JP2006210534A

JP2006210534A - 実装工具

Info

Publication number: JP2006210534A
Application number: JP2005018880A
Authority: JP
Inventors: Naoki Sakata; 直紀坂田; Shigeru Yoshida; 茂吉田; Toshiya Takahashi; 利也高橋; Takehisa Iguchi; 剛寿井口
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2005-01-26
Filing date: 2005-01-26
Publication date: 2006-08-10

Abstract

【課題】軽量で超音波を良く伝達する実装工具を提供する。
【解決手段】
この発明は、半導体をフリップチップ方式で基板に実装するための実装工具1である。実装工具1は、先端部10とホーン3が一体的に形成されたセラミック焼結体からなっている。このセラミック焼結体は、炭化珪素、窒化珪素またはアルミナからなる。先端部10は半導体を吸着するための吸着面2と、吸着面2に開口して半導体を吸着するための吸着穴4を有している。ホーン3は、超音波振動子への取付部と、先端部10の吸着穴4に通じる貫通穴5を有している。吸着面2は気相合成ダイヤモンドで被覆されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体製造技術において、フリップチップ方式で半導体素子を超音波振動せしめ、基板の電極に接合させる際に用いる実装工具に関する。

フリップチップ方式は、半導体素子の裏面に2次元的に入出力の電極端子（バンプ）を配し、このバンプを直接基板側の電極端子に金属接合させる実装方式である。本方式は、多数の入出力端子を短い距離で接続し、実装面積を小さくすることができる。このためフリップチップ方式は、高速作動素子の高密度実装やICタグなどに使用される小型素子の実装に適しており、本方式を用いた実装数は飛躍的に増大している。

このフリップチップ方式で半導体素子を基板に実装する方法のひとつとして、超音波振動により電極端子の接合面を相互に摩擦させて界面原子の拡散により接合する方法が行われている。SAW（表面弾性波）素子や無線用の高周波発信素子の多くは、この超音波振動接合により実装されている。

特許文献1の超音波ボンディング用ボンディングツールは、ホーンにツール先端部を接合して使用するものである。ホーンは、FeCoNi合金、モリブデン、超硬合金、サーメットやステンレス鋼からなる。また、ツール先端部はダイヤモンド焼結体、立方晶窒化硼素焼結体またはダイヤモンド焼結体、立方晶窒化硼素焼結体、超硬合金、セラミック焼結体、サーメットなどにダイヤモンドが被覆されたものからなる。

特許文献2には次の超音波振動接合用共振器が開示されている。この共振器は、ホーン本体の端部に接合対象品を吸着する接合作用部を設け、ホーン本体の外側面及び接合作用部の外側面の各々に開口する吸引吸着用通路を形成している。そして、前記通路は、接合作用部に開口する吸着側口の直径をホーン本体内部の通路直径よりも小さく形成している。ホーン本体の材料としては、アルミニウム、チタン、又は焼入れされた鉄のように音響特性の良い素材が用いられており、接合作用部の材料としては、ハイス鋼のような超硬鋼を板状に形成したものが用いられている。
特開2004-87539号公報特開2002-334909号公報

しかし、上記の従来技術では、次のような問題があった。
(1)タクト時間の短縮と、超音波出力の低減とを実現できる軽量の実装工具が実現されていない。
最近、フリップチップ実装方式を用いた実装数は飛躍的に増大している。これに伴い、タクト時間（１素子当たりの実装処理時間）の短縮と、超音波出力を低減しようとする要求が強まっている。一方、特許文献1や特許文献2に記載されている技術では、ホーンとして金属を用いているのが一般的である。これは、(A)激しい振動を伴う超音波振動接合用部品として靭性に富む金属が好ましいとされ、(B)複雑な形状の超音波振動接合用部品は、微妙な形状調整を必要とするため、加工性と音響特性の良い金属が適しているとされているからである。しかし、金属により構成された実装工具は、一般に比重が大きく、軽量化という点に問題がある。その結果、タクト時間の短縮と超音波出力の低減とを実現する上での障害となっていた。また、比重の軽い金属の場合は、ヤング率が低く音響特性が悪いという問題があった。

(2)実装工具の吸着穴に粉塵が詰まりやすく、粉塵の除去も容易ではない。
実装工具は、接合対象である半導体を保持するために、ホーンの吸着穴を排気して半導体を吸着する。超音波振動を用いた接合は、その吸着状態で実装工具の動きに合わせて半導体を振動させることにより接合を行う。そのため、振動に伴って実装工具、基板や半導体から微細な粉塵が発生し易くなる。これらの粉塵は、吸着穴に詰まりやすく、詰まると半導体を吸着できなくなる。特許文献２に記載の技術では、接合作用部に吸着穴が形成されているが、この吸着穴は大きい（例えば直径0.5mm）ので小形の素子には吸着力が強すぎる傾向にある。また、特許文献１の技術では、ツール先端部に吸着穴が形成されているが、吸着穴の具体的構造については特に記載されていない。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その主目的は、実装工具の軽量化により、タクト時間の短縮と、超音波出力の低減とに効果的な実装工具を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、半導体の保持に十分な高い吸着力を持ち、吸着穴に粉塵が詰まりにくく、粉塵が詰まってもそれを除去し易い実装工具を提供することにある。

第一の発明は、半導体をフリップチップ方式で基板に実装するための実装工具であって、実装工具は、先端部とホーンとが一体的に形成されたセラミック焼結体からなる。そして、先端部は、炭化珪素、窒化珪素またはアルミナからなり、半導体を吸着するための吸着面と、吸着面に開口して排気通路となる吸着穴を有し、吸着面は気相合成ダイヤモンドで被覆されている。ホーンは、超音波振動子への取付部と、先端部の吸着穴に通じる貫通穴を有する実装工具に関する。

第二の発明は、半導体をフリップチップ方式で基板に実装するための実装工具であって、実装工具は、先端部とセラミック焼結体のホーンとが接合されて構成されている。そして、先端部は、ダイヤモンド焼結体、立方晶窒化硼素焼結体、超硬合金、セラミック焼結体、又はサーメットからなり、半導体を吸着するための吸着面と、吸着面に開口して排気通路となる吸着穴を有し、吸着面は気相合成ダイヤモンドで被覆されている。ホーンは、超音波振動子への取付部と、先端部の吸着穴に通じる貫通穴を有する実装工具に関する。

第三の発明は、半導体をフリップチップ方式で基板に実装するための実装工具であって、実装工具は、先端部とセラミック焼結体のホーンとが接合されている。そして、先端部は、ダイヤモンド焼結体、立方晶窒化硼素焼結体または単結晶ダイヤモンドからなり、半導体を吸着するための吸着面と、吸着面に開口して排気通路となる吸着穴を有する。ホーンは、超音波振動子への取付部と、先端部の吸着穴に通じる貫通穴を有している実装工具に関する。

これら3つの発明は、ホーンをセラミック焼結体とすることにより、実装工具を軽量化し、音響特性を改善することができる。実装工具を軽量化することで、早いタクトで動作することができ、また少ないエネルギーで実装工具に大きな超音波振動を加えることができる。このような実装工具は、ICタグなどに大量に使用される小型素子の実装に適している。

また、吸着面として気相合成ダイヤモンド、ダイヤモンド焼結体、立方晶窒化硼素焼結体や単結晶ダイヤモンドのように耐摩耗性に優れる材料を用いるので、半導体と接する吸着面の寿命が長くなる。また、難加工性のセラミック焼結体のホーンに直線状の貫通穴を設けることにより、吸着用の真空配管をホーンの端部に設けることができるので吸着機構が簡略化できる。

さらに各発明は以下のような特徴を持つ。
第一の発明は、先端部とホーンとを一体的に焼結しているので、二つの部品の位置合わせなどが不要である。従って、微細な吸着穴を実装工具に直接、精度良く形成することができる。さらに、先端部を構成する材料とホーンを構成する材料の間に接合面がないので、接合面による超音波の反射がなく、超音波の伝達効率の悪化を抑制できる。

また、第一と第二の発明において、先端部の吸着面は気相合成ダイヤモンドで被覆されているので、耐摩耗性が高い。また、吸着穴の形成など三次元的な加工は、被覆膜が薄いので容易である。しかも、先端部と気相合成ダイヤモンドは強固に被覆されているので剥離などしないし、超音波の伝達も良好である。そして、被覆される材料の熱膨張係数が気相合成ダイヤモンドの熱膨張係数に近いほど、気相合成ダイヤモンドと先端部の密着強度は高くなる。

第三の発明において、先端部としてダイヤモンド焼結体や立方晶窒化硼素焼結体や単結晶ダイヤモンドが使用されている。この材料は、硬度が高く、耐摩耗性が高いので気相合成ダイヤモンドを被覆することなく使用できる。

本発明工具で用いるセラミックス焼結体は、炭化珪素、窒化珪素またはアルミナであることが好ましい。これらのセラミック焼結体は、気相合成ダイヤモンドとの接合強度が高く、入手が容易で安価な材料なためである。一般的には難加工性の材料であるが、最終製品に近い形状で焼結できるので、加工費を安価にできる。

本発明工具の先端部に設ける吸着穴の直径は、ホーンに設ける貫通穴の直径より小さいことが望ましい。貫通穴は吸着穴より大きな直径を持つので、貫通穴の部分で真空の圧力損失を抑制でき、半導体を吸着面に強い力で吸着することができる。また、吸着穴の直径が小さいので、吸引する空気量が少なく、吸着に必要なエネルギーが少なくてすむ。

上記の吸着穴は、長手方向に一様でない直径を有することが好適である。この構成により、最も内径の小さな部分の長手方向の距離が短くなり、例え吸着穴に粉塵が詰まっても、粉塵が抜け易い構造である。従って、吸着穴内に粉塵が詰まることを抑制し、詰まった場合でも容易に除去することができる。

具体的には、吸着穴をテーパー穴とし、そのテーパー穴の最小径を0.4mm以下とすることが望ましい。吸着穴をテーパー穴とすることで、穴内を円錐状面とし、吸着穴内に粉塵が詰まることを抑制し、詰まった場合でも粉塵を円滑に除去することができる。また、最小径を0.4mm以下とすることで、吸引する空気量が少なく、かつ十分な吸着力を得ることができ、かつ粉塵の詰まりを抑制できる。通常、吸着面の開口側の径を小さくし、ホーン後端側の径を大きく形成することが好ましい。このようなテーパー穴とすることで、小型の半導体の吸着も容易に行なえる。

その他、吸着穴を段差状穴としてもよい。段差状穴は、吸着面側に開口する小径穴部と、この小径穴部に続く大径穴部とを有する。この段差状穴の場合も、吸着穴の一部は小径穴部であるが、太径穴部も有するため、その太径穴部には粉塵が詰まりにくく、詰まったとしても容易に除去することができる。この場合、小径穴部の直径は0.4mm以下で、かつ、深さは0.5mm以下とすることが好ましい。小径穴部の直径が0.4mmを越えると、小型素子を吸着するには吸着力が大きくなりすぎる傾向がある。また、深さが0.5mm以下であれば、比較的容易に小径穴部の形成ができ、粉塵を詰まり難くすることができる。この深さが0.5mmを超えると、このような細径の深い穴を開けるには加工工具の選定や加工精度の観点からの制約が大きく、実装工具の製造性が低下する場合がある。

また、テーパー穴、段差状穴のいずれであっても、吸着穴の直径の下限は、0.05mm以上が好ましい。0.05mm未満では吸着力が不足する傾向がある。

さらに、吸着面を上述した高硬度材料で構成していることからも吸着穴への粉塵の目詰まりを抑制できる。実装工具に半導体を接触させた状態で超音波振動して長時間使用すると先端部が摩耗する。このとき、実装工具と半導体から微細な欠損片や破砕された粉末状の埃が生じ、これが吸着穴の目詰まりの原因となる。吸着面の硬度が高ければ、埃は吸着穴を通過する程度に小さく粉砕される。特に、吸着穴の直径を上記のように定めることにより、大きな埃は吸着面の前に引っかかり、小さな埃は吸着穴を通過してしまうので、目詰まりを抑制できる。また、吸着穴の径の小さな部分の深さが小さいので、埃は吸着穴の中に止まらないので目詰まりを抑制できる。

本発明実装工具は、セラミック製のホーンを用いるので、軽量である。この結果、実装のタクト速度を早くすることができ、かつ従来の出力より低い出力の超音波エネルギーで実装できる。

また、吸着面がダイヤモンド被覆膜または高硬度の焼結体を用いるので、吸着面の硬度が高い。その結果、吸着面の摩耗が少なくなり、寿命が長くなり、さらに超音波接合時に生じるゴミを細かく砕くことができ、ゴミによる吸着穴の目詰まりを少なくすことができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。以下に示す本発明実装工具は、図4に示す超音波ボンディング装置に装着されて用いるものである。
図1は、ホーンと先端部とが一体的に形成されてなる本発明実装工具の部分断面図である。この実装工具1は、大きい内径の穴を持つ部分と小さい内径を持つ穴の部分とからなる。そのうちホーン3は内径の大きな穴の部分であり、先端部10は内径の小さい穴の部分である。つまり、ホーン3は、その一端側（図の左側）に内径の小さな先端部10が形成され、他端側（図の右側）は図示しない超音波振動子へと取り付けられる。実装工具1の先端部10側における端部は、先端側に向かって小さくなる円錐台状に形成されている。この先端部10の端面は半導体を吸着する吸着面2であり、耐摩耗性の高い気相合成ダイヤモンド被覆膜7が形成されている。

実装工具1の中には排気通路となる穴が軸方向沿いに貫通されている。この実装工具を貫通する穴は、先端部10に形成される吸着穴4とホーン3に形成される貫通穴5とからなっている。吸着穴4は、ダイヤモンド被覆膜7から貫通穴5にかけて内径が一様なストレートな穴になっていて、その直径は貫通穴5の直径より小さい。

図2は、本発明で得られる別の実装工具の部分断面図である。この実装工具1は、円筒状のホーン3の先端にホーン3より小さい外径の円筒状の先端部10が接合されている。このホーン3は、セラミック焼結体からなり、内外径共に長手方向に一様な円筒状に形成され内部に貫通穴5が形成されている。先端部10は、外径が長手方向に一様で、接着剤もしくはロウ付けによりホーン3の先端部に同軸状に固定されている。この先端部10は、吸着穴4と、ダイヤモンド被覆7が形成されている吸着面2とを有している。先端部はダイヤモンド焼結体、立方晶窒化硼素焼結体、超硬合金、セラミック焼結体またはサーメットなどに気相合成ダイヤモンドが被覆されたものである。吸着穴4は吸着面2からホーン3側に向かって広がるテーパー状に形成され、ホーン3に設けられた貫通穴5へとつながっている。ここでは吸着穴4の最大内径が貫通穴5の内径にほぼ対応している。この工具においても、ホーン3の後端側が、超音波振動子へと取り付けられることは図１の工具と同様である。

図3は、さらに別の本発明実装工具の部分断面図である。この実装工具も図2の工具と同様に貫通穴の形成されたホーン3の端部に先端部10が接合された構成である。ホーンは炭化珪素、窒化珪素またはアルミナからなり、先端部はダイヤモンド焼結体、立方晶窒化硼素焼結体、またはアルミナなどのセラミックからなる。ただし、図2は、先端部10の吸着面2に気相合成ダイヤモンド被覆がない例である。また、先端部10の吸着穴4は、小径穴部4Aと大径穴部4Bとからなる段差状穴である。いずれの穴部4A,4Bも、長手方向に内径が一様なストレート穴である。そして、各穴部4A,4Bおよび貫通穴5の内径のサイズは、「小径穴部＜大径穴部＜貫通穴」の関係に形成されている。つまり、実装工具全体で見ると、その内径は3段階となっている。この工具においても、ホーン3の後端側が、超音波振動子へと取り付けられることは図１の工具と同様である。

図4は、本発明の実装工具を装着した超音波ボンディング装置の動きを説明する概念図である。実装工具1は、先端部10とホーン3からなり、ホーン3の後端側が超音波振動子24に装着されている。また、このホーンの後端側は、XYZ軸駆動機構25の支持アーム26によりグリップされ、この支持アーム26を駆動することで、実装工具1の位置を制御する。実装工具1での半導体21の保持は、先端部10を半導体に当接させて実装工具1の内部に形成した貫通穴5および吸着穴4を介して真空装置（図示せず）で真空引きすることで、半導体21を先端部10の吸着面2に吸着することで行う。吸着面2に吸着された半導体21は、XYZ軸駆動機構25の作動により、半導体21の保管場所からステージ23の上に載置されている基板22のバンプ27の上へ搬送され、さらに基板22側へ荷重が印加される。その際、超音波振動子24から実装工具1を介して半導体21の接合面に超音波振動が加えられ、基板22と半導体21がバンプ27により接合される。

この超音波接合は、半導体21と基板22を重ね合わせ、半導体21の面に平行な方向に振動する超音波振動が加えられる。それにより、半導体21と基板22を相互にたたくような垂直方向の振動が加えられることを回避し、半導体21が破損する確率を低減する。この平行に加えた超音波振動が半導体21に充分に伝達されるためには、先端部10と半導体21の間ですべりが発生しないように適度な摩擦係数を有することが好ましい。

ホーンと先端部が一体的に焼結された図1に示すような構造の実装工具を作製した。まず、実装工具用素材としてSiC、Al₂O₃、Si₃N₄および比較例としてのモリブデンからなる長さ10mm、直径2mmの棒状の焼結体を準備した。この棒状体の先端部を円錐状に加工し、円錐台の吸着面の直径が1mmになるように研磨した後、先端部に、表1に示すような結晶面を吸着面とする厚さ50μmの気相合成ダイヤモンド被覆膜を成膜した。非研磨面のダイヤモンドの膜厚は、断面における平均的な厚さである。

ダイヤモンド被覆膜は、被覆したままのもの、研磨したもの、研磨後表面粗さを調整したものを作製した。次に、ドリルによりホーンの後端側から直径1mmの穴を開けた。その穴はホーンの先端側を貫通しないように形成した。その結果、ホーンの先端側には厚さ0.3mmの底部が残された。次に、吸着面に先端部側からレーザーを照射して、吸着穴を形成した。そのとき、レーザーは、ホーン先端側の底部を貫通する。レーザーで形成された吸着穴は、いびつでかつ先細りなので針金を通し、ダイヤモンドペーストを用いて形状の整った直径0.2mmの円い穴とした。

吸着面のダイヤモンド被覆膜の成長面が（111）の結晶面であれば、この面は、最も耐摩耗性が高いので工具の寿命が長くなる。また、成長面は（111）の結晶面特有の角錐状の突起で構成されている。従って、半導体を超音波接合するとき半導体をしっかりとグリップするので、半導体の位置ズレなどが起こりにくい。

吸着面のダイヤモンド被覆膜の成長面が（110）の結晶面または（100）の結晶面である場合、成長面は、吸着面に平行な四角の平面状であり超音波接合時のグリップ力は小さい。但し、半導体へのアタック性については、グリップ力の逆になるので、半導体を欠損させることなく超音波接合できるという利点がある。

ダイヤモンド被覆膜を被覆したままとした試料番号1-1〜1-3、1-7および1-8は、表面粗さRtがやや大きくなっていて、半導体のグリップ力が高くなる。ダイヤモンド結晶の成長面は、成長する面に応じて凹凸ができる。未研磨のダイヤモンド被覆面の表面粗さは大きいので、半導体素子とのグリップ力が高まり確実に実装できる。

また、吸着面を研磨した試料番号1-4、1-9は、面粗さRt≦0.1μmに鏡面加工されている。鏡面加工されている吸着面は、グリップ力が小さくなるが、半導体の表面粗さが大きいときに有効である。このように組み合わせることにより、超音波振動は、吸着面が例え鏡面加工されていても半導体に充分伝わる。

試料番号1-5、1-6は、ダイヤモンド被覆膜を一度研磨した後に、さらに表面をレーザーや放電加工を用いて精度高く表面を粗らくしたものである。試料番号1-5は、吸着面には複数の溝が平行に形成され、溝は超音波振動の方向に対して直交する方向に形成されたものである。溝の方向と超音波の振動方向とを直交させることでグリップ力が高まり安定した超音波接合ができる。溝の加工方法は、YAG、CO₂、エキシマ、フェムト秒レーザーなどを使用できる。また、イオンエッチング、イオンビームなども利用できる。この実施例にはないが、2つ以上の方向に溝を形成することができる。特に直交する2方向の溝を形成することが好ましい。2つ以上の方向の溝をもつものは、向きが2方向なのでツールセッティングのとき(実装工具を超音波ボンディング装置に装着するとき)、セットしやすい。これら吸着面の表面粗さは0.1μm≦Rt≦10μmであることが好ましい。

試料番号1-6は、気相合成ダイヤモンドの被覆面を研磨した後、イオンエッチングにより梨地状にエッチングしたものである。この梨地状のエッチングにより、先端部と半導体とのグリップ力を適切に設定できる。

上記の実装工具を用いて、図4のボンディング装置により半導体素子を基板上へ実装した。実装工具1により1.5mm角の半導体21の裏面を真空吸着して、接合ステージ23上の基板22上に運搬する。半導体21の電極端子(バンプ)27と基板22の電極端子との位置合わせを行い、実装工具1を降下させてバンプを介して電極端子同士が接触したところで超音波を印加し、半導体21の全電極端子を基板上の端子に一括して実装させた。このときの超音波出力は20W、周波数は60KHｚで約1秒間印加した。

裏面が粗面になっている半導体素子は吸着面を研磨した実装工具で実装し、裏面が研磨されている半導体素子は吸着面の表面が粗い実装工具を用いた。このようにして、本発明実装工具である試料番号1-1〜1-9は、いずれも百万個の実装ができた。従って、表1の工具寿命の欄は丸印で示している。一方、比較例の試料番号1-10は、試験途中でダイヤモンド膜が剥離し、使用不能となった。

図2に示されているテーパー状の吸着穴を有する実装工具を作製した。図2の実装工具は先端部の吸着面にダイヤモンド被覆7が形成されているが、本実施例ではダイヤモンド被覆のない実装工具も作製した。先端部の材料は、ダイヤモンド焼結体、立方晶窒化硼素（CBN）焼結体またはダイヤモンド焼結体、立方晶窒化硼素焼結体、超硬合金、サーメット、セラミック焼結体などにダイヤモンド被覆したものである。ホーンとして直径4mm、内径1.5mm、長さ10mmのパイプ状の炭化珪素、窒化珪素、アルミナなどのセラミックを用いることができる。先端部の形状は、直径3mm、高さ1mmの円板である。

これらの材料を用いて、表2に示す各実装工具を以下に示す方法により作製した。まず、ダイヤモンド被覆を要する先端部に、気相合成ダイヤモンドを10μm被覆した。次に、この試料の先端部に半導体を吸着するための穴をYAGレーザーにより形成した。穴の形状がいびつで先細りする形状なので、その穴に細い針金を通し、ダイヤモンドペーストを用いてテーパー状の吸着穴を形成した。吸着面側の穴の直径は0.1mmであり、ホーン側の穴の直径は1.5mmであった。テーパー状に形成された吸着穴の開口縁部は、その縦断面において鋭角を構成して欠損しやすい。この欠損を防ぐために、本例では、吸着穴の開口縁部を面取りした。

ダイヤモンド被覆しない本発明試料2-1、2-2の先端部は、研磨してその平面度を調整した。また、ダイヤモンド被覆を形成する本発明試料2-3〜2-8は、先端部の吸着面に気相合成ダイヤモンドを被覆し、その被覆膜を表2に示す厚さまで研磨した後、平面度を測定し表2に記載した。平面度は、図5に示すように、対象とする平面30上の最も高い部分31と最も低い部分32を通る互いに平行な面の間隔Hで定義される（JIS B 0021）。

上記構成で準備した先端部を炭化珪素製および窒化珪素製ホーンにロウ付けにより接合し実装工具とした。この実装工具を用いて、実施例1と同様にして半導体素子のボンディングを行った。その結果、いずれの試料も百万回のボンディングができ、表2に示すように満足のできる結果であった。

上記の実装結果から、吸着面の平面度は1μm以下であることが好ましいことがわかる。平面度が1μm以下であれば、半導体を基板に接合する上で、半導体に均一に圧力をかけることができ、半導体を吸着する上で、吸着面と半導体の両方の平面度を高くして空気の漏れを少なくすることができる。

次に、先端部の吸着穴の形状効果について検討した。この実施例では、図2、図3に示す構造の実装工具を用いた。図3には、先端部の吸着面に気相合成ダイヤモンド被覆が形成されていない実装工具を示しているが、本実施例では、いずれの先端部もホーンも炭化珪素からなり、吸着面にはダイヤモンド被覆が形成された実装工具を用いている。

表3で「テーパー穴」とされているものは、実施例2の試料番号2-7からなる実装工具で、吸着穴の最小内径を0.1mm、貫通穴の直径を1.5mmとした。吸着穴はテーパー状になっていて、深さ(先端部の厚さ）が1mmであり、貫通穴とつながっている。

一方、表3で「段差状穴」とされているのは、実施例2の試料番号2-7と同様の材質からなり、図3に示す吸着穴の構造を有する実装工具である。小径穴部の直径は0.1mm、その深さは0.5mm、大径穴部の直径は0.5mm、その深さは0.5mmである。小径穴部、大径穴部のいずれも軸方向に内径が一様なストレート穴で形成されている。先端部の厚さは1mmとした。

図2に示す実装工具は先の実施例2と同様の方法で加工した。図3の実装工具の加工方法は、以下の通りである。まず、直径3mm、高さ1mmの円板状の炭化珪素焼結体を準備し、その焼結体の一方の端面にダイヤモンドを被覆する。次に、この焼結体のダイヤモンド被覆のない端面側からレーザーにより直径0.5mm、深さ0.5mmの大径穴部4Bを形成し、いびつな部分を超音波により研磨して大径穴部の形状を整えた。次に、上記焼結体におけるダイヤモンド被覆のある端面側からレーザーを照射して、直径0.1mm、深さ0.5mmの小径穴部4Aを形成した。レーザーで形成された小径穴部はいびつで先細り形状であったので針金を通し、ダイヤモンドペーストを用いて形状の整った円形の穴を形成した。このようにして作製された先端部を、外径4mm、内径1.5mm、長さ10mmのホーンにエポキシ樹脂系の接着剤を用いて接合した。

このようにして得られた実装工具を用いて、図4に示す超音波振動装置により半導体と基板を接合した。表3に示す「目詰まりの除去」は、前記した目詰まりを除去する難易度を示している。段差状穴の場合は、穴の中に入った埃をとりにくい。テーパー穴の場合は、穴の中に埃が引っかかりにくいので容易に目詰まりを除去できる。なお、難易度はテーパ穴の場合の1回当たりの目詰まり除去に要する時間を1としたときの段差状穴の時間の比率を表3に示す。

表3に示す「吸着穴の寿命」とは、吸着穴が摩耗またはチッピングにより使用できなくなるまでの寿命である。テーパー穴のものは、吸着穴を縦断面で見た場合、開口縁部が鋭角に構成されるため、摩耗し易く工具の寿命が短い。一方、段差状穴のものは、吸着穴を縦断面で見た場合、開口縁部が直角なので摩耗しにくく工具の寿命が長い。段差状穴が上記理由により寿命になるまでの使用時間を1としたとき、テーパー穴の寿命を表3に示した。

本発明の実装工具は、超音波によるフリップチップ方式の接合分野において好適に利用できる。

本発明による実装工具の部分断面図である。本発明による別の実装工具の部分断面図である。本発明によるさらに別の実装工具の部分断面図である。本発明の実装工具を使用する超音波ボンディングツールの概念図である。平面度の説明図である。

符号の説明

1 実装工具 2 吸着面
3 ホーン 4 吸着穴
4A 小径穴部 4B 大径穴部
5 貫通穴 7 ダイヤモンド被覆 10 先端部
21 半導体 22 基板
23 ステージ 24 超音波振動子
25 XYZ軸駆動機構 26 支持アーム
27 バンプ 30 対象とする平面
31 最も高い部分 32 最も低い部分

Claims

半導体をフリップチップ方式で基板に実装するための実装工具であって、
前記実装工具は、先端部とホーンとが一体的に形成されたセラミック焼結体からなり、
前記先端部は、
炭化珪素、窒化珪素またはアルミナからなり、
半導体を吸着するための吸着面と、
吸着面に開口して排気通路となる吸着穴を有し、
前記ホーンは、
超音波振動子への取付部と、
前記先端部の吸着穴に通じる貫通穴を有し、
前記吸着面は気相合成ダイヤモンドで被覆されていることを特徴とする実装工具。
半導体をフリップチップ方式で基板に実装するための実装工具であって、
前記実装工具は、先端部とセラミック焼結体のホーンとが接合されてなり、
前記先端部は、
ダイヤモンド焼結体、立方晶窒化硼素焼結体、超硬合金、セラミック焼結体、またはサーメットからなり、
半導体を吸着するための吸着面と、
吸着面に開口して排気通路となる吸着穴を有し、
前記ホーンは、
超音波振動子への取付部と、
前記先端部の吸着穴に通じる貫通穴を有し、
前記吸着面は気相合成ダイヤモンドで被覆されていることを特徴とする実装工具。
半導体をフリップチップ方式で基板に実装するための実装工具であって、
前記実装工具は、先端部とセラミック焼結体のホーンとが接合されてなり、
前記先端部は、
ダイヤモンド焼結体、立方晶窒化硼素焼結体または単結晶ダイヤモンドからなり、
半導体を吸着するための吸着面と、
吸着面に開口して排気通路となる吸着穴を有し、
前記ホーンは、
超音波振動子への取付部と、
前記先端部の吸着穴に通じる貫通穴を有していることを特徴とする実装工具。
前記セラミック焼結体のホーンが炭化珪素、窒化珪素またはアルミナで構成されていることを特徴とする請求項2または3記載の実装工具。
前記吸着穴の直径は、貫通穴の直径より小さいことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の実装工具。
前記吸着穴が吸着面側が小径となるテーパー穴であって、このテーパー穴の最小径が0.4mm以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の実装工具。
前記吸着穴が、吸着面側に開口する小径穴部と、この小径穴部に続く大径穴部とを有する段差状穴であって、その小径穴部の直径が0.4mm以下で、かつ、深さが0.5mm以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の実装工具。