JPH11111777A

JPH11111777A - ボンディングツール

Info

Publication number: JPH11111777A
Application number: JP27150297A
Authority: JP
Inventors: Toshiki Sato; 俊樹佐藤; Masatoshi Nishikawa; 正寿西川
Original assignee: SHINKO KOBELCO TOOL KK; Kobe Steel Ltd
Current assignee: SHINKO KOBELCO TOOL KK; Kobe Steel Ltd
Priority date: 1997-10-03
Filing date: 1997-10-03
Publication date: 1999-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】集積回路（ＩＣ）や高密度集積回路（ＬＳ
Ｉ）等の半導体素子を、Ｓｎめっきの施されたリード線
と接合する際に用いられるボンディングツールに見られ
るＳｎ付着を抑え、クリーニング頻度を抑えて該ツール
の長寿命化を達成すると共に、ボンディング作業性を高
めることのできるボンディングツールを提供すること。【解決手段】ボンディングツールにおける圧着作用部
の表面が、表面温度４００℃〜６００℃における溶融Ｓ
ｎとの接触角が１４５°以上のダイヤモンドによって構
成され、Ｓｎに対する濡れ性を悪くしてＳｎ付着を抑え
たボンディングツールである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、集積回路（ＩＣ）
や高密度集積回路（ＬＳＩ）等の半導体素子をＴＡＢ
（ＴａｐｅＡｕｔｏｍａｔｅｄＢｏｎｄｉｎｇ）方
式で実装する際に用いられるボンディングツールに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶テレビ、電子手帳、ノートパ
ソコン、ワードプロセッサ等の電子機器は益々薄型化、
軽量化する傾向があり、また付加価値向上のため一層の
高機能化が求められている。こうしたことから、上記電
子機器に内蔵されるＩＣやＬＳＩ等の半導体素子におい
ても高機能化や大容量化が要求されるようになってきて
いる。

【０００３】上記の様な要求に対応しつつＩＣやＬＳＩ
等の半導体素子を実装する技術として、上記ＴＡＢ方式
が注目されている。該ＴＡＢ方式を実施する際のＩＬＢ
（ＩｎｎｅｒＬｅａｄＢｏｎｄｉｎｇ）工程では、
フィルムキャリアテープ上の多数のリード線と、該リー
ド線に対応してＩＣやＬＳＩ等のチップ上に多数形成さ
れた電極（バンプ）とを、５００〜６００℃程度に加熱
されたボンディングツールの圧着作用部で圧着し、リー
ドとバンプの一括接合が行われる。

【０００４】ＴＡＢ方式で用いられるボンディングツー
ルは、例えば、特開平４−２５１３８号公報にも記載さ
れている如く、基体部とシャンク部をろう付け接合して
なり、基体部の先端に圧着作用部を備えているのが一般
的であるが、こうしたボンディングツールの圧着作用部
に要求される特性としては次のものが挙げられる。

【０００５】１）温度の均一性が良好であること。２）圧着部（圧着面）ができるだけ平坦であり、使用温
度において変形しないこと。３）リード線や電極として用いられる金属材料が付着し
難く且つ、耐磨耗性が良好であること。４）使用温度域（５００〜６００℃）における耐酸化性
や耐熱性が良好であること。

【０００６】ＴＡＢ方式を実施する際には、前述の如く
ボンディングツールの圧着作用部でリード線とバンプが
一括して接合されるが、接合の信頼性を高めるにはリー
ド線とバンプを均一に加熱・加圧する必要があり、上
記、１），２）の特性が重要となってくる。

【０００７】また前記リード線としては、通常Ｃｕの表
面にＳｎメッキされたものが使用され、バンプとしては
Ａｕが使用される。そしてこれらの金属材料、特にＳｎ
がボンティングツールの圧着作用部に付着すると、ボン
ディング不良が生じる等の問題を起こすので、それを除
去するため、ＳｉＣやＡｌ₂ Ｏ₃ 等の砥石を用いたクリ
ーニング処理が不可欠となる。従ってこうした問題を回
避するには、ボンディングツールの圧着作用部に上記
３）の特性が要求される。更にボンディングツールは、
使用時に通常５００〜６００℃に加熱されるので、上記
４）の特性も重要となる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の様な
ボンディングツールの圧着作用部に用いられる素材とし
ては、ＣＶＤダイヤモンド、ダイヤモンド単結晶、ダイ
ヤモンド焼結体、バインダレスｃＢＮ焼結体などが挙げ
られる（特開平５−６７６５１号公報など）。またこれ
らの素材は、研磨加工し平坦に且つ表面を鏡面仕上げし
て使用するのが一般的である。

【０００９】また上記素材は、ダイヤモンド焼結体を除
いてその他の素材はＳｎとの反応性が高くなく、一般的
にはＳｎは付着し難いと考えられている。ところが実際
には相当のＳｎ付着が見られ、２０〜１００ショット毎
に圧着面に付着したＳｎを除去するためのクリーニング
が必要となり、生産性を著しく阻害しているのが実情で
ある。

【００１０】そこで、ボンディング作業時におけるクリ
ーニング工程の頻度を極力少なくでき、願わくばクリー
ニン処理をせずとも支障なくボンディング作業を遂行し
得る様なボンディングツールの開発が望まれる。

【００１１】本発明はこうした事情に着目してなされた
ものであって、その目的は、圧着作用部に用いられるダ
イヤモンドとＳｎの濡れ性を低減してＳｎの付着を防止
し、クリーニング頻度を可及的に低減してボンディング
作業性を高め得る様なボンディングツールを提供するこ
とにある。

【００１２】また該圧着作用部にＳｎが付着した場合、
前述の如く砥石によるクリーニング処理が必要となる。
その結果、圧着作用部が磨耗しそれが原因となって平坦
度が崩れ寿命が短縮されるが、本発明の他の目的は、上
記の様なＳｎの付着をなくすことによってクリーニング
頻度を少なくし、ボンディングツールの長寿命化を達成
することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
のできた本発明のボンディングツールは、該ボンディン
グツールにおける圧着作用部の表面が、表面温度４００
℃〜６００℃における溶融Ｓｎとの接触角が１４５°以
上のダイヤモンドによって構成されているところに要旨
が存在する。

【００１４】上記ダイヤモンドは、基体上に気相合成法
によって形成したままのダイヤモンド層からなり、表面
粗さがＲｙで４μｍ以下であるものが好ましく、また上
記基体としては、ＳｉＣ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ またはＡｌＮを主
成分とする焼結体、Ｓｉ、サイアロン、超硬合金もしく
はダイヤモンドが好ましい素材として例示され、この基
体は、ボンディングツールとしての特性を確保するため
予め研磨加工したものを使用することが望ましい。

【００１５】また、ツールの圧着作用部表面に形成され
る上記ダイヤモンドの他の好ましい例としては、鏡面加
工された気相合成用基板上に成膜して製造されたダイヤ
モンド膜を、該基板と接触していた面が表面側となる様
に前記圧着作用部に接合したもの、あるいは、研磨加工
したダイヤモンド表面をプラズマエッチングすることに
よって、Ｓｎ付着性を低減させたものが挙げられる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明者らは、ダイヤモンドが有
している優れた耐磨耗性や高熱伝導性等の特性を損なう
ことなく、ダイヤモンドの表面改質によってＳｎ付着を
防止すべく様々の角度から検討を進めた。その結果、ボ
ンディングツールとして従来から用いられている研磨加
工したダイヤモンドに比べて、以下に詳述する如く、ボ
ンディングツールの圧着作用部を構成する表面ダイヤモ
ンドの溶融Ｓｎとの接触角とＳｎ付着性の間には密接な
相関関係があり、ボンディングツールにおける圧着作用
部を構成する表面ダイヤモンドの、４００℃〜６００℃
における溶融Ｓｎとの接触角を１４５°以上にしてやれ
ば、溶融Ｓｎ／表面ダイヤモンドとの濡れ性が低減して
Ｓｎの付着性が著しく抑えられることを知った。即ち溶
融Ｓｎとの濡れ性が悪いダイヤモンドは、ボンディング
作業時においてもＳｎが付着し難くなることを見出した
のである。

【００１７】より具体的には、ボンディングツールにお
ける圧着作用部の表面を構成するダイヤモンドとして、１）基体表面に成膜したままのＣＶＤダイヤモンド、２）鏡面加工された気相合成用基板上に成膜して製造さ
れたダイヤモンド膜を、該基板と接触していた面が表面
側となる様に前記圧着作用部に接合したＣＶＤダイヤモ
ンド、或は、３）研磨加工したダイヤモンド表面をプラズマエッチン
グしたものとすれば、従来の研磨加工されたダイヤモン
ドを圧着作用部の表面構成材とするボンディングツール
に比べてＳｎとの濡れ性が低下し、Ｓｎ付着性が著しく
抑えられることが確認された。即ち圧着作用部の表面
を、上記の様な方法で作製したダイヤモンドとし、該表
面ダイヤモンド表面温度４００℃〜６００℃における溶
融Ｓｎとの接触角を１４５°以上としてやれば、Ｓｎの
付着性が可及的に阻止されるという事実をつきとめたの
である。ちなみに研磨加工された従来のダイヤモンド
は、表面温度４００℃〜６００℃における溶融Ｓｎとの
接触角が１３０°程度であり、ボンディング作業時に相
当のＳｎ付着が避けられないのである。

【００１８】上記の様な処理により前記接触角が１４５
°以上となり、Ｓｎ付着が抑えられる理由については、
その全てを解明したわけではないが、次の様に考えるこ
とができる。

【００１９】即ち、上記１）〜３）に示したダイヤモン
ド表面は、従来の研磨加工されたダイヤモンド表面に比
べると、研磨加工の影響が除去されていると考えられ
る。そしてダイヤモンドの様な硬質物質においても、研
磨加工等により加工変質層が生成することが知られてい
るが、上記のダイヤモンド表面ではこうした加工変質層
の影響を生じることがなく、ひいてはＳｎとの濡れ性が
悪くなってＳｎ付着が低減できたものと考えられる。

【００２０】ダイヤモンドの加工変質層についてもまだ
良く分かっていないが、研磨加工時に生成したマイクロ
クラック等が考えられ、研磨加工等によって表面状態が
活性すると、Ｓｎに対する濡れ性が高まってＳｎ付着が
起こり易くなると考えられる。これに対して上記１），
２）では、ダイヤモンド表面は気相合成によって成膜さ
れたままの状態で研磨加工が施されていないため加工変
質層自体が存在せず、また上記３）では、プラズマエッ
チングにより加工変質層が除去され、その結果としてＳ
ｎ付着性が低減することが考えられる。

【００２１】また、固体の表面エネルギーは結晶面によ
って異なることが知られているが、ダイヤモンド表面を
機械的に研磨すると、表面エネルギーの高い結晶面が作
られることが考えられる。そして、研磨加工されたダイ
ヤモンド表面は未研磨ダイヤモンド表面に比べて相対的
に表面エネルギーが高まり、Ｓｎとの付着性が高くなる
ことが考えられる。ところが上記１）、２）では、表面
が成膜したままの未研磨ダイヤモンドであるため、研磨
ダイヤモンドよりも表面エネルギーが低く、また上記
３）では、プラズマ処理により高い表面エネルギーを持
った結晶面がエッチング除去され、その結果としてより
低い表面エネルギーの結晶面が露出することにより、Ｓ
ｎ付着性が低減することが考えられる。尚プラズマエッ
チングには酸素プラズマを使用するのが最も一般的であ
るが、要はダイヤモンドの表面エネルギーの高い部分を
エッチングし得るものであれば酸素プラズマに限定され
る理由はなく、例えば水素プラズマエッチングを採用す
ることも可能である。

【００２２】上記ダイヤモンドを圧着作用部の表面とす
るボンディングツールの好ましい実施形態としては、例
えば次の様な構成が挙げられる。

【００２３】ａ）研磨加工することによりボンディング
ツールに要求される平坦度を確保したダイヤモンド圧着
作用部を備えたボンディングツールの、該圧着作用部を
構成するダイヤモンド表面にプラズマエッチング処理を
施し、研磨加工変質層を除去したもの。

【００２４】ｂ）研磨加工することによりボンディング
ツールに要求される平坦度を確保したダイヤモンド圧着
作用部を備えたボンディングツールの該ダイヤモンド上
に、その表面粗さがＲｙで４μｍ以下の気相合成ダイヤ
モンドを成膜し、研磨加工することなくそのままとした
もの（ここで、圧着作用部の表面を構成する気相合成ダ
イヤモンドの表面粗さをＲｙで４μｍ以下にした理由
は、それより粗面である場合はダイヤモンド表面の凹部
にＳｎが付着堆積し易くなり、一旦Ｓｎが付着するとク
リーニングが困難になるからである）。尚このとき、気
相合成ダイヤモンドが形成される基材ダイヤモンドは、
ボンディングツールに求められる平坦度を確保し得るも
のであればよく、気相合成ダイヤモンドでも又単結晶ダ
イヤモンドや焼結体ダイヤモンドであっても差し支えな
い。

【００２５】ｃ）基材としてＳｉ、ＳｉＣ焼結体、Ｓｉ
₃ Ｎ₄ 焼結体、ＡｌＮ焼結体、サイアロン、超硬合金
（Ｋ１０，Ｍ３０，Ｐ３０など）等を使用し、その表面
を研磨加工してボンディングツールに要求される平坦度
を確保した基体部に、表面粗さがＲｙで４μｍ以下の気
相合成ダイヤモンドを成膜したもの（ここで、圧着作用
部の表面を構成する気相合成ダイヤモンドの表面粗さを
Ｒｙで４μｍ以下にした理由は、前記ｂ）で示したのと
同じである）。

【００２６】ｄ）鏡面で且つ平坦に研磨加工された気相
合成用基板（Ｓｉ基板など）上に、気相合成法によって
ダイヤモンドを成膜し、該基板と接触していた面が表面
側となる様に前記圧着作用部にろう材を用いて接合した
もの。

【００２７】かくして本発明によれば、特に圧着作用面
のＳｎに対する濡れ性を低減することによって、ボンデ
ィング作業時におけるＳｎの付着を抑えると共にその除
去も容易にすることができ、クリーニング作業の頻度を
大幅に少なくできると共に長寿命で優れたボンディング
作業性を得ることのできるボンディングツールを提供し
得ることになった。

【００２８】

【実施例】以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をよ
り具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例に
よって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適
合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論
可能であり、それらはいずれも本発明の技術範囲に含ま
れる。

【００２９】なお本発明において、各種ダイヤモンドと
溶融Ｓｎとの濡れ性を評価する接触角および表面粗さ
は、下記の方法によって測定した。

【００３０】（接触角の測定法）真空チャンバ内の試料
台に試料を被測定面が水平となる様に置き、その表面に
約０．０５ｇのＳｎ粒を載置し、チャンバ内を真空引き
してから水素雰囲気（１０ｔｏｒｒ）にした後、ヒータ
をオンにして試料の表面温度を４００〜６００℃に高
め、溶融したＳｎと試料との接触角をチャンバの窓から
観察して測定する。

【００３１】（表面粗さの測定法）ＪＩＳＢ０６０
１に準拠して測定した。

【００３２】実施例１表１に示す如く、基体表面に各種のダイヤモンド膜を形
成し、あるいは成膜後研磨処理を施し、もしくは更に酸
素プラズマエッチングを施し、夫々について表面粗さを
測定すると共に、表面温度４００℃および６００℃にお
ける溶融Ｓｎとの接触角を測定した。なおダイヤモンド
成膜法、研磨法、酸素プラズマエッチング条件はそれぞ
れ下記の通りとした。結果を表１に示す。

【００３３】（ダイヤモンドの成膜方法）・合成方法：熱フィラメント法（フィラメント温度；２
２００℃）・原料ガス：エタノール／水素＝３％（トータル流量；
１００ｃｃｍ）・チャンバー圧力：８０Ｔｏｒｒ・基板温度：９００℃ ・基板：ＳｉＣ焼結体（１２^L ×１２^W ×２ｍｍ^t ）ま
たは鏡面Ｓｉウエハ（ダイヤモンドの研磨方法）・砥石：ダイヤモンド砥石，ＳＤ＃１５００（ビドリフ
ァイドボンド砥石）・回転数：２５００ｒｐｍ（酸素プラズマエッチング条件）・プラズマパワー：１００Ｗ・圧力：０．５Ｔｏｒｒ・インプットガス：Ｏ₂ ・処理時間：１〜１０分

【００３４】

【表１】

【００３５】表１からも明らかである様に、試料Ｎｏ．
１，２（比較例）は、研磨処理を施した従来品（Ｎｏ．
８）と略同程度のＳｎ接触角を有しているのに対し、Ｎ
ｏ．３〜７（実施例）の溶融Ｓｎとの接触角は著しく高
く、Ｓｎとの濡れ性が低いことが分かる。

【００３６】また、上記Ｎｏ．１〜１０について夫々ボ
ンディングツールを作製し、下記の条件でボンディング
試験を行なったところ、Ｎｏ．１，２，８，９，１０で
は３０ショット後に圧着作用面にＳｎが多量付着し、ク
リーニング処理が必要となった。これに対しＮｏ．４〜
７では、前記Ｎｏ．１等の３０ショット後と同程度のＳ
ｎ付着が見られるのは２００〜３００ショット後に延長
され、しかも該付着Ｓｎ除去の為のクリーニング処理も
簡単に行なうことができた。また、Ｎｏ．３では、前記
Ｎｏ．１等の３０ショット後と同程度のＳｎ付着が見ら
れるのは２００〜３００ショット後に延長されたが、表
面粗さが大き過ぎるため付着Ｓｎ除去の為のクリーニン
グ処理がやや困難であった。

【００３７】（ボンディング試験）温度：５４０℃ クリーニング砥石：Ａｌ₂ Ｏ₃ リード／バンプの組合せ：Ｓｎめっき銅線／Ａｕ

【００３８】実施例２表２に示す如く、圧着作用面の構成を種々変えたボンデ
ィングツールを作製し、夫々について上記と同様のボン
ディング試験を行なった。尚ボンディングツールの構成
は、図１（Ａ），（Ｂ）に示す２つのタイプのものとし
た（図中、１はシャンク部、２は接合層、３はセラミッ
クス、４は圧着作用面を構成するダイヤモンド層を示し
ている）。

【００３９】なお試料Ｎｏ．１１〜１４については、超
硬（Ｋ１０）とシャンク部を接合した後、超硬の圧着作
用面を研磨加工してボンディングツールに要求される平
坦度を確保した後、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によっ
て下記の条件でダイヤモンド膜を形成した。（ダイヤモンド膜形成条件）チャンバー圧力：３０ｔｏｒｒ試料温度：８００℃ マイクロ波出力：３ｋｗ使用ガス：Ｈ₂ ＋ＣＨ₄ （ＣＨ₄ 濃度０．２％）

【００４０】試料Ｎｏ．１５については、熱フィラメン
ト法により６０μｍの膜厚のダイヤモンドをＳｉＣ焼結
体に成膜し、該ＳｉＣ焼結体とシャンク部を接合した
後、ダイヤモンド部を研磨してボンディングツールに要
求される平坦度を確保し、研磨加工した該ダイヤモンド
上にマイクロ波プラズマＣＶＤ（上記と同じ条件）によ
り、表面粗さがＲｙ：０．３となる様にダイヤモンドを
成膜した。

【００４１】試料Ｎｏ．１６については、熱フィラメン
ト法により６０μｍの膜厚のダイヤモンドをＳｉ₃ Ｎ₄
焼結体に成膜し、該Ｓｉ₃ Ｎ₄ 焼結体とシャンク部を接
合した後、ダイヤモンド部を研磨してボンディングツー
ルに要求される平坦度を確保し、次いでダイヤモンド部
を酸素含有プラズマ中で５分間エッチングした。

【００４２】試料Ｎｏ．１７については、鏡面で且つ平
坦に研磨加工されたＳｉ基板上に熱フィラメント法によ
り５０μｍのダイヤモンド膜を形成し、次いでＳｉ基板
を取り除いたダイヤモンド自立膜を用いて、Ｓｉ基板と
接していた面がボンディング面となる様にシャンク部に
ろう付け接合した。

【００４３】試料Ｎｏ．１８については、ＳｉＣ焼結体
の圧着作用面に、熱フィラメント法により６０μｍの膜
厚のダイヤモンド膜を形成し、該ＳｉＣ焼結体とシャン
ク部を接合した後、ダイヤモンド部を研磨してボンディ
ングツールに要求される平坦度を確保した。

【００４４】上記８種類のボンディングツールを使用
し、前記と同じ条件でボンディング試験を行なったとこ
ろ、表２に併記する結果を得た。

【００４５】

【表２】

【００４６】表２からも分かる様に、試料Ｎｏ．１１〜
１３、１５、１６、１７は本発明の規定要件を満たす実
施例であり、クリーニング処理は２００ショットに１回
の割合でよかったが、Ｎｏ．１８の比較例ではＳｎの付
着が著しく、２０ショットに１回の割合で必要であっ
た。また、Ｎｏ．１４では、初期の２００ショットまで
は無事使えたが、表面粗さが大き過ぎるため２００ショ
ット後のクリーニングで付着したＳｎが取れきれず、残
ったＳｎにボンディング時に更に堆積し、次のボンディ
ングでは１０ショットでクリーニングが必要となったの
で使用を中止した。また寿命については、Ｎｏ．１５、
１６では２００万ショット、Ｎｏ．１１〜１３、１７で
は１５０万ショットの寿命が得られたが、Ｎｏ．１８で
は４０万ショットで寿命に達した。

【００４７】これらの実験からも明らかである様に、本
発明によれば、Ｓｎ付着が著しく抑えられてクリーニン
グ頻度を低減することができ、長寿命化およびボンディ
ング作業性の向上に寄与することができる。

【００４８】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、ボ
ンディングツールの圧着作用部を構成するダイヤモンド
膜の溶融Ｓｎとの接触角を規定することによって、Ｓｎ
に対する濡れ性を低減してＳｎの付着を可及的に抑制す
ることができ、クリーニング頻度を少なくし、ボンディ
ングツールの長寿命化を達成すると共にボンディング作
業性を高め得ることになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例で用いたボンディングツールの構成を示
す説明図である。

【符号の説明】

１シャンク部２接合層３セラミックス４ダイヤモンド層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ボンディングツールにおける圧着作用部
の表面が、表面温度４００℃〜６００℃における溶融Ｓ
ｎとの接触角が１４５°以上のダイヤモンドによって構
成されていることを特徴とするボンディングツール。
【請求項２】上記ダイヤモンドは、基体上に気相合成
法によって形成したままのダイヤモンド層からなり、表
面粗さがＲｙで４μｍ以下である請求項１記載のボンデ
ィングツール。
【請求項３】上記基体が、ＳｉＣ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ または
ＡｌＮを主成分とする焼結体、Ｓｉ、サイアロン、超硬
合金もしくはダイヤモンドからなり、予め研磨加工され
たものである請求項２記載のボンディングツール。
【請求項４】上記ダイヤモンドは、鏡面加工された気
相合成用基板上に成膜して製造されたダイヤモンド膜
を、該基板と接触していた面が表面側となる様に前記圧
着作用部に接合したものである請求項１記載のボンディ
ングツール。
【請求項５】上記ダイヤモンドは、研磨加工したダイ
ヤモンド表面をプラズマエッチングしたものである請求
項１記載のボンディングツール。