(57)【要約】【課題】  切断治具を要することなく、スタッドバンプの高さを均一に形成することが可能なスタッドバンプ用キャピラリと、このキャピラリを用いたスタッドバンプの形成方法を提供する。【解決手段】  ワイヤ導出孔１２を中心にして、漏斗状に形成された面取凹部１３を先端に有した中空針１０を備え、中空針１０を金属ワイヤ３に直交する方向に超音波振動させる構造にした半導体製造装置のキャピラリにおいて、ワイヤ導出孔１２の面取凹部の１３頂点付近に、金属ワイヤ３に切込みを生じさせる刃状突起１１を突出形成し、この刃状突起１１で生じた切込みより、金属ワイヤ３を断裂分離させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ワイヤを導出させるワイヤ導出孔を中心にして、漏斗状に形成された面取凹部を先端に有した中空針を備え、該中空針を上記金属ワイヤに直交する方向に超音波振動させる構造にした半導体製造装置のキャピラリにおいて、
上記ワイヤ導出孔内で上記面取凹部の頂点付近に、上記金属ワイヤに切込みを生じさせる刃状突起を突出形成していることを特徴とするスタッドバンプ用キャピラリ。
【請求項２】
請求項１において、
上記刃状突起は、上記中空針の超音波振動方向と平行に突出形成されていることを特徴とするスタッドバンプ用キャピラリ。
【請求項３】
請求項１において、
上記刃状突起は、上記ワイヤ導出孔の周に沿う連続したリング状の突条として形成されていることを特徴とするスタッドバンプ用キャピラリ。
【請求項４】
請求項３において、
上記突条の先端には、ノコギリ歯を形成していることを特徴とするスタッドバンプ用キャピラリ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のスタッドバンプ用キャピラリを用いてスタッドバンプを形成する方法であって、
上記金属ワイヤの先端にアーク放電を生じさせてボールを形成し、形成したボールを上記面取凹部で捕捉した状態で上記中空針に超音波振動を加えながら、被対象物に押し付け、このときに上記刃状突起で上記金属ワイヤに切込みを生じさせて、金属ワイヤと上記ボールとを断裂分離して、スタッドバンプを形成することを特徴とするスタッドバンプの形成方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載のスタッドバンプ用キャピラリを用いてスタッドバンプを形成する方法であって、
上記金属ワイヤの先端にアーク放電を生じさせてボールを形成し、形成したボールを上記面取凹部で捕捉した状態で、上記中空針に超音波振動を加えながら、被対象物に押し付けて、上記ボールを被対象物に接合させ、その後、上記中空針を所定位置に上昇させてから、上記中空針に超音波振動を加えることによって、上記金属ワイヤに切込みを生じさせて、金属ワイヤと上記ボールとを断裂分離して、スタッドバンプを形成することを特徴とするスタッドバンプの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子または実装基板の電極部にスタッドバンプを形成する半導体製造装置のスタッドバンプ用キャピラリと、それを用いたスタッドバンプ形成の方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子をフリップチップ実装方式などで実装基板に接合するために、スタッドバンプが広く用いられているが、実装基板の小型化、高密度化、スタック（積層）化が進むにつれ、均一な高さのスタッドバンプが要求されるようになっている。
【０００３】
従来、スタッドバンプの形成方法として、中空針で送り出した金属ワイヤの先端をアーク放電により加熱溶融してボールを形成し、これを半導体素子又は実装基板の電極部に超音波を併用しつつ熱圧着させた後、ボールの根元（ネック）に形成される再結晶部を破断させて形成する方法が知られている。ここに、キャピラリはワイヤ導出孔が設けられた中空針であり、中空針の先端を半導体素子又は実装基板の電極部に押し付けることによって、金属ワイヤの先端を溶融して形成されたボールでスタッドバンプが形成される。
【０００４】
次の特許文献は、均一な高さにそろえるスタッドバンプ形成方法を開示しており、半導体素子上に形成されたスタッドバンプは、切断治具により高さが均一になるように、ネックを切断される。
【特許文献１】特開２００１−５３０９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の方法では、ボールの排出方向が中空針の先端開口に規制されているため、ボールが半導体素子又は実装基板の電極部に押し付けられる際に、先端開口奥に戻り込み、そのため、スタッドバンプの高さにばらつきを生じるという問題があった。
このようなばらつきが生じると、実装時の接合が不十分となって導通不良を起こして、集積度の高い半導体は製造できず、その歩留まりを下げる要因になっていた。
【０００６】
また、従来例によれば、切断治具を別に用意する必要もある。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、切断治具を要することなく、スタッドバンプの高さを均一に形成することが可能な新規な構造のスタッドバンプ用キャピラリと、このキャピラリを用いたスタッドバンプの形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１に記載のスタッドバンプ用キャピラリでは、金属ワイヤを導出させるワイヤ導出孔を中心にして、漏斗状に形成された面取凹部を先端に有した中空針を備え、該中空針を金属ワイヤに直交する方向に超音波振動させる構造にした半導体製造装置のキャピラリにおいて、ワイヤ導出孔内で面取凹部の頂点付近に、金属ワイヤに切込みを生じさせる刃状突起を突出形成している。
【０００９】
ここで、金属ワイヤに切込みを生じさせる刃状突起を形成する位置については限定しないが、中心に向かって幅の狭くなる面取凹部の内径が最も狭くなるワイヤ導出孔との境目に近いことが好ましい。この位置よりも低い、つまり面取凹部中間に刃状突起を設けた場合には、刃状突起によって切込みを入れられた部分の径が、金属ワイヤよりも太くなってしまい、その位置から断裂分離されない場合もある。なお、超音波を作用させる際に、キャピラリが振幅する量は、約３μｍ程度であるため、刃状突起と、金属ワイヤとの間隔は１μｍ程度が望ましい。
【００１０】
また、請求項２に記載のスタッドバンプ用キャピラリでは、刃状突起は、中空針の超音波振動方向と平行に突出形成されている。
【００１１】
また、請求項３に記載のスタッドバンプ用キャピラリでは、刃状突起は、ワイヤ導出孔の周に沿う連続したリング状の突条として形成されている。また、請求項４に記載のスタッドバンプ用キャピラリでは、そのリング状の突条の先端にノコギリ歯を形成している。
【００１２】
この場合、リング状の突条の内径を、使用する金属ワイヤ径より２μｍ程度大きくにしておくことが望ましい。内径がそれより大きければ、金属ワイヤに切込みを入れることが困難になり、内径がそれより小さければ、金属ワイヤをその中に押通させることが困難になる。
【００１３】
更に、本発明は、請求項１〜４のいずれかに記載のスタッドバンプ用キャピラリを用いてスタッドバンプを形成する方法を提案する。
【００１４】
すなわち、請求項５に記載のスタッドバンプ形成の方法では、金属ワイヤの先端にアーク放電を生じさせてボールを形成し、形成したボールを面取凹部で捕捉した状態で中空針に超音波振動を加えながら、被対象物に押し付け、このときに刃状突起で金属ワイヤに切込みを生じさせて、金属ワイヤとボールとを断裂分離して、スタッドバンプを形成する。
【００１５】
また、請求項６では、金属ワイヤの先端にアーク放電を生じさせてボールを形成し、形成したボールを面取凹部で捕捉した状態で、中空針に超音波振動を加えながら、被対象物に押し付けて、ボールを被対象物に接合させ、その後、中空針を所定位置に上昇させてから、中空針に超音波振動を加えることによって、金属ワイヤに切込みを生じさせて、金属ワイヤとボールとを断裂分離して、スタッドバンプを形成する。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１〜４に記載のスタッドバンプ用キャピラリによれば、面取凹部の頂点付近のワイヤ導出孔には、金属ワイヤに切込みを生じさせる刃状突起を内向きに突出形成しており、この刃状突起は、キャピラリが超音波振動する際に、金属ワイヤの所定の位置に切込みを入れるので、接合されたボールは、その位置で容易に断裂分離され、スタッドバンプの高さが均一になる。
【００１７】
特に請求項２では、刃状突起は、中空針の超音波振動方向と平行に突出形成されているので、超音波振動により金属ワイヤに効率的に切込みを入れることができる。
【００１８】
特に請求項３では、請求項１において、刃状突起は、ワイヤ導出孔の周に沿う連続したリング状の突条として形成されているので、ワイヤ導出孔の内側でワイヤの位置がずれることを防ぐことができ、金属ワイヤに確実に切込みを入れることができる。
【００１９】
更に請求項４では、請求項３において、リング状の突条の先端には、ノコギリ歯を形成しているので、金属ワイヤに切込みを入れる際に発生するワイヤ屑を、ノコギリ歯の隙間から下に逃がすことができる。
【００２０】
請求項５に記載のスタッドバンプ形成の方法では、ボールは、所定の電極部への接合のために、スタッドバンプ用キャピラリが超音波振動した際に、刃状突起に対応して生じた金属ワイヤの切込みの部分より断裂分離されるので、スタッドバンプの高さが均一に形成される。
【００２１】
請求項６では、ボールが所定の電極部に接合されたあと、スタッドバンプ用キャピラリが所定の高さまで上昇してから、金属ワイヤと直交する方向に再び超音波振動した際に、刃状突起は金属ワイヤに切込みを入れるが、このとき超音波振動のエネルギーは、ボールと電極部との接合によって消費されず、その大部分が金属ワイヤに加わるので、更に大きな切込みが入り、断裂分離される位置が一層確実になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は、強化アルミナ等による中空針に金属ワイヤを導出させるワイヤ導出孔を形成し、更にこのワイヤ導出孔を中心にして漏斗状に面取凹部（チャンファ部）を形成したスタッドバンプ用キャピラリを改良するものであり、そのワイヤ導出孔の面取凹部頂点付近には、金属ワイヤに切込みを生じさせる刃状突起を内向きに突出形成した構成となっている。以下、そのキャピラリの例を、図に従って説明する。
【００２３】
図１（ａ）、（ｂ）は本発明によるキャピラリ全体と、その先端部の概略縦断面図、図２（ａ）〜（ｃ）はキャピラリ先端形状の例を示す概略横断面図、図３はキャピラリを備えた半導体製造装置の基本構成を示した図である。
【００２４】
半導体製造装置Ｗは、本発明によるキャピラリ（中空針）１０を備え、その中空針１０を振動させる超音波駆動源Ｓを、超音波を増幅しつつ伝達する中空の金属ホーンＨを介して結合付加してなる。
超音波駆動源Ｓは、例えば、ボルト締めランジュバン型振動子など、６０ｋＨｚ程度から最近では１００ｋＨｚ、あるいはそれ以上の周波数で超音波駆動するものが用いられ、中空針１０は数μｍ程度の振幅で、金属ホーンＨの軸方向に振動する。
【００２５】
中空針１０は、全長１０数ミリ、外径１．５ミリ程度の強化アルミナ、タングステン、あるいはルビーなどで成形され、その先端には、図１（ａ）のように、金属ワイヤを導出させるワイヤ導出孔１２が開口し、このワイヤ導出孔１２は、中空針１０を貫通している。
このワイヤ導出孔１２には、金属ワイヤが挿通され、スタッドバンプ形成工程を行う度に、そこから金属ワイヤが導出され、その先端は図示しない電極とのアーク放電により溶融され、ボールが形成される。
【００２６】
中空針１０の先端は、図１（ｂ）のように、ワイヤ導出孔１２を中心に漏斗状の面取凹部１３（チャンファ部）が形成されている。この面取凹部１３は、その最大径（チャンファ径）が概ね金属ワイヤの先端のボール径より１０〜１５μｍ大きく、開口角（チャンファ角）は、９０度〜１２０度程度に形成される。
【００２７】
そして、ワイヤ導出孔１２の面取凹部１３頂点の付近には、金属ワイヤに切込みを生じさせる刃状突起１１が内向きに突出形成されている。この刃状突起１１は、図１（ｂ）の例では、水平な楔形状を有し、中空針１０の超音波振動の方向と平行に形成されているので、振動によって、その間に挿通されている金属ワイヤと繰り返して接触し、その接触部分に切込みを入れることができる。
【００２８】
刃状突起１１を形成する位置については限定されないが、面取凹部１３の内径が最も狭くなる、ワイヤ導出孔１２との境目に近いことが好ましい。この位置よりも低い、つまり面取凹部１３中間に刃状突起１１を設けた場合には、刃状突起１１によって切込みが入った部分の径が金属ワイヤよりも太くなってしまい、その位置から断裂分離されない場合も考えられる。なお、超音波を作用させる際に、中空針１０が振幅する量は約３μｍ程度であるため、刃状突起１１と、金属ワイヤとの間隔は１μｍ程度が望ましい。
【００２９】
刃状突起１１の形状は、図２（ａ）〜（ｃ）に示すようなもの等が考えられるが、これにだけには限定されない。図２（ａ）に示される例では、ワイヤ導出孔１２の中心に対して対象な位置に２つの刃状突起１１、１１が突出形成されている。この場合には、２つの刃状突起１１、１１を結ぶ直線が、超音波振動の方向と平行な関係となるようにする。
【００３０】
図２（ｂ）に示される例では、刃状突起１１は、ワイヤ導出孔１２の周に沿う連続したリング状の突条１１として形成されている。この場合、突条１１の内径を、使用するワイヤ径より２μｍ程度大きくにしておくことが重要である。内径がこれより大きいと、金属ワイヤに切込みを入れることが困難になり、内径がこれより小さいと、金属ワイヤをその中に挿通させることが困難になる。また、刃状突起１１をこのようなリング状の突条１１としたときには、ワイヤ導出孔１２の内側で金属ワイヤの位置がずれることを防ぐことができる。
【００３１】
図２（ｃ）に示される例では、リング状の突条１１の先端に、ノコギリ歯を形成している。この場合には、金属ワイヤに切込みを入れる際に発生するワイヤ屑を、ノコギリ歯の隙間から下に逃がすことができる。
【００３２】
図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明によるスタッドバンプの形成方法を示している。ここで、金属ワイヤ３としては、Ａｕワイヤ、Ａｌワイヤ、Ｃｕワイヤ等が利用できる。また、スタッドバンプが形成される半導体素子又は実装基板の電極部１としては、Ａｕ電極、Ａｌ電極、Ｃｕ電極、Ａｇ電極、Ｎｉ電極等が利用できる。利用可能な条件は、それらの金属ワイヤ３と電極部１との界面に合金が形成されることであるが、信頼性の観点からは、ＡｕワイヤとＡｕ電極の組合せ、あるいは、ＡｌワイヤとＡｌ電極の組合せ等が望ましい。
【００３３】
スタッドバンプの形成工程を、図４（ａ）〜（ｃ）に従って説明すると、まず、金属ワイヤ３が、中空針１０に設けられたワイヤ導出孔１２に挿通され、ワイヤ導出孔１２から外部に導出された部分の先端にアーク放電を起こさせ、加熱溶融してボール４を形成する。その後、図４（ａ）に示すように、このボール４を、中空針１０のワイヤ導出孔１２の周囲に形成されている面取凹部１３に収容し捕捉する。この際には、中空針１０の上方に備えられたクランパ（図示しない）が閉じており、金属ワイヤは、そのクランパによって挟まれている。
【００３４】
ついで、クランパを解放し、中空針１０を電極部１に向かって降下させて、図４（ｂ）に示すように、ボール４を電極部１に押圧して変形させる。このとき、ボール４や電極部１は、２００度程度に加熱されている。
【００３５】
ここで超音波が作用するまでの間、面取凹部１３により、ボール４には１０〜１００ｇ程度の押圧力が加えられ、面取凹部１３の開口角等によって形状が決定される。その後、超音波駆動源Ｓを稼働して超音波を中空針１０に作用させることにより、押しつぶされたボール４と電極部１とが接合されるが、同時に、刃状突起１１がワイヤ３と接触し、切込み２０を生じさせる。
【００３６】
その後、中空針１０を上昇させ、クランパを閉じた後に、ワイヤ３を上方に引くことにより、図４（ｃ）に示すように、ワイヤ３は、その切込み２０の位置で断裂分離され、高さが均一化されたスタッドバンプ２が形成される。
【００３７】
なお、上記の形成工程では、ボール４の接合時に刃状突起１１が生じさせたワイヤ３の切込み箇所で、ボール４と金属ワイヤ３とを断裂分離させたが、別の方法として、ボール４を接合したあと、クランパを解放した状態で、中空針１０を所定の高さまで上昇させ、再び超音波振動する構成として、その際に、刃状突起１１によって生じた金属ワイヤ３の切込みの部分で断裂分離するようにしてもよい。
【００３８】
図５（ａ）〜（ｄ）は、そのようにしたスタッドバンプの形成方法を示す図面である。ここで、図５（ａ）、（ｂ）は、図４（ａ）、（ｂ）と共通なので、説明を割愛する。
【００３９】
このスタッドバンプの形成工程では、上記と同様にボール４を電極部１に超音波併用熱圧着して接合させた後、図５（ｃ）に示すように、中空針１０は、所定の位置まで上昇してから超音波振動する。すると、図５（ｂ）におけるボール４と電極部１との接合時では、その接合のために消費されていた超音波振動のエネルギーが全てワイヤ３に向かうので、図５（ｃ）において生じる切込み２１は、切込み２０より大きなものとなる。
【００４０】
その後、図５（ｄ）に示すように、ワイヤ３を上方に引くことにより、ワイヤ３は、その大きな切込み２１の箇所で確実に断裂分離され、高さが均一化されたスタッドバンプ２が形成される。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明によるキャピラリ全体と、その先端部の概略縦断面図。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明によるキャピラリ先端形状の例を示す概略横断面図。
【図３】キャピラリを備えた半導体製造装置の基本構成を示した図。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、本発明によるスタッドバンプの形成方法を示す図。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、本発明によるスタッドバンプの別の形成方法を示す図。
【符号の説明】
【００４２】
２  スタッドバンプ
３  金属ワイヤ
４  ボール
１０  キャピラリ（中空針）
１１  刃状突起
１２  ワイヤ導出孔
１３  面取凹部（チャンファ部）
２０、２１  切込み
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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