(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先細り状の先端部を有するワイヤーボンディング用キャピラリーであって、少なくとも上記先端部が、アルミナを主成分とし、副成分としてジルコニアを含有してなり、曲げ強度が７００ＭＰａ以上、ヤング率が３８０ＧＰａ以上及びビッカース硬度が１７．５ＧＰａ以上であるアルミナ質焼結体からなることを特徴とするワイヤーボンディング用キャピラリー。
【請求項２】
上記先端部の先端面の外径が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のワイヤーボンディング用キャピラリー。
【請求項３】
上記アルミナの含有量が９０〜９９．５重量％、ジルコニアの含有量が０．５〜１０重量％であることを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤーボンディング用キャピラリー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＬＳＩやＩＣ等の半導体装置のワイヤーボンディングに使用する高強度のキャピラリーに関するものであり、特に、ボンディングピッチの狭いワイヤーボンディングに使用されるキャピラリーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体装置において、半導体チップの電極とパッケージのリード電極との接続には、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、又は銅（Ｃｕ）よりなる直径０．０１５〜０．１ｍｍ程度の細い導線が用いられている。
【０００３】
この接続工程（ワイヤーボンディング）には、図３に示すようなキャピラリーが用いられ、先細りの先端部１１と、導線を先端から送り出す直径０．０２５〜０．１ｍｍ程度の貫通孔１２が備えられており、超音波振動を先端部１１よりワイヤーに伝達して電極にワイヤーをボンディングするものである。
【０００４】
また、上記キャピラリーは、高強度で貫通孔１２の加工精度が高いこと、摩耗係数が小さく貫通孔１２へのワイヤーの挿通が容易であること、また、ヤング率が高くボンディング時の超音波振動の伝達効率が高いこと等から、アルミナセラミックスや高純度のアルミナセラミックス、またサファイア、ルビー等の単結晶アルミナから形成されていた（特公平３−１６７７９号公報参照）。
【０００５】
また、より高い強度、破壊靭性を得るためにアルミナにジルコニアを添加したアルミナ−ジルコニア複合体からなるキャピラリーも提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体チップにおける電極間のピッチは、従来では８０〜１２０μｍであったものが、半導体チップの小型化に伴い５０μｍ程度まで狭小化してきている。そのため、キャピラリーの外径を細くしてボンド位置のピッチが小さい高密度なボンディングを行うことが要求され、先端部１１の先端面の外径を１００μｍ以下に細く絞ったものが要求されている。
【０００７】
しかしながら、上記高純度のアルミナセラミックスや、サファイア、ルビー等の単結晶アルミナからなるキャピラリーでは、外径の細い先端部１１がボンディング時の負荷に耐え切れず、先端面付近にクラックや摩耗、破損が生じやすいという欠点を有していた。
【０００８】
また、先端部１１の破損を防止するために、ボンディング時の負荷を低く抑えようとするため、ワイヤーの接合強度が弱くなるという欠点を有していた。
【０００９】
さらに、キャピラリーの製造工程においても同様に、加工による負荷に耐え切れず、先端部１１に破損が生じるため、サファイア、ルビー等の高価な単結晶アルミナは、この破損によって歩留が低下し、キャピラリーを非常に高価なものとしてしまうという欠点を有していた。
【００１０】
また、上記アルミナ−ジルコニア複合体からなるキャピラリーは、ジルコニアの添加により強度、破壊靭性を高めることができるが、硬度、ヤング率、耐薬品性が著しく低下するという欠点を有していた。
【００１１】
キャピラリーの硬度が低下すると、先端部１１が磨耗し易くなり、ヤング率が低下すると、キャピラリーにおける超音波振動の伝達効率が低下するため、ボンディング時の接合強度が低下しやすい。そこで、ボンディング時の負荷を強くしたり、ワイヤーの接合時間を長くするが、先端部への負荷がさらに大きくなり、破損が生じやすく、長期間の使用に供することができないという欠点を有している。
【００１２】
また、キャピラリーに付着したワイヤーをクリーニングする際、王水や硝酸等の洗浄水を使用するため、耐薬品性の低いキャピラリーは侵食されやすく長期間の使用に供することができないという欠点を有している。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーは、先細り状の先端部を有するワイヤーボンディング用キャピラリーであって、少なくとも上記先端部が、アルミナを主成分とし、副成分としてジルコニアを含有してなり、曲げ強度が７００ＭＰａ以上、ヤング率が３８０ＧＰａ以上及びビッカース硬度が１７．５ＧＰａ以上であるアルミナ質焼結体からなることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーは、上記先端部の先端面の外径が１００μｍ以下であることを特徴とするものである。
【００１５】
さらに、本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーは、上記アルミナの含有量が９０〜９９．５重量％、ジルコニアの含有量が０．５〜１０重量％であることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーによれば、少なくとも先端部が、アルミナを主成分とし、副成分としてジルコニアを含有してなり、曲げ強度が７００ＭＰａ以上、ヤング率が３８０ＧＰａ以上及びビッカース硬度が１７．５ＧＰａ以上であるアルミナ質焼結体からなることから、先端部に摩耗や破損が生じることを有効に防止することができ、ヤング率が高いことから、キャピラリーの超音波振動の伝達効率が高く、ワイヤーの接合強度を高くすることができる。
【００１７】
また、本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーによれば、上記先端部の先端面の外径が１００μｍ以下であることから、ボンド位置のピッチの小さな高密度なワイヤーボンディングが可能となる。
【００１８】
さらに、本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーによれば、上記アルミナの含有量が９０〜９９．５重量％、ジルコニアの含有量が０．５〜１０重量％であることから、ヤング率及びビッカース硬度を高い値に保持したまま、曲げ強度を高くすることができることから、先端部に破損や摩耗等が生じるのを防止しでき、また、キャピラリーに付着した導線をクリーニングする際、王水や硝酸等の薬品への耐薬品性を高くすることができ、長期間の使用に供するキャピラリーを得ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１（ａ）は、本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーの一実施形態を示す平面図であり、（ｂ）は同図（ａ）の先端部１を示す拡大図である。
【００２１】
本発明のキャピラリーは、先細り状の先端部１と、その中心にワイヤーを挿通する貫通孔２とを備え、アルミナを主成分とし、副成分としてジルコニアを含有してなるアルミナ質焼結体からなる。
【００２２】
上記アルミナ質焼結体は、主成分であるアルミナの含有量が９０〜９９．５重量％、副成分であるジルコニアの含有量が０．５〜１０重量％であることから、曲げ強度を７００ＭＰａ以上、ヤング率を３８０ＧＰａ以上、及びビッカース硬度を１７．５ＧＰａ以とすることができる。そのため、先端部１に摩耗や破損が生じるのを有効に防止することができるとともに、キャピラリーの超音波振動の伝達効率が高く、ワイヤーの接合強度を高くすることができる。
【００２３】
上記ジルコニアの含有量が０．５重量％未満となると、ジルコニア添加によるアルミナ質焼結体の高強度化の効果が少ないため、曲げ強度が７００ＭＰａ未満となり、一方、含有量が１０重量％を超えると、ジルコニアが多くなり過ぎてアルミナ質焼結体そのものの特性が劣化し、硬度、ヤング率、耐薬品性を低下させてしまう。従って、上記ジルコニアの含有量は０．５〜１０重量％、より好ましくは３〜１０重量％とすることが好ましい。
【００２４】
さらに、上記ジルコニアは、実質的に正方晶及び／又は立法晶からなることによって、アルミナ質焼結体に発生するクラックの先端のエネルギーをジルコニアの相転移で吸収させることができることから、高強度、高靭性を有するものである。
【００２５】
またさらに、上記アルミナ質焼結体中には不純物成分としてシリカ（ＳｉＯ２）が含まれるが、このシリカはアルミナの粒成長を促進する作用をなし、アルミナの結晶粒子径を大きくし、結晶粒子の形状を不揃いなものとするため、微細で粒子の揃ったアルミナ質焼結体を得ることができなくなる。そこで、上記シリカの含有量を少なくするために、原料粉末をボールミルやピンミル等で混合粉砕する際、ボールやビーズ等のメディアとして、アルミナ純度が９９．５％以上の高純度アルミナやジルコニア純度が９９．５％以上の高純度ジルコニアを用いる必要がある。これは、メディアの磨耗粉が不純物として混入しても組成に悪影響を与えないようにするためであり、ボールミルやピンミル等の内張りライナーにもシリカの混入が少ない材質を選択することが好ましく、原料粉末中のシリカの含有量が０．０５重量％以下となるように調合することが重要である。
【００２６】
なお、焼結助剤としては、マグネシア（ＭｇＯ）、カルシア（ＣａＯ）等を若干含有させることもでき、焼結助剤は１重量％以下とすることが好ましい。
【００２７】
このように含有量を調整した原料を、原料粉末が均一になるまで混合粉砕し、そのスラリーを噴霧乾燥して原料顆粒とし、所定形状に成形、焼成して製作される。
【００２８】
上記焼成方法としては、大気中で常圧焼成、ホットプレス、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理を採用できるが、高緻密化のためには、まず１４００〜１７００℃で常圧焼成した後、さらに真空中またはアルゴン等の中性あるいは還元性雰囲気において、１２００〜１６００℃、１００〜３００ＭＰａにて熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理を施す。
【００２９】
また、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理を施すことにより、ジルコニアの平均結晶粒子径が０．１〜１．０μｍ、アルミナの平均結晶粒子径が０．１〜２．５μｍで、表面ボイド率が０．１％の高緻密、高強度なジルコニア分散アルミナ質焼結体とすることができる。
【００３０】
次いで、ダイヤモンドホール等による研削加工及びダイヤモンドパウダーによる表面研磨仕上げにて加工して製作される。
【００３１】
このようにして得られたキャピラリーでは、曲げ強度が７００ＭＰａ以上、ヤング率が３８０ＧＰａ以上、及びビッカース硬度が１７．５ＧＰａ以とすることができることから、先端部１に摩耗や破損が生じるのを有効に防止することができ、ヤング率が３８０ＧＰａ以上と高いことから、キャピラリーの超音波振動の伝達効率が高く、ワイヤーの接合強度を高くすることができる。また、製造工程における加工負荷による破損発生も少なくなり、歩留まりを向上させることができる。
【００３２】
特に、キャピラリーにおける先端部１の先端面の外径Ｔが１００μｍ以下の小さなものとしても、ヤング率が３８０ＧＰａ以上高ことから超音波振動を効率よく伝達するとともに、曲げ強度、ビッカース硬度が高く、先端部１に破損が生じるのを有効に防止することができる。
【００３３】
また、ワイヤーのボンド位置のピッチが５０μｍ以下（千鳥配置では３５μｍ程度）の小さい場合においても、隣接するワイヤー同士が接触するのを有効に防止することができ、先端部１の先端面の外径Ｔが１００μｍ以下の小さなものとしても、破損や摩耗を有効に防止することができる。
【００３４】
さらに、先端部１の外径Ｔが１００μｍ以下と小さいことから、貫通孔２に挿通するワイヤー径も２０〜３０μｍ程度の細い線径のワイヤーをボンディングするのに適し、上記貫通孔２の径はワイヤー径の１．５倍程度、即ち３０〜４５μｍとすることが好ましく、特に、各ワイヤーのボンド位置のピッチが狭い場合には、貫通孔２の径を小さくすることによってボンド位置を高精度に調整することができる。
【００３５】
さらにまた、上記先端部１は、その両端の角度βが０〜１１°となっており、外周の角部は２０〜８０μｍ程度のＲ面となっており、ワイヤーの材質等によって適切な値を選択する。
【００３６】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限り種々の変更は可能であり、上述の実施形態では先端部１が先細り状のテーパ部から形成されていたが、図２に示すように先端部１を１つのテーパ部４と、それに連続するボトルネック部３から形成するボトルネック形状のキャピラリーにおいても、先端部１の先端面の外径Ｔが１００μｍ以下の小さなものとしても、破損、摩耗が生じるのを有効に防止することができる。また、上述の実施形態では先端部１を含むキャピラリー全体を上記ジルコニアを含有したアルミナ質焼結体によって形成したが、少なくとも先端部１のみを上記ジルコニアを含有したアルミナ質焼結体にて形成することによって同様の効果を奏することができる。
【００３７】
【実施例】
ここで、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
まず、本発明のジルコニアを含有するアルミナ質焼結体からなるキャピラリーを得るため、表１の試料Ｎｏ．４〜８に示す如くアルミナの含有量、ジルコニアの含有量として原料粉末が均一になるまで混合粉砕し、そのスラリーを噴霧乾燥して原料顆粒とし、１４００〜１７００℃で常圧焼成した後、さらに真空中またはアルゴン等の中性あるいは還元性雰囲気において１２００〜１６００℃、１００〜３００ＭＰａにて熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理を施し、ダイヤモンドホイール等による研削加工及びダイヤモンドパウダーによる表面研磨仕上げを行い本発明のキャピラリー試料を作製した。
【００３８】
また、比較例として表１の試料Ｎｏ．１〜３及びＮｏ．９，１０に示す如くアルミナ、ジルコニア、シリカの各含有量を有する原料粉末を上記同様に作製してキャピラリー試料を得た。
【００３９】
本発明及び比較例の試料ともに、先端部の外径を１００μｍとする。
【００４０】
そして、各キャピラリー試料に金線（Ａｕ  直径２８μｍ）を用いて、ボンディング周波数６５ｋＨｚ、ボンディング負荷８０ｇ（１ｓｔ）・１００ｇ（２ｎｄ）、超音波接合時間０．１秒の条件設定にてワイヤーボンディング試験を行い、ワイヤーのボンディング強度と３０万回ボンディングした後の破損率の関係を調べた。
【００４１】
表１における曲げ強度は、各試料と同様な焼結体を作製し、研削加工を施して３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍの角柱体を得、ＪＩＳ  Ｒ  １６０１に準拠して、スパン幅３０ｍｍ、クロスヘッドスピード０．５ｍｍ／ｍｉｎの条件にて３点曲げ試験にて測定した。
【００４２】
ヤング率は、試料を鏡面研磨仕上げし、超音波パルス法（ＪＩＳ  Ｒ  １６０２−１９９５に準拠）にて求めた。
【００４３】
ビッカース硬度（Ｈｖ）は、ＪＩＳ  Ｒ  １６０１に準拠し、ダイヤモンド圧子の試験荷重を１０００ｇｆで５秒間保持させて測定した。
【００４４】
アルミナ、ジルコニアの各平均粒子径は、ＳＥＭ写真を撮影し、粒径を計測して平均結晶粒径を算出した。また、ボイド率は、試料に鏡面加工を施し、ニレコ製ＬＵＺＥＸ−ＦＳ画像解析装置を用いて、顕微鏡倍率２００倍、測定ポイント１０ヶ所、測定面積１０．０×１０３μｍ２条件にて画像解析して測定した。
【００４５】
加工歩留は、キャピラリーを製作した時の投入数に対する完成品の数を割合にて数値化した。
【００４６】
ボンディング強度は、ボンディングしたワイヤーをフックに引っ掛け、ワイヤーが切断した時の荷重をグラムゲージにて測定した。
【００４７】
破損率は、ワイヤーボンディング試験にて３０万回ボンディングした時の、破損した割合を調査して数値化した。
【００４８】
結果は表１に示す通りである。
【００４９】
【表１】
0003566678.tif 000002
【００５０】
表１より明らかなように、ジルコニアの添加量が０．５〜１０重量％の試料（Ｎｏ．４〜８）は、曲げ強度が７１０ＭＰａ以上で、ヤング率が３８１ＧＰａ以上、及びビッカース硬度が１７．７ＧＰａ以上と高い値を有している。
【００５１】
また、加工歩留は９０％以上と高く、３０万回ボンディング後の破損率が０％と高ことがわかった。
【００５２】
これに対し、ジルコニアの含有量が０．５重量％未満の試料（Ｎｏ．１〜３）は、曲げ強度が３７０〜６５０ＭＰａと著しく低下していることがわかる。
【００５３】
また、ジルコニアの含有量が１０重量％より多い試料（Ｎｏ．９、１０）は、ヤング率が３４５ＧＰａ以下と著しく低下するため、超音波振動の伝達効果が悪く、ボンディング強度が９．３ｇ以下と低くなった。
【００５４】
（実施例２）
次に、試料Ｎｏ．６と同様の組成比を有する原料を用いて、先端部の外径を４０〜１００μｍのキャピラリー試料を作製した。
【００５５】
また、比較例として試料Ｎｏ．２と同様の組成比を有する原料を用いて、上述と同様に先端部の外径が４０〜１００μｍのキャピラリー試料を作製し、各試料に金線（Ａｕ  ２８μｍ）を用いて、ボンディング周波数６５ｋＨｚ、ボンディング負荷８０ｇ（１ｓｔ）・１００ｇ（２ｎｄ）、超音波接合時間０．１秒の条件設定にてワイヤーボンディング試験を行い、ワイヤーのボンディング強度と３０万回ボンディングした後の破損率の関係を調べた。
【００５６】
結果は表２に示す通りである。
【００５７】
【表２】
0003566678.tif 000003
【００５８】
表２から明らかなように、試料Ｎｏ．６−１〜６−４のアルミナ質焼結体からなるキャピラリー試料では、先端部の外径が４０μｍと小さくなっても、３０万回ボンディング後の破損率は１０％と小さいことがわかった。
【００５９】
これに対し、比較例である試料Ｎｏ．２のアルミナ質焼結体からなるキャピラリー試料は、先端部の外径が４０μｍと小さくなると、加工歩留が４５％と小さくなり、ボンディング時に破損しやすく３０万回使用することができなかった。
【００６０】
【発明の効果】
本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーによれば、少なくとも先端部が、アルミナを主成分とし、副成分としてジルコニアを含有してなり、曲げ強度が７００ＭＰａ以上、ヤング率が３８０ＧＰａ以上及びビッカース硬度が１７．５ＧＰａ以上であるアルミナ質焼結体からなることから、先端部に摩耗や破損が生じることを有効に防止することができ、ヤング率が高いことから、キャピラリーの超音波振動の伝達効率が高く、ワイヤーの接合強度を高くすることができる。
【００６１】
また、本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーによれば、上記先端部の先端面の外径が１００μｍ以下であることから、ボンド位置のピッチの小さな高密度なワイヤーボンディングが可能となる。
【００６２】
さらに、本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーによれば、上記アルミナの含有量が９０〜９９．５重量％、ジルコニアの含有量が０．５〜１０重量％であることから、ヤング率及びビッカース硬度を高い値に保持したまま、曲げ強度を高くすることができることから、先端部に破損や摩耗等が生じるのを防止しでき、また、キャピラリーに付着した導線をクリーニングする際、王水や硝酸等の薬品への耐薬品性を高くすることができ、長期間の使用に供するキャピラリーを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーの一実施形態を示す平面図であり、（ｂ）は同図（ａ）の先端部を示す部分断面図である。
【図２】（ａ）は本発明のワイヤーボンディング用キャピラリーの他の実施形態を示す平面図であり、（ｂ）は同図（ａ）の先端部を示す部分断面図である。
【図３】一般的なワイヤーボンディング用キャピラリーを示す平面図である。
【符号の説明】
１：先端部
２：貫通孔
３：ボトルネック部
４：テーパ部
【図１】
0003566678.tif 000004
【図２】
0003566678.tif 000005
【図３】
0003566678.tif 000006