JPH0766930B2 - ボンディングツール - Google Patents

ボンディングツール

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JPH0766930B2
JPH0766930B2 JP1048077A JP4807789A JPH0766930B2 JP H0766930 B2 JPH0766930 B2 JP H0766930B2 JP 1048077 A JP1048077 A JP 1048077A JP 4807789 A JP4807789 A JP 4807789A JP H0766930 B2 JPH0766930 B2 JP H0766930B2
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diamond
tool
sintered body
bonding
coated
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中村  勉
貴浩 今井
明彦 池ケ谷
直治 藤森
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本願は、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,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種あり、第2図、第3図はその概念図で
ある。
(課題) 第2図のものは、パネル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
が顕著に生じるため、定期的に先端をクリーニングする
必要がある。
第3図のもの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、パネル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Rm
ax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、ヒーター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500〜6
00℃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。
それゆえに、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
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とすることを特徴とするも
のである。
また被覆する多結晶ダイヤモンドが厚さ方向に(100)
面および/または(110)面に配向している方が、被加
工特性がよくなるので望ましい。
被覆されたダイヤモンド粒子径が100μm以上になった
場合には加工性が悪くなり経済的でないし、膜厚は5〜
300μmが適している。
第1図は、本願の1つの実施例であってボンディングツ
ール先端部にはダイヤモンドがコーティングされてい
る。
このようにして得られたボンディングツールは主として
定常加熱方式のものに使用される。パルス加熱方式は、
素材の加熱によるものであるが、熱伝達にタイムラグが
生じるために、本願で得た材料を利用するには難があ
る。
なお、気相合成法で得られる多結晶性ダイヤモンドに
は、非結晶質ダイヤモンドを若干量含むものであるが、
本願は非結晶質ダイヤモンドを性能に影響を与えない範
囲で含み得る。
(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℃の銀ろうを使用してステンレス鋼製のシャン
クにろう付けした後、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750℃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
量が多くなると共に、先端のダイヤモンド焼結体が、ろ
う付け部分で動い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く
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。また、ダイヤ
モンドのろう付け部分でのずれは、使用中のろう付け部
分の温度が、その融点近傍にまで曝されるためろう材が
変形し易くなっていることによると推定された。
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
融点の高いろう材が使用でき、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号や特開昭61-33865号に開示されているが、
これらの結合材は、SiやSiC或はNiと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
ための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ていないのが現状
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た結果、被覆膜との密着性が良好
な基体を選定することにより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
となる焼結体を得るためには、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,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。
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。これら膜厚が
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(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。
以上の方法で得られたツール素材は、ダイヤモンドを被
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。
この表面研摩された工具素材は、ろう付け等の手段によ
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。
(実施例) 以下、実施例により具体的に説明する。
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S
iC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0.2mm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、 CH4 4cc/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0.18mm、
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(110)面配向しているものであっ
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ろう付け面としてステ
ンレス鋼製の工具母材にAu−Ta合金ろう材により、真空
中1100℃でろう付け接合した、尚、ろう付けの前処理と
して、ろう付け面となるSiC焼結体の表面にはPVD法でTi
及びNiを夫々2μmず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。
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B・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の上面粒子
径が150μmと粗大である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、先端20mm角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600
℃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、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。
(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。
さらに本発明のツール素材は、他の耐熱・耐摩耗工具の
素材としても有効である。
【図面の簡単な説明】
第1図に本願の1つの実施例の側面図、を示す。 第2図及び第3図は共に半導体素子と金属細線とを接続
するのに用いられるボンディングツールの概念図で、第
2図はパネル加熱方式の側面図、第3図は定常加熱方式
である。 (1)……パルス通電発熱部、(2)……シャンク取付
部、(3)……ボンディングツール先端部、(4)……
カートリッジヒータ収納部、(5)……放熱用穴、
(6)……シャンク取付部。(7)……ダイヤモンド被
覆層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤森 直治 兵庫県伊丹市昆陽北1丁目1番1号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (56)参考文献 特開 昭64−21076(JP,A) 特開 昭57−100989(JP,A)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】SiまたはSi3N4,SiC,AlNのいずれかを主成
    分とする焼結体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が厚さ方向に
    (100)面または(110)面に配向してなる工具先端部が
    工具母材にろう付けされてなることを特徴とするボンデ
    ィングツール。
JP1048077A 1989-02-27 1989-02-27 ボンディングツール Expired - Lifetime JPH0766930B2 (ja)

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