(57)【要約】【課題】ツール先端部の欠損を小さくする方法を提供することによって、リード線の幅が４０μｍ以下のＩＣ用ボンディングツールを提供することである。【解決手段】多結晶ダイヤモンドがセラミック基材の上に接合されてなるツール先端部６が基体部３に接合され、前記ツール先端部６の先端作用面１が研磨されていて、前記ツール先端部６の先端エッジ加工部２がレーザー光により加工されているボンディングツールである。多結晶ダイヤモンドとして、ダイヤモンド粒子を鉄族金属で結合したダイヤモンド焼結体や気相合成法によって得られた多結晶ダイヤモンドを使用できる。中でも、炭化珪素からなるセラミック基板５上に気相合成法で形成された多結晶ダイヤモンドであることが望ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶ダイヤモンドがセラミック基板の上に接合されてなるツール先端部が基体部に接合され、前記ツール先端部の先端作用面が研磨されていて、前記ツール先端部の先端エッジ加工部がレーザー光により加工されてなることを特徴とするボンディングツール。
【請求項２】
前記レーザー光の波長が、４００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のボンディングツール。
【請求項３】
前記多結晶ダイヤモンドが、ＳｉＣ基板上に気相合成法で形成されてなることを特徴とする請求項１または２に記載のボンディングツール。
【請求項４】
前記先端エッジ加工部は多結晶ダイヤモンドとセラミック基板とで構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のボンディングツール。
【請求項５】
前記先端作用面に対し鉛直方向から見た先端エッジ加工部の幅が０〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のボンディングツール。
【請求項６】
前記先端エッジ加工部と先端作用面が交わって形成される作用面稜線部の欠損の幅が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のボンディングツール。
【請求項７】
前記先端エッジ加工部と先端作用面とのなす先端角が４０〜９０度であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のボンディングツール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣ、ＬＳＩなどの半導体素子を実装するときに使用されるボンディングツールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ボンディングツールは、リード線が多数配線されたＴＡＢテープをＩＣチップに重ねたものの上から加圧、加熱してリード線とＩＣチップとをボンディングするツールである。ボンディングツールの先端作用面は、高温に加熱、加圧されることや先端作用面の付着物除去のためにたびたびアルミナなどのセラミック砥石によりクリーニングされるため、耐摩耗性が要求される。従ってボンディングツールの先端作用面は、セラミック又はダイヤモンドで構成されている。
【０００３】
特許文献１は、工具先端部の凸状断面の先端にＣＢＮ焼結体をボンディング面とするボンディングツールに関する発明を開示している。多結晶ダイヤモンド製のボンディングツールは欠けやすいので、その代わりに１μｍ以下の粒子径を持つ立方晶窒化硼素を用いている。ボンディング面を形成する際に、レーザー加工および又は研削加工を用いて面取りおよび又は座ぐり加工することが開示されている。これにより、加工寸法精度向上と加工表面への応力集中を防ぐことができると記載されている。
【０００４】
特許文献２は、円形または矩形の水晶振動子の切断と面取り加工にレーザーを用い、その後研磨容器に水晶振動板と研磨材を投入し、当該容器を振動あるいは揺動することが記載されている。面取りの基本形状を決定することができるので、後工程のバレル研磨においても加工バラツキを抑制することができ加工時間を短くでき、クラックなどの発生の機会を減少させる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−３４０２８６号公報
第３頁右欄第１５行以下
【特許文献２】
特開２０００−３０１４４７号公報
第２頁右欄第１０行以下
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
最近は、リード線の幅が４０μｍ以下で、ボンディングすると同時にボンディング部でリード線を折り曲げようとするＩＣなどが使用され始めている。ＴＡＢテープを段差なく均等に折り曲げるためには、ツール先端部の作用面稜線部には極力微小欠損がないことが要求される。
【０００７】
多結晶ダイヤモンドからなる先端作用面をダイヤモンド砥石などにより研磨加工する場合、通常砥石が作用面稜線部を抜けるとき欠損が発生する。研磨の作業効率を上げようとして砥石の回転数を１分間に１，５００回転以上とすると、ダイヤモンド全体が熱を持って劣化したり、微小欠損が発生したりする。また、１０μｍ以上の微小欠損をなくすためにダイヤモンド粒径が１０μｍ以下である砥石を使用すると、作業能率が大幅に低下してしまう。このため本発明の課題は、ツール先端部の欠損を実用的に小さくする方法を提供することによって、例えば、幅が４０μｍ以下のリード線も均質にボンディングできるＩＣ用ボンディングツールを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多結晶ダイヤモンドがセラミック基板の上に接合されてなるツール先端部が基体部に接合され、ツール先端部の先端作用面が研磨されていて、ツール先端部の先端エッジ加工部がレーザー光により加工されているボンディングツールである。本発明で使用される多結晶ダイヤモンドは、ダイヤモンド粒子を鉄族金属で結合した多結晶ダイヤモンド焼結体や、気相合成法で作製された多結晶ダイヤモンドが使用できる。レーザー光による先端エッジ加工は、ダイヤモンド粒子に機械的な力をかけることなく熱的に取り除くので、ダイヤモンド粒子の剥離がなく、従って大きな欠損がない。
【０００９】
先端エッジ加工に用いるレーザー光の波長は、４００ｎｍ以下であることが望ましい。一般的な波長１，０００ｎｍ程度のレーザー光を用いたダイヤモンドのレーザー加工では、レーザー光のエネルギーの大半は熱的に作用してダイヤモンドをグラファイト化することによって進行する。このため、機械的な加工に比べるとダイヤモンド粒子の脱落や欠損は発生しにくいものの、熱衝撃による欠けが発生する場合がある。これに対し、波長４００ｎｍ以下の波長を持つ、例えばＹＡＧレーザーの３倍高調波を用いた場合は、レーザー光のエネルギーがダイヤモンドの炭素ー炭素結合を光化学的に切断することに多く作用するため熱の発生が少なく、従って熱衝撃による欠けの発生をさらに低くおさえることができる。また、グラファイトの発生量が少ないことも特徴である。さらに波長が短いためレーザー光のゆらぎによる切断面の凹凸も小さくなる。この凹凸は、切断面に幅が数μｍ程度以下のすじ状の溝を形成する。このように短波長のレーザー光を使用してダイヤモンドを加工すると、ツール先端部の欠損を低く抑えることができ、例えばその大きさを１０μｍ以下とすることができる。
【００１０】
多結晶ダイヤモンドが、気相合成法でＳｉＣ基板上に形成されていることが望ましい。本発明に係るボンディングツールは、高温で使用されるので、高温での高い寸法精度が要求される。熱膨張係数がダイヤモンドのそれに近いＳｉＣを基板とすることで、高温においても高い寸法精度でしかも接合強度も高く維持できる。しかも単結晶ダイヤモンドのように大きさの制限もなく、また比較的大きな形状のものも製造できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係るボンディングツールの正面図である。鉄−ニッケル−コバルト合金製の基体部３に、ＳｉＣ等からなるツール先端部６が接合されている。基体部３には、ボンディングツール加熱用のカートリッジヒーター挿入口４が設けられている。
【００１２】
図２は、ツール先端部６の斜視図である。ツール先端部６は、セラミック基板５と点を打って示した多結晶ダイヤモンド８とで構成される。多結晶ダイヤモンド８の最表面は、研磨されて先端作用面１となり、その周縁部に先端エッジ加工部２を設け、先端エッジ加工部２と先端作用面１が交わって作用面稜線部７が形成される。ＴＡＢテープを段差なく均等に折り曲げる必要があるために、先端エッジ加工部２は、多結晶ダイヤモンド８とセラミック基板５にまたがって形成されることが望ましい。リード線を均等かつ精度よく曲げるには、図１に示す先端作用面に対し鉛直方向から見た先端エッジ加工部の幅ｄが０〜３ｍｍの範囲が望ましい。先端エッジ加工された幅とは、作用面稜線部７とそれに対応するセラミック基板５の最外面との水平距離ｄである。リード線を緩やかに曲げるために、作用面稜線部７には、アールを設けることもできる。
【００１３】
最近は、半導体の消費エネルギーがますます減少すると共に、リード線などの線径がますます小さくなってきている。リード線が細くなると、作用面稜線部７の従来問題にならなかったような微細な欠陥が、製品の歩留まりなどに影響を及ぼし始めた。先にも記載したが、リード線の幅が４０μｍ以下になると、図２に示す欠損の幅ｗは、１０μｍ以下が望ましい。大きな欠損があると、リード線が断線する恐れがあるからである。欠損の大きさは、作用面稜線部を欠損が切る幅のことである。
【００１４】
従来から先端作用面１および先端エッジ加工部２は、ダイヤモンド砥石により研削加工されていた。ところがダイヤモンドは耐摩耗性および硬度は高いが、破壊靱性は低いために機械的に研削しようとすると微小欠損を発生させ易い。その上、本発明のように気相合成法で得られた多結晶ダイヤモンドの場合、ダイヤモンドの結晶はセラミック基板５側から成長し、先端作用面１に向かい先広がりの逆円錐状の柱状晶となっている。従って、上面を研削するときは、柱状晶としてしっかり根付いているので剥離することがない。しかしながら先端エッジ加工部２を研磨する場合は、粒子が研削されると同時に、研削により粒子単位で剥離する確率が増える。
【００１５】
特に、ボンディングツールのように３０〜１００μｍ程度の厚い多結晶ダイヤモンド８を使用する場合は、先端作用面１に近くなるとダイヤモンドの粒子が１０μｍより大きく成長している。従って、研削加工により先端エッジ加工する場合は、作用面稜線部７には１０μｍを越える欠損を生じやすい。
【００１６】
先端エッジ加工部２と先端作用面１とのなす先端角αが４０〜９０度であることがさらに望ましい。ＩＣやＬＳＩなどの半導体素子を実装するとき、周辺装置との関係でボンディングツールの幅に余裕がないことあがる。このとき先端角を９０度に近付けて、先端作用面とセラミック基板の幅を近付けることが望ましい。また、リード線を均等かつ精度良く折り曲げるという観点からすれば、先端角αは４０〜８５度の範囲が望ましい。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（実施例１）
まず、大きさ６０ｍｍ×６０ｍｍ×３ｍｍのＳｉＣ基板を準備し、その正方形の面にフィラメントＣＶＤ法により厚さ５０μｍの多結晶ダイヤモンドを被覆した。被覆の条件は以下のとおりである。フィラメントとして、直径０．５ｍｍ、長さ１００ｍｍのタングステン線を用いた。
原料ガス（流量）            ：ＣＨ４／Ｈ２＝１％
総流量                      ：５００ｃｃ／ｍｉｎ
ガス圧力                    ：１０，０００Ｐａ
フィラメント温度            ：２，２００℃
フィラメントとＳｉＣとの距離  ：５ｍｍ
ＳｉＣ温度                    ：９２０℃
【００１８】
かくして得られた多結晶ダイヤモンド被覆ＳｉＣの表面をダイヤモンド砥石で研磨した後に、１５ｍｍ×３ｍｍのサイズに切断しツール先端部を作製した。その後鉄−ニッケル−コバルト合金を所定の形状に機械加工して作製した基体部に、ツール先端部をロウ付け接合した。
【００１９】
このようにして得られたボンディングツールにおいて、先端エッジ加工部を波長３５５ｎｍのＹＡＧレーザーの第３高調波により、先端角αを７０度、先端エッジ加工部の幅ｄを１ｍｍで加工し試料１とした。先端エッジ加工の条件は表１の通りである。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
また、次の比較例も作製した。実施例１で作製したツール先端部を、実施例１と同様にして基体部にロウ付けした。次に先端エッジ加工部をダイヤモンド粒径が２０μｍ以下である砥石により、先端角αを７０度、先端エッジ加工部の幅１ｍｍのボンディングツールを作製した。
このようにして得られた試料１と比較例のボンディングツールを用いてボンディング試験を行った。この試験は、リード線が多数配線されたＴＡＢテープをＩＣチップに重ねたものの上から加圧、加熱してリード線とＩＣチップとをボンディングすることで行う。ボンディングの条件は以下の通りである。ボンディング試験した結果を表２に示す。
ヒーター加熱温度：５３０℃
ステージ設定温度：１００℃
ボンディング荷重：１０ｋｇ
リード線間隔    ：４５μｍ
リード線幅      ：１０μｍ
クリーニング    ：タングステン回転ブラシ
【００２２】
【表２】
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【００２３】
比較例のリード線断線率は高い。これは、先端作用面を砥石で先端エッジ加工を施した部分に数十ミクロン程度の微少欠損が多数存在していたためチップのリード線がその欠損部でボンディングされてしまい、断線したことが原因であった。更に、比較例は５０万ショットで作用面が欠損し製品寿命となった。これは、当初から存在していた微少欠損がボンディング中に大きな欠損に成長したことが原因であった。
【００２４】
一方、試料１は、リード線断線が全く発生しなかった。これは、ツールの先端エッジ加工部をレーザーで加工したことにより幅が１０μｍを越える微少欠損が全くないボンディングツールが得られたことによるものである。また、本発明品は上述のような幅が１０μｍ以上の微少欠損が作用面稜線部に全く存在しなかったために、８０万ショットと比較例に対して耐久性が大幅に向上した。
【００２５】
（実施例２）
実施例１で作製したツール先端部を表３の条件にて先端エッジ加工し、ボンディングツールを作製し、試料２とした。試料２は、レーザー発振波長が１０６４ｎｍのものを用いて、その他は試料１と同様に先端角αは７０度、先端エッジ加工部の幅ｄを１ｍｍとして先端エッジ加工された。
【００２６】
【表３】
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【００２７】
このようにして得られたボンディングツールを用いてボンディング試験を実施した。ボンディング条件は実施例１と同じである。試料２のボンディング試験の結果は、ショット数が６０万ショットでリード線断線率が１５％であった。
【００２８】
試料２は、実施例１で示した比較例よりもリード線断線率、ツール寿命において優位であった。試料２はＹＡＧレーザーで先端エッジ加工を施した結果、先端エッジ加工部分の表面がレーザー加工による熱劣化を受けていたことによりボンディング当初は問題なく機能していたが、タングステンブラシによる度重なるクリーニングのため微少欠損が発生し断線する原因となった。
【００２９】
【発明の効果】
本発明のボンディングツールは、レーザーによりツール先端部を先端エッジ加工することで欠損のない作用面稜線部を形成するものである。この結果、本発明のボンディングツールは、ツール先端部の欠損を実用的に小さくでき、例えば、幅が４０μｍ以下のリード線も、均質で歩留まりよく、しかも大量のボンディングができる。同時に、ボンディングツールの先端エッジ加工部を使って折り曲げるので、リード線の折り曲げ精度がよくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のボンディングツールに関する正面図である。
【図２】本発明に係る、セラミック基板の上に多結晶ダイヤモンドを形成したツール先端部の斜視図である。
【符号の説明】
１      先端作用面
２      先端エッジ加工部
３      基体部
４      カートリッジヒーター挿入口
５      セラミック基板
６      ツール先端部
７      作用面稜線部
８      多結晶ダイヤモンド
α      先端角
ｄ      先端エッジ加工部の幅
ｗ      欠損の幅
【図１】
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【図２】
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