JP2005340400A - ワイヤーボンディング用キャピラリー - Google Patents

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Abstract

【課題】微小領域で３次元構造を示すキャピラリー先端部に密着性がよく膜厚が均一なＤＬＣ膜を得ることが困難で、ＤＬＣ膜表面にシワ状の筋が発生しＤＬＣ膜が剥離しやすいという課題があった。
【解決手段】キャピラリー先端部の表面にＤＬＣ膜を含む複合膜を成膜したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子の電極と外部リードフレームとを導電性ワイヤーで結線するためのワイヤーボンディングツールであるキャピラリーに関するものである。
このワイヤーボンディング法はその先端部に導電性ワイヤーを送り出す貫通孔を有したキャピラリーによりワイヤーを結線するものである。その動作は、キャピラリーの貫通孔から送り出されてきた導電性ワイヤーの先端部を放電等によって溶融ボールを形成し、この溶融ボールを半導体素子の電極上に超音波および加熱を併用して圧着し結線するものである。つぎに導電性ワイヤーを送り出しながらキャピラリーをリードフレーム上の所定の位置に移動させ導電性ワイヤーを超音波および加熱により結線する。上記の動作を繰り返し半導体素とリードフレームの結線を形成するものである。
ところで、このワイヤーボンディング法ではキャピラリー先端部が瞬間的に５００℃以上にも加熱され、しかも１分間に６万回という高速でヒートサイクルが繰り返されることになる。このことから、キャピラリー先端部には貫通孔を送り出されてくる導電性ワイヤーの金属粉が付着、溶着したり、溶融ボールを圧着することからその先端部が容易に摩耗したりしてその寿命を短くしていた。
この問題を解決するために、キャピラリー先端部にＤＬＣ（Diamond Like Carbon）
を被覆して耐摩耗性を改善した技術がある（例えば、特許文献１参照）。また、ダイヤモンド被覆膜を含む複合膜によって摩擦係数を改善した技術もある（例えば、特許文献２参照）。
ここで特許文献１のものは、基体が主にセラミックス製のキャピラリー先端部に２μ以下のＤＬＣ膜をＰＶＤ（真空蒸着）法により成膜したものであり、特許文献２のものは、超硬合金製の切削工具の切れ刃部近傍にダイヤモンド被覆膜を成膜し、次いでダイヤモンド被覆膜を含む基体表面にＤＬＣなどの潤滑性のある保護膜を成膜したものである。
特開２００３−１００７９５号公報 特開２００３−２５１１７号公報
しかしながら、特開２００３−１００７９５号公報に記載された技術は、キャピラリー先端部に２μ以下のＤＬＣ膜が均一に成膜できれば導電性ワイヤーの金属粉が付着、溶着するのを抑えるとともに耐摩耗性を改善することができるものの、このＤＬＣ膜は非晶質であることから膜内の応力が非常に高いために基体との密着性が低く、後述するようにキャピラリー先端部の微小領域で３次元構造を示すフェイス面（直径が約１００μ）と貫通孔周辺の斜面フェイス面（直径が約５０μ）にそれぞれ密着性がよく膜厚が均一なＤＬＣ膜を成膜することが困難で、ＤＬＣ膜表面にシワ状の筋が発生しＤＬＣ膜が剥離しやすいという課題があった。
したがって、安定した良質のＤＬＣ膜を成膜したキャピラリーを得ることが難しく、その製造コストが高くなり、その量産が容易でないという課題があった。
そこでＤＬＣ膜の密着性を改善するために、特開２００３−２５１１７号公報に記載された技術は、超硬合金製の切削工具表面に先ずダイヤモンド皮膜部を形成し、その表面にＤＬＣ膜などを成膜したもので、ダイヤモンド皮膜部に耐摩耗性を保持させたままＤＬＣ膜には潤滑性を保持させようとしているが、ここでも安定したダイヤモンド皮膜部の形成は容易でなく、その後に改めてＤＬＣ膜を成膜することで先に形成したダイヤモンド皮膜部がダメージを受けることが予測され、ダメージを受けたダイヤモンド皮膜部の影響を受けたＤＬＣ膜はその平滑性、密着性など、安定した膜の成膜が困難であるという課題があった。
したがって、ここでも安定した良質のＤＬＣ膜を得るためにコストが高くなり、その量産が容易でないという課題があった。
上記課題を解決するために本発明は、略円柱状のセラミックス製基体の中心部に両端に貫通する貫通孔を設け、片端の先端部に設けたリング状のフェイス面と、フェイス面内の貫通孔に向かって傾斜面を設けた斜面フェイス面とを備え、フェイス面と斜面フェイス面には表面にＤＬＣ膜を含む複合膜をそれぞれ成膜したことを特徴とする。
また、複合膜にはアルミニュウム、チタン、クロム、鉄、ニッケル、タングステン、ケイ素などの１種または２種以上を含有することを特徴とする。
さらに、複合膜には酸化アルミニュウム、酸化チタン、炭化チタン、酸化クロム、炭化クロム、酸化鉄、酸化タングステン、炭化タングステン、酸化ケイ素、炭化ケイ素などの１種または２種以上を含有することを特徴とする。
また、複合膜が真空容器内で直流放電プラズマを発生させることによって成膜されたことを特徴とする。
このように本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーは、フェイス面と斜面フェイス面には表面にＤＬＣ膜を含む複合膜をそれぞれ成膜したことから、微小領域で３次元構造を示すキャピラリー先端部に良質なＤＬＣ膜を均一に成膜することが容易で、耐摩耗性、耐久性および潤滑性に優れ、導電性ワイヤーの金属粉が付着、溶着することがなく、ワイヤーボンディング回数を飛躍的に向上させることができる。
同時に、安定したＤＬＣ膜が成膜できることから、ワイヤーボンディング用キャピラリーの量産が容易になって製造コストを抑えることができる。
また、複合膜にはアルミニュウム、チタン、クロム、鉄、ニッケル、タングステン、ケイ素などの１種または２種以上を含有することから、微小領域で３次元構造を示すキャピラリー先端部にセラミックス製基体との密着性に優れた良質なＤＬＣ膜を均一に容易に成膜することができ、耐摩耗性、耐久性および潤滑性に優れたワイヤーボンディング用キャピラリーを容易に得ることができる。
さらに、複合膜には酸化アルミニュウム、酸化チタン、炭化チタン、酸化クロム、炭化クロム、酸化鉄、酸化タングステン、炭化タングステン、酸化ケイ素、炭化ケイ素などの１種または２種以上を含有することから、キャピラリー先端部にセラミックス製基体との密着性に優れた良質なＤＬＣ膜をさらに均一に容易に成膜することができ、耐摩耗性、耐久性および潤滑性にさらに優れたワイヤーボンディング用キャピラリーを容易に得ることができる。
また、複合膜が真空容器内で直流放電プラズマを発生させることによって成膜されたことから、セラミックス製基体表面の加熱清浄化処理とプラズマ清浄化処理と複合膜を成膜するプロセスとを連続して処理することができ、微小領域で３次元構造を示すキャピラリー先端部にセラミックス製基体との密着性に優れた良質なＤＬＣ膜を均一に容易に成膜するとともに、耐摩耗性、耐久性および潤滑性に優れたワイヤーボンディング用キャピラリーを容易に得ることができ、量産が容易になって製造コストを抑えることも可能になる。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明によるワイヤーボンディング用キャピラリーの部分断面図で、図２は本発明によるＤＬＣ複合膜の膜質評価のためのボールボンドの外観形状の変化を示し、図３は本発明によるワイヤーボンディング用キャピラリーの１０万回テスト後の先端部の外観形状を示す。図１において、１はセラミックス製基体で、主にアルミニュウムやジルコニュウムの酸化物や窒化物、さらにはルビーなどで構成され、高密度で表面が平滑に加工されたものが用いられる。２はセラミックス製基体１の中心部に設けその両端に貫通する貫通孔で、その直径は６０μ程度と小さく、この貫通孔２を通ってワイヤーボンディングされる導電性ワイヤーが高速で送り出されてくる。つぎに３は先端部に設けたフェイス面で断面がリング状に形成されその外径はおおよそ１００〜２００μである。また４は、フェイス面３内の貫通孔２に向かって傾斜面を設けた斜面フェイス面である。このようにワイヤーボンディング用キャピラリーの先端部は微小な３次元構造を有しており、ワイヤーボンディング動作中はそのフェイス面３および斜面フェイス面４が瞬間的に５００℃以上にも加熱され、しかも１分間に６万回という高速でヒートサイクルが繰り返されることになる。
このことから、キャピラリー先端部には貫通孔２を送り出されてくる導電性ワイヤーの金属粉が付着、溶着したりすることや、導電性ワイヤーの溶融ボールを圧着することからその先端部が容易に摩耗したりする。したがって、このフェイス面３および斜面フェイス面４に均質なＤＬＣ膜を成膜することで、耐摩耗性、耐久性および潤滑性に優れたワイヤーボンディング用キャピラリーを得ることができる。しかし上述したように先端部は微小な３次元構造を有しており、これらの面に均質なＤＬＣ膜を成膜したワイヤーボンディング用キャピラリーを連続的に製造することは困難であった。そこで本発明は均質でセラミックス製基体１との密着性に優れたＤＬＣ膜の成膜について種々検討した結果生み出されたもので、従来のＤＬＣ単層膜に替えてＤＬＣ複合膜を成膜したことを特徴としている。
ここで、５はフェイス面３および斜面フェイス面４に均質に成膜されたＤＬＣ複合膜を示す。このＤＬＣ複合膜５はセラミックス製基体１の先端部の表面に先ず下層膜として金属や金属酸化物さらには金属炭化物の薄膜（膜厚が約０．５μ）を成膜し、ついでその表面にＤＬＣ膜（膜厚が約２μ）を成膜したものである。このようにすることで、ＤＬＣ膜内に内在する応力を分散させることができ、微小な３次元構造を有する先端部へ均質で密着性の高い成膜が可能となる。ここで比較例としてＤＬＣ単層膜を成膜したが、斜面フェイス面４への均質な成膜は困難で、その表面にシワ状の筋が発生するなどの問題があり、均質で密着性の高い成膜は得られなかった。
つぎにこのＤＬＣ複合膜５の成膜について詳細に説明する。先ずセラミックス製基体１を真空容器内で直流放電プラズマを発生させることができる成膜装置の所定の位置に配置し、セラミックス製基体１の表面の加熱清浄化処理を行う。ついでプラズマを発生させてプラズマ清浄化処理を連続して行う。つぎに予め成膜装置内に配置したアルミニュウム、チタン、クロム、鉄、ニッケル、タングステン、ケイ素などの１種または２種以上、または酸化アルミニュウム、酸化チタン、炭化チタン、酸化クロム、炭化クロム、酸化鉄、酸化タングステン、炭化タングステン、酸化ケイ素、炭化ケイ素などの１種または２種以上を含有する下層膜用材料をプラズマ中でイオン化させ負電圧にバイアスされたフェイス面３および斜面フェイス面４に下層膜を成膜する。つぎに成膜装置内に炭化水素ガスが導入されプラズマ放電中で発生した炭化水素イオンや励起されたラジカルが、下層膜の成膜されたフェイス面３および斜面フェイス面４に衝突して固体化しＤＬＣ複合膜５が成膜される。
ここで得られた複合ＤＬＣ膜５は、非晶質成分を含み、ナノ硬さが１５００ｋｇｆ／ｍｍ２で、アルゴンレーザーによるラマン分光波形が少なくとも１３３０ｃｍ−１と１５８０ｃｍ−１付近にブロードなピークを有していた。
このようにしてＤＬＣ複合膜５が成膜されたワイヤーボンディング用キャピラリーのＳＥＭ観察結果とスクラッチ試験法による密着性評価の結果を表１に示す。なおここでは酸化アルミニュウム基体面にチタン膜厚が０．５μとＤＬＣ膜厚が２μのＤＬＣ複合膜５を成膜したものを供した。ここで比較のために供したＤＬＣ単層膜は同じく酸化アルミニュウム基体面に２μのＤＬＣ単層膜が成膜されたものである。
Figure 2005340400
 表１から、ＤＬＣ複合膜５のフェイス面３および斜面フェイス面４にはいずれもシワ状の筋が発生せず、ＤＬＣ複合膜５の剥離は認められず、高密着性を有するＤＬＣ複合膜５が成膜されていることがわかる。このことは、セラミックス製基体の表面に成膜された下部層がＤＬＣ膜の内部応力を緩和し、密着力を強化できたものと推測される。
つぎに、ワイヤーボンディング用キャピラリーの実装ボンディング試験結果について説明する。なおここでは酸化チタン膜厚が０．７μとＤＬＣ膜厚が２．３μのＤＬＣ複合膜５を使用した。使用した導電性ワイヤーは２０μの金線で、リードフレームは銅箔に銀メッキを施したものである。ボンディング温度は３００℃とし、ボンディング回数は１０万回とした。耐久性はボールボンド（直径８０μ）の外観形状を光学顕微鏡で観察し、ボンディング成形性により評価した。また実装ボンディング試験後にフェイス面３および斜面フェイス面４のＳＥＭ観察により導電性ワイヤーの金属粉の付着、溶着の程度を評価した。その結果を表２に示す。なお、比較のために供したＤＬＣ単層膜は表１で供したものと同じである。
Figure 2005340400
また、表２で評価したボールボンドの外観写真を従来のＤＬＣ単層膜のものと比較して図２に示す。図中でａからｄはＤＬＣ単層膜のものをそれぞれ２、５、１０万回の実装試験後に評価したボールボンド（直径８０μ）外観形状で、ｅからｈは本発明によるＤＬＣ複合膜のものである。これから明らかなように、キャピラリーの先端部で成形されたボールボンドの成形性はそのフェイス面３および斜面フェイス面４の平滑度を反映するものであり、従来のＤＬＣ単層膜に比べて本発明によるＤＬＣ複合膜の耐久性は顕著である。さらに、図３には表２で評価したＤＬＣ複合膜の金属の付着・溶着の状態を示す。これからも明らかなように、フェイス面３の一部が変形しているものの斜面フェイス面４は初期状態が保たれており、金属の付着・溶着は観察できない。
以上の結果から、本発明によるＤＬＣ複合膜を成膜したワイヤーボンディング用キャピラリーは従来品に比べて耐摩耗性、耐久性および潤滑性に優れていることがわかる。
つぎに、下層膜の材料を替えた各種ＤＬＣ複合膜５の実装ボンディング試験結果を比較して表３に示す。ＤＬＣ複合膜５の成膜条件および試験方法は表２と同じとした。
Figure 2005340400
 表３から、表２で評価した酸化チタンを含めアルミニュウムから炭化ケイ素までの下層膜を含むＤＬＣ複合膜５はいずれもフェイス面３および斜面フェイス面４に金属粉の付着・溶着が発生せず、耐摩耗性、耐久性および潤滑性に優れたワイヤーボンディング用キャピラリーが得られることがわかる。さらに、表２および表３では下層膜にそれぞれ１種の金属及びその化合物を成膜しているが、必要に応じてそれらの２種以上を組み合わせて成膜しても同様の効果が得られることは表３の結果から類推できるものである。
つぎにＤＬＣ複合膜５の成膜方法について説明する。このDLC複合膜５は真空容器内でスパッタリング法により下層膜の成膜を行い、つづいて直流放電プラズマを発生させることによってＤＬＣ膜を成膜するが、その方法にはプラズマを利用した化学蒸着を意味するＣＶＤ法と呼ばれるものや、物理蒸着を意味するＰＶＤと称されるものなどがある。ここでは下層膜の種類や組み合わせ、成膜の容易さ、量産性、コスト、DLC複合膜５の均質さなどを考慮して最適な成膜方法と成膜装置を採用することが望ましい。
なお、以上の説明ではワイヤーボンディング用キャピラリーの外観形状に限定されるものでなく、これ以外のものにも効果を有するのは明らかである。また、下層膜の膜厚とDLC複合膜５の膜厚も以上の実施例に限定されるものでなく、使用状況に応じて最適に設定することも本発明の範囲に含まれるものである。
本発明によるワイヤーボンディング用キャピラリーの部分断面図 本発明によるＤＬＣ複合膜の膜質評価のためのボールボンドの外観形状の変化図 本発明によるワイヤーボンディング用キャピラリーの１０万回テスト後の先端部の外観形状
符号の説明
１ セラミックス製基体
２ 貫通孔
３ フェイス面
４ 斜面フェイス面
５ ＤＬＣ複合膜

Claims (4)

  1. 略円柱状のセラミック基体の中心部に両端に貫通する貫通孔を設け、片側の先端部に設けたリング状のフェイス面と、前記フェイス面内の貫通孔に向かって傾斜面を設けた斜面フェイス面とを備え、前記フェイス面と前記斜面フェイス面には表面にＤＬＣ膜を含む複合膜をそれぞれ形成した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。
  2. 前記複合膜にはアルミニュウム、チタン、クロム、鉄、ニッケル、タングステン、ケイ素などの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１記載のワイヤーボンディング用キャピラリー。
  3. 前記複合膜には酸化アルミニュウム、酸化チタン、炭化チタン、酸化クロム、炭化クロム、酸化鉄、酸化タングステン、炭化タングステン、酸化ケイ素、炭化ケイ素などの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１記載のワイヤーボンディング用キャピラリー。
  4. 前記複合膜が真空容器内で直流放電プラズマを発生させることによって形成された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。
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