薬品性を高くすることができ、長期間の使用に供するキャピラリーを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーの一実施形態を示す平面図であり、(b)は同図(a)の先端部を示す部分断面図である。
【図2】(a)は本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーの他の実施形態を示す平面図であり、(b)は同図(a)の先端部を示す部分断面図である。
【図3】一般的なワイヤーボンディング用キャピラリーを示す平面図である。
【符号の説明】
1:先端部
2:貫通孔
3:ボトルネック部
4:テーパ部
Claims (3)
- 先細り状の先端部を有するワイヤーボンディング用キャピラリーであって、少なくとも上記先端部が、アルミナを主成分とし、副成分としてジルコニアを含有してなり、曲げ強度が700MPa以上、ヤング率が380GPa以上及びビッカース硬度が17.5GPa以上であるアルミナ質焼結体からなることを特徴とするワイヤーボンディング用キャピラリー。
- 上記先端部の先端面の外径が100μm以下であることを特徴とする請求項1に記載のワイヤーボンディング用キャピラリー。
- 上記アルミナの含有量が90〜99.5重量%、ジルコニアの含有量が0.5〜10重量%であることを特徴とする請求項1または2に記載のワイヤーボンディング用キャピラリー。
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