(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形成方法を提供する【解決手段】金属ワイヤ３を導出させるワイヤ導出孔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、該中空針１０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Ｗのキャピラリにおいて、中空針１０の先端開口縁１３ａには、面取凹部１３から外方に連通する複数の逃がし溝１１を、ワイヤ導出孔１２を挟むようにして形成している。【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、
上記中空針の先端開口縁には、上記面取凹部から外方に連通する複数の逃がし溝を、上記ワイヤ導出孔を挟むようにして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、
上記逃がし溝は、上記超音波振動の方向に対して概ね４５度の角度をなすように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または２において、
上記逃がし溝は、上記漏斗状の面取凹部の概ね２分の１の深さに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１〜３において、
上記逃がし溝は、外側開口が、上記ワイヤ導出孔側にある内側開口よりも広がりを持った溝幅を有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を溶融させて形成したボールを、上記中空針の面取凹部に捕捉した状態で中空針の先端開口を被対象物に押し当て、超音波振動を加えながらボールを加熱溶融させることによって、上記ボールの一部を上記逃がし溝より排出させ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、半導体素子又は実装基板の電極上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を形成することが強く要求されるようになっている。
【０００３】
スタッドバンプの形成方法としては、従来より、キャピラリ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】
しかしながら、上記方法では、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、ワイヤ導出孔に戻り込み、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る。
【０００５】
そこで、下記特許文献１には、スタッドバンプの高さを均一に揃えるためのスタッドバンプの形成方法が開示されている。
図５（ａ）〜（ｃ）は、下記特許文献１に開示されているスタッドバンプの形成方法を示している。
中空針２００の先端には、金属ワイヤ７００を導出させるワイヤ導出孔６００を中心にして漏斗状の面取凹部（チャンファ部）６０１が形成されており、中空針２００により半導体素子又は実装基板（不図示）の電極部１００などに、超音波を併用しつつ形成したボールを加熱溶融させ、押し潰して熱圧着させた後、切断治具４００によって押し潰したボール３００の根元（ネック）の再結晶脆弱部３０１を切断分離して、スタッドバンプ５００を形成している。
【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】
【０００６】
上記の方法では、面取凹部６０１からワイヤ導出孔６００へ入り込んで盛り上がった再結晶脆弱部３０１を切断治具４００を用いて切断分離するので、スタッドバンプ５００の高さを均一にすることは可能であるが、切断治具４００を必要とするため、作業工数が増えるという問題があった。
【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、上記中空針の先端開口縁には、面取凹部から外方に連通する複数の逃がし溝を、上記ワイヤ導出孔を挟むようにして形成している。
ここに、逃がし溝は、中空針の先端開口縁に、ワイヤ導出孔を囲むようにして均等な間隔で形成されることが望ましいが、その数は限定されない。もっとも簡易な例では、一対の逃がし溝を、ワイヤ導出孔を挟むようにして対峙して形成される。
【０００９】
また、請求項２〜４のキャピラリは、逃がし溝に構造的な特徴があり、請求項２では、超音波振動の方向に対して概ね４５度の角度をなすように形成されており、請求項３では、漏斗状の面取凹部の概ね２分の１の深さに形成されている。更に、請求項４では、その溝幅となる外側開口が、上記ワイヤ導出孔側にある内側開口よりも広がりを持った形状に形成されている。
【００１０】
請求項５では、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しており、この方法では、上記中空針の先端開口縁を被対象物に押し当て、超音波振動を併用して加熱溶融されたボールを押し潰し、その一部を逃がし溝を通じて中空針の外方に排出させるので、溶融されたボールの一部のワイヤ導出孔への戻りこみが防止され、均一な高さのバンプが形成できる。
【発明の効果】
【００１１】
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、先端開口縁に逃がし溝を形成しているため、熱圧着の際の押圧力で、ボールが押し潰されたときに漏斗状の面取凹部に収まりきらないボールの一部は逃がし溝を通じて中空針の外方に排出できるので、溶融されたボールの一部が、ワイヤ導出孔へ戻りこむのを防止することができるので、スタッドバンプの高さを均一化して、導通不良が少なく、歩留まりのよい半導体装置を製造できる。
【００１２】
特に請求項２では、逃がし溝の向きは、超音波振動の方向と概ね４５度の角度なして形成されるので、面取凹部に収まりきらないボールの一部を中空針の外方へ排出させやすい。超音波振動の方向に対して水平若しくは垂直に逃がし溝が形成された場合、超音波振動の影響を受け、面取凹部に収まりきらないボールの押し出し量が確保できないため、押し出させようとする力が弱く、結果的にスタッドバンプの高さを均一化することが困難となるため、逃がし溝の向きは、超音波振動の方向に対して概ね４５度とするのが最適である。
【００１３】
特に請求項３では、逃がし溝の深さは、面取凹部の概ね２分の１に形成されているので、押し潰されたボール（金属）の一部を十分に溝内部に留めて、すでに排出されているバンプの溶融した部分に堆積されるので、生成されたバンプと半導体素子又は実装基板の電極部との接合強度を十分にできる。
溝の深さが面取凹部の２分の１以下とすると、潰されたボール（金属）の一部（ばらつき量）を、十分に留めきれないことがあり、スタッドバンプの高さの均一化が図り難い。また溝の深さが面取凹部の２分の１以上とすると、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接合領域が少なくなり、接合強度の確保が困難になる。
【００１４】
特に請求項４では、逃がし溝の溝幅をなす外側開口と内側開口とが、外側開口が内側開口よりも広がり持った形状に形成されているので、潰されたボール（金属）の一部を、溝内に留めることなく、中空針の外周囲にスムーズに排出できる。
【００１５】
請求項５に記載のスタッドバンプ形成方法では、切断治具を要することなく、作業工数を従来通りのままとして、高さが均一なスタッドバンプを効率よく形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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の面取凹部（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したものであり、以下、その望ましい実施例を添付図とともに説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１（ａ）は本発明によるキャピラリの概略縦断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ部分拡大断面図、図２は本発明によるキャピラリを備えた半導体製造装置の全体構成を示した図であり、図３（ａ）、（ｂ）は、本発明のキャピラリの先端開口縁形状の例を示す端面図である。
【００１８】
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。
【００１９】
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た中空針として構成され、その先端開口縁１３ａ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、その先端が超音波振動を受けつつ溶融されボールが形成される。
【００２０】
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度程度に形成されている。
【００２１】
中空針１０の先端開口縁１３ａには、面取凹部１３から外方に連通する一対の逃がし溝１１がワイヤ導出孔１２を挟んで対峙するようにして形成されている。
このような逃がし溝１１を設けることで、キャピラリ１０の先端開口縁１３ａを被対象物に押し付けて、金属ワイヤ先端に形成したボール４を押し潰す際に、面取凹部１３に収まりきらないボール４の一部を、逃がし溝１１に排出させ、すでに排出され溶融しているバンプ２の上方に堆積させることができるので、ワイヤ導出孔１２に戻り込んで、再結晶部となって固まることがなく、スタッドバンプ２の高さを面取凹部１３に応じた高さに均一化できる。
【００２２】
逃がし溝１１の深さは、特に限定されるものではないが、ワイヤ導出孔１２を中心として形成された漏斗状の面取凹部１３の深さに対して、概ね２分の１であることが望ましい。
例えば、溝の深さを面取凹部１３の２分の１以下とすると、面取凹部１３に収まりきらないボール（金属）の一部を逃がし溝１１内部に留めきれないことがあり、スタッドバンプ２の高さを均一に形成できない。また、溝の深さを面取凹部１３の２分の１以上とすると、ボール４の一部を十分に排出できず、半導体素子の電極１などと接合する量が少なくなって接合強度の確保が困難になる。
【００２３】
中空針１０の先端開口縁１３ａの一部を切り欠いて形成される逃がし溝１１は、図３（ａ）若しくは図３（ｂ）に示すようなものが考えられるが、逃がし溝１１の向き・形状・深さは、これに限定されるものではない。
図３（ａ）に示される例では、逃がし溝１１の向き、つまり、逃がし溝の中心軸線ＬＡが超音波振動の振動方向、つまり振動軸ＬＢに対して概ね４５度の角度θをなし、逃がし溝１１の溝幅となる開口は、内側と外側とで同一に形成されている。
この構成によれば、面取凹部に収まりきらないボールの一部を中空針の外方へ排出させやすくすることができる。
例えば、超音波振動の方向に対して水平若しくは垂直に逃がし溝が形成された場合、超音波振動の影響を受け、面取凹部に収まりきらないボールの押し出し量が確保できないため、押し出させようとする力が弱く、結果的にスタッドバンプの高さを均一化することが困難になる。そこで、上述のように、超音波振動の振動方向に対して概ね４５度に逃がし溝１１が形成されることが望ましい。なお、この角度は４５度に限定するものでなく、超音波振動の振動方向に対して斜め方向であればよい。
図３（ｂ）に示される例では、逃がし溝１１の向きは、図３（ａ）の例と同様に振動方向を軸として概ね４５度の角度θとしているが、逃がし溝１１の溝幅は、外側開口が、ワイヤ導出孔１２側にある内側開口よりも広くなるように形成されている。
これによれば、潰されたボール（金属）の一部が、中空針１０の外周囲へ排出するのを、一層容易にできる。
以上のような逃がし溝１１は、押し潰されたボール４の一部を中空針１０の外周囲に均等に排出させるためには、先端開口縁１３ａに、ワイヤ導出孔１２を囲むようにして均等な間隔で形成することが望ましいが、その数は限定されない。
【００２４】
図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明によるスタッドバンプ形成手順を示している。
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２が形成される半導体素子の電極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。
なお、ここでは半導体素子の電極１にスタッドバンプ２を形成する例を示しているが、
実装基板の電極にスタッドバンプ２を形成する場合にも適用可能なことはいうまでもない。
【００２５】
スタッドバンプ２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、キャピラリ１０に設けられたワイヤ挿通孔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て、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、金属ワイヤ３はクランパ（不図示）によりはさまれている。
【００２６】
ついで、クランパを開放し中空針１０を、被対象物の電極１に向かって降下させ、図４（ｂ）に示すように、ボール４を電極１に押し付け、超音波駆動源１０１を駆動して、超音波振動を加えながら被対象物に熱圧着させる。このとき、金属ワイヤ３や電極１は、２００度程度に加熱され溶融される。
【００２７】
ここで超音波が作用する間、面取凹部１３によって、ボール４には１０〜１００ｇ程度の押圧力が加えられ、この押圧力によってボール４は押し潰されながら、加熱溶融されることで被対象物に圧着接合されるが、面取凹部１３に収まりきらない部分は逃がし溝１１に排出され、中空針１０の先端開口１３ａからすでに排出されているバンプ２の上方に堆積され盛り上がり、バンプ２の形状は面取凹部１３の開口形状によって特定される。
【００２８】
その後、中空針１０を上昇させ、クランパを閉じた後に金属ワイヤ３を上部に引くことにより、図４（ｃ）に示すように、ワイヤ３がボール４の根元の再結晶部４ａで断裂分離され、スタッドバンプ２が形成される。
このような形成方法によれば、切断治具を要することなく、また作業工数も従来通りのままで、高さが均一なスタッドバンプ２を効率よく形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】（ａ）は本発明のキャピラリの概略縦断面図、（ｂ）は図１（ａ）のＸ部分拡大断面図である
【図２】本発明によるキャピラリを備えた半導体製造装置の概略全体構成を示した図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明のキャピラリの先端開口縁の拡大端面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、本発明によるスタッドバンプ形成方法を示す工程図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、従来のスタッドバンプ形成方法を示す工程図である。
【符号の説明】
【００３０】
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    逃がし溝
１２    ワイヤ導出孔
１３ａ  先端開口縁
１３    面取凹部（チャンファ部）
Ｗ      半導体製造装置
【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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