JP2023552133A - 超硬ボディーに一体化された多結晶ダイアモンドチップを備える高平坦ボンディング工具 - Google Patents
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Abstract
半導体素子の装着に用いられるボンディング工具が開示される。本発明は、半導体素子と配線素子を熱圧着するためにボンディング装置のホルダーに結合するボンディング工具であって、前記ボンディング工具は、一側に、前記ボンディング装置のホルダーと結合するためのホルダー結合部を備え、内側にヒーター挿入孔を備える単一の超硬ボディーと、前記超硬ボディーの他側に結合している多結晶ダイアモンドチップと、を備えることを特徴とするボンディング工具を提供する。本発明によれば、製造工程又は使用環境において熱膨張率差を最小化する一体型ボンディング工具を提供可能になる。【選択図】図１
Description
本発明は、ボンディング工具に関し、より詳細には、半導体素子の装着に用いられるボンディング工具に関する。
ＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）やＣＯＦ（Ｃｈｉｐ ｏｎ ｆｉｌｍ）技術においてＤＤＩ（Ｄｉｓｔｐｌａｙ Ｄｒｉｖｅｒ ＩＣ）のような半導体素子とフィルム上のリード（ｌｅａｄ）を加熱圧着してボンディングするのにボンディング工具が用いられている。
図１は、従来の典型的なボンディング工具の一例を模式的に示す図である。
図１を参照すると、ボンディング工具は、ボンディング装置のホルダーに結合するボディー部１２と、前記ボディー部に接合される先端部とからなる。このとき、先端部は、工具面の平坦度、耐摩耗性、温度分布の均一性などを得るために、ダイアモンド、例えば気相合成ダイアモンド、ダイアモンド単結晶又はダイアモンド焼結体が用いられてよい。
一例として、図１には、先端部としてＣＶＤダイアモンド１５が形成された基板１４が用いられている。このとき、基板１４は、ソルダー（又は、接合材）を介在してソルダリング又はブレージングなどの方式でボディー１２に結合する。
一方、前記ボディー１２としては、モリブデン、超硬合金、ニッケルベース合金、タングステン又はタングステン合金、鉄－ニッケルコバルト合金、ステンレス鋼、鉄－ニッケル合金、チタン又はチタン合金などで作られた金属材が用いられる。
このように、従来のボンディング工具には、ボディー、ソルダー（又は、接合材）、基板及びダイアモンドという異種の素材が用いられている。このような異種素材は異なる熱膨張率を有するため、高温の製造工程又は高温の使用環境（４００～５００℃）でねじれや反りなどの熱変形が発生し、このような熱変形によってボンディング工具のチップは要求される平坦度を保持できなくなる問題点がある。
このような熱変形による平坦度の問題は、大面積のダイアモンドチップを有するボンディング工具の製造に実質的な障害となっており、特に、高温環境で用いられる熱圧着方式のボンディング工具は、多数のバンプを同時に加熱圧着するための平坦度の確保が難しくなる。
一方、ボンディング工具のボディーとチップとの結合時に、ソルダーに代えてボルトなどの結合機構を用いる場合もあるが、このときも同様、ボルトなどの異種の素材の使用によって熱変形の発生が不可避である。
上記の従来技術の問題点を解決するために、本発明は、製造工程又は使用環境において熱膨張率差を最小化するための一体型ボンディング工具を提供することを目的とする。
また、本発明は、一体型に製造及び加工が容易であり、加工によって高い平坦度の具現が可能なボンディング工具を提供することを目的とする。
また、本発明は、高温使用環境でも高い平坦度を有するボンディング工具を提供することを目的とする。
また、本発明は、製造工程又は使用環境における高温で熱変形を抑制できるボンディング工具を提供することを目的とする。
また、本発明は、大面積のダイアモンドチップを有するボンディング工具を提供することを目的とする。
また、本発明は、前述したボンディング工具の製造に適した製造方法を提供することを目的とする。
上記の技術的課題を達成するために、本発明は、半導体素子と配線素子を熱圧着するためにボンディング装置のホルダーに結合するボンディング工具であって、前記ボンディング工具は、一側に、前記ボンディング装置のホルダーと結合するためのホルダー結合部を備え、内側にヒーター挿入孔を備える単一の超硬ボディー；及び、前記超硬ボディーの他側に結合している多結晶ダイアモンドチップを備えることを特徴とするボンディング工具を提供する。
本発明において、前記超硬ボディーは無接合構造を有することが好ましい。
また、本発明において、前記多結晶ダイアモンドチップは、高温高圧焼結によって前記超硬ボディーに結合していることが好ましい。このとき、前記多結晶ダイアモンドチップは前記超硬ボディー内の金属結合材の拡散によって結合してよい。
また、本発明において、前記超硬ボディーの他側には、前記多結晶ダイアモンドチップの装着のための突出部を備えることができる。このとき、前記突出部は、超硬ボディー表面を横切って延長されるバンド形状であってよい。
本発明において、前記ボンディング工具は、前記多結晶ダイアモンドチップの長さ２５ｍｍ以上において２μｍ以下の常温及び高温平坦度を有することが好ましい。
上記の他の技術的課題を達成するために、本発明は、半導体素子と配線素子を熱圧着するためにボンディング装置のホルダーに結合するボンディング工具の製造方法であって、超硬母材上にダイアモンド粉末成形体を積層して高温高圧焼結し、超硬母材と多結晶ダイアモンド層を含む積層構造の焼結体を製造する段階；前記焼結体を平坦化する段階；及び、前記焼結体を加工する段階を含み、前記加工段階は、前記焼結体の外形を加工する段階；及び、前記焼結体を孔あけ加工する段階を含むことを特徴とする、ボンディング工具の製造方法を提供する。
本発明において、前記ダイアモンド粉末成形体は金属結合材を含有しないことが好ましい。
このとき、前記加工段階は、多結晶ダイアモンド層を加工して多結晶ダイアモンドチップを形成する段階を含み、前記多結晶ダイアモンドチップは、超硬ボディー上で前記超硬ボディー表面を横切って延長されるバンド形状であってよい。
本発明において、前記加工段階は放電加工を含むか、レーザー加工を含んでよい。
本発明において、前記高温高圧焼結段階は、１３００～１７００℃の温度及び５～１０ＧＰａの圧力で行われることが好ましい。
本発明によれば、製造工程又は使用環境において熱膨張率差を最小化する一体型ボンディング工具を提供することが可能になる。また、本発明は、一体型に製造及び加工し易く、加工によって高い平坦度の具現が可能なボンディング工具を提供することが可能になる。また、本発明は、製造工程又は使用環境における高温で熱変形を抑制することにより、高温環境でも高い平坦度を示すことができる。これにより、本発明は、大面積のダイアモンドチップを有するボンディング工具を提供することが可能になる。
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明することによって本発明を詳述する。
図２Ａ及び図２Ｂはそれぞれ、本発明の実施例に係る斜視図及び底面斜視図である。
図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、ボンディング工具１００は、超硬ボディー１１０及び多結晶ダイアモンドチップ１２０を含んでいる。
前記超硬ボディー１１０は、図示のように六面体状の輪郭を有しているが、本発明はこれに限定されない。
前記超硬ボディー１１０の一側には多結晶ダイアモンドチップ１２０が備えられているが、前記チップ１２０の装着のために、前記超硬ボディーの上面の一部が突出して突出部１１８を形成している。例示的には、前記突出部１１８は、前記チップ１２０のメサ構造をなしながら長手方向に延長されるバンド形状である。本発明において、前記チップの形状は例示的なものであり、半導体素子のバンプ配列形状を追従する形状であってよい。また、本発明のボンディング工具には、図示しているバンド形状のヒーターが２列以上配列されてよいことは勿論である。
本発明によれば、ボンディング工具は、多結晶ダイアモンドチップの常温平坦度及び高温平坦度が、チップ長２５ｍｍ、３０ｍｍ、又は３５ｍｍの領域又はそれ以上の領域で２μｍ以下の常温平坦度及び高温平坦度を有するか、チップ面積１３５ｍ２又はそれ以上の領域で２μｍ以下の常温平坦度及び高温平坦度を有することが好ましい。本発明において、多結晶ダイアモンドチップの表面は、凹状又は凸状の形状を有してよい。好ましくは、多結晶ダイアモンドチップの表面は、チップ両端部における半導体素子バンプ（ｂｕｍｐ）とフィルム上のリード（ｌｅａｄ）回路との非連結（ｂｕｍｐ ｏｐｅｎ）を防止するために高温で凹状を有することが良い。
このとき、高温平坦度は、４８０℃の温度で測定された値を基準とし、前記平坦度は、白色光走査干渉法（ＷＳＩ）又は位相遷移干渉法（ＰＳＩ）のいずれか一つによって測定されてよい。好ましくは、前記平坦度は、白色光走査干渉法によって測定されてよい。また、本発明において、前記ボンディング工具の常温及び高温平坦度は、例えば、１．５μｍ以上の値を有してよい。
前記超硬ボディー１１０の内側、すなわち、中間部にはチップ１２０と平行に配列されたヒーター挿入孔１１２Ａ，１１２Ｂが備えられており、前記ヒーター挿入孔１１２Ａ，１１２Ｂとチップとの間に温度センサー挿入孔１１３Ａ，１１３Ｂが備えられる。前記挿入孔１１２Ａ，１１２Ｂ，１１３Ａ，１１３Ｂにはそれぞれ、ヒーター（図示せず）及び熱電対のような温度センサー（図示せず）が挿入され、前記ボンディング工具の温度制御に用いられる。
一方、前記超硬ボディー１１０の他側には、ボンディング装置のホルダー（図示せず）への装着のための結合機構として締結部１１５Ａ，１１５Ｂが備えられている。前記締結部１１５Ａ，１１５Ｂは、図示のようにねじ孔を備え、ボルトなどの手段によって前記ホルダーに締結されてよい。本発明において、前記締結部１１５Ａ，１１５Ｂは、超硬ボディーの側方に突出しているが、本発明はこれに限定されず、前記締結部の形状は様々に具現されてよいことは勿論である。
また、前記超硬ボディー１１０の内側には真空孔１１４が備えられてよい。前記真空孔１１４は、前記超硬ボディー１１０のチップ１２０から超硬ボディーを貫通する流路を形成している。この真空孔１１４によって、前記チップ１２０に接触するドライバーＩＣのような半導体素子が真空吸着される。
その他、超硬ボディーには、ホルダー固定位置を設定するための位置固定孔１１６のような追加の孔が形成されてよい。
本発明のボンディング工具において、超硬ボディー１１０は単一コンポーネントで構成される。ここで、「単一」とは、同種又は異種の２つ以上のコンポーネントが化学的に結合したり機械的に結合したりしていないということを意味する。これは、図１と関連して説明した従来のボンディング工具がボディー１２と基板１４とが接合によって形成されることによって単一コンポーネントでないことと比較される。これについて、後述するように、本発明の超硬ボディー１１０は、均質の一つの超硬部材を加工して得られる。
本発明において、前記多結晶ダイアモンドチップ１２０は、多結晶ダイアモンドと金属結合材を含む焼結体である。本発明の好ましい実施例によれば、前記多結晶ダイアモンドチップ１２０の金属結合材は超硬ボディー１１０から由来するものでよい。より好ましくは、前記多結晶ダイアモンドチップ１２０は、別の結合材を使用せず、焼結して一体化されることが好ましい。これについては後述する。
図３は、本発明のボンディング工具の使用例を説明するための図である。
図３を参照すると、ボンディング工具１００がボンディング装置（図示せず）のホルダー２００に装着される。前記ボンディング工具１００の内部にはヒーターが搭載される。
前記ボンディング工具１００の多結晶ダイアモンドチップ１２０は、例えば、ディスプレイドライバーＩＣ（以下、「ＤＤＩ」という。）１０のような半導体素子を真空吸着している。前記ボンディング装置は前記ボンディング工具１００を移送し、リード（ｌｅａｄ）のような金属配線が形成されたフィルム２０上に整列させる。
ボンディング装置の駆動によってボンディング工具１００に内蔵されたヒーターが加熱され、前記装置のホルダーは前記ボンディング工具１００を加圧して前記ＤＤＩのバンプ１２をフィルム上の金属配線２２にボンディングさせる。
上述したボンディング工具の超硬母材は略４００～５００℃の温度に加熱される。ボンディング工具の加熱状態で、ボンディング工具を構成する各コンポーネントである超硬ボディーと多結晶ダイアモンドチップ１２０はそれぞれ加熱されるが、この時、各コンポーネントの熱膨張差によって熱変形が発生する。この過程で多結晶ダイアモンドチップに発生する熱変形は大きく２成分に分けられる。その一つは、加圧軸に平行な方向の変形成分（丸１）であり、もう一つは、加圧軸に垂直な方向の変形成分（丸２）である。
２成分のうち、前者は多結晶ダイアモンドチップの接触面全体に均一に作用するのに対し、後者はそうでない。超硬母材と多結晶ダイアモンドチップ１２０との熱膨張係数の差により、加熱時に加圧軸に垂直な方向の熱変形が発生し、このため、多結晶ダイアモンドチップには反り変形（ｗａｒｐａｇｅ）が起きる。このような反り変形は、多結晶ダイアモンドチップの平坦度に影響を及ぼす。
本発明によれば、２つ以上のコンポーネントを接合又は機械的結合してボンディングボディーを製造していた従来とは違い、単一コンポーネントの超硬ボディーを使用することにより、超硬ボディーで発生する反り変形を抑制している。これに加え、多結晶ダイアモンドチップ内の金属結合材を最小化することにより、超硬ボディーと多結晶ダイアモンドチップとの界面が異種コンポーネントとして作用することを防止している。
以下では、本発明のボンディング工具の製造方法を説明する。
図４は、本発明の実施例に係るボンディング工具の製造方法を模式的に示すフローチャートである。
図４を参照すると、ダイアモンド粉末成形体を製造する（Ｓ１１０）。ダイアモンド粉末成形体は、ダイアモンド粉末と有機結合材を混合してスラリーを製造した後、成形及び乾燥させて製造できる。例示的には、前記ダイアモンド粉末成形体は、シート状に成形されてよい。この時、ダイアモンド粉末は、粒径が０．５～５０μｍの範囲であるものを使用することが好ましい。また、前記ダイアモンド粉末成形体は金属結合材を実質的に含有しない。
前記ダイアモンド粉末成形体を超硬母材上に積層した後、高温高圧（ＨＴＨＰ）焼結する（Ｓ１２０、Ｓ１３０）。
この過程は、成形体を、２０００℃以上の高融点材料（例えば、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂなど）からなる耐火坩堝に装入し、ダイアモンドが安定した状態で存在する高温高圧下で行われる。この時、超硬母材内の金属結合材（例えば、Ｃｏ）は、焼結温度で溶融して液相を形成するが、焼結過程で加えられる圧力によって超硬母材で金属液相が溶出（ｓｑｕｅｅｚｅ ｏｕｔ）して前記成形体のダイアモンド粉末間の気孔に浸透（ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）する。液相の浸透によってダイアモンド粉末成形体は液相焼結される。本発明において、高温高圧焼結は１３００～１７００℃、５～１０ＧＰａの温度及び圧力条件で行われてよい。
次に、製造された焼結体を加工する（Ｓ１４０）。本発明において、ボンディング工具を得るための焼結体加工過程は、次の通りである。ただし、以下に説明される各加工過程が必ずしも行われるわけではなく、各加工過程の順序は変更されてもよいことは勿論である。
１．焼結体グラインディング及びラッピング
焼結体の上面及び／又は下面をグラインディング及びラッピングする。本発明では、多結晶ダイアモンド層と下部の超硬母材とが焼結によって一体化しているので、ラッピング及びグラインディングにより全体焼結体の平坦度を向上させることができる。
図５は、本発明の一実施例によって製造された焼結体を平坦加工した後に撮影した写真である。写真の焼結体の直径は略６０ｍｍで、厚さは約２０～３０ｍｍであり、多結晶ダイアモンドチップの厚さは０．５ｍｍである。本発明によれば、最大直径６０ｍｍ、厚さ２０～３０ｍｍである大面積のボンディング工具の製造が可能になる。
２．形状加工
図２Ａ及び図２Ｂのような予め定められたボンディング工具の形状にしたがって焼結体を加工する。この加工は、例えばワイヤーカット放電加工（ＷＥＤＭ）によって行われてよい。
３．孔あけ加工
放電加工によって超硬部に図２Ａ及び図２Ｂの孔１１２Ａ，１１２Ｂ，１１３Ａ，１１３Ｂ，１１４を加工し、その他にタップ加工を行う。
レーザー加工によって多結晶ダイアモンド部に真空孔あけ加工、面取り加工などを行う。
４．後処理加工
研磨によって放電加工痕を除去し、コーティングする。コーティングは、物理的蒸着法であるＰＶＤコーティング工法を用いて工具にＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＴｉＮ、ＡｌＣｒＮ、ＣｒＮ又はＣｒＡｌＮをコーティングすることができる。
図６は、焼結及び加工工程によって製造された本発明のボンディング工具を撮影した写真である。
実施例
＜製造例１＞
粒径０．５～５０μｍであるダイアモンド粉末成形体とＷＣ－Ｃｏ超硬母材を耐火坩堝に装入し、１，５００℃、７ＧＰａで高温高圧焼結して焼結体を製造した。
製造された焼結体をグラインディング及びラッピングした。具体的には、超硬ボディーを平面研削機においてダイアモンドホイールを用いて研削加工し、多結晶ダイアモンド層をラッピング機とポリシング機においてダイアモンドスラリーを用いてラッピング及びポリシング加工を行った。形状加工及び孔あけ加工を経て図６のようなボンディング工具を製作した。製作されたボンディング工具の厚さは２５ｍｍであり、多結晶ダイアモンドチップは３５（Ｗ）ｍｍ＊５（Ｌ）ｍｍ＊０．５（Ｔ）ｍｍであった。
＜試験例１＞
製造例１で製作されたボンディング工具の常温平坦度を、白色光走査干渉法（Ｗｈｉｔｅ－Ｌｉｇｈｔ Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）で多結晶ダイアモンドチップ３４（Ｗ）ｍｍ＊４（Ｌ）ｍｍの領域を測定した。測定方法及び条件は次の通りである。
－ 測定装置：Ｂｒｕｋｅｒ Ａｌｉｃｏｎａ社製Ａｌｉｃｏｎａ ＩｎｆｉｎｉｔｅＦｏｃｕｓＳＬ
－ 測定標準：ＩＳＯ／ＴＳ １２７８１－１、１２７８１－２
測定の結果、常温平坦度は１．６μｍであった
製作されたボンディング工具の高温（４８０℃）平坦度を測定した。高温平坦度は、位相遷移干渉法（Ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ；ＰＳＩ）で多結晶ダイアモンドチップ３４（Ｗ）ｍｍ＊４（Ｌ）ｍｍの領域を測定した。
＜試験例２＞
製造例１で製作されたボンディング工具の常温及び高温（４８０℃）平坦度を位相遷移干渉法（Ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ；ＰＳＩ）で多結晶ダイアモンドチップ３４（Ｗ）ｍｍ＊４（Ｌ）ｍｍの領域を測定した。
測定の結果、常温平坦度は１．６μｍ、高温平坦度は１．３μｍであった。
＜試験例３＞
製造例１で製造されたボンディング工具を高温で加圧して反復テストした。テスト条件は次の通りである。
上の条件によって、テスト前、２００万回テスト後、４００万回テスト後の常温平坦度を白色光走査干渉法（Ｗｈｉｔｅ－Ｌｉｇｈｔ Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）で測定し、下表２に示した。
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明の技術的思想は上述の好ましい実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に具体化している本発明の技術的思想を逸脱しない範ちゅうで様々に具現可能である。
本発明は、半導体素子の装着に用いられるボンディング工具に適用可能である。
Claims (13)
- 半導体素子と配線素子を熱圧着するためにボンディング装置のホルダーに結合するボンディング工具であって、
前記ボンディング工具は、
一側に、前記ボンディング装置のホルダーと結合するためのホルダー結合部を備え、内側にヒーター挿入孔を備える単一の超硬ボディーと、
前記超硬ボディーの他側に結合している多結晶ダイアモンドチップと、を備えることを特徴とするボンディング工具。 - 前記超硬ボディーは無接合構造を有することを特徴とする、請求項１に記載のボンディング工具。
- 前記多結晶ダイアモンドチップは、高温高圧焼結によって前記超硬ボディーに結合していることを特徴とする、請求項１に記載のボンディング工具。
- 前記多結晶ダイアモンドチップは、前記超硬ボディー内の金属の拡散によって結合していることを特徴とする、請求項３に記載のボンディング工具。
- 前記超硬ボディーは、前記他側には前記多結晶ダイアモンドチップの装着のための突出部を備えることを特徴とする、請求項１に記載のボンディング工具。
- 前記突出部は、超硬ボディー表面を横切って延長されるバンド形状であることを特徴とする、請求項５に記載のボンディング工具。
- 前記ボンディング工具は、前記多結晶ダイアモンドチップの長さ２５ｍｍ以上において２μｍ以下の平坦度を有することを特徴とする、請求項１に記載のボンディング工具。
- 半導体素子と配線素子を熱圧着するためにボンディング装置のホルダーに結合するボンディング工具の製造方法であって、
超硬母材上にダイアモンド粉末を積層して高温高圧焼結し、超硬母材と多結晶ダイアモンド層を含む積層構造の焼結体を製造する段階と、
前記焼結体を平坦化する段階と、
前記焼結体を加工する段階と、を含み、
前記加工する段階は、
前記焼結体の外形を加工する段階と、
前記焼結体を孔あけ加工する段階と、を含むことを特徴とするボンディング工具の製造方法。 - 前記ダイアモンド粉末は金属結合材を含有しないことを特徴とする、請求項８に記載のボンディング工具の製造方法。
- 前記加工する段階は、多結晶ダイアモンド層を加工して多結晶ダイアモンドチップを形成する段階を含み、
前記多結晶ダイアモンドチップは、超硬ボディー上で前記超硬ボディー表面を横切って延長されるバンド形状であることを特徴とする、請求項８に記載のボンディング工具の製造方法。 - 前記加工する段階は放電加工を含むことを特徴とする、請求項８に記載のボンディング工具の製造方法。
- 前記加工する段階はレーザー加工を含むことを特徴とする、請求項８に記載のボンディング工具の製造方法。
- 前記高温高圧焼結は、１３００～１７００℃の温度及び５～１０ＧＰａの圧力で行われることを特徴とする、請求項８に記載のボンディング工具の製造方法。
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