KR20040018198A - 초음파 본딩용 본딩 공구 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는 반도체 소자를 기판에 실장하는 공정에 있어서, 주로 초음파 에너지를 이용하여 플립 칩 방식으로 반도체 소자의 전극을 기판의 전극에 효율적이고 안정되게 접합시키는 초음파 본딩용 본딩 공구를 제공하는 데 있다.

반도체 소자에 접촉하는 공구 선단부에 고경도이고 열전도율이 좋은 재질을 적용하여 장기 수명화와 본딩 성능의 고도화를 동시에 실현한다. 또한, 공구 선단부 표면의 면 거칠기를 적절히 조정함으로써, 초음파 에너지의 효율적인 전파와 소자의 위치 어긋남의 방지를 도모한다.

Description

초음파 본딩용 본딩 공구{BONDING TOOL FOR THERMOSONIC FLIP CHIP BONDING}

본 발명은 반도체 제조 기술에 있어서, 플립 칩 방식으로 초음파 에너지를 반도체 소자에 인가하여 기판의 전극에 접합시킬 때에 이용하는 본딩 공구에 관한 것이다.

플립 칩 실장 방식은 반도체 소자의 이면에 2차원적으로 입출력의 전극 단자(범프)를 배치하여, 이 범프를 직접 기판측 전극 단자에 금속 접합시키는 실장 방식이다. 본 방식은 다수의 입출력 단자수를 짧은 거리로 접속하여 실장 면적을 작게 할 수 있으므로, 고속 작동 소자의 고밀도 실장에 적합하여 본 방식을 이용한 실장수는 비약적으로 증대하고 있다.

이 플립 칩 방식에서 반도체 소자를 기판에 실장하는 방법 중 하나로서 초음파 진동에 의해 전극 단자의 접합면을 서로 마찰시켜 경계면 원자의 확산에 의해 접합하는 방법이 행해지고 있다. SAW(표면 탄성파) 소자나 무선용 고주파 발진 소자의 대부분은 초음파 인가에 의해 실장되어 있다.

접합시, 반도체 소자에 초음파를 인가하기 위한 본딩 공구나 초음파 혼에는 스테인레스강이나 켄칭(quenching)강, 초경합금 등의 금속 재질이 이용되고 있다.

종래부터 사용되어 온 금속제 공구는 공구 선단부면의 경도가 충분하지 않으므로, 실장시에 파손된 반도체 소자의 기판 재료(Si 등)의 파편이나 소자를 절단하였을 때에 부착된 절삭 칩 등에 의해 표면에 흠집이 나거나, 반도체 소자와의 미끄럼 이동에 의한 마모 등이 발생하여 공구면의 형상 정밀도가 손상되어 버려 본딩공구가 수명이 짧아지게 되는 문제가 있었다.

또한, 반도체 소자의 접합 강도는 인가하는 초음파의 강도에 큰 상관이 있어 초음파 강도가 강할수록 접합 강도는 강해지지만, 초음파 강도가 지나치게 크면 소자가 초음파 진동에 의해 위치 어긋남이 생기게 되는 문제점이 있었다. 이 대책으로서 본딩 공구의 공구면을 크게 하여 반도체 소자를 공구면 내로 내포할 수 있도록 하고, 공구 중앙부에 반도체 소자와 동일 사이즈의 오목부를 설치하여 위치 어긋남을 억제하는 방법 등이 고안되어 있다(일본 특허 공개 2000-164636). 최근, 기판 상에의 소자의 실장 밀도가 상승하여 복수의 소자를 좁은 간격으로 실장하는 경우가 증가하고 있지만, 이러한 고밀도 실장 기판에 있어서는 주변에 실장되는 소자와 본딩 공구가 간섭하는 일이 없도록 본딩 공구에는 가능한 한 소자에 접촉하는 부분 이외에 돌출된 부분이 없는 것이 요구된다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하여 초음파를 반도체 소자에 인가하여 기반에 실장할 때에 소자의 위치 어긋남을 억제하여 반도체 소자에 의한 본딩 공구의 마모나 파손이 적은 공구 수명이 긴 본딩 공구를 제공하는 것을 과제로 한다.

도1은 제1 실시예에 있어서의 초음파 본딩 공구의 개념도.

도2는 제3 실시예에 있어서의 초음파 본딩 공구의 공구 선단부면의 설명도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 공구 선단부

2 : 초음파 혼부

3 : 초음파 발생 장치

4 : XYZ축 구동 기구

5 : 본딩 공구 지지 아암

6 : 반도체 소자

7 : 기판

8 : 가열 기구를 포함하는 스테이지

11 : 조면 부분

12 : 중앙 부분

13 : 반도체 소자 흡착 구멍

본 발명에 의한 본딩 공구는 초음파 진동자에서 발생한 초음파를 전달하는 혼부와, 혼부에 접합된 공구 선단부로 이루어지고, 상기 혼부는 FeCoNi 합금, 몰리브덴, 초경합금, 서밋 또는 스테인레스강 중 어느 하나로 구성되고, 상기 공구 선단부는 다이아몬드 소결체, 입방정 질화붕소 소결체, 또는 기상 합성 다이아몬드가피복된 다이아몬드 소결체, 입방정 질화붕소 소결체, 초경합금, 세라믹 소결체, 또는 서밋으로부터 선택되는 적어도 1 이상의 물질로 구성되는 것을 특징으로 한다. 본원 발명자는 초음파 본딩용 본딩 공구의 공구 부분의 선단부면에 적절하게 이용할 수 있는 재료를 여러 가지 검토한 결과, 본딩 성능, 공구 수명, 소자의 탑재 위치 정밀도 등의 관점으로부터 기상 합성 다이아몬드, 다이아몬드 소결체, 입방정 질화붕소(이하 cBN이라 기록함) 소결체가 적합하다는 지견을 얻는 데 이르렀다. 또한, 혼부에 적절하게 이용할 수 있는 재료로서는 FeCoNi 합금, 몰리브덴, 초경합금, 서밋 또는 스테인레스강으로부터 선택되는 적어도 1 이상의 물질이 적합하다는 지견을 얻었다. 이들 재질은 영율이 높아 초음파를 높은 효율로 전파하고, 또한 열팽창 계수가 비교적 작기 때문에 상기 공구 선단부와의 접합 및 실제 사용 온도에 있어서 공구 선단부와의 열팽창에 기인하는 왜곡이 작아 본딩 공구로서의 수명의 안정성이 우수하다.

또한, 본 발명의 본딩 공구에서는 상기 혼부에 상기 공구 선단부를 접합시켜 구성할 수 있다. 본 발명의 본딩 공구에서는 선단부에 기상 합성 다이아몬드, 다이아몬드 소결체, 입방정 질화붕소 소결체로부터 선택되는 적어도 1 이상의 물질을 이용하지만, 이들 물질은 고가이고 큰 입체적 형상을 갖게 하는 것은 제조 비용을 상승시킨다. 또한, 이들 물질은 경도가 높아 복잡한 가공이 곤란하고, 단순 형상으로 작성한 공구 선단부를 초음파를 발생하는 혼부에 접합함으로써 본딩 공구 전체의 제조 비용을 낮게 억제할 수 있다.

본 발명에 의한 본딩 공구에서는 공구 선단부를 구성하는 물질의 경도가4000 ㎏/㎟ 이상인 것이 바람직하다. 물질의 내마모성은, 일반적으로는 그 경도에 의존하여 경도가 높을수록 내마모성은 높아진다. 본원 발명의 본딩 공구의 경우는, 마모를 일으키는 원인 물질은 대부분의 경우 소자를 구성하고 있는 Si 등의 반도체 물질이나, 전극을 구성하고 있는 금속 물질이다. 따라서 이들 물질과 같은 정도 이하의 경도를 갖는 물질을 공구 선단부에 사용한 경우는 마모에 의해 공구의 수명은 짧아진다. 일반적으로는, 미끄럼 이동 접촉하는 물질이 충분한 내마모성을 발휘하기 위해서는 미끄럼 이동 접촉하는 상대 재료의 수배 정도의 경도가 필요하고, 본딩 공구의 경우는 40O0 ㎏/㎟ 이상이 바람직하다.

또한, 상기 본딩 공구에서는 공구 선단부를 구성하는 물질의 열전도율이 200 W/mK 이상인 것이 바람직하다. 종래의 1변 5 ㎜ 정도까지의 반도체 소자를 실장시키는 초음파 실장 방식에서는 초음파 인가만으로 소자를 기판에 접합시키고 있었다. 그러나, 반도체 소자의 대면적화에 의해 충분한 접합을 행하기 위해서는 가열이 필요해지고, 기판측으로부터 보조 가열하여 초음파 접합시키는 보조 가열 초음파 실장 방식이 이용되고 있다. 이 경우의 가열은 150 ℃ 내지 300 ℃의 범위가 되는 일이 많다. 이러한 본딩을 행할 경우, 공구 선단부면은 온도의 변동이 작은 것이 바람직하다. 본원 발명의 본딩 공구에 있어서, 공구 선단부에 열전도율 200 W/mK 이상의 물질을 이용함으로써, 공구 선단부의 온도 변동을 작게 유지할 수 있어 본딩 공정에 적합하다.

상기 혼부와 공구 선단부의 접합에 있어서는, 양자의 접합을 금속 접합으로 행할 수 있다. 구체적으로는 활성 납땜재를 이용한 직접 접합이나, 금속의 중간층을 구비한 납땜 등을 적절하게 사용할 수 있다.

본원 발명에 의한 본딩 공구의 다른 태양에서는 혼부에, FeCoNi 합금, 몰리브덴, 초경합금 또는 서밋을 이용하여 상기 혼부의 선단부면에 기상 합성 다이아몬드를 피복함으로써 구성되는 것을 특징으로 한다. 혼부에 사용되는 이들 재료는 영율이 높아 초음파를 높은 효율로 전파하므로 본딩 공구에 인가되는 초음파 에너지가 높은 효율로 접합에 기여하고, 또한 열팽창 계수가 비교적 작기 때문에, 공구 선단부면에 피복되는 기상 합성 다이아몬드와의 열팽창에 기인하는 왜곡이 작아 본딩 공구로서의 수명의 안정성에 적합하다. 또한, 기상 합성 다이아몬드를 혼부에 직접 기상 합성법에 의해 피복함으로써, 상기한 바와 같은 접합부가 없는 본딩 공구를 제조할 수 있다. 기상 합성법으로서는 열필라멘트법, 마이크로파 플라즈마 CVD법, 아크젯법, 연소염법(燃燒炎法) 등의 다이아몬드 기상 합성 프로세스를 이용할 수 있다.

상기 혼부의 선단부면에 피복된 기상 합성 다이아몬드의 평균 입경은 0.5 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 기상 합성 다이아몬드는 그 결정 입경이 작아지면 결정 입계가 증가하므로, 열전도율 및 경도의 저하가 보이게 된다. 초음파 본딩 공구의 공구 선단부면으로서 사용하기 위해서는 그 결정 입경이 0.5 마이크론 이상인 것이 적합하다.

동일하게, 상기 혼부의 선단부면에 피복된 기상 합성 다이아몬드의 막 두께는 1 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 막 두께가 1 ㎛ 이하인 경우에는 다이아몬드층의 두께가 충분하지 않아 본딩 공구의 수명을 충분히 장기화할 수 없다. 또한, 막 두께가 100 ㎛를 초과하면 기상 합성 다이아몬드의 피복을 위한 비용이 고가가 되지만, 그 한편으로 그 이상의 수명의 장기화의 효과가 발휘되지 않는다.

상기 혼부의 선단부면에 피복된 기상 합성 다이아몬드의 경도는 상기 태양에 있어서 본딩 공구의 선단부에 납땜되는 공구 선단부와 같은 이유로, 40O0 ㎏/㎟ 이상인 것이 바람직하다. 실장하는 반도체 소자의 재질의 경도가 높은 경우에는 본딩 공구의 선단부의 재료에도 보다 높은 경도가 요구된다. 기상 합성 다이아몬드에 있어서는, 기상 합성의 조건의 선택에 의해 보다 높은 고도의 다이아몬드를 합성할 수 있으므로, 사파이어와 같은 고도가 높은 반도체 소자를 실장하는 경우에는 혼부의 선단부면에 피복된 기상 합성 다이아몬드의 경도는 60O0 ㎏/㎟ 이상인 것이 보다 바람직하다.

또한, 본원 발명의 본딩 공구에서는 공구 선단부면의 면 거칠기가 최대 면 거칠기(Rt : 측정 곡선을 기준 길이마다 구획하여 각 기준 길이 사이에서 평균 선으로부터 가장 깊은 골까지의 깊이를 구한 것 중 최대치인 최대 골 깊이와, 각 기준 길이 사이에서 평균선으로부터 가장 높은 산의 높이를 구한 것 중 최대치인 최대 산 높이의 합)가 0.1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 공구 선단부면의 면 거칠기가 Rt에서 0.1 ㎛ 미만에서는 본딩시에 본딩 공구의 공구면과, 접합되는 소자 혹은 전극 사이에서 위치 어긋남이 발생하기 쉬워진다. 또한, 공구 선단부면의 면 거칠기가 Rt에서 10 ㎛를 초과하면, 공구 선단부면에 의해 접합되는 소자 혹은 전극에 흠집이 생겨 제조상 바람직하지 못한 결과가 된다. 또한, 본딩 공구의공구 선단부면의 면 거칠기는 본딩 공구로부터 접합되는 소자 혹은 전극에의 초음파 에너지의 전파 효율에 크게 영향을 미친다. 효율적으로 초음파 에너지를 전파하기 위해서는, 공구면의 면 거칠기(Rt)는 바람직하게는 0.2 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 0.5 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하인 것이 적합하다.

접합되는 소자 혹은 전극이 본딩 중에 위치 어긋남을 일으키지 않도록 하기 위해서는, 본딩 공구 선단부면에 있어서 공구 선단부면의 반도체 소자에 접촉하는 부분의 외연 부분이 그보다 내측 부분의 면 거칠기보다도 큰 구성을 취하는 것이 바람직하다. 또한 상기 외주 부분은 공구 선단부면의 반도체 소자에 접촉하는 부분의 면적의 20 ％ 이상 30 ％ 이하인 것이 바람직하다. 면 거칠기가 큰 부분은 접합되는 소자 혹은 전극이 보다 견고하게 파지되므로, 이러한 면 거칠기가 큰 부분을 공구 선단부면의 주변 부분에 설치함으로써 본딩시의 소자 혹은 전극의 위치 어긋남이 일어나기 어려워진다.

이하, 실시예를 이용하여 본 발명의 초음파 본딩용 본딩 공구를 설명한다.

(제1 실시예)

공구 선단부 재료로서, 소결 다이아몬드, 기상 합성 다이아몬드를 피복한 세라믹스 성형체 및 입방정 질화붕소 소결체를 갖는 초음파 본딩 공구를 작성하였다. 공구 선단부는 필요 형상으로 성형한 후, 공구면의 면 거칠기의 조정을 행하였다. 공구면의 면 거칠기가 Rt 0.2 ㎛ 이하인 것은 공구면 표면을 연마한 것이고, Rt가 0.2 ㎛보다 크고 5 ㎛ 이하인 것은 공구면 표면을 평면 연삭 가공에 의해 마무리한 것이다. Rt가 5 ㎛ 이상인 것은 공구면 표면의 평면 연삭 가공 후, 레이저 가공에의해 면을 거칠게 하는 처리를 행하였다. 혼부로서는 FeNiCo 합금, 몰리브덴, 초경합금, 스테인레스강 및 서밋을 각각 초음파 혼의 형상으로 가공하였다.

상기 공구 선단부와 혼부를 진공로 내에서 활성 땜납재에 의해 금속 접합하여 초음파 공구로 하였다. 공구 선단부와 혼부의 재질의 조합으로서는 표1에 나타낸 것을 제작하였다. 접합 후, 또한 와이어 방전 가공, 다이아몬드 지석에 의한 평면 연삭 가공에 의해 필요한 치수 정밀도 및 각도 정밀도로 형상을 구비하였다. 이들의 가공 후, 반도체 소자를 흡착하기 위한 관통 구멍을 방전 가공 및 YAG 레이저 가공에 의해 제작하였다. 또한, 공구의 선단부면의 사이즈는 실장하는 반도체 소자와 동일 사이즈로 하였다. 또한, 비교를 위해 공구 선단부 재료로서 SiC 세라믹스를 사용한 것 및 공구 선단부를 특별히 이용하지 않고 몰리브덴으로 된 혼부를 공구 선단부까지 연장한 종래형의 본딩 공구를 작성하였다. 제조한 각 본딩 공구의 사양을 표 1에 나타낸다.

상기한 구성에서 준비한 초음파 본딩 공구를 이용하여 반도체 소자의 본딩을 행하였다. 도1에 실장시의 모식도를 도시한다. 본딩은 이하의 공정에서 실시하였다. 본딩 공구에 의해 반도체 소자의 이면을 진공 흡착하여 접합 스테이지 상에 배치된 기판 상으로 운반한다. 반도체 소자의 전극 단자(범프)와 기판 전극 단자의 위치 맞춤을 행하고, 공구를 강하시켜 전극 단자끼리가 접촉한 후에 초음파를 인가하여 반도체 소자의 전체 전극 단자를 기판 상의 단자에 일괄하여 실장시켰다. 이 때의 초음파 출력은 20 W, 주파수는 60 ㎑에서 약 1초간 인가하였다. 본 조건에서 1-1 내지 1-5, 1-8 및 1-9의 본딩 공구는 5 × 5 ㎜인 Si 칩을 실장하고, 1-6, 1-7의 본딩 공구는 1 × 1 ㎜인 GaAs 칩을 각각 실장시키고, 반도체 소자의 각 범프의 실장 상태 및 본딩 공구의 손상 상황을 확인하여 최대 200,000개까지 실장을 행하였다. 또한, 사이즈가 큰 5 × 5 ㎜인 칩의 실장은 초음파 인가뿐만 아니라 접합 스테이지에 내장된 히터에 의해 이면으로부터 약 200 ℃로 가열하면서 실장하였다.

	혼부재질	선단부면 재질	선단부면의경도	선단부면의열전도율	표면 거칠기Rt
1-1	스테인레스	소결 다이아몬드	7500	300	0.02
1-2	몰리브덴	cBN	4000	80	0.2
1-3	서밋	cBN	4500	100	12.0
1-4	FeNiCo	소결 다이아몬드	7500	300	0.2
1-5	몰리브덴	기상 다이아몬드	10000	1000	0.1
1-6	초경합금	기상 다이아몬드	10000	1000	5.0
1-7	서밋	cBN	4500	100	1.0
1-8	FeNiCo	SiC	2500	70	0.2
1-9	몰리브덴	-	160	130	1.0

본 발명의 본딩 공구인 1-1 내지 1-7은 본딩 공구의 공업적인 기대 수명이 되는 100,000개의 2배인 200,000개의 소자의 실장을 행한 시점까지 공구 표면의 열화 파손을 거의 볼 수 없고, 반도체 소자의 실장에 있어서도 양호한 접합 상태를 얻을 수 있었다. 이에 반해, 1-8에서는 20,000개 실장한 시점에서 공구면의 면 거칠기가 거칠어지고, 외주부의 전극의 접합 상태가 악화되고 있었다. 이는 공구외주부에서 소자와의 미끄럼 이동에 의한 마모가 진행하였으므로, 공구면의 평면도가 악화되어 소자의 전체 범프에 균일하게 초음파를 전달할 수 없게 되었기 때문이라 생각된다. 공구 선단부에 혼부의 몰리브덴을 그대로 사용한 1-8에서는 5, 000개의실장에서 공구 선단부의 마모가 진행하여 외주부의 전극의 접합을 할 수 없게 되었다.

1-1을 이용하여 실장한 반도체 소자 중에 전극의 접속이라는 의미에서는 문제는 없지만, 위치 어긋남을 일으키고 있는 것을 볼 수 있었다. 이는 1-1의 공구면의 면조도가 작아 실장 중에 본딩 공구와 소자 사이에 위치 어긋남이 발생하였기 때문이라 생각된다. 또한, 200,000개의 실장 후에 공구 선단부면의 평탄도를 측정한 결과, 1-1 중앙부가 약 5 ㎛ 볼록형으로 변형되어 있었다. 1-2 내지 1-7에는, 평탄도의 변화는 볼 수 없었다. 이 원인은 스테인레스강과 소결 다이아몬드와의 열팽창 계수의 차에 의한 열 왜곡의 영향이라 생각된다. 또한, 15,000개 정도의 실장 도중에서 본딩 공구 선단부면의 온도 변동을 적외선 복사 온도계로 측정한 결과, 1-2의 공구 선단부면에는 스테이지의 설정 온도 200 ℃에 대해 150 ℃ ± 20 ℃의 온도 변동을 볼 수 있고, 주변부의 온도가 특히 낮았다. 그 이외의 1-1 및 1-3 내지 1-7의 공구에서는 모두 공구 선단부면의 온도 변동은 동일하게 스테이지의 설정 온도 200 ℃에 대해 150 ℃ ± 5 ℃ 이내였다. 실장 후의 반도체 소자의 표면을 관찰한 결과, 1-3의 공구를 사용하여 실장을 행한 것에 대해서는 소자의 표면에 미소한 찰과흔이 발견되는 것은 있었지만, 1-1 내지 1-2 및 1-4 내지 1-7의 공구를 사용하여 실장을 행한 것에 대해서는 그와 같은 흠집은 볼 수 없었다.

(제2 실시예)

FeNiCo 합금, 몰리브덴, 초경합금 및 서밋을 이용하여 초음파 본딩 공구의 혼부를 제작하고, 이들 혼부의 선단부면에 기상 합성법으로 다이아몬드막을 피복하였다. 기상 합성법으로서는 열필라멘트 CVD법을 이용하였다.

열필라멘트 CVD법의 합성 조건은 원료 가스의 유량을 H2 : 10 내지 100 sccm, CH4 : 1 내지 5 sccm, 필라멘트 온도를 1500 내지 2200 ℃, 기판 온도 : 500 내지 900 ℃, 압력 : 10 내지 500 Torr로 하고, 필요한 막 두께에 따라서 합성 시간을 바꾸어 합성하였다. 다이아몬드막을 피복한 후, 다이아몬드의 막 두께가 두꺼워 다이아몬드면의 평면도 및 면 거칠기가 필요 정밀도에 충족되지 않는 것은 다이아몬드 지석에 의한 연삭 및 연마에 의해 필요한 형상으로 가공하였다. 또한, 비교를 위해 스테인레스강으로 혼부를 제작하고, 이 공구 선단부면에 기상 합성법으로 다이아몬드막을 피복하여 상기와 동일한 공정에서 본딩 공구를 제작하였다.

상기 공정에서 제작한 본딩 공구를 이용하여 제1 실시예의 1-1 내지 1-5와 같은 방법으로 반도체 소자를 각 200,000개 본딩하였다. 소자의 사이즈는 5 × 5㎜로, 공구 선단부면의 사이즈도 이와 마찬가지로 일치시켰다. 코팅한 다이아몬드막의 입경, 두께, 표면 거칠기 및 경도를 표 2에 정리한다. 또한, 다이아몬드막의 열전도율 및 경도는 동일 조건으로 입경을 합하여 약 100 ㎛ 두께로 합성한 테스트 샘플로 측정하였다.

	혼부	다이아몬드막두께㎛	입경㎛	표면 거칠기Rt	경도㎏/㎟
2-1	몰리브덴	0.8	1	0.5	5000
2-2	초경합금	5	0.1	0.08	4500
2-3	서밋	5	0.1	0.1	4000
2-4	FeNiCo	40	20	8	10000
2-5	몰리브덴	1	0.5	3	8000
2-6	초경합금	60	30	0.1	10000
2-7	서밋	100	50	0.2	10000
2-8	스테인레스	50	20	10	10000

본원 발명의 본딩 공구인 2-1 내지 2-7에서는 200,000개의 실장 후에도 공구면의 열화는 없어 양호한 실장 결과가 되었다. 2-8에서는 혼부에 열팽창율이 큰 스테인레스강을 이용하였으므로, 합성 후 다결정 다이아몬드가 박리되어 버려 실장에 이르지 않았다. 2-1에서는 200,000개의 실장 후에 본딩 공구의 선단부면의 일부에 혼부의 몰리브덴이 노출되어 있는 부분이 있었다. 피복한 다이아몬드의 막 두께가 얇았기 때문이라고 생각할 수 있지만, 실장 그 자체에 지장은 없었다. 2-2의 공구를 사용하여 실장한 것에서는 반도체 소자 전체면의 범프가 양호하게 접속된 상태는 얻을 수 없었다. 이는 1-1과 마찬가지로, 공구 선단부면의 면 거칠기가 작기 때문에, 본딩 공구와 반도체 소자가 미소한 위치 어긋남을 일으켰기 때문이라 생각된다. 2-3에서는 200,000개의 실장 후에, 공구 선단부면의 특히 주변부에 경도의 마모에 의한 변형이 관찰되었다.

(제3 실시예)

제1 실시예의 1-1에서 시험 제작한 것과 동일한 사양의 본딩 공구의 선단부면을 레이저 가공에 의해 부분적으로 거칠기를 바꾼 공구를 5종류 제작하여 제1 실시예와 같은 방법으로 반도체 소자 5000개의 본딩을 실시하였다. 제작한 본딩 공구는 모두 공구 선단부면의 외주 부분의 면 거칠기를 중앙부보다 크게 하고 있고, 면 거칠기가 큰 부분의 공구 선단부면 전체면의 면적에 대한 비율을 바꾸었다. 비교예로서 조면을 설치하지 않은 공구도 제작하여 동일한 실장 평가를 행하였다. 도2에 제작한 본딩 공구의 공구 선단부면의 평면 모식도를 도시한다. 본딩의 결과를 표 3에 나타낸다.

	조면 비율	상세 상황
3-1	10 ％	40 W 이상에서 기판 전극과 소자 범프의 위치 어긋남이 발생
3-2	20 ％	전체 범위에서 양호하게 접합
3-3	30 ％	전체 범위에서 양호하게 접합
3-4	40 ％	60 W 이상에서 접합은 양호하지만 칩 이면에 흠집이 생김
3-5	60 ％	50 W 이상에서 접합은 양호하지만 칩 이면에 흠집이 생김
3-6	0 ％	25 W 이상에서 기판 전극과 소자 범프의 위치 어긋남이 발생

어떠한 본딩 공구에 있어서도 본딩 조건을 적당하게 선택함으로써 본딩이 가능하였지만, 3-1에서는, 초음파 출력 40 W 이상에서는 일부의 반도체 소자의 범프와 기판의 전극이 접합되기 시험 제작한 후에 소자와 공구의 위치 어긋남이 생겨 전기 접합은 얻을 수 있었지만, 소자가 소정의 위치로부터 조금 어긋나서 접합되었다. 3-2 및 3-3에서는 양호한 접속을 얻을 수 있었다. 3-4 및 3-5에서는 초음파 출력을 크게 하면, 소자의 공구면과 접촉하는 부분 중 일부에 깎여 지나간 자리가 남는 것이 있었다. 면조도를 거칠게 한 부분이 없는 3-6에서는 3-1보다도 작은 초음파 에너지에서 소자의 위치 어긋남이 발생하였다. 이 결과로부터, 조면비율이 20 내지 30 ％인 범위가 가장 넓은 접합 조건에 적합할 수 있다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 초음파 본딩 공구는 반도체 소자에 접하는 공구 선단부에 고경도이고 열전도율이 좋은 재질을 적용함으로써, 본딩 공구의 장기 수명화와 본딩 성능의 고도화가 동시에 실현된다. 또한, 공구 선단부면의 면 거칠기를 적절히 조정함으로써, 초음파 에너지의 효율적인 전파와 소자의 위치 어긋남의 방지를 도모할 수 있다.

Claims (13)

1. 전극 패턴이 배치된 기판 및 반도체 소자에 초음파를 인가함으로써 반도체 소자를 플립 칩 방식으로 실장하기 위한 본딩 공구이며, 초음파 진동자에서 발생한 초음파를 전달하는 혼부와, 혼부에 접합된 공구 선단부로 이루어지고,

   상기 혼부는 FeCoNi 합금, 몰리브덴, 초경합금, 서밋 또는 스테인레스강 중 어느 하나로 구성되고,

   상기 공구 선단부는 다이아몬드 소결체, 입방정 질화붕소 소결체, 또는 기상 합성 다이아몬드가 피복된 다이아몬드 소결체, 입방정 질화붕소 소결체, 초경합금, 세라믹 소결체, 또는 서밋으로부터 선택되는 적어도 1 이상의 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 본딩용 본딩 공구.
2. 제1항에 있어서, 상기 공구 선단부를 구성하는 물질의 경도가 4000 ㎏/㎟ 이상인 것을 특징으로 하는 초음파 본딩용 본딩 공구.
3. 제1항에 있어서, 상기 공구 선단부를 구성하는 물질의 열전도율이 200 W/mK 이상인 것을 특징으로 하는 초음파 본딩용 본딩 공구.
4. 제1항에 있어서, 상기 혼부와 공구 선단부의 접합이 금속 접합인 것을 특징으로 하는 초음파 본딩용 본딩 공구.
5. 제1항에 있어서, 공구 선단부면의 면 거칠기가, 최대면 거칠기가 0.1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 초음파 본딩용 본딩 공구.
6. 제1항에 있어서, 공구 선단부면에 있어서 공구 선단부면의 반도체 소자가 접촉하는 부분의 외연 부분의 면 거칠기가 그보다 내측 부분의 면 거칠기보다도 큰 것을 특징으로 하는 초음파 본딩용 본딩 공구.
7. 전극 패턴이 배치된 기판 및 반도체 소자에 초음파를 부하함으로써 반도체 소자를 플립 칩 방식으로 실장하기 위한 본딩 공구에 있어서, 초음파 진동자에서 발생한 초음파를 전달하는 혼부가 FeCoNi 합금, 몰리브덴, 초경합금 또는 서밋 중 어느 하나로 구성되고, 상기 혼부의 선단부면에 기상 합성 다이아몬드가 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 본딩용 본딩 공구.
8. 제7항에 있어서, 상기 혼부의 선단부면에 피복된 기상 합성 다이아몬드의 평균 입경이 0.5 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 초음파 본딩용 본딩 공구.
9. 제7항에 있어서, 상기 혼부의 선단부면에 피복된 기상 합성 다이아몬드의 막 두께가 1 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 초음파 본딩용 본딩 공구.
10. 제7항에 있어서, 상기 혼부의 선단부면에 피복된 기상 합성 다이아몬드의 경도가 4000 ㎏/㎟ 이상인 것을 특징으로 하는 초음파 본딩용 본딩 공구.
11. 제7항에 있어서, 상기 혼부의 선단부면에 피복된 기상 합성 다이아몬드의 열전도율이 200 W/mK 이상인 것을 특징으로 하는 초음파 본딩용 본딩 공구.
12. 제7항에 있어서, 공구 선단부면의 면 거칠기가, 최대면 거칠기가 0.1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 초음파 본딩용 본딩 공구.
13. 제7항에 있어서, 공구 선단부면에 있어서 공구 선단부면의 반도체 소자가 접촉하는 부분의 외연 부분의 면 거칠기가 그보다 내측 부분의 면 거칠기보다도 큰 것을 특징으로 하는 초음파 본딩용 본딩 공구.