JPH0425138A

JPH0425138A - ボンディングツール

Info

Publication number: JPH0425138A
Application number: JP2129924A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Nakamura; 勉中村; Katsuyuki Tanaka; 克享田中; Tetsuo Nakai; 哲男中井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1990-05-18
Filing date: 1990-05-18
Publication date: 1992-01-28
Anticipated expiration: 2011-07-31
Also published as: JP2520971B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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Ｔ　Ａ
　Ｂ用ボン１イングッ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，ＬＳＩ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
ボンディングワ實ヤーと呼ばれる金属細線と接続するこ
とが必要である。

接続金属にし４、通常化学的に安定であることや電気伝
導性が高いごとからＡｕ或はＡｕ−５ｎ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
ルは人別して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−Ｃ
３素材のニクＩコム、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−ＣＬ；
ｌ使用する素４．（の問題として、高温での酸化やり−
１の焼付き、変形等が顕著に律じるため、定１υｊ的Ｇ
こ先端をクリーニングする必要がある。

他の１つは定常加ｄＳ方弐のツールで、カーｉ・リッジ
ヒーターを組み込んだシトンクの先端に研摩したダイヤ
干ンＩやルヒーの華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くζ特にダ・イへ・
壬ント単結晶を用いたものは）１−命が長い′１．′Ｉ
徴がある。ここで、ダイ）フモントが好んご用い（１わ
るの：３１、人気中で約９００℃土で１須）Ｙな執′；
ｊ化が牛し２ない、二とや、Ａ」「Ｓｎとの濡れ性がｉ
！！むく、反尾、も／１しない、−とに、■、るもの−
Ｃある。

また、研摩したダイヤ千ン１゛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−３ｎ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、ダイヤモンドは現有する物質中、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、ヒーターを過度に発熱させる、二となくすなわしシ
ャンクを過度に熱することなくツール先端を所望の５０
０〜６００℃に加熱させることができるという長所があ
る。

Ｌ７かしながら、ダ・イー・モンドｆｉｔ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−にの
大きなものが得られてい４（いのが現実である。今後、
多数の端子を−・度に熱圧着する工程が増加すると考え
られるが、その鳴音には１０ｍｍ以Ｉ−の素材形状が必
要となる。

それゆえに、本発明のＬ１的は１．ｉ記の必要特性を備
えたポンディング゛）−ルを提供することにある。

（、Ｉ！ｌ！題全力・１″決１イ、ための手段）ずなわ
ら、本発明のボンディングツールは、５ｉＳｉ（Ｎ４’
ａ：主成分とする焼結体、ＳｉＣを主成分とする焼結体
、八〇　Ｎを主成分とする焼結体および／またハ５′、
れらの複合体からなる基体に気相合成法で析出させた多
結晶ダイ′〜・セントを被覆したちの４二Ｆ、具入◇ゼ
；部と（〜、該工具先端部と、少なくともその　部か室
温からう００℃よ−この線膨張率が７５ＸＩＯ’／℃以
十である金属および／または合金製シャンクとか接合し
ていることを特徴とするものである。

（作用）以Ｆ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りにより大
きな形状が作製できる市販のＧｏを結合（Ａ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°（二の恨１１つを使用してステンレス釦１
製のシャンクにロウイ・］すした後、先端面の研摩とソ
ヤンクの加Ｉを行いツールを作製した。研摩された焼結
ダイヤモンｌ゛はＲｍａχ−０，０６／Ｊｍ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−５ｎ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Δｕ−３
ｎ合金のイ」着量が多くなっている状態が観察された。

先端面の変形るＪ、ダイヤモノ１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ＩＳの熱膨張差に
栽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」二のことから、ＣＯを結合材とした市販の焼結ダイ
Ａ・セントでは、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月が使用でき、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ＡＬＩ−５ｎ合金がイ（１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６］　−３３８６５
号公報に開示されているが、これらの結合材は、Ｓｉや
ＳｉＣ成はＮ１とＳｉの合金等で構成されており、これ
らはダイヤモンＩ・に比べて硬度が低いため研摩後の表
面状態Ｇ：１やはりＩ−分満足されたもので４Ｊない。

結合材を含有セす、ダイヤモンドのみからなる焼結体は
、ｉ４熱性、硬度、熱伝導率、面）１度の全てに関して
最も望ましいと考えられる。その試のとして、ダイヤモ
ンＩの粉末のみを超高圧下で焼結することが行われてい
るが、ダイヤモンＩ１粒子自月が変形し難いため、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
、ダイヤセン１−−−黒鉛の複合体しか得られていない
のが現状である。

−・方、１．Ｈ近ては気相合成法により、結合材を含有
し２ないダイヤモノ１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、ダイヤモノ１゛
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」上記したポン
ディングツールに適用しＣも、膜の密着強度が低いため
、使用中に被覆膜の、？ＪＪ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、より一層優れたポンディングツル素材を
得るべく鋭意検削し、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
の検削を重ねた結果、以下の発明をなしたものである。

ずなわち、Ｓｉ、５ｉ３Ｎａを主成分とする焼結体、Ｓ
ｉＣを主成分とする焼結体、ＡｆｆＮ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基体に気相
合成法で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、該工具先端部と、少なくともその−
・部が室温から６００℃までの線膨張率が７．５ｘ　１
０−’　／　℃以下である金属および／または合金製シ
ャンクとが接合していることをｑ、ｙ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物としてＳｉ、Ｓｉ、Ｎ　
４を主成分とする焼結体、ＳｉＣを主成分とする焼結体
、八〇Ｎ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１−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・励起を生しさセ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、−
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」二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（１０
０）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。（１１］）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−］−の方法で得られたツール素材は、ダイヤモン１
−で被覆した面をさらに研摩仕」こげして、その表面状
態を単結晶ダイヤモン）・並のＲｍａｘ　Ｏ，０５μｍ
】以上とすることができる。

二の表面研１７された工具累月は、ロウ材は等の手段に
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、熱圧着により形成された金により
行う方法が有効である。

前者のロウ材は法では、ロウ材として周期律表第ＴＶａ
、Ｖａ、Ｖｌａ、■ａ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■族、Ｃｕ、　
Ａｇ、＾Ｌｌ、　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、工具先端部の接合
表面に周期律表第ｒＶａ、Ｖａ、ＶＴａ、■ａ族元素の
少なくとも１種以」二からなる金属或は合金、またはこ
れら元素の化合物からなる薄膜と５、周期律表第■族、
Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕの１種以」二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」二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。

これらの方法で、周期律表第１Ｖａ、Ｖａ、Ｖｌａ■ａ
族元素からなる金属、合金或は化合物は多結晶ダイヤモ
ンＩ・と反応することにより炭化物を生成し、ロウ付強
度を向」ニさせる作用をもつものである。

後者の全圧着の方法では、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ＴＶａ、Ｖａ■ａ、■ａ
族元素の少なくとも１種以上からなる金属或は合金、ま
たはこれら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、　Ｍ。

Ｔａ、　Ｎｉの少なくとも１種板」二からなる金属酸合
金の薄膜を拡（１シ防止層として、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、熱膨張率の値が工具先端部のそ
れに近いもの、すなわち、室温から６００゛Ｃまでの線
膨張率が７．５　Ｘ　１０−６／　’ｃ以下である金属
および／または合金を少なくともその一部に使用するこ
とが接合強度の点から重要である。このような特徴をも
った材質としては、コバール、インバー合金、　Ｍｏ、
　Ｗ、　Ｗ−Ｃｕ合金、超硬合金などが該当する。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わす。第２図の構成は、
素材費が高い或は加工が難しい材質、すなわちＭｏ、Ｗ
、超硬合金等を使用する場合に特に有効である。この場
合、シャンクの残部、すなわち図中シャンク（Ｂ）と示
されている部分にはステンレス鋼等の熱膨張率が大きい
材質を用いてもさしつかえない。

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」二のいずれの構成においてもその接合強度は１０ｋ
ｇ／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マイクロ波プラスマＣＶＤ法により一辺１５ｍｍ厚さ２
ｍｍ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）　　：　Ｎ２２００ＣＣ／ｍｉｎ、Ｃ
Ｉ＋４　４ｃｃ／ｍｉｎ　、、Ａｒ　５０ｃｃ／ｍｉｎ
圧カニ　１００Ｔｏｒｒマイクロ波発振機出カニ　　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に（１
１０）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ソシュサイズ＃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の
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℃でロウ付は接合した。尚、ロウ
付けの前処理として、ロウ付は面となるＳｉＣ焼結体の
表面にはＰＶＤ法でＴｉ及びＮ１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てボンディングツ
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ルと同様に１００万回の使
用に酎えた。

そのボンディングｍ１の寸法が拡大できたことにより、
生産性が約５倍に４大できるこ七が明らかとなった。

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。

第表これらの素材の被覆面及び比較として市販のＣＯを１０
容呈％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ＣＧＪ
研摩中に亀裂が入った。また、Ｍｏ、　Ｔａを用いたＮ
ｏ、１３．陽Ｔは夫々研１ｆ中に被覆膜がヱリ離してし
まった。さらに（１１１，）面に配向したＡ及び被覆多
結晶ダイヤモンドの上面粒子径が１５０μｍと壮大であ
るＮｏ、ｌ＋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ｌｆ後の表面相さを第２表に示す
。

これらの素］Ａを加工し、Ｃｕ、　ｌｌｉ、　Ｍｎが夫
々重量比で７；］：２の割合からなるｌコラ材を用いて
、インバー合金製のシャンクに真空中９００　’ｃの条
件で１：］つ伺りを行った。接合後加］二を施して先端
角１０ｍｍのホ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Ｍは、先端温度５２０℃で圧着時間２秒とし
、ビン数１０００木の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」二であっ
たＮｏ、　Ｆは面才Ｈ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。

第　　２　　表実施例３熱電子放射祠として直径０．５ｍｍ及び長さ２０ｍｍの
直線状タングステンフィラメン１−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表に示す条件で多結
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１も”性を第３表にあわ
・Ｕて示ず。ご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Ｓ　Ｕ　Ｓ　３
０４に直接口う付けした場合は２”　ｇ　／　ｍ　ｍ　
２と低い値を示したが、本発明のＩ５〜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−・層間」ニされたボンディングツールを
得ることが可能となる。

【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：ロウ材或は金４：シャンク（Ａ）５：シャンク　（Ｔ３）６：熱応力緩和層７：シャンク　（Ａ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｓｉ、Ｓｉ＿３Ｎ＿４を主成分とする焼結体、Ｓ
ｉＣ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基体に気相合
成法で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、該工具先端部と、少なくともその一部
が室温から６００℃までの線膨張率が７．５×１０＾−
＾６／℃以下である金属および／または合金製シャンク
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
。
（２）基体の厚さが０．５〜５ｍｍであることを特徴と
する請求項（１）記載のボンディングツール。
（３）被覆する多結晶ダイヤモンドの厚さが５〜３００
μｍであることを特徴とする請求項（１）及び（２）記
載のボンディングツール。
（４）被覆する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以下であること
を特徴とする請求項（１）〜（３）記載のボンディング
ツール。
（５）被覆する多結晶ダイヤモンドが厚さ方向に（１０
０）面および／または（１１０）面に配向していること
を特徴とする請求項（１）〜（４）記載のボンディング
ツール。
（６）工具先端部とシャンクとの接合が６００℃以上の
融点を有するロウ材により行なわれていることを特徴と
する請求項（１）〜（５）記載のボンディングツール。
（７）ロウ材が周期律表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、Ｓ
ｎの少なくとも１種以上からなる合金であることを特徴
とする請求項（６）記載のボンディングツール。
（８）工具先端部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
或は合金、またはこれら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
ャンクと接合していることを特徴とする請求項（１）〜
（５）記載のボンディングツール。
（９）工具先端部とシャンクとの接合が、熱圧着により
形成された金により行われていることを特徴とする請求
項（１）〜（５）記載のボンディングツール。
（１０）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IVａ、Ｖａ、VIａ、VIIａ族元素の少なくと
も１種以上からなる金属或は合金、またはこれら元素の
化合物からなる薄膜を接着強化層として、またＰｔ、Ｐ
ｄ、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を特徴とする
請求項（９）記載のボンディングツール。
（１１）シャンクの材質として、シャンク全部或いは接
合側の一部がコバール、インバー合金、Ｍｏ、Ｗ、Ｗ−
Ｃｕ合金、超硬合金からなることを特徴とする請求項（
１）〜（１０）記載のボンディングツール。
（１２）シャンク材質として、接合側の一部にＣｕ、Ｎ
ｉ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）〜（１１）記載のボンディングツール。