JP2520971C - - Google Patents
Info
- Publication number
- JP2520971C JP2520971C JP2520971C JP 2520971 C JP2520971 C JP 2520971C JP 2520971 C JP2520971 C JP 2520971C
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- diamond
- tool
- shank
- bonding
- tip
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 64
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 62
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 38
- 210000001699 lower leg Anatomy 0.000 claims description 26
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 23
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 11
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 6
- 229910001374 Invar Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000005304 joining Methods 0.000 claims description 5
- 229910000833 kovar Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910017083 AlN Inorganic materials 0.000 claims description 4
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 4
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 2
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 claims description 2
- 230000003287 optical Effects 0.000 claims 1
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 16
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 11
- 239000010408 film Substances 0.000 description 9
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 8
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 8
- 229910015363 Au—Sn Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 7
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 6
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 6
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 5
- 230000000737 periodic Effects 0.000 description 5
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 5
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 5
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910017944 Ag—Cu Inorganic materials 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910017945 Cu—Ti Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003286 Ni-Mn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018487 Ni—Cr Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001093 Zr alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010306 acid treatment Methods 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001722 carbon compounds Chemical class 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000002788 crimping Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 description 1
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 230000001771 impaired Effects 0.000 description 1
- 229910001026 inconel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Chemical group [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005268 plasma chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 1
- 239000010979 ruby Substances 0.000 description 1
- 229910001750 ruby Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 description 1
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
この発明は半導体チップの製造過程で使用されるTAB用ボンディングツール
に関するものである。
[従来の技術]
近年、半導体分野の技術進歩は著しく、軽薄短小の傾向にのって、IC,LS
Iなどを用いた応用製品の生産は年々増加している。これらの半導体素子の持つ
電気的特性を引き出すためには、金属めっきが施されたリードやボンディングワ
イヤーと呼ばれる金属細線と接続することが必要である。
接続金属には、通常化学的に安定であることや電気伝導性が高いことからAu
或いはAu−Sn合金が用いられ、接続法としては、加熱したボンディングツー
ルで加圧し、熱圧着する方式が広く採用されている。
上記の熱圧着方式の接続で用いられるボンディングツールは大別して2種ある
。
[課題]
その1つの方式は、パルス加熱方式と呼ばれるもので、素材のニクロム、ステ
ンレス、インコネル、Mo等を瞬間的に通電発熱させて使用する。この方式では
使用する素材の問題として、高温での酸化やリードの焼付き、変形等の顕著に生
じるため、定期的に先端をクリーニングする必要がある。
他の1つは定常加熱方式のツールで、カートリッジヒーターを組み込んだシャ
ンクの先端に研摩したダイヤモンドやルビーの単結晶を埋め込んだものが使用さ
れており、パルス加熱方式のツールに比べて特にダイヤモンド単結晶を用いたも
のは寿命が長い特徴がある。ここで、ダイヤモンドが好んで用いられるのは、大
気中で約900℃まで顕著な熱劣化が生じないことや、Au−Snとの濡れ性が
悪く、反応も生じないことによるものである。
また、研摩したダイヤモンド単結晶はその表面状態がRmaxで0.1μm以下
と良好で、かつ高硬度であるためその表面状態が変化し難い。この特性により、
圧着時に溶融したAu−Snはダイヤモンド表面に付着残留することが少ない。
さらに、ダイヤモンドは現存する物質中、最も高い熱伝導部を有するため、定
常加熱方式のツール素材に用いると、ヒータを過度に発熱させることなくすなわ
ちシャンクを過度に熱することなくツール先端を所望の500〜600℃に加熱
させることができるという長所がある。
しかしながら、ダイヤモンド単結晶は高価であり、また比較的安価な合成品で
も未だ数mm以上の大きなものが得られていないのが現実である。今後、多数の
端子を一度に熱圧着する工程が増加すると考えられるが、その場合には10mm以
上の素材形状が必要となる。
それ故に、本発明の目的は、上記の必要特性を備えたボンディングツールを提
供することにある。
[課題を解決するための手段]
すなわち、本発明のボンディングツールは、Si,Si3N4を主成分とする焼
結体、SiCを主成分とする焼結体、AlNを主成分とする焼結体および/また
はこれらの複合体からなる厚さ0.5〜5mmの基体に気相合成法で厚さ5〜3
00μm析出させた多結晶ダイヤモンドを被覆したものを工具先端部とし、該多
結晶ダイヤモンドの純度がラマン分光分析によるダイヤモンド炭素(X)と非ダ
イヤモンド炭素(Y)のピーク比(Y/X)が0.2以下であり、かつ、厚さ方
向に(100)面および/または(110)面に配向しており、該工具先端部と
、シャンク全部或いは接合側の一部がコバール、またはインバー合金からなる合
金製シャンクとが接合していることをと特徴とするものである。
[作用]
以下本発明を発明の経緯と共に詳細に説明する。
本発明者らは、先ずダイヤモンド単結晶の代わりにより大きな形状が作製でき
る市販のCoを結合材として含有する焼結ダイヤモンドを定常加熱方式ツールの
先端素材に用いることを検討した。
融点750℃の銀ロウを使用してステンレス鋼製のシャンクにロウ付けした後
、先端面の研摩とシャンクの加工を行いツールを作製した。研摩された焼結ダイ
ヤモンドはRmax=0.06μmで表面状態は良好であった。
ツールの先端を常時570℃に一定加熱してICチップとAu−Sn線との熱
圧着をくり返し行ったところ、徐々に、研摩した先端面に凹凸が生じ、融解した
Au−Sn合金の付着量が多くなっている状態が観察された。
先端面の変形は、ダイヤモンド焼結体を常時加熱しているため、結合材のCo
とダイヤモンドの熱膨張差に基づき微小亀裂の発生や、ダイヤモンドの黒鉛化の
進行による耐摩耗性の低下によるものと考えられた。
以上のことから、Coを結合材とした市販の焼結ダイヤモンドでは、この種の
工具の要求特性を満足できず、より融点の高いロウ材が使用でき、かつ長時間の
加熱使用にも耐えられる高耐熱の素材が必要であることが判明した。
耐熱性の高いダイヤモンド焼結体は、例えば特開昭53−114589号公報
に開示されているが、この焼結体は鉄族金属結合材を酸処理により抽出したもの
であるため、空孔が存在し、研摩を行っても表面状態が良好とならないため、使
用中にAu−Sn合金が付着し易い。
空孔の存在しない耐熱性ダイヤモンド焼結体は、特開昭59−161268号
公報や特開昭61−33865号公報に開示されているが、これらの結合材は、
SiやSiC或いはSiの合金等で構成されており、これらはダイヤモンドに比
べて硬度が低いため研摩後の表面状態はやはり十分満足されたものではない。
結合材を含有せず、ダイヤモンドのみからなる焼結体は、耐熱性、硬度、熱伝
導率、面粗度の全てに関して最も望ましいと考えられる。その試みとして、ダイ
ヤモンドの粉末のみを超高圧下で焼結することが行なわれているが、ダイヤモン
ド粒子自身が変形し難いため、粒子の間隙には圧力が伝達されず、したがって黒
鉛化が生じ、ダイヤモンド−黒鉛の複合体しか得られないのが現状である。
一方、最近では気相合成法により、結合材を含有しないダイヤモンド多結晶体
を製造する技術が飛躍的な進歩を遂げており、この技術を応用することが有効で
あると考えられた。気相合成法により、ダイヤモンド薄膜を超硬合金やW等の基
体に析出させ、切削工具として用いることは知られているが、これを上記したボ
ンディングツールに適用しても、膜の密着強度が低いため、使用中に被覆膜の剥
離や亀裂の発生が生じて、良好な結果が得られなかった。
本発明者らは、より一層優れたボンディングツール素材を得るべく鋭意検討し
、さらにこの優れた素材をボンディングツールの工具先端部として活かすための
ツール構成の検討を重ねた結果、以下の発明をなしたものである。
すなわち、Si,Si3N4を主成分とする焼結体、SiCを主成分とする焼結
体、AlNを主成分とする焼結体および/またはこれらの複合体からなる厚さ0
.5〜5mmの基体に気相合成法で厚さ5〜300μm析出させた多結晶ダイヤ
モンドを被覆したものを工具先端部とし、該多結晶ダイヤモンドの純度がラマン
分光分析によるダイヤモンド炭素(X)と非ダイヤモンド炭素(Y)のピーク比
(Y/X)が0.2以下であり、かつ、厚さ方向に(100)面および/または
(110)面に配向しており、該工具先端部と、シャンク全部或いは接合側の一
部がコバール、またはインバー合金からなる合金製シャンクとが接合しているこ
とをと特徴とすることにより、優れたボンディングツールとなることを見出した
ものである。
本発明の実施にあたり、優れたボンディングツール素材を得るためには、基体
にダイヤモンドとの熱膨張係数が近く、被覆したダイヤモンド層との密着性が良
好なものを選定することが必要である。
またツールの作製工程及びツールとして使用する際には、500〜1000℃
程度の高温に曝されるため、高い耐熱性を有するものであることも必要である。
本発明者らは、これらの特性を有するものとしてSi,Si3N4を主成分とする
焼結体、SiCを主成分とする焼結体、AlNを主成分とする焼結体が有効であ
ることを見出した。これらの基体を必要形状に成形加工した後、気相合成法によ
りダイヤモンドの被覆を行なう。尚、基体の厚さは、上記の基体材質の強度、シ
ャンク材質の線膨張率の大きさ等により0.5〜5mmの範囲で選択される。
気相合成の手段としては公知のあらゆる方法が可能であり、熱電子放射やプラ
ズマ放電を利用して原料ガスの分解・励起を生じさせる方法や燃焼炎を用いた成
膜方法等が有効である。原料ガスとしては、例えばメタン、エタン、プロパン等
の炭化水素類、メタノール、エタノール等のアルコール類、エステル類等の有機
炭素化合物と水素とを主成分とする混合ガスを用いることが一般的であるが、こ
れら以外にアルゴン等の不活性ガスや酸素、一酸化炭素、水等も、炭素の合成反
応やその特性を阻害しない範囲であれば、原料中に含有されていても差し支えな
い。
被覆する膜厚は5〜300μmが好ましい。これは膜厚が5μm未満であると
被覆面の研摩中に或いはツールとして使用中に亀裂が入りやすいためである。ま
た現状の技術では膜厚が300μmを超す厚いものとするのは、析出速度が小さ
いので時間すなわちコストがかかり好ましくない。
また、被覆する多結晶ダイヤモンドは、ツール作製時にその被覆上面を研摩仕
上げする必要があることを考慮し、その加工性を容易にするために、厚さ方向に
(100)面および/または(110)面に配向するように合成することが有効
である。(111)面の場合は硬度が高く加工性が悪い。さらに同じ理由から被
覆する多結晶ダイヤモンドの被覆上面の粒子径が100μm以下となるように合
成することが望ましい。
さらに、被覆する多結晶ダイヤモンドの純度は、ラマン分光分析によるダイヤ
モンド炭素(X)と非ダイヤモンド炭素(Y)のピーク比(Y/X)が0.2以
下であることが重要である。純度がこれよりも悪いと、含有される非ダイヤモン
ド炭素が多くなり、ツール使用時に大気中で加熱される際に、この非ダイヤモン
ド炭素が選択的に酸化されて、ツール先端の面粗度が低下するため好ましくない
。
以上の方法で得られたツール素材は、ダイヤモンドで被覆した面をさらに研摩
仕上げして、その表面状態を単結晶ダイヤモンド並のRmax0.05μm以下と
することができる。
この表面研摩された工具素材は、ロウ付け等の手段により工具母材に接合する
ことにより、ボンディングツール素材として性能を発揮するものである。
接合法としては、600℃以上の融点を有するロウ材を用いる方法ならびに、
金を用いて熱圧着する方法が有効である。
前者のロウ付け法では、ロウ材として周期律表第IVa,Va,VIa,VIIa
族元素の少なくとも1種以上を1〜40重量%含有し、残部が周期律表第VIII族
、Cu,Ag,Au,B,In,Snの少なくとも1種以上からなる合金を用い
る方法と、工具先端の接合表面に周期律表第IVa,Va,VIa,VIIa族元素
の少なくとも1種以上からなる金属或いは合金、またはこれらの元素の化合物か
らなる薄膜と、周期律表第VIII族、Cu,Ag,Auの1種以上からなる薄膜が
この順番で被覆されており、この工具先端部は該被覆層を介して600℃以上の
融点を有するロウ材でシャンクと接合する方法をとることができる。
方法で使用できる具体的なロウ材としては、Ag−Cu−Ti合金、Ag−
Cu−In−Ti合金、Cu−Ni−Zr合金、Cu−Ni−Mn合金、Au−
Ni−Cr合金などがある。
また方法では、例えば工具先端部或いはシャンクの接合表面に厚さが数μm
以下の薄膜状のTi・Niをこの順番に被覆した後、Ag−Cu合金系のロウ材
を用いて大気中で或いは真空中でロウ付けする方法等が有効である。
これらの方法で、周期律表第IVa,Va,VIa,VIIa族元素からなる金属、合
金或いは化合物は多結晶ダイヤモンドと反応することにより炭化物を生成し、ロ
ウ付強度を向上させる作用をもつものである。
後者の金圧着の方法では、工具先端部および/またはシャンクが接合表面に周
期律表第IVa,Va,VIa,VIIa族元素の少なくとも1種以上からなる金属或
いは合金、またはこれらの元素の化合物からなる薄膜を接着強化層として、また
Pt,Pd,W,Mo,Ta,Niの少なくとも1種以上からなる金属或いは合
金の薄膜を拡散防止層として、拡散防止層が外側になるように被覆されているこ
とが高い接合強度を得るために重要である。
シャンク材質としては、コバール、インバー合金が該当する。さらに必要に応
じて熱応力緩和層としてCuやNi等の軟質金属をシャンク接合側の一部に介在
させる方法も有効である。
これらのシャンク素材を用いたツール構成は大別して3種あり、第1図〜第3
図にその概念図をまとめた。すなわち、第1図はシャンクの全部に、上記の材質
を用いた場合であり、第2図は工具先端部に近い一部(シャンク(A))にのみ
用いた場合を表す。第2図の構成は、素材費が高い或いは加工が難しい材質に特
に有効である。
また、第3図はシャンク本体と工具先端部の間に、熱応力緩和層として、上記
の金属を介在させたもので、この軟質金属が塑性変形することにより、熱応力を
緩和して接合強度の低下を防ぐことができる。
以上のいずれの構成においてもその接合強度は10Kg/mm2以上の安定した値
を示し、ボンディングツールとして使用することができる。
以下、実施例により具体的に説明する。
[実施例]
実施例1
マイクロ波プラズマCVD法により一辺15mm、厚さ2mmのSiC焼結体製の
基体を石英ガラスからなる支持台上に固定して、ダイヤモンドの被覆を行なった
。条件は以下の通りで、10時間で50μmの厚さの多結晶ダイヤモンドが被覆
できた。
原料ガス(流量):H2 200cc/min、
CH44cc/min、 Ar 50cc/min、
圧力:100Torr
マイクロ波発振機出力:800W
被覆層である多結晶ダイヤモンドの粒径は15μm程度で、表面粗さはRmax
で8.5μmであった。また、Moを基体として同様の条件で処理したところ、
膜厚が45μm、粒径20μmで表面粗さがRmaxで10.5μmの多結晶ダイヤ
モンドが被覆できた。これらの多結晶ダイヤモンドはいずれも厚さ方向(110
)面配向しているものであった。また、これらの多結晶ダイヤモンドはラマン分
光分析により、ダイヤモンド炭素(X)と非ダイヤモンド炭素(Y)のピーク比
(Y/X)が0.05であった。
これらの被覆焼結体をメッシュサイズ□200のダイヤモンド電着砥石により、
その被覆面を研摩した。その結果、Moを基体としたものは、研摩中に膜に亀裂
が入り、一部剥離してしまったが、SiC焼結体を基体としたものは、剥離せず
にRmaxが0.03μmと単結晶ダイヤモンドに匹敵する程の良好な研摩面状態
が得られた。この研摩できたものを研摩面と反対側の面をロウ付け面としてコバ
ール製のシャンクにAg−Cu合金ロウ材により、真空中850℃でロウ付け接
合した。尚、ロウ付けの前処理として、ロウ付け面となるSiC焼結体の表面に
はPVD法でTi及びNiを夫々2μmづつ予め積層被覆した。
この接合体をさらに研摩仕上げ加工したボンディングツールを作製した。この
ツールの耐久テストをボンディング装置に実装して行ったところ、3mm角の単結
晶ダイヤモンドを用いて作製したツールと同様に100万回の使用に耐えた。
そのボンディング面の寸法が拡大できたことにより、生産性が約5倍に増大で
きることが明らかになった。
実施例2
実施例1と同様の製造方法により、第1表に示したボンディングツール素材を
作製した。第1表には、比較として本発明以外の素材についても示した。
これらの素材の被覆面及び比較として市販のCoを10容量%含有する焼結ダ
イヤモンドを研摩加工した。その結果、被覆膜の厚さが5μmよりも薄かったC
は研摩中に亀裂が入った。また、Mo,Taを用いたNo.B,No.Iは夫々研摩
中に被覆膜が剥離してしまった。さらに(111)面に配向したA及び被覆多結
晶ダイヤモンド上面粒子径が150μmと粗大であるNo.Hは加工性が悪く、全
面研摩することができなかった。
これら以外のものの研摩後の表面粗さを第2表に示す。
これらの素材を加工し、Cu,Ni,Mnが夫々重量比で7:1:2の割合か
らなるロウ材を用いて、インバー合金製のシャンクに真空中900℃の条件でロ
ウ付けを行った。接合後加工を施して先端角10mmのボンディングツールを作製
した。これらのツールの耐久テストを行った結果もあわせて第2表に示す。使用
条件は、先端温度520℃で圧着時間2秒とし、ピン数1000本のICをくり
返しボンディングした。この表から明らかなように、ラマン分光分析により非ダ
イヤモンド炭素の含有量が本発明の規格以上であったNo.Fは面粗度の劣化がみ
られたが、本発明の素材を用いたツールでは顕著な劣化はみられなかった。
実施例3
熱電子放射材として直径0.5mm及び長さ20mmの直線状タングステンフィラ
メントを用い、水素、炭素源及び水蒸気からなる原料ガスを20時間分解励起し
て、厚さ3mmのSiC基体上に第3表に示す多結晶ダイヤモンドを合成した。
得られた多結晶ダイヤモンドの特性を第3表にあわせて示す。これらの工具先
端部を第4表に示した構成でツールを作製した。これらはいずれもボンディング
ツールとして100万回の使用に耐えた。使用後のツールを用いて接合強度(剪
断強度)を測定した結果を第4表に示す。比較として、本発明外であるSUS30
4に直接ロウ付け下場合は2Kg/mm2と低い値を示したが、本発明のL,N,O
,P,Qはいずれも安定した高い接合強度を示すことが明らかとなった。
[発明の効果]
以上のように、本発明によれば、耐熱性、強度および耐摩耗性がより一層向上
されたボンディングツールを得ることが可能となる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a TAB bonding tool used in a semiconductor chip manufacturing process. [Prior Art] In recent years, the technical progress in the semiconductor field has been remarkable, and ICs, LSs,
The production of applied products using I and the like is increasing year by year. In order to bring out the electrical characteristics of these semiconductor elements, it is necessary to connect them to metal-plated leads or thin metal wires called bonding wires. Au is usually used for the connection metal because it is chemically stable and has high electrical conductivity.
Alternatively, an Au-Sn alloy is used, and as a connection method, a method of applying pressure by a heated bonding tool and thermocompression bonding is widely adopted. There are roughly two types of bonding tools used in the above-mentioned thermocompression bonding. [Problem] One of the methods is called a pulse heating method, in which a material such as nichrome, stainless steel, Inconel, or Mo is instantaneously energized and heated. In this method, as a problem of the material used, oxidation at a high temperature, seizure of a lead, deformation, and the like occur remarkably. Therefore, it is necessary to periodically clean the tip. The other one is a tool with a steady heating method, in which a polished diamond or ruby single crystal is embedded at the tip of a shank with a built-in cartridge heater. The one using a crystal has a long lifetime. Here, diamond is preferably used because remarkable thermal deterioration does not occur in the atmosphere up to about 900 ° C., and wettability with Au—Sn is poor and no reaction occurs. The surface state of the polished diamond single crystal is as good as 0.1 μm or less in Rmax and is high in hardness, so that the surface state hardly changes. Due to this characteristic,
Au-Sn melted at the time of press bonding is less likely to remain on the diamond surface. Furthermore, since diamond has the highest heat conducting portion among the existing materials, if it is used for a tool material of a steady heating method, the tool tip can be set to a desired position without excessively heating the heater, that is, without excessively heating the shank. It has the advantage that it can be heated to 500-600 ° C. However, a diamond single crystal is expensive, and it is a reality that a relatively inexpensive synthetic product having a size of several mm or more has not yet been obtained. In the future, it is considered that the process of thermocompression bonding a large number of terminals at once will increase, but in that case, a material shape of 10 mm or more is required. Therefore, it is an object of the present invention to provide a bonding tool having the above required characteristics. [Means for Solving the Problems] That is, a bonding tool according to the present invention includes a sintered body mainly composed of Si and Si 3 N 4 , a sintered body mainly composed of SiC, and a sintered body mainly composed of AlN. A substrate having a thickness of 0.5 to 5 mm, which is formed of a binder and / or a composite thereof, has a thickness of 5 to 3 mm by a gas phase synthesis method.
A tool coated with polycrystalline diamond having a thickness of 00 μm was used as a tool tip, and the purity of the polycrystalline diamond was such that the peak ratio (Y / X) of diamond carbon (X) to non-diamond carbon (Y) was 0 according to Raman spectroscopic analysis. 0.2 or less, and oriented in the thickness direction to the (100) plane and / or (110) plane, and the tool tip and the entire shank or a part of the joining side are made of Kovar or Invar alloy. And an alloy shank. [Operation] Hereinafter, the present invention will be described in detail along with the background of the invention. The present inventors first studied the use of a commercially available sintered diamond containing Co as a binder, which can produce a larger shape instead of a diamond single crystal, as a leading material of a tool for a steady heating method. After brazing to a stainless steel shank using a silver brazing material having a melting point of 750 ° C., the tip surface was polished and the shank was worked to produce a tool. The polished sintered diamond had a good surface condition with Rmax = 0.06 μm. When the tip of the tool was constantly heated to 570 ° C and the thermocompression bonding between the IC chip and the Au-Sn wire was repeated, irregularities gradually appeared on the polished tip surface, and the amount of the deposited Au-Sn alloy adhered. Was observed. The deformation of the tip surface is caused by the fact that the diamond sintered body is constantly heated,
It is considered that microcracks were generated based on the difference in thermal expansion between diamond and diamond, and the wear resistance was reduced due to the progress of graphitization of diamond. From the above, the commercially available sintered diamond using Co as a binder cannot satisfy the required characteristics of this kind of tool, a brazing filler metal having a higher melting point can be used, and it can withstand a long-time heating use. It turned out that a material with high heat resistance was necessary. A diamond sintered body having high heat resistance is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 53-114589. However, since the sintered body is obtained by extracting an iron group metal binding material by an acid treatment, pores are not formed. The Au—Sn alloy is present and the surface state does not become good even after polishing, so that the Au—Sn alloy easily adheres during use. A heat-resistant diamond sintered body having no voids is disclosed in JP-A-59-161268 and JP-A-61-33865.
Since it is made of Si, SiC, an alloy of Si, or the like, and has a lower hardness than diamond, the surface state after polishing is still not sufficiently satisfactory. It is considered that a sintered body made of diamond alone without a binder is most desirable in all of heat resistance, hardness, thermal conductivity, and surface roughness. As an attempt, sintering only diamond powder under ultra-high pressure has been performed, but since the diamond particles themselves are not easily deformed, pressure is not transmitted to the gaps between the particles, so graphitization occurs, At present, only a diamond-graphite composite can be obtained. On the other hand, recently, a technique for producing a polycrystalline diamond containing no binder by a vapor phase synthesis method has made remarkable progress, and it has been considered effective to apply this technique. It is known that a diamond thin film is deposited on a substrate such as a cemented carbide or W by a gas phase synthesis method and is used as a cutting tool. Due to the low value, peeling and cracking of the coating film occurred during use, and good results were not obtained. The present inventors have intensively studied to obtain a more excellent bonding tool material, and further studied a tool configuration for utilizing this excellent material as a tool tip of a bonding tool. It was done. That is, a sintered body mainly composed of Si, Si 3 N 4 , a sintered body mainly composed of SiC, a sintered body mainly composed of AlN, and / or a composite of these having a thickness of 0
. A tool having a base of 5 to 5 mm coated with polycrystalline diamond having a thickness of 5 to 300 μm deposited by a vapor phase synthesis method is used as a tool tip. The diamond carbon (Y) has a peak ratio (Y / X) of 0.2 or less, and is oriented in the thickness direction on the (100) plane and / or the (110) plane; It has been found that an excellent bonding tool is obtained by being characterized in that the shank is entirely or partially joined to an alloy shank made of Kovar or an Invar alloy. In the practice of the present invention, in order to obtain an excellent bonding tool material, it is necessary to select a substrate having a coefficient of thermal expansion close to that of diamond and good adhesion to the coated diamond layer. When used as a tool manufacturing process and a tool, the temperature is 500 to 1000 ° C.
Since it is exposed to such a high temperature, it is necessary to have high heat resistance.
The present inventors have found that a sintered body mainly composed of Si, Si 3 N 4 , a sintered body mainly composed of SiC, and a sintered body mainly composed of AlN are effective as having these characteristics. I found something. After forming these substrates into required shapes, diamond is coated by a vapor phase synthesis method. The thickness of the base is selected in the range of 0.5 to 5 mm depending on the strength of the base material and the linear expansion coefficient of the shank material. As a means of the gas phase synthesis, any known method is possible, and a method of causing decomposition and excitation of the source gas using thermionic emission or plasma discharge, a film forming method using a combustion flame, and the like are effective. . As the raw material gas, for example, it is common to use a mixed gas containing, as main components, hydrocarbons such as methane, ethane, and propane; alcohols such as methanol and ethanol; organic carbon compounds such as esters; and hydrogen as main components. However, in addition to these, an inert gas such as argon, oxygen, carbon monoxide, water and the like may be contained in the raw material as long as the carbon synthesis reaction and its characteristics are not impaired. The coating thickness is preferably 5 to 300 μm. This is because if the film thickness is less than 5 μm, cracks tend to occur during polishing of the coated surface or during use as a tool. Further, in the current technology, it is not preferable to make the film thickness thicker than 300 μm because the deposition rate is low and it takes time, that is, costs. Also, in consideration of the fact that the upper surface of the coated polycrystalline diamond needs to be polished at the time of producing the tool, the (100) plane and / or (110) is preferably used in order to facilitate the workability. ) It is effective to synthesize so as to be oriented on the plane. The (111) plane has high hardness and poor workability. Further, for the same reason, it is desirable to synthesize the polycrystalline diamond so that the particle diameter of the upper surface of the coated polycrystalline diamond is 100 μm or less. Further, it is important for the purity of the polycrystalline diamond to be coated that the peak ratio (Y / X) of diamond carbon (X) to non-diamond carbon (Y) by Raman spectroscopy be 0.2 or less. If the purity is lower than this, the non-diamond carbon contained will increase, and when heated in the atmosphere when the tool is used, this non-diamond carbon will be selectively oxidized, reducing the surface roughness of the tool tip. Is not preferred. The tool material obtained by the above method can be further polished on the surface coated with diamond, and the surface state can be reduced to Rmax 0.05 μm or less, which is equivalent to that of single crystal diamond. The surface-polished tool material exhibits its performance as a bonding tool material by being joined to a tool base material by means such as brazing. As a joining method, a method using a brazing material having a melting point of 600 ° C. or more, and
A method of thermocompression bonding using gold is effective. In the former brazing method, as the brazing material, the periodic table Nos. IVa, Va, VIa, VIIa are used.
A method using an alloy containing 1 to 40% by weight of at least one kind of group element and the balance consisting of at least one kind of group VIII of the periodic table, Cu, Ag, Au, B, In, and Sn; A metal or alloy composed of at least one element from group IVa, Va, VIa, and VIIa of the periodic table, or a thin film composed of a compound of these elements, and a thin film composed of a compound of these elements, group VIII, Cu, Ag , And Au are coated in this order, and the tool tip can be joined to the shank by a brazing material having a melting point of 600 ° C. or more through the coating layer. Specific brazing materials usable in the method include Ag-Cu-Ti alloy, Ag-
Cu-In-Ti alloy, Cu-Ni-Zr alloy, Cu-Ni-Mn alloy, Au-
There is a Ni-Cr alloy or the like. In addition, in the method, for example, a thickness of several μm
It is effective to coat the following thin film Ti / Ni in this order, and then braze in an air or vacuum using an Ag-Cu alloy-based brazing material. By these methods, metals, alloys or compounds consisting of elements of Groups IVa, Va, VIa and VIIa of the Periodic Table generate carbides by reacting with polycrystalline diamond and have an effect of improving brazing strength. is there. In the latter method of gold crimping, the tool tip and / or the shank is formed on the joining surface from a metal or alloy composed of at least one element from Group IVa, Va, VIa, and VIIa of the periodic table, or a compound of these elements. A thin film of a metal or an alloy comprising at least one of Pt, Pd, W, Mo, Ta, and Ni as a diffusion preventing layer, and the diffusion preventing layer is coated on the outside. Is important to obtain high bonding strength. Kovar and Invar alloy correspond to the shank material. Further, if necessary, a method of interposing a soft metal such as Cu or Ni as a thermal stress relaxation layer in a part of the shank joint side is also effective. There are roughly three types of tool configurations using these shank materials.
The figure shows the conceptual diagram. That is, FIG. 1 shows the case where the above-mentioned material is used for the entire shank, and FIG. 2 shows the case where only the part (the shank (A)) near the tool tip is used. The configuration shown in FIG. 2 is particularly effective for a material having a high material cost or difficult to process. FIG. 3 shows that the above metal is interposed as a thermal stress relaxation layer between the shank main body and the tip of the tool. The soft metal is plastically deformed, thereby relaxing the thermal stress and joining strength. Can be prevented from decreasing. In any of the above configurations, the bonding strength shows a stable value of 10 kg / mm 2 or more, and can be used as a bonding tool. Hereinafter, specific examples will be described. EXAMPLES Example 1 A substrate made of a SiC sintered body having a side of 15 mm and a thickness of 2 mm was fixed on a support made of quartz glass by a microwave plasma CVD method, and diamond was coated. The conditions were as follows, and a polycrystalline diamond having a thickness of 50 μm could be coated in 10 hours. Raw material gas (flow rate): H 2 200cc / min, CH 4 4cc / min, Ar 50cc / min, pressure: 100 Torr microwave generator output: the particle size of the polycrystalline diamond is 800W coating layer is about 15 [mu] m, the surface roughness Is Rmax
Was 8.5 μm. When Mo was used as a substrate and treated under the same conditions,
Polycrystalline diamond having a film thickness of 45 μm, a particle diameter of 20 μm, and a surface roughness of Rmax of 10.5 μm could be coated. Each of these polycrystalline diamonds has a thickness direction (110
) Plane orientation. In addition, according to Raman spectroscopy, these polycrystalline diamonds had a peak ratio (Y / X) of diamond carbon (X) to non-diamond carbon (Y) of 0.05. These coated sintered bodies are polished with a diamond electrodeposition whetstone of mesh size □ 200.
The coated surface was polished. As a result, when the substrate was made of Mo, the film cracked during polishing, and the film was partially peeled off. However, when the substrate was made of a SiC sintered body, the Rmax was 0.03 μm without peeling. A good polished surface condition comparable to that of single crystal diamond was obtained. The polished surface was brazed to a Kovar shank with an Ag-Cu alloy brazing material at 850 ° C. in vacuum using a surface opposite to the polished surface as a brazing surface. As a pretreatment for brazing, the surface of the SiC sintered body to be brazed was preliminarily coated with Ti and Ni in a thickness of 2 μm by PVD. A bonded tool was produced by further polishing and finishing the joined body. When a durability test of this tool was carried out by mounting it on a bonding apparatus, it was able to withstand one million times of use similarly to a tool manufactured using a 3 mm square single crystal diamond. It has been clarified that the productivity can be increased about 5 times by increasing the dimension of the bonding surface. Example 2 By the same manufacturing method as in Example 1, the bonding tool materials shown in Table 1 were produced. Table 1 also shows materials other than the present invention for comparison. Coated surfaces of these materials and, as a comparison, commercially available sintered diamond containing 10% by volume of Co were polished. As a result, the thickness of the coating film was smaller than 5 μm.
Cracked during polishing. Further, the coating films of No. B and No. I using Mo and Ta respectively peeled off during polishing. Furthermore, A oriented to the (111) plane and No. H having a coarse upper surface particle diameter of the coated polycrystalline diamond of 150 μm were poor in workability and could not be entirely polished. Table 2 shows the surface roughness after polishing other than these. These materials were processed and brazed to a shank made of Invar alloy at 900 ° C. in vacuum using a brazing material having a weight ratio of Cu, Ni and Mn, respectively, of 7: 1: 2. . After bonding, processing was performed to produce a bonding tool having a tip angle of 10 mm. Table 2 also shows the results of the durability tests performed on these tools. The conditions of use were such that the tip temperature was 520 ° C., the pressure bonding time was 2 seconds, and ICs having 1000 pins were repeatedly bonded. As is clear from this table, the surface roughness of No. F whose non-diamond carbon content was higher than the standard of the present invention was observed by Raman spectroscopy, but the tool using the material of the present invention was not used. No significant deterioration was observed. Example 3 A straight tungsten filament having a diameter of 0.5 mm and a length of 20 mm was used as a thermionic emitting material, and a raw material gas composed of hydrogen, a carbon source and water vapor was decomposed and excited for 20 hours to form a 3 mm-thick SiC substrate. The polycrystalline diamond shown in Table 3 was synthesized. Table 3 shows the properties of the obtained polycrystalline diamond. Tools were manufactured with the configuration shown in Table 4 at the tip of these tools. Each of these endured 1 million times as a bonding tool. Table 4 shows the results of measuring the bonding strength (shear strength) using the used tool. As a comparison, SUS30 outside the present invention
4, when directly brazed, the value was as low as 2 kg / mm 2.
, P, and Q all show stable high bonding strength. [Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a bonding tool with further improved heat resistance, strength, and wear resistance.
【図面の簡単な説明】 第1図、第2図および第3図は本発明のボンディングツールの構成を示す。 (番号) 1:多結晶ダイヤモンド 2:基体 3:ロウ材或いは金 4:シャンク(A) 5:シャンク(B) 6:熱応力緩和層 7:シャンク(A)[Brief description of the drawings] 1, 2 and 3 show the structure of the bonding tool of the present invention. (number) 1: polycrystalline diamond 2: substrate 3: Brazing material or gold 4: Shank (A) 5: Shank (B) 6: Thermal stress relaxation layer 7: Shank (A)
Claims (1)
体、AlNを主成分とする焼結体および/またはこれらの複合体からなる厚さ0
.5〜5mmの基体に気相合成法で厚さ5〜300μm析出させた多結晶ダイヤモ
ンドを被覆したものを工具先端部とし、該多結晶ダイヤモンドの純度がラマン分
光分析によるダイヤモンド炭素(X)と非ダイヤモンド炭素(Y)のピーク比(
Y/X)が0.2以下であり、かつ、厚さ方向に(100)面および/または(
110)面に配向しており、該工具先端部と、シャンク全部或いは接合側の一部
がコバール、またはインバー合金からなる合金製シャンクとが接合していること
を特徴とするボンディングツール。 【請求項2】シャンク材質として、接合側の一部にCuまたはNiを熱応力緩和
層として介在することを特徴とする請求項1記載のボンディングツール。 【請求項3】工具先端部とシャンクとの接合が、熱圧着により形成された金によ Claims: 1. A sintered body mainly composed of Si, Si 3 N 4 , a sintered body mainly composed of SiC, a sintered body mainly composed of AlN, and / or Composite thickness 0
. Polycrystalline diamond deposited on a 5 to 5 mm substrate by vapor phase synthesis with a thickness of 5 to 300 μm
The tip of the tool is coated with a diamond, and the purity of the polycrystalline diamond is
Peak ratio of diamond carbon (X) and non-diamond carbon (Y) by optical analysis (
(Y / X) is 0.2 or less, and (100) plane and / or (
110) Oriented to the plane, the tip of the tool and all or part of the shank
A bonding tool characterized by being joined to a shank made of Kovar or an alloy made of an Invar alloy . 2. As a shank material, Cu or Ni is partially relaxed on the joint side by thermal stress.
The bonding tool according to claim 1, wherein the bonding tool is interposed as a layer. 3. The joining between the tool tip and the shank is made of gold formed by thermocompression bonding.
Family
ID=
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100210900B1 (en) | Bonding tool | |
US5653376A (en) | High strength bonding tool and a process for the production of the same | |
KR0133165B1 (en) | Bonding tool having diamond head and method of manufacturing the same | |
JP2520971B2 (en) | Bonding tools | |
JP2590113B2 (en) | Bonding tool material and manufacturing method thereof | |
JPH0766930B2 (en) | Bonding tools | |
JP2520971C (en) | ||
JP3413942B2 (en) | High strength bonding tool and manufacturing method thereof | |
JPH0542508B2 (en) | ||
JP3189372B2 (en) | Bonding tool and manufacturing method thereof | |
JPH0671503A (en) | Diamond cutting tool and its manufacture | |
JPH04261703A (en) | Polycrystal diamond cutting tool | |
JP3247636B2 (en) | Bonding tool and manufacturing method thereof | |
JPH07196379A (en) | Tool for brazing synthetic diamond in gas phase and its production | |
JP3299694B2 (en) | Bonding tool | |
JP3077376B2 (en) | Bonding tool and manufacturing method thereof | |
JPH05299479A (en) | Bonding tool and its manufacture | |
JPS63102801A (en) | Diamond tool | |
JPH08181173A (en) | Flip-chip bonding tool and its manufacture and mounting method using the same | |
JP2003128423A (en) | Optical element mold and method for manufacturing the same | |
JP3346654B2 (en) | Member with diamond-tungsten composite film | |
JP2784695B2 (en) | Manufacturing method of bonding tool | |
JPH0839362A (en) | Manufacture of member with diamond-tungsten composite film | |
JPH08124970A (en) | High-precision mounting tool, manufacture thereof, and mounting method by use thereof | |
JPH05228624A (en) | Soldering tool of diamond polycrystalline body |