JPH02224349A - ボンディングツール - 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】 （産業上の利用分野） 本願は、半導体チップの製造過程で使用されるＴＡＢ用
ボンディングツールに関するものである。

（従来の技術） 近年、半導体分野の技術進歩は著しく、軽薄短小の傾向
にのって、ＩＣ，ＬＳＩなどを用いた応用製品の生産は
年々増加している。これらの半導体素子の持つ電気的特
性を引き出すためには、金属めっきが施されたリードや
ボンディングワイヤーと呼ばれる金属細線と接続するこ
とが必要である。

接続金属には、通常化学的に安定であることや電気伝導
性が高いことからＡｕ或はＡｕ−３ｎ合金が用いられ、
接続法としては、加熱したボンディングツールで加圧し
、熱圧着する方式が広く採用されている。

上記の熱圧着方式の接続で用いられるボンディングツー
ルは大別して２種あり、第２図、第３図はその概念図で
ある。

（課題） 第２図のものは、パルス加熱方式と呼ばれるものテ、素
材のニクロム、ステンレス、インコネル、Ｍｏ等を瞬間
的に通電発熱させて使用する。この方式では使用する素
材の問題として、高温での酸化やリードの焼付き、変形
等が顕著に生じるため、定期的に先端をクリーニングす
る必要がある。

第３図のものは定常加熱方式のツールで、カートリッジ
ヒーターを組み込んだシャンクの先端に研摩したダイヤ
モンドやルビーの単結晶を埋め込んだものが使用されて
おり、パルス加熱方式のツールに比べて特にダイヤモン
ド単結晶を用いたものは寿命が長い特徴がある。ここで
、ダイヤモンドが好んで用いられるのは、大気中で約９
００℃まで顕著な熱劣化が生じないことや、Ａｕ−５ｎ
との濡れ性が悪く、反応も生じないことによるものであ
る。

また、研摩したダイヤモンド単結晶はその表面状態がｌ
ａ＋ａｘで０．１μｍ以下と良好で、かつ高硬度である
ためその表面状態が変化し難い。この特性により、圧着
時に溶融したＡｕ−５ｎはダイヤモンド表面に付着残留
することが少ない。

さらに、ダイヤモンドは現存する物質中、最も高い熱伝
導部を有するため、定常加熱方式のツール素材に用いる
と、ヒーターを過度に発熱させることなくすなわちシャ
ンクを過度に熱することなくツール先端を所望の５００
〜６００℃に加熱させることができるという長所がある
。

しかしながら、ダイヤモンド単結晶は高価であり、また
比較的安価な合成品でも未だ数ｍａｔ以上の大きなもの
が得られていないのが現実である。今後、多数の端子を
一度に熱圧着する工程が増加すると考えられるが、その
場合には１０ｍｍ以上の素材形状が必要となる。

それゆえに、本発明の目的は、上記の必要特性を備えた
ボンディングツールを提供することにある。

（課題を解決するための手段） すなわち、本発明のボンディングツールは、Ｓｌ。

Ｓｉ、Ｎ　４を主成分とする焼結体、ＳｉＣを主成分と
する焼結体、ＡＪＮを主成分とする焼結体、および／ま
たはこれらの複合体からなる基体に気相合成法で析出さ
せた多結晶ダイヤモンドを被覆したものを工具先端とす
ることを特徴とするものである。

また被覆する多結晶ダイヤモンドが厚さ方向に（１００
）面および／または（１１０）面に配向している方が、
被加工特性がよくなるので望ましい。

被覆されたダイヤモンド粒子径が１００μｍ以上になっ
た場合には加工性が悪くなり経済的でないし、膜厚は５
〜３００μｍが適している。

第１図は、本願の１つの実施例であってボンディングツ
ール先端部にはダイヤモンドがコーティングされている
。

このようにして得られたボンディングツールは主として
定常加熱方式のものに使用される。パルス加熱方式は、
素材の加熱によるものであるが、熱伝達にタイムラグが
生じるために、本願で得た材料を利用するには難がある
。

なお、気相合成法で得られる多結晶性ダイヤモンドには
、非動品質ダイヤモンドを若干量含むものであるが、本
願は非結晶質ダイヤモンドを性能に影響を与えない範囲
で含み得る。

（作用） 以下本発明を発明の経緯と共に詳細に説明する。

本発明者らは、先ずダイヤモンド単結晶の代りにより大
きな形状が作製できる市販のＣｏを結合材として含有す
る焼結ダイヤモンドを定常加熱方式ツールの先端素材に
用いることを検討した。

融点７５０℃の銀ろうを使用してステンレス鋼製のシャ
ンクにろう付けした後、先端面の研摩とシャンクの加工
を行いツールを作製した。研摩された焼結ダイヤモンド
はＲｍａｘ　＝　０．０６μｍで表面状態は良好であっ
た。

ツールの先端を常時５７０ｔ’に一定加熱してＩＣチッ
プとＡｕ−５ｎ線との熱圧着をくり返し行ったところ、
徐々に、研摩した先端面に凹凸が生じ、融解したＡｕ−
５ｎ合金の付着量が多くなると共に、先端のダイヤモン
ド焼結体が、ろう付は部分で動いている状態が観察され
た。

先端面の変形は、ダイヤモンド焼結体を常時加熱してい
るため、結合材のＣｏとダイヤモンドの熱膨張差に基づ
く微小亀裂の発生や、ダイヤモンドの黒鉛化の進行によ
る耐摩耗性の低下によるものと考えられた。また、ダイ
ヤモンドのろう付は部分でのずれは、使用中のろう付は
部分の温度が、その融点近傍にまで曝されるためろう材
が変形し易くなっていることによると推定された。

以上のことから、Ｃｏを結合材とした市販の焼結ダイヤ
モンドでは、この種の工具の要求特性を満足できず、よ
り融点の高いろう材が使用でき、かつ長時間の加熱使用
にも耐えられる高耐熱の素材が必要であることが判明し
た。

耐熱性の高いダイヤモンド焼結体は、例えば特開昭５３
−１１４５８９号に開示されているが、この焼結体は鉄
族金属結合材を酸処理により抽出したものであるため、
空孔が存在し、研摩を行っても表面状態が良好とならな
いため、使用中にＡｕ−３ｎ合金が付着し易い。

空孔の存在しない耐熱性ダイヤモンド焼結体は、特開昭
５９−１６１２６８号や特開昭６１−３３８６５号に開
示されているが、これらの結合材は、ＳｉやＳｉＣ或は
ＮｉとＳｉの合金等で構成されており、これらはダイヤ
モンドに比べて硬度が低いため研摩後の表面状態はやは
り十分満足されたものではない。

結合材を含有せず、ダイヤモンドのみからなる焼結体は
、耐熱性、硬度、熱伝導率、面粗度の全てに関して最も
望ましいと考えられる。その試みとして、ダイヤモンド
の粉末のみを超高圧下で焼結することが行われているが
、ダイヤモンド粒子自身が変形し難いため、粒子の間隙
には圧力が伝達されず、したがって黒鉛化が生じ、ダイ
ヤモンド−黒鉛の複合体しか得られていないのが現状で
ある。

一方、最近では気相合成法により、結合材を含有しない
ダイヤモンド多結晶体を製造する技術が飛躍的な進歩を
遂げてふり、この技術を応用することが有効であると考
えられた。気相合成法により、ダイヤモンド薄膜を超硬
合金やＷ等の基体に析出させ、切削工具として用いるこ
とは知られているが、これを上記したボンディングツー
ルに適用しても、膜の密着強度が低いため、使用中に被
覆膜の剥離や亀裂の発生が生じて、良好な結果が得られ
なかった。

本発明者らは、より一層優れたボンディングツール素材
を得るべく鋭意検討した結果、被覆膜との密着性が良好
な基体を選定することにより以下の発明をなしたもので
ある。

すなわちＳ＋、Ｓ＋ｓＮ４を主成分とする焼結体、Ｓｉ
Ｃを主成分とする焼結体、ＭＮを主成分とする焼結体、
および／またはこれらの複合体からなる基体に気相合成
法で析出させた多結晶ダイヤモンドを被覆したものを工
具先端とすることにより、優れたボンディングツールと
なることを見出したものである。

本発明の実施にあたり、優れたボンディングツール素材
となる焼結体を得るためには、基体にダイヤモンドとの
熱膨張係数が近く、被覆したダイヤモンド層との密着性
が良好なものを選定することが必要である。

またツールの作製工程及びツールとして使用する際には
、５００〜１０００℃程度の高温に曝されるため、高い
耐熱性を有するものであることも必要である。本発明者
らは、これらの特性を有する物としてＳｉ、　５ｉｓＮ
　４を主成分とする焼結体、ＳｉＣを主成分とする焼結
体、ＭＮを主成分とする焼結体が有効であることを見出
した。これらの基体を必要形状に成形加工した後、気相
合成法によりダイヤモンドの被覆を行なう。尚、基体の
厚さは、上記の基体材質の強度と熱伝導率の特性により
、０．１〜２、Ｏｍｍの範囲で選択される。

気相合成の手段としては公知のあらゆる方法が可能であ
り、熱電子放射やプラズマ放電を利用して原料ガスの分
解・励起を生じさせる方法や燃焼炎を用いた成膜方法等
が有効である。原料ガスとしては、例えばメタン、エタ
ン、プロパン等の炭化水素類、メタノール、エタノール
等のアルコール類、エステル類等の有機炭素化合物と水
素とを主成分とする混合ガスを用いることが一般的であ
るが、これら以外にアルゴン等の不活性ガスや酸素、−
酸化炭素、水等も、炭素の合成反応やその特性を阻害し
ない範囲であれば、原料中に含有されていても差し支え
ない。

被覆する膜厚は５〜３００μｍが好ましい。これは膜厚
が５μｍ未満であると被覆面の研摩中に或はツールとし
て使用中に亀裂が入りやすいためである。また現状の技
術では膜厚が３００μｍを超す厚いものとするのは、析
出速度が小さいので時間すなわちコストがかかり好まし
くない。

また、被覆する多結晶ダイヤモンドは、ツール作製時に
その被覆上面を研磨仕上げする必要があることを考慮し
、その加工性を容易にするために、厚さ方向に（１００
）面右よび／または（１１０）面に配向するように合成
することが有効である。（１１１）面の場合は硬度が高
く加工性が悪い。さらに同じ理由から被覆する多結晶ダ
イヤモンドの被覆上面の粒子径が１００μｍ以下となる
ように合成することが望ましい。

以上の方法で得られたツール素材は、ダイヤモンドを被
覆した面をさらに研摩仕上げして、その表面状態を単結
晶ダイヤモンド並のＲｓａｘＯ，０５μｍ以下とする。

この表面研摩された工具素材は、ろう付は等の手段によ
り工具母材に接合することにより、ボンディングツール
素材として性能を発揮するものである。

（実施例） 以下、実施例により具体的に説明する。

実施例１ マイクロ波プラズマＣＶＤ法により、−辺１５ｍｍ。

厚さ２＋１１１１のＳｉＣ焼結体製の基体を石英ガラス
からなる支持台上に固定して、ダイヤモンドの被覆を行
なった。条件は以下の通りで、１０時間で０．２ｍｓ＋
の厚さの多結晶ダイヤモンドが被覆できた。

原料ガス（流量）　：　Ｈ雪２００ｃｃ／ｓｉｎ　。

ＣＨ４４ｃｃ／ｓｉｎ　、　　Ａｒ　５０ｃｃ／ｗｉｎ
圧力　：　　１００Ｔｏｒｒ マイクロ波発振機出カニ　　８００Ｗ 被覆層である多結晶ダイヤモンドの粒径は１５μｍ程度
で、表面粗さはＲｓａｗで８．５μｍであった。

また、Ｍｏを基体として同様の条件で処理したところ、
膜厚が０．１８ｍｍ、粒径２０μｍで表面粗さがＲｍａ
ｘで１０．５μｍの多結晶ダイヤモンドが被覆できた。

これらの多結晶ダイヤモンドはいずれも厚さ方向に（１
１０）面配向しているものであった。これらの被覆焼結
体をメツシュサイズ＃２００のダイヤモンド電着砥石に
より、その被覆面を研摩した。その結果、Ｍｏを基体と
したものは、研摩中に膜に亀裂が入り、一部剥離してし
まったが、ＳｉＣ焼結体を基体としたものは、剥離せず
にＲａ＋ａｘが０．０３μｍと単結晶ダイヤモンドに匹
敵する程の良好な研摩面状態が得られた。この研摩でき
たものを研摩面と反対側の面をろう付は面としてステン
レス鋼製の工具母材にＡｕ−Ｔａ合金ろう材により、真
空中１１００℃でろう付は接合した。尚、ろう付けの前
処理として、ろう付は面となるＳｉＣ焼結体の表面には
ＰＶＤ法でＴｉ及びＮｉを夫々２μｍずつ予め積層被覆
した。

この接合体をさらに研摩仕上げ加工してボンディングツ
ールを作製した。このツールの耐久テストをボンディン
グ装置に実装して行ったところ、３　ａｈａ角の単結晶
ダイヤモンドを用いて作製したツールと同様に１００万
回の使用に耐えた。

そのボンディング面の寸法が拡大できたことにより、生
産性が約５倍に増大できることが明らかとなった。

実施例２ 実施例１と同様の製造方法により、第１表に示したボン
ディングツール素材を作製した。第１表には、比較とし
て本発明以外の素材についても示した。

これらの素材の被覆面及び比較として市販のＣ。

を１０容量％含有する焼結ダイヤモンドを研摩加工した
。

その結果、被覆膜の厚さが５μｍよりも薄かったＣは研
摩中に亀裂が入った。また、Ｍｏ、　Ｔａを用いたＢ−
１は夫々研摩中に被覆膜が剥離してしまった。さらに（
１１１）面に配向したＡ及び被覆多結晶ダイヤモンドの
上面粒子径が１５０μｍと粗大であるＨは加工性が悪く
、全面研摩することができなかった。

これら以外のものの研摩後の表面粗さを第２表に示す。

これらの素材を加工し、先端２０ａ＋ｍ角のボンディン
グツールを作製した。これらのツールの耐久テストを行
った結果もあわせて第２表に示す、使用条件は、先端温
度６００℃で圧着時間２秒とし、ピン数１０００本のＩ
Ｃをくり返しボンディングした。

この表から明らかなように、本発明の素材を用いたツー
ルでは顕著な劣化はみられなかった。

第 表 （発明の効果） 以上のように、本発明によれば、耐熱性、強度および耐
摩耗性がより一層向上されたボンディングツールを得る
ことが可能となる。

さらに本発明のツール素材は、他の耐熱・耐摩耗工具の
素材としても有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図に本願の１つの実施例を示す。 第２図及び第３図は共に半導体素子と金属細線とを接続
するのに用いられるボンディングツール定常加熱方式で
ある。 （１）　°°゛′パルス通電発熱部、（２）゛°°゛・
シャンク取付部、（３）−−ボンディングツール先端部
、（４）　　−カートリッジヒータ収納部、（５）−・
−・−放熱用穴、（６）−・・−シャンク取付部。 （７）−・ダイヤモンド被覆層 第１図 ／ 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｓｉ、Ｓｉ＿３Ｎ＿４を主成分とする焼結体、Ｓ
   ｉＣを主成分とする焼結体、ＡｌＮを主成分とする焼結
   体および／またはこれらの複合体からなる基体に気相合
   成法で析出させた多結晶ダイヤモンドを被覆したものを
   工具先端とすることを特徴とするボンディングツール。
2. （２）被覆する多結晶ダイヤモンドが厚さ方向に（１０
   ０）面および／または（１１０）面に配向していること
   を特徴とする請求項（１）記載のボンディングツール。