WO2022211370A1 - 초경 몸체에 일체화 된 다결정 다이아몬드 팁을 구비하는 고평탄 본딩 공구 - Google Patents

초경 몸체에 일체화 된 다결정 다이아몬드 팁을 구비하는 고평탄 본딩 공구 Download PDF

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WO2022211370A1
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WO
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bonding tool
bonding
polycrystalline diamond
carbide body
diamond tip
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PCT/KR2022/004144
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박기표
이상용
문환균
이은비
류민호
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일진다이아몬드(주)
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10—Sintering only
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/12—Both compacting and sintering
    • B22F3/14—Both compacting and sintering simultaneously
    • B22F3/15—Hot isostatic pressing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/02—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite layers

Definitions

  • the present invention relates to a bonding tool, and more particularly, to a bonding tool used for mounting a semiconductor device.
  • TAB Tape Automated Bonding
  • COF Chip on Film
  • a bonding tool is used to bond a semiconductor device such as a Distplay Driver IC (DDI) and a lead on a film by thermocompression bonding.
  • DAI Distplay Driver IC
  • the bonding tool includes a body portion 12 coupled to a holder of the bonding device and a tip portion joined to the body portion.
  • diamond for the tip portion, diamond, for example, vapor-phase synthetic diamond, diamond single crystal, or diamond sintered body may be used in order to obtain flatness of the tool surface, wear resistance, uniformity of temperature distribution, and the like.
  • a substrate 14 having a CVD diamond 15 formed thereon is used.
  • the substrate 14 is coupled to the body 12 by soldering or brazing via soldering (or bonding material).
  • a metal material made of molybdenum, cemented carbide, nickel base alloy, tungsten or tungsten alloy, iron-nickel cobalt alloy, stainless steel, iron-nickel alloy, titanium or titanium alloy, etc. is used as the body 12 .
  • heterogeneous materials such as a body, a solder (or bonding material), a substrate, and a diamond are used in a conventional bonding tool. Since these dissimilar materials have different coefficients of thermal expansion, thermal deformation such as distortion or warpage occurs in a high-temperature manufacturing process or in a high-temperature use environment (400 ⁇ 500°C), and due to such thermal deformation, the tip of the bonding tool is required There is a problem in that the flatness cannot be maintained.
  • an object of the present invention is to provide an integrated bonding tool for minimizing a difference in thermal expansion coefficient in a manufacturing process or a use environment.
  • an object of the present invention is to provide a bonding tool that is easy to manufacture and process in one piece and can achieve high flatness by processing.
  • Another object of the present invention is to provide a bonding tool having high flatness even in a high-temperature use environment.
  • Another object of the present invention is to provide a bonding tool capable of suppressing thermal deformation at a high temperature in a manufacturing process or a use environment.
  • Another object of the present invention is to provide a bonding tool having a large-area diamond tip.
  • Another object of the present invention is to provide a manufacturing method suitable for manufacturing the above-described bonding tool.
  • the present invention provides a bonding tool for coupling to a holder of a bonding device for thermocompression bonding a semiconductor device and a wiring device, wherein the bonding tool is coupled to a holder for coupling with the holder of the bonding device on one side.
  • a single carbide body having a portion and a heater insertion hole therein; And it provides a bonding tool comprising a polycrystalline diamond tip coupled to the other side of the carbide body.
  • the cemented carbide body preferably has a non-bonding structure.
  • the polycrystalline diamond tip is preferably coupled to the cemented carbide body by high-temperature and high-pressure sintering. At this time, the polycrystalline diamond tip may be coupled by diffusion of the metal binder in the carbide body.
  • the other side of the cemented carbide body may be provided with a protrusion for mounting the polycrystalline diamond tip.
  • the protrusion may be in the shape of a band extending across the surface of the carbide body.
  • the bonding tool preferably has room temperature and high temperature flatness of 2 ⁇ m or less at a length of 25 mm or more of the polycrystalline diamond tip.
  • the present invention provides a method for manufacturing a bonding tool for bonding a semiconductor element and a wiring element to a holder of a bonding apparatus for thermocompression bonding, laminating a diamond powder compact on a cemented carbide base material and sintering at high temperature and high pressure to prepare a sintered body having a laminate structure including a cemented carbide base material and a polycrystalline diamond layer; planarizing the sintered body; and processing the sintered body, wherein the processing step includes processing an outer shape of the sintered body; And it provides a method of manufacturing a bonding tool comprising the step of processing the hole in the sintered body.
  • the diamond powder compact preferably does not include a metal binder.
  • the processing step may include processing the polycrystalline diamond layer to form a polycrystalline diamond tip, and the polycrystalline diamond tip may have a band shape extending across the surface of the cemented carbide body on the cemented carbide body.
  • the processing step may include electric discharge machining or laser machining.
  • the high-temperature and high-pressure sintering step is preferably performed at a temperature of 1300-1700° C. and a pressure of 5-10 GPa.
  • the present invention it is possible to provide an integrated bonding tool that minimizes the difference in the coefficient of thermal expansion in the manufacturing process or the use environment.
  • the present invention can provide a bonding tool that is easy to manufacture and process in one piece, and can achieve high flatness by processing.
  • the present invention can exhibit high flatness even in a high-temperature environment by suppressing thermal deformation at a high temperature in a manufacturing process or a use environment. Accordingly, the present invention can provide a bonding tool having a large-area diamond tip.
  • FIGS. 2A and 2B are a perspective view and a bottom perspective view of a bonding tool according to an embodiment of the present invention, respectively.
  • FIG 3 is a view for explaining an example of using a bonding tool according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart schematically illustrating a method of manufacturing a bonding tool according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a photograph taken after flat processing of the sintered body manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a photograph taken of the bonding tool of the present invention manufactured according to the sintering and machining process.
  • FIGS. 2A and 2B are a perspective view and a bottom perspective view, respectively, according to an embodiment of the present invention.
  • the bonding tool 100 includes a carbide body 110 and a polycrystalline diamond tip 120 .
  • the carbide body 110 has a hexahedral outline as shown, but the present invention is not limited thereto.
  • a polycrystalline diamond tip 120 is provided on one side of the carbide body 110 , and a portion of the upper surface of the carbide body protrudes for mounting the tip 120 to form a protrusion 118 .
  • the protrusion 118 has a band shape extending in the longitudinal direction while forming the mesa structure of the tip 120 .
  • the shape of the tip is exemplary, and may be a shape that follows the bump arrangement shape of the semiconductor device.
  • two or more rows of band-shaped heaters may be arranged in the bonding tool of the present invention.
  • the bonding tool has room temperature flatness or high temperature flatness of the polycrystalline diamond tip of 2 ⁇ m or less in the area of 25 mm, 30 mm, or 35 mm tip length or more. Or, it is preferable to have room temperature flatness and high temperature flatness of 2 ⁇ m or less in an area of 135 m 2 or more with a tip area.
  • the surface of the polycrystalline diamond tip may have a convex or concave shape.
  • the surface of the polycrystalline diamond tip has a concave shape at a high temperature to prevent bump open of the semiconductor element at both ends of the tip and the lead circuit on the film.
  • the high-temperature flatness is based on a value measured at a temperature of 480°C, and the flatness may be measured by either white light scanning interferometry (WSI) or phase shift interferometry (PSI).
  • WSI white light scanning interferometry
  • PSI phase shift interferometry
  • the flatness may be measured by white light scanning interferometry.
  • room temperature and high temperature flatness of the bonding tool may have a value of, for example, 1.5 ⁇ m or more.
  • Heater insertion holes 112A and 112B arranged parallel to the tip 120 are provided on the inner side of the carbide body 110, that is, in the middle, and a temperature sensor is inserted between the heater insertion holes 112A and 112B and the tip. Holes 113A and 113B are provided. A heater (not shown) and a temperature sensor (not shown) such as a thermocouple are inserted into the insertion holes 112A, 112B, 113A, and 113B, respectively, and are used to control the temperature of the bonding tool.
  • the other side of the carbide body 110 is provided with fastening parts (115A, 115B) as a coupling mechanism for mounting to a holder (not shown) of the bonding device.
  • the fastening parts 115A and 115B may have screw holes as shown and be fastened to the holder by means such as bolts.
  • the fastening parts (115A, 115B) protrude to the side of the carbide body, but the present invention is not limited thereto, and the shape of the fastening part may be implemented in various ways.
  • a vacuum hole 114 may be provided inside the cemented carbide body 110 .
  • the vacuum hole 114 forms a flow path passing through the carbide body at the tip 120 of the carbide body 110 .
  • the vacuum hole 114 allows a semiconductor device such as a driver IC in contact with the tip 120 to be vacuum-adsorbed.
  • additional holes such as a position fixing hole 116 for setting a holder fixing position may be formed in the carbide body.
  • the carbide body 110 is composed of a single component.
  • 'single' means that two or more components, either homogeneous or heterogeneous, are chemically bonded or not mechanically bonded. This is compared to the conventional bonding tool described with reference to FIG. 1, wherein the body 12 and the substrate 14 are formed by bonding and are not a single component.
  • the cemented carbide body 110 of the present invention is obtained by processing a single homogeneous cemented carbide member.
  • the polycrystalline diamond tip 120 is a sintered body including polycrystalline diamond and a metal binder.
  • the metal binder of the polycrystalline diamond tip 120 may be derived from the cemented carbide body 110 . More preferably, the polycrystalline diamond tip 120 is sintered and integrated without using a separate binder. This will be described later.
  • 3 is a view for explaining an example of using the bonding tool of the present invention.
  • a bonding tool 100 is mounted on a holder 200 of a bonding apparatus (not shown).
  • a heater is mounted inside the bonding tool 100 .
  • the polycrystalline diamond tip 120 of the bonding tool 100 vacuum-adsorbs a semiconductor device such as, for example, a display driver IC (hereinafter referred to as 'DDI'; 10).
  • the bonding device transports the bonding tool 100 and aligns it on the film 20 on which metal wiring such as a lead is formed.
  • the heater built into the bonding tool 100 is heated according to the driving of the bonding device, and the holder of the device presses the bonding tool 100 to bond the bump 12 of the DDI to the metal wiring 22 on the film. do.
  • the cemented carbide base material of the above-described bonding tool is heated to a temperature of about 400 ⁇ 500 °C.
  • the cemented carbide body and the polycrystalline diamond tip 120 which are each component constituting the bonding tool, are heated, respectively.
  • thermal deformation occurs due to the difference in thermal expansion of each component.
  • the thermal strain generated in the polycrystalline diamond tip generated in this process can be divided into two components. One is a deformation component in a direction parallel to the pressing axis (1), and the other is a deformation component in a direction perpendicular to the pressing axis. It is (2).
  • the former acts uniformly across the contact surface of the polycrystalline diamond tip, whereas the latter does not. Due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the cemented carbide base material and the polycrystalline diamond tip 120 , thermal deformation in a direction perpendicular to the pressure axis occurs during heating, and accordingly, the polycrystalline diamond tip causes warpage. This bending deformation affects the flatness of the polycrystalline diamond tip.
  • the bending deformation occurring in the carbide body is suppressed by using a carbide body of a single component, unlike the conventional method of manufacturing a bonding body by bonding or mechanically combining two or more components.
  • the interface between the cemented carbide body and the polycrystalline diamond tip does not act as a heterogeneous component.
  • FIG. 4 is a flowchart schematically illustrating a method of manufacturing a bonding tool according to an embodiment of the present invention.
  • a diamond powder compact is manufactured ( S110 ).
  • the diamond powder compact may be manufactured by mixing diamond powder and an organic binder to prepare a slurry, then molding and drying the slurry.
  • the diamond powder compact may be formed in a sheet form. In this case, it is preferable to use a diamond powder having a particle diameter in the range of 0.5 to 50 ⁇ m.
  • the diamond powder compact contains substantially no metal binder.
  • HTHP high temperature and high pressure
  • This process is carried out under high temperature and pressure in which the diamond exists in a stable state by charging the compact into a refractory crucible made of a high-melting-point material (eg, Ta, Mo, Nb, etc.) of 2000°C or higher.
  • a high-melting-point material eg, Ta, Mo, Nb, etc.
  • the metal binder (for example, Co) in the cemented carbide base material is melted at the sintering temperature to form a liquid phase, and the metal liquid phase is squeezed out from the cemented carbide base material by the pressure applied during the sintering process to form a liquid phase between the diamond powder of the molded body. infiltration into the pores.
  • the diamond powder compact is liquid-phase sintered by liquid-phase penetration.
  • high-temperature and high-pressure sintering may be performed at a temperature and pressure of 1300-1700° C. and 5-10 GPa.
  • the sintered compact processing process for obtaining a bonding tool in the present invention is as follows. However, each processing process described below does not necessarily have to be performed, and it goes without saying that the order of each processing process may be changed.
  • the upper and/or lower surfaces of the sintered body are ground and lapped.
  • the polycrystalline diamond layer and the underlying cemented carbide base material are integrated by sintering, the flatness of the entire sintered body can be improved by lapping and grinding.
  • the diameter of the sintered body in the picture is about 60 mm
  • the thickness is about 20-30 mm
  • the thickness of the polycrystalline diamond tip is 0.5 mm. According to the present invention, it is possible to manufacture a large-area bonding tool having a maximum diameter of 60 mm and a thickness of 20 to 30 mm.
  • the sintered body is machined according to the predetermined shape of the bonding tool as shown in FIGS. 2A and 2B .
  • This machining can be performed, for example, by wire cut electric discharge machining (WEDM).
  • WEDM wire cut electric discharge machining
  • the holes 112A, 112B, 113A, 113B, and 114 of FIGS. 2A and 2B are machined in the carbide part by electric discharge machining, and other tap machining is performed.
  • Vacuum hole processing, chamfer processing, etc. are performed on the polycrystalline diamond part by laser processing.
  • the electric discharge machining marks are removed by polishing and coated.
  • TiN, TiCN, TiAlN, AlTiN, AlCrN, CrN or CrAlN can be coated on the tool using the PVD coating method, which is a physical vapor deposition method.
  • FIG. 6 is a photograph taken of the bonding tool of the present invention manufactured according to the sintering and machining process.
  • a sintered body was prepared by charging a diamond powder compact with a particle diameter of 0.5-50 ⁇ m and a WC-Co cemented carbide base material into a refractory crucible and sintering at 1,500° C. and 7 GPa at high temperature and high pressure.
  • the prepared sintered body was ground and lapped. Specifically, the carbide body was ground by using a diamond wheel in a planar grinding machine, and the polycrystalline diamond layer was subjected to lapping and polishing using a diamond slurry in a lapping machine and a polishing machine.
  • a bonding tool as shown in FIG. 6 was manufactured through shape processing and hole processing. The manufactured bonding tool had a thickness of 25mm, and the polycrystalline diamond tip was 35(W)mm*5(L)mm*0.5(T)mm.
  • the room-temperature flatness of the bonding tool manufactured in Preparation Example 1 was measured by white-light scanning interferometry in an area of 34(W)mm*4(L)mm of the polycrystalline diamond tip.
  • the measurement method and conditions are as follows.
  • the room temperature flatness was 1.6 ⁇ m.
  • the high temperature (480° C.) flatness of the manufactured bonding tool was measured.
  • the high-temperature flatness was measured using a phase shifting interferometry (PSI) method for a polycrystalline diamond tip 34(W)mm*4(L)mm area.
  • PSI phase shifting interferometry
  • a polycrystalline diamond tip 34(W)mm*4(L)mm area was measured by phase shifting interferometry (PSI) for room temperature and high temperature (480° C.) flatness of the bonding tool manufactured in Preparation Example 1.
  • PSI phase shifting interferometry
  • the room temperature flatness was 1.6 ⁇ m and the high temperature flatness was 1.3 ⁇ m.
  • the bonding tool prepared in Preparation Example 1 was repeatedly tested by pressing at a high temperature.
  • the test conditions are as follows.
  • the room temperature flatness before the test, after 2 million tests, and after 4 million tests was measured by white-light scanning interferometry, and is shown in Table 2 below.
  • the present invention is applicable to a bonding tool used for mounting a semiconductor device.

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Abstract

반도체 소자의 장착에 사용되는 본딩 공구가 개시된다. 본 발명은 반도체 소자와 배선 소자를 열압착하기 위하여 본딩 장치의 홀더에 결합하는 본딩 공구에 있어서, 상기 본딩 공구는, 일측에 상기 본딩 장치의 홀더와 결합하기 위한 홀더 결합부를 구비하고, 내측에 히터 삽입홀을 구비하는 단일의 초경 몸체; 및 상기 초경 몸체의 타측에 결합된 다결정 다이아몬드 팁을 구비하는 것을 특징으로 하는 본딩 공구를 제공한다. 본 발명에 따르면, 제조 공정 또는 사용 환경에서 열팽창율차를 최소화 하는 일체형 본딩 공구를 제공할 수 있게 된다.

Description

초경 몸체에 일체화 된 다결정 다이아몬드 팁을 구비하는 고평탄 본딩 공구
본 발명은 본딩 공구에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 소자의 장착에 사용되는 본딩 공구에 관한 것이다.
TAB(Tape Automated Bonding)이나 COF(Chip on film) 기술에서 DDI(Distplay Driver IC)와 같은 반도체 소자와 필름상의 리드(lead)를 가열 압착하여 본딩하는 데 본딩 공구가 사용되고 있다.
도 1은 종래의 전형적인 본딩 공구의 일례를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본딩 공구는 본딩 장치의 홀더에 결합되는 몸체부(12)와 상기 몸체부에 접합되는 선단부로 이루어진다. 이 때, 선단부는 공구면의 평탄도, 내마모성, 온도 분포의 균일성 등을 얻기 위하여 다이아몬드 예컨대 기상 합성 다이아몬드, 다이아몬드 단결정 또는 다이아몬드 소결체가 사용될 수 있다.
일례로, 도 1에는 선단부로 CVD 다이아몬드(15)가 형성된 기판(14)이 사용되고 있다. 이 때, 기판(14)은 솔더(또는 접합재)를 개재하여 솔더링 또는 브레이징 등의 방식으로 몸체(12)에 결합된다.
한편, 상기 몸체(12)로는 몰리브덴, 초경합금, 니켈 베이스 합금, 텅스텐 또는 텅스텐 합금, 철-니켈 코발트 합금, 스테인레스강, 철-니켈 합금, 티탄 또는 티탄 합금 등으로 만들어진 금속재가 사용된다.
이와 같이 종래의 본딩 공구에는 몸체, 솔더(또는 접합재), 기판 및 다이아몬드라는 이종의 소재들이 사용되고 있다. 이와 같은 이종 소재들은 상이한 열팽창율을 가지므로, 고온의 제조 공정 또는 고온의 사용 환경(400~500℃)에서 뒤틀림이나 휨 등의 열변형이 발생하며, 이러한 열변형으로 인해 본딩 공구의 팁은 요구되는 평탄도를 유지할 수 없게 되는 문제점이 있다.
이러한 열변형으로 인한 평탄도 문제는 대면적의 다이아몬드 팁을 갖는 본딩 공구의 제조에 실질적인 장애가 되고 있으며, 특히 고온 환경에서 사용되는 열압착 방식의 본딩 공구는 많은 수의 범프를 동시에 가열 압착하기 위한 평탄도를 확보하기 어렵게 된다.
한편, 본딩 공구의 몸체와 팁의 결합 시 솔더를 대신하여 볼트 등의 결합 기구를 사용하는 경우도 있으나, 이 때에도 마찬가지로 볼트 등의 이종의 소재의 사용으로 인해 열변형이 불가피하게 발생하게 된다.
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 제조 공정 또는 사용 환경에서 열팽창율차를 최소화 하기 위한 일체형 본딩 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 일체형으로 제조 및 가공이 용이하며 가공에 의해 높은 평탄도의 구현이 가능한 본딩 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 고온 사용 환경에서도 높은 평탄도를 갖는 본딩 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 제조 공정 또는 사용 환경의 고온에서 열변형을 억제할 수 있는 본딩 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 대면적의 다이아몬드 팁을 갖는 본딩 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전술한 본딩 공구의 제조에 적합한 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 반도체 소자와 배선 소자를 열압착하기 위하여 본딩 장치의 홀더에 결합하는 본딩 공구에 있어서, 상기 본딩 공구는 일측에 상기 본딩 장치의 홀더와 결합하기 위한 홀더 결합부를 구비하고, 내측에 히터 삽입홀을 구비하는 단일의 초경 몸체; 및 상기 초경 몸체의 타측에 결합된 다결정 다이아몬드 팁을 구비하는 것을 특징으로 하는 본딩 공구를 제공한다.
본 발명에서 상기 초경 몸체는 무접합 구조를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 다결정 다이아몬드 팁은 고온고압 소결에 의해 상기 초경 몸체에 결합되는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 다결정 다이아몬드 팁은 상기 초경 몸체 내의 금속 결합재의 확산에 의해 결합될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 초경 몸체의 타측에는 상기 다결정 다이아몬드 팁의 장착을 위한 돌출부를 구비할 수 있다. 이 때, 상기 돌출부는 초경 몸체 표면을 가로질러 연장되는 밴드 형상일 수 있다.
본 발명에서 상기 본딩 공구는 상기 다결정 다이아몬드 팁의 길이 25mm 이상에서 2㎛ 이하의 상온 및 고온 평탄도를 갖는 것이 바람직하다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 반도체 소자와 배선 소자를 열압착하기 위하여 본딩 장치의 홀더에 결합하는 본딩 공구의 제조 방법에 있어서, 초경 모재 상에 다이아몬드 분말 성형체를 적층하고 고온고압 소결하여 초경 모재와 다결정 다이아몬드층을 포함하는 적층 구조의 소결체를 제조하는 단계; 상기 소결체를 평탄화하는 단계; 및 상기 소결체를 가공하는 단계를 포함하고, 상기 가공 단계는 상기 소결체의 외형을 가공하는 단계; 및 상기 소결체를 홀 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 본딩 공구의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에서 상기 다이아몬드 분말 성형체는 금속 결합재를 포함하지 않는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 가공 단계는 다결정 다이아몬드층을 가공하여 다결정 다이아몬드 팁을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 다결정 다이아몬드 팁은 초경 몸체 상에서 상기 초경 몸체 표면을 가로질러 연장되는 밴드 형상일 수 있다.
본 발명에서 상기 가공 단계는 방전 가공을 포함하거나 레이저 가공을 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 고온고압 소결 단계는 1300~1700℃의 온도 및 5~10 GPa의 압력에서 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 제조 공정 또는 사용 환경에서 열팽창율차를 최소화 하는 일체형 본딩 공구를 제공할 수 있게 된다. 또한, 본 발명은 일체형으로 제조 및 가공이 용이하며 가공에 의해 높은 평탄도의 구현이 가능한 본딩 공구를 제공할 수 있게 된다. 또한, 본 발명은 제조 공정 또는 사용 환경의 고온에서 열변형을 억제함으로써 고온 환경에서도 높은 평탄도를 나타낼 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 대면적의 다이아몬드 팁을 갖는 본딩 공구를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 전형적인 본딩 공구의 일례를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 본딩 공구의 사시도 및 저면 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 본딩 공구의 사용 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 본딩 공구의 제조 방법을 모식적으로 나타낸 절차도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 소결체를 평탄 가공한 후에 촬영한 사진이다.
도 6은 소결 및 가공 공정에 따라 제조된 본 발명의 본딩 공구를 촬영한 사진이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술하다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 사시도 및 저면 사시도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본딩 공구(100)는 초경 몸체(110) 및 다결정 다이아몬드 팁(120)을 포함하고 있다.
상기 초경 몸체(110)는 도시된 바와 같이 육면체 형상의 윤곽을 가지고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
상기 초경 몸체(110)의 일측에는 다결정 다이아몬드 팁(120)이 구비되어 있는데, 상기 팁(120)의 장착을 위해 상기 초경 몸체의 상면 일부가 돌출되어 돌출부(118)를 형성하고 있다. 예시적으로 상기 돌출부(118)는 상기 팁(120)의 메사 구조를 이루면서 길이 방향으로 연장되는 밴드 형태이다. 본 발명에서 상기 팁의 형상은 예시적인 것으로, 반도체 소자의 범프 배열 형상을 추종하는 형상일 수 있다. 또한, 본 발명의 본딩 공구에는 도시된 밴드 형태의 히터가 2열 이상 배열될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따르면, 본딩 공구는 본딩 공구는 다결정 다이아몬드 팁의 상온 평탄도 또는 고온 평탄도는 팁 길이 25mm, 30mm, 또는 35mm 영역 또는 그 이상의 영역에서 2㎛ 이하의 상온 평탄도 및 고온 평탄도를 갖거나 팁 면적 135m2 또는 그 이상의 영역에서 2㎛ 이하의 상온 평탄도 및 고온 평탄도를 갖는 것이 바람직하다. 본 발명에서 다결정 다이아몬드 팁의 표면은 볼록하거나 오목한 형상을 가질 수 있다. 바람직하게는, 다결정 다이아몬드 팁의 표면은 팁 양단부에서의 반도체 소자 범프(bump)와 필름 상의 리드(lead) 회로 미연결(bump open)을 방지하기 위하여 고온에서 오목한 형상을 갖는 것이 좋다.
이 때, 고온 평탄도는 480℃의 온도에서 측정된 값을 기준으로 하며, 상기 평탄도는 백색광 주사 간섭법(WSI) 또는 위상 천이 간섭법(PSI)의 어느 하나에 의해 측정될 수 있다. 바람직하게는 상기 평탄도는 백색광 주사 간섭법에 의해 측정될 수 있다. 또한, 본 발명에서 상기 본딩 공구의 상온 및 고온 평탄도는 예컨대 1.5㎛ 이상의 값을 가질 수 있다.
상기 초경 몸체(110)의 내측 즉 중간부에는 팁(120)과 평행하게 배열된 히터 삽입홀(112A, 112B)가 구비되어 있고, 상기 히터 삽입홀(112A, 112B)과 팁 사이에 온도센서 삽입홀(113A, 113B)이 구비된다. 상기 삽입홀(112A, 112B, 113A, 113B)에는 각각 히터(도시하지 않음) 및 열전대와 같은 온도센서(도시하지 않음)가 삽입되어 상기 본딩 공구의 온도 제어에 사용된다.
한편, 상기 초경 몸체(110)의 타측에는 본딩 장치의 홀더(도시하지 않음)로의 장착을 위한 결합 기구로서 체결부(115A, 115B)가 구비되어 있다. 상기 체결부(115A, 115B)는 도시된 바와 같이 나사홀을 구비하여 볼트 등의 수단에 의해 상기 홀더에 체결될 수 있다. 본 발명에서 상기 체결부(115A, 115B)는 초경 몸체 측방으로 돌출되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 상기 체결부의 형상은 다양하게 구현될 수 있음은 물론이다.
또한, 상기 초경 몸체(110)의 내측에는 진공 홀(114)이 구비될 수 있다. 상기 진공 홀(114)은 상기 초경 몸체(110)의 팁(120)에서 초경 몸체를 관통하는 유로를 형성하고 있다. 이 진공 홀(114)은 상기 팁(120)에 접촉하는 드라이버 IC와 같은 반도체 소자를 진공 흡착하게 한다.
그 밖에 초경 몸체에는 홀더 고정 위치를 설정하기 위한 위치 고정홀(116)과 같은 추가적인 홀들이 형성될 수 있다.
본 발명의 본딩 공구에서 초경 몸체(110)는 단일 콤포넌트로 구성된다. 여기서 '단일'이란 동종 또는 이종인 둘 이상의 컴포넌트가 화학적으로 결합하거나 기계적으로 결합하지 않았다는 것을 의미한다. 이것은 도 1과 관련하여 설명한 종래의 본딩 공구가 몸체(12)와 기판(14)이 접합에 의해 형성되어 단일 콤포넌트가 아닌 것과 비교된다. 이에 대하여, 후술하는 바와 같이, 본 발명의 초경 몸체(110)는 균질한 하나의 초경 부재를 가공하여 얻어진다.
본 발명에서 상기 다결정 다이아몬드 팁(120)은 다결정 다이아몬드와 금속 결합재를 포함하는 소결체이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 다결정 다이아몬드 팁(120)의 금속 결합재는 초경 몸체(110)로부터 유래될 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 다결정 다이아몬드 팁(120)은 별도의 결합재를 사용하지 않고 소결되어 일체화 되는 것이 바람직하다. 이에 대해서는 후술한다.
도 3은 본 발명의 본딩 공구의 사용 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본딩 공구(100)가 본딩 장치(도시하지 않음)의 홀더(200)에 장착된다. 상기 본딩 공구(100) 내부에는 히터가 탑재된다.
상기 본딩 공구(100)의 다결정 다이아몬드 팁(120)은 예컨대 디스플레이 드라이버 IC(이하 'DDI'라 함; 10)와 같은 반도체 소자를 진공 흡착하고 있다. 상기 본딩 장치는 상기 본딩 공구(100)를 이송하여 리드(lead)와 같은 금속 배선이 형성된 필름(20) 상에 정렬한다.
본딩 장치의 구동에 따라 본딩 공구(100)에 내장된 히터는 가열되며, 상기 장치의 홀더는 상기 본딩 공구(100)를 가압함으로써 상기 DDI의 범프(12)를 필름 상의 금속 배선(22)에 본딩한다.
상술한 본딩 공구의 초경 모재는 대략 400~500℃의 온도로 가열된다. 본딩 공구의 가열 상태에서 본딩 공구를 구성하는 각 콤포넌트인 초경 몸체와 다결정 다이아몬드 팁(120)은 각각 가열되는데, 이 때 각 콤포넌트의 열팽창차로 인해 열변형이 발생한다. 이 과정에서 발생하는 다결정 다이아몬드 팁에 발생하는 열변형은 크게 두 성분으로 구분할 수 있는데, 하나는 가압 축에 평행한 방향의 변형 성분(①)이고, 다른 하나는 가압 축에 수직한 방향의 변형 성분(②)이다.
두 성분 중 전자는 다결정 다이아몬드 팁의 접촉면 전체에 균일하게 작용하는 반면, 후자는 그렇지 않다. 초경 모재와 다결정 다이아몬드 팁(120)의 열팽창계수의 차이로 인해 가열 시 가압 축에 수직한 방향의 열변형이 발생되며 이에 따라 다결정 다이아몬드 팁은 휨 변형(warpage)을 일으킨다. 이러한 휨 변형은 다결정 다이아몬드 팁의 평탄도에 영향을 미치게 된다.
본 발명에 따르면, 둘 이상의 콤포넌트를 접합 또는 기계적 결합하여 본딩 몸체를 제조하던 종래와 달리 단일 콤포넌트의 초경 몸체를 사용함으로써 초경 몸체에서 발생하는 휨 변형을 억제하고 있다. 이에 더하여, 다결정 다이아몬드 팁 내의 금속 결합재를 최소화 함으로써 초경 몸체와 다결정 다이아몬드 팁의 계면이 이종(異種) 콤포넌트로 작용하지 않도록 하고 있다.
이하에서는 본 발명의 본딩 공구의 제조 방법을 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 본딩 공구의 제조 방법을 모식적으로 나타낸 절차도이다.
도 4를 참조하면, 다아이몬드 분말 성형체를 제조한다(S110). 다이아몬드 분말 성형체는 다이아몬드 분말과 유기 결합재를 혼합하여 슬러리를 제조한 후 성형 및 건조하여 제조될 수 있다. 예시적으로 상기 다이아몬드 분말 성형체는 시트 형태로 성형될 수 있다. 이 때, 다이아몬드 분말은 입경이 0.5 ~ 50㎛ 범위의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 다이아몬드 분말 성형체는 금속 결합재를 실질적으로 함유하지 않는다.
상기 다이아몬드 분말 성형체를 초경 모재 상에 적층한 후 고온고압(HTHP) 소결한다(S120, S130).
이 과정은 성형체를 2000℃이상의 고융점재료(예컨대 Ta, Mo, Nb 등)로 이루어진 내화물 도가니에 장입하여 다이아몬드가 안정한 상태로 존재하는 고온고압하에서 수행된다. 이 때, 초경 모재 내의 금속 결합재(예컨대 Co)는 소결 온도에서 용융하여 액상을 형성하는데, 소결 과정에서 가해지는 압력에 의해 초경 모재에서 금속 액상이 용출(squeeze out)되어 상기 성형체의 다이아몬드 분말 사이의 기공으로 침투(infiltration)한다. 액상의 침투에 의해 다이아몬드 분말 성형체는 액상 소결된다. 본 발명에서 고온고압 소결은 1300~1700℃, 5~10GPa의 온도 및 압력 조건에서 수행될 수 있다.
이어서 제조된 소결체를 가공한다(S140). 본 발명에서 본딩 공구를 얻기 위한 소결체 가공 과정은 다음과 같다. 다만, 이하에서 설명되는 각 가공 과정이 반드시 수행되어야 하는 것은 아니며, 각 가공 과정의 순서는 변경될 수 있음은 물론이다.
① 소결체 그라인딩 및 랩핑
소결체의 상면 및/또는 하면을 그라인딩 및 랩핑한다. 본 발명에서는 다결정 다이아몬드층과 하부의 초경 모재가 소결에 의해 일체화되어 있으므로, 랩핑 및 그라인딩에 의해 전체 소결체의 평탄도를 향상시킬 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 소결체를 평탄 가공한 후에 촬영한 사진이다. 사진의 소결체의 직경은 대략 60mm이고, 두께는 약 20~30mm이며, 다결정 다이아몬드 팁의 두께는 0.5 mm이다. 본 발명에 따르면, 최대 직경 60mm, 두께 20~30mm인 대면적의 본딩 공구의 제조가 가능하게 된다.
② 형상 가공
도 2a 및 도 2b와 같은 사전 결정된 본딩 공구의 형상에 따라 소결체를 가공한다. 이 가공은 예컨대 와이어 컷 방전가공(WEDM)에 의해 수행될 수 있다.
③ 홀 가공
방전 가공에 의해 초경부에 도 2a 및 도 2b의 홀(112A, 112B, 113A, 113B, 114)을 가공하고, 그 밖에 탭 가공을 수행한다.
레이저 가공에 의해 다결정 다이아몬드부에 진공 홀 가공, 챔퍼 가공 등을 수행한다.
④ 후처리 가공
연마에 의해 방전 가공 흔을 제거하고, 코팅한다. 코팅은 물리적 증착법인 PVD 코팅 공법을 사용하여 공구에 TiN, TiCN, TiAlN, AlTiN, AlCrN, CrN 또는 CrAlN을 코팅할 수 있다.
도 6은 소결 및 가공 공정에 따라 제조된 본 발명의 본딩 공구를 촬영한 사진이다.
<제조예 1>
입경 0.5~50㎛인 다아이몬드 분말 성형체와 WC-Co 초경 모재를 내화물 도가니에 장입하여 1,500℃, 7GPa에서 고온고압 소결하여 소결체를 제조하였다.
제조된 소결체를 그라인딩 및 랩핑하였다. 구체적으로, 초경 몸체를 평면 연삭기에서 다이아몬드 휠을 이용하여 연삭가공하고, 다결정 다이아몬드층을 래핑기와 폴리싱기에서 다이아몬드 슬러리를 이용하여 래핑 및 폴리싱 가공을 수행하였다. 형상 가공 및 홀 가공을 거쳐 도 6과 같은 본딩 공구를 제작하였다. 제작된 본딩 공구는 두께는 25mm이고, 다결정 다이아몬드 팁은 35(W)mm*5(L)mm*0.5(T)mm였다.
<시험예 1>
제조예 1에서 제작된 본딩 공구의 상온 평탄도를 백색광 주사 간섭법(White-Light Scanning interferometry)으로 다결정 다이아몬드 팁 34(W)mm*4(L)mm 영역을 측정하였다. 측정 방법 및 조건은 다음과 같다.
- 측정 장치 : Bruker Alicona社 Alicona InfiniteFocusSL
- 측정 표준 : ISO/TS 12781-1, 12781-2
측정 결과, 상온 평탄도는 1.6㎛였다
제작된 본딩 공구의 고온(480℃) 평탄도를 측정하였다. 고온 평탄도는 위상천이 간섭법(Phase shifting interferometry; PSI)으로 다결정 다이아몬드 팁 34(W)mm*4(L)mm 영역을 측정하였다.
<시험예 2>
제조예 1에서 제작된 본딩 공구의 상온 및 고온(480℃) 평탄도를 위상천이 간섭법(Phase shifting interferometry; PSI)으로 다결정 다이아몬드 팁 34(W)mm*4(L)mm 영역을 측정하였다.
측정 결과, 상온 평탄도는 1.6㎛, 고온 평탄도는 1.3㎛이었다.
<시험예 3>
제조예 1에서 제조된 본딩 공구를 고온에서 가압하여 반복 테스트하였다. 테스트 조건은 다음과 같다.
항목 테스트 조건
사용온도 400℃ ~ 500℃
사용압력 7~25kgf/cm2
1 사이클 시간 2.3sec/회
위 조건에 따라 테스트 전, 200만회 테스트 후, 400만후 테스트 후의 상온 평탄도를 백색광 주사 간섭법(White-Light Scanning interferometry)으로 측정하여, 아래 표 2에 나타내었다.
구분 상온 평탄도(㎛)
테스트 전 1.6
200만회 테스트 후 1.4
400만회 테스트 후 1.8
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양하게 구현될 수 있다.
본 발명은 반도체 소자의 장착에 사용되는 본딩 공구에 적용 가능하다.

Claims (13)

  1. 반도체 소자와 배선 소자를 열압착하기 위하여 본딩 장치의 홀더에 결합하는 본딩 공구에 있어서,
    상기 본딩 공구는,
    일측에 상기 본딩 장치의 홀더와 결합하기 위한 홀더 결합부를 구비하고, 내측에 히터 삽입홀을 구비하는 단일의 초경 몸체; 및
    상기 초경 몸체의 타측에 결합된 다결정 다이아몬드 팁을 구비하는 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초경 몸체는 무접합 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다결정 다이아몬드 팁은 고온고압 소결에 의해 상기 초경 몸체에 결합된 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 다결정 다이아몬드 팁은 상기 초경 몸체 내의 금속의 확산에 의해 결합된 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 초경 몸체는 상기 타측에는 상기 다결정 다이아몬드 팁의 장착을 위한 돌출부를 구비하는 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 돌출부는 초경 몸체 표면을 가로질러 연장되는 밴드 형상인 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 본딩 공구는 상기 다결정 다이아몬드 팁의 길이 25mm 이상에서 2㎛ 이하의 평탄도를 갖는 것을 특징으로 하는 본딩 공구.
  8. 반도체 소자와 배선 소자를 열압착하기 위하여 본딩 장치의 홀더에 결합하는 본딩 공구의 제조 방법에 있어서,
    초경 모재 상에 다이아몬드 분말을 적층하고 고온고압 소결하여 초경 모재와 다결정 다이아몬드층을 포함하는 적층 구조의 소결체를 제조하는 단계;
    상기 소결체를 평탄화하는 단계; 및
    상기 소결체를 가공하는 단계를 포함하고,
    상기 가공 단계는,
    상기 소결체의 외형을 가공하는 단계; 및
    상기 소결체를 홀 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 본딩 공구의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다이아몬드 분말은 금속 결합재를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 본딩 공구의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 가공 단계는 다결정 다이아몬드층을 가공하여 다결정 다이아몬드 팁을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 다결정 다이아몬드 팁은 초경 몸체 상에서 상기 초경 몸체 표면을 가로질러 연장되는 밴드 형상인 것을 특징으로 하는 본딩 공구의 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 가공 단계는 방전 가공을 포함하는 것을 특징으로 하는 본딩 공구의 제조 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 가공 단계는 레이저 가공을 포함하는 것을 특징으로 하는 본딩 공구의 제조 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 고온고압 소결 단계는 1300~1700℃의 온도 및 5~10GPa의 압력에서 수행되는 것을 특징으로 하는 본딩 공구의 제조 방법.
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