(57)【要約】      （修正有）【課題】  半導体装置のワイヤーボンディングに利用するボンディングキャピラリーに係り、特に、ボンディングピッチの狭いファインピッチに適した強度を有し、超音波伝播特性にすぐれたボンディング用キャピラリーを提供する。【解決手段】  部分安定化されたZｒO2を１５ｗｔ％〜２５ｗｔ％、Cr2O3を０．２ｗｔ％〜１ｗｔ％、残部をAl2O3とし、且つ、平均結晶粒径が０．３μｍ  〜０．７μｍ、最大粗大結晶粒の結晶粒径が１μｍ以下であることを特徴とするボンディングキャピラリーを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
部分安定化されたZｒO2を１５ｗｔ％〜２５ｗｔ％、Cr2O3を０．２ｗｔ％〜１ｗｔ％、残部をAl2O3とし、且つ、平均結晶粒径が０．３μｍ  〜０．７μｍ、最大粗大結晶粒の結晶粒径が１μｍ以下であることを特徴とするボンディングキャピラリー。
【請求項２】
前記ボンディングキャピラリーは、Al2O3にZrO2の結晶が均一分散しており、Zr2O３結晶の偏析領域の最大長さ２μｍ以上が無いことを特徴とする請求項1記載のボンディングキャピラリー。
【請求項３】
前記ボンディングキャピラリーは、硬度１９５００Ｎ／ｍｍ2  以上、曲げ強度１４００Ｎ／ｍｍ2以上であることを特徴とする請求項1又は２記載のボンディングキャピラリー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置のワイヤーボンディングに利用するボンディングキャピラリーに係り、特に、ボンディングピッチの狭いファインピッチに好適なボンディングキャピラリーに関する発明である。 
【背景技術】
【０００２】
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１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（例えば、特許文献１参照）
【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。（特許文献２参照）
【特許文献１】特公平３−１６７７９号公報
【特許文献２】特開昭６３−２３６７５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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る。図２−（ａ）は先端部を細くしたキャピラリ-であって、ピッチが小さい高密度なボンディングを可能としており、図２−（ｂ）は先端部の拡大図であって、先端面の外径Ｔ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  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】
特許文献２では、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が、提示されている粒径が２μｍと大きいため、ファインピッチ用キャピラリ-の微細加工時においてチッピング、カケ、折れなどが発生しやすく、歩留まりが著しく低下することが容易に予想される。
【００１０】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、結晶中のＺｒＯ２を均質に分散させ、超音波伝播特性にすぐれた微粒化アルミナ組織を有するボンディングキャピラリーを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、部分安定化されたZｒO2を１５ｗｔ％〜２５ｗｔ％、Cr2O3を０．２ｗｔ％〜１ｗｔ％、残部をAl2O3とし、且つ、平均結晶粒径が０．３μｍ  〜０．７μｍ、最大結晶粒の結晶粒径が１μｍ以下であることを特徴とするボンディングキャピラリーとした。
【００１２】
安定化助剤は、Y2O3、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｅＯ2から選ばれる1種又は複数種の酸化物により適宜選択して用い、上記した範囲内の組成とすることで、異常粒の成長を抑止し、その結果、平均結晶粒径を微細にでき、且つ、最大粒径を１．０μｍ以下とすることできる。さらにアルミナ粒子の境界に楔状に、ＺｒＯ２結晶不過分なく分散させることができることで、強度及び超音波伝播特性に優れたボンディングキャピラリーとすることができる。
【００１３】
また、請求項２記載の発明によれば、前記ボンディングキャピラリーは、Al2O3にZrO2の結晶が均一分散しており、ＺｒＯ２結晶の偏析領域の最大長さ２μｍ以上が無いことを特徴とする請求項1記載のボンディングキャピラリーであって、すぐれた超音波伝播特性を得ることができる。
【００１４】
即ち、超音波の伝播には、請求項１の最大粒径の抑制と同様に、ＺｒＯ２結晶粒子が偏析した状態、即ち、複数にＺｒＯ２結晶粒子が凝集した領域を形成し、その最大長さを抑制することで、超音波伝播特性が更に向上することを知見した。
【００１５】
更に、請求項３では、ボンディングキャピラリーは、硬度１９５００Ｎ／ｍｍ2  以上、曲げ強度１４００Ｎ／ｍｍ2以上であることを特徴とし、微細ピッチが要求されるボンディングキャピラリーの先端の外径が１００μｍ以下と絞ったものであっても対応できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、微細ピッチパターンに適した強度を有し、超音波伝播特性にすぐれたボンディング用キャピラリーが得られるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施の形態を詳しく説明する。本発明で述べるキャピラリ-―のファインピッチのボトルネック構造を図２に示す。キャピラリーの外径を細くすることで、ボンド位置のピッチが５０μｍ以下と小さい、高密度なボンディングを行うことに対応している。
【００１８】
本発明のキャピラリーは、先細り状の先端部２４と、その中心にワイヤーを挿通する貫通孔２１とを備え、Ａｌ２Ｏ３を主成分とし副成分としてZｒO2、Cr2O3を含有してなるアルミナ質焼結体からなる。
【００１９】
上記アルミナ焼結体は、Ｙ2Ｏ3により部分安定化されたZｒO2を１５ｗｔ％〜２５ｗｔ％、Cr2O3を０．２ｗｔ％〜１ｗｔ％、残部をAl2O3とすることから、硬度１９５００Ｎ／ｍｍ2  以上、曲げ強度１４００Ｎ／ｍｍ2以上とすることができる。安定化助剤としては、Ｙ２Ｏ３のほか、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｅＯ2などの1種又は複数種を利用しても構わない。
また、Ａｌ２Ｏ３の粉体純度は９９．９９％以上で結晶粒子径は０．１〜０．２μm、部分安定化ＺｒＯ２は９３％以上で結晶粒子径は０．５〜０．６μmが好適に利用できる。
【００２０】
ＺｒＯ２添加量が１５ｗｔ%未満では、焼結体組織内でＺｒＯ２が不足し、十分な強度を得ることができない。また２５ｗｔ％を超えると、セラミックの焼結性が低下し、ポーラスな焼結体となり、格段に硬度が低下する。従って、ＺｒＯ２の含有量は１５〜２５ｗｔ％が好ましく、より好ましくは１５〜２０ｗｔ％がよい。
【００２１】
Ｃｒ２Ｏ３の添加量が０．２ｗｔ％未満であると、セラミックの焼結性が悪化し、ポーラスな焼結体となり、格段に硬度が低下する。また１ｗｔ％を超えると、ＺｒＯ２との焼結のバランスが崩れ、１μｍ以上の異常粒が成長する。従って、Ｃｒ２Ｏ３の含有量は０．２〜１ｗｔ％が好ましく、より好ましくは０．５〜１ｗｔ％がよい。
【００２２】
図３は、アルミナ焼結体の電子顕微鏡写真を示した。ＳＥＭ写真上では重元素であるＺｒＯ３が白くみえるが、本発明で提案する原料組成では、アルミナ焼結体内に、ＺｒＯ２が一様に分布した焼結体が得られている。
【００２３】
図４は図３の拡大図で、ＺｒＯ２がＡｌ２Ｏ３結晶間に存在する模式図である。図４−（ａ）はＡｌ２Ｏ３の結晶を示し、図４−（ｂ）はＺｒＯ２の結晶を示す。ＺｒＯ２結晶は、Ａｌ２Ｏ３粒子に囲まれた空隙に楔状に充填されるように配置しており、このことでＡｌ２Ｏ３結晶の異常粒成長を防ぎ、均質な粒度分布を呈したアルミナ焼結体が得られ、さらに均質な粒度分布を呈するため、伝播ロスの少ない、すぐれた超音波伝播特性を得ることができる。
【００２４】
またＺｒＯ２が楔状に存在することで、結晶間のずれを防ぎ、マクロ的には高い強度を有するアルミナ焼結体を得ることができる。
【００２５】
得られた焼結体をダイヤモンド精密研削で、図２で示したキャピラリーの形状に加工するが、本発明で提案するアルミナ焼結体では、最大粒径が１μｍであるため、微細加工中にチッピング、カケ、折れが発生しにくい、極めて高い歩留まりで生産することができる。
【００２６】
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれらにより限定されるものではない。
【実施例１】
【００２７】
Y2O3により部分安定化されたZrO2１５ｗｔ％、とCr2O3０．２ｗｔ％と残部を酸化アルミとし、秤量をおこない、ボールミル中で湿式粉砕し、噴霧乾燥した原料粉末に熱可塑性樹脂を主体とする有機バインダーを加え所望形状にインジェクション成形した。
【００２８】
次いで、インジェクション成形によって得た成形体を脱脂後焼結する。焼結の条件は１３８０〜１４５０℃の大気中で行うものとし、このようにして得られた焼結体に熱間静水圧プレスをかける。この時の条件としては１３５０〜１４００℃、圧力９８〜１９６ＭＰａのアルゴン雰囲気中で1時間行う。このようにして得られた製品にダイヤモンド精密研削及び精密研磨を施して最終製品を得る。
【実施例２】
【００２９】
Y2O3により部分安定化されたZrO2１５ｗｔ％、とCr2O3１．０ｗｔ％と残部をＡｌ２Ｏ３とし、秤量をおこない実施例１と同様の方法で最終製品を得た。
【実施例３】
【００３０】
Y2O3により部分安定化されたZrO２２５ｗｔ％、とCr２O３０．２ｗｔ％と残部を酸化アルミとし、秤量をおこない実施例１と同様の方法で最終製品を得た。
【実施例４】
【００３１】
Y2O3により部分安定化されたZrO2２５ｗｔ％、とCr2O3１．０ｗｔ％と残部を酸化アルミとし、調秤量をおこない実施例１と同様の方法で最終製品を得た。
【００３２】
実施例１乃至４で得られた製品に対し、島津製作所製オートグラフ（ＡＧＳ−Ｊ）にて曲げ強度を測定し、ＡＫＡＳＩ製ビッカ−ス硬度計（ＭＶＫ−Ｅ）にて硬度を測定し表１にまとめた。粒径の測定は、画像解析ソフト（ＳＣＩＯＮ）によって行なった。
【００３３】
【表１】
2005159070.tif 000003
【００３４】
評価の結果、全試験体とも、硬度１９５００Ｎ／ｍｍ2  以上、曲げ強度１４００Ｎ／ｍｍ2以上あり、すぐれた性能が得られていることがわかる。
【比較例１】
【００３５】
Y2O3により部分安定化されたZrO2３０ｗｔ％、とCr2O3０．１ｗｔ％、残部をＡｌ２Ｏ３とした調合をおこない実施例１と同様の方法にて最終製品を得、同様に曲げ強度、硬度を測定した結果を表２に示す。
【００３６】
【表２】
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【比較例２】
【００３７】
Cr2O3０．２ｗｔ％、残部をＡｌ２Ｏ３とした調合をおこない実施例１と同様の方法にて最終製品を得、同様に曲げ強度、硬度を測定した結果を表２に示す。
【００３８】
ＺｒＯ２添加量が２５％を超えると、本発明で採用した焼成条件では焼きが甘くポーラスな焼結体となり、十分な曲げ強度、硬度が得られない。
【００３９】
ＺｒＯ２を添加しない場合、結晶成長を抑制するＺｒＯ２が存在しないため、粒子の成長が認められ、結果として十分な強度が得られない。
【００４０】
表２には、実施例１及び比較例２で作製した試験体につき、実際にワイヤーボンダー装置に、ボンディング試験を実施し、ワイヤーのシェア強度を評価した結果を示す。
尚、シェア−強度の測定は、以下のように行なった。
各試験体に金線（直径φ２０μｍ）を用いてボンディング周波数１２０ＫＨｚ、ボンディング荷重５ｇ（１ｓｔ）、ＵＳ Ｐｏｗｅｒ１９の条件設定にてワイヤーボンディングを行い、圧着した１ｓｔボールをシェアツールで横から水平方向に押して接合部が破断した時の強度（シェア強度）を測定した。
【００４１】
同一超音波出力においても、本発明で提案する方法で作製した試験体はシェア強度が高く、ロスの少ない、すぐれた超音波伝播特性が得られている。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一般的なキャピラリ−を示す平面図である。
【図２】（ａ）図は、本発明の微細先端部を有したキャピラリ−を示す平面図である。また、（ｂ）図は、拡大した先端部を示す平面図である。
【図３】本発明で提案するアルミナセラミックのＳＥＭ写真である。
【図４】結晶粒子の状態を示す平面図である。
【図５】ボール厚みとワイヤーのシェアー強度を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１１…先端部        １２…貫通孔          
２１…貫通孔        ２２…先端部        Ｔ…先端部外径
【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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