(57)【要約】【課題】  ワイヤボンディングを繰り返してもビルトアップが少なく、また、適度な速度で静電気を逃がすことができて先端部の細孔１ａや先端面に導線のＡｌ粉や電極粉、ゴミなどの付着が少なくなるとともに、ワイヤボンディング時において、先端部に欠けや割れのないボンディングツールを提供することにある。【解決手段】  ボンディングツールの少なくとも先端部を、アルミナを３５〜６５重量％、チタン酸カルシウムを３５〜６５重量％含有し、ヤング率が３００ＧＰａ以上で、かつ体積固有抵抗値が１０6〜１０9Ω・ｃｍであるセラミックスにより形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部が先細り状をなし、その先端面にてワイヤを押圧して圧着させるためのボンディングツールにおいて、少なくとも上記先端部が、アルミナを３５〜６５重量％、チタン酸カルシウムを３５〜６５重量％含有し、ヤング率が３００ＧＰａ以上で、かつ体積固有抵抗値が１０6〜１０9Ω・ｃｍであるセラミックスにより形成したことを特徴とするボンディングツール。
【請求項２】
上記アルミナの平均結晶粒子径が０．４〜２．１μｍであることを特徴とする請求項１に記載のボンディングツール。
【請求項３】
上記セラミックスのボイド占有率が０．２％以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のボンディングツール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＬＳＩやＩＣ等の半導体装置のワイヤボンディングに使用するボンディングツールに関するものである。また特に、磁気ディスク装置の製造工程において、ＭＲヘッドやＧＭＲヘッド等の磁気ヘッドと磁気ヘッド支持体間におけるワイヤのアッセンブリ、磁気ヘッド支持体と信号処理部間におけるワイヤのアッセンブリ、あるいは磁気ヘッドの厚み加工におけるヘッドと測定器をつなぐワイヤのアッセンブリ等に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置において、半導体素子の電極とパッケージのリード電極との接続には、金（Ａｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）よりなる直径０．０１５〜０．１ｍｍ程度の細いワイヤＷを用いているが、この接続工程（ワイヤボンディング）には、図１に示すような先端部が先細りになっていて、導線を先端から送出する直径０．０２５〜０．１ｍｍ程度の細孔１ａを備え、この細孔１ａにワイヤＷを挿入するボンディングツール１を使用している。
【０００３】
このボンディングツールの一般的に普及している材質としては、アルミナや、ルビー、サファイア等の単結晶が用いられている。
【０００４】
また、ボンディングツ−ルの少なくとも先端部をＡｌ２Ｏ３−ＴｉＣ系セラミックス（以下、アルティックと略称する。）により形成した導電性のボンディングツールも提案されている（特許文献１）。
【０００５】
更には、導電性付与剤としてＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏの酸化物のうち一種以上を１０〜３５重量％の範囲で含有する半導電性ジルコニアから成るボンディングツールも提案されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開平０６−３１４７２１号公報
【特許文献２】特開平１１−１３５５４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、アルミナや、ルビー、サファイア等の単結晶からなるボンディングツールは、導電性を有していないことからワイヤボンディング時に静電気を生じ、この静電気によってボンディングツツール１の先端面にワイヤや電極粉、さらにゴミなどが付着するため、ワイヤの接続不良や半導体素子に悪影響を与え易いなどワイヤボンディングの信頼性に問題があった。
【０００７】
また、この静電気による付着物が多数堆積すると細孔１ａの穴詰まりや導線切れ、ループ異常等を引き起こす原因となるため、その度にボンディングツールを洗浄または交換する必要があり、ボンディングツールの製品寿命を制限していた。
【０００８】
さらに、特許文献１のアルティック製のボンディングツールは、半導体装置の製造工程において、半導体素子へのワイヤを圧着させるために提案されたものであり、静電気の発生に伴う塵埃の付着を防止するようになっていた。その為、体積固有抵抗値が１０２〜１０５Ω・ｃｍと非常に低いものであり、このボンディングツールを磁気ディスク装置の製造工程におけるワイヤＷのアッセンブリに使用することは難しかった。
【０００９】
即ち、近年、高密度記録のために、磁気ヘッドとして磁気抵抗素子を用いたＭＲヘッドやＧＭＲヘッドが主流となりつつあった。このヘッドは磁界による抵抗の変化を利用するもので、磁気抵抗素子に微小な電流を流し、磁界の変化とともに変化する電気抵抗を検出することによって読み取りを行うもので、上記アルティック製のボンディングツールをＭＲヘッドやＧＭＲヘッドを備えた磁気ディスク装置の製造工程に使用すると、ボンディングツールの抵抗値が低すぎるために静電気が一気に除去される結果、大気摩擦による超高電圧の放電が発生する恐れがあり、圧着させるワイヤＷを介してヘッドに大電流が流れて磁気抵抗素子を破壊してしまうといった課題があった。
【００１０】
さらにまた、上記アルティックは、粉砕を終えた一次原料を黒鉛で形成した金型の中に充填し、真空中またはアルゴン、ヘリウム、一酸化炭素などの中性あるいは還元性雰囲気下にてホットプレスを行うか、又は上記一次原料を冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）を施し、常圧または減圧下において焼成温度１３００〜２０００℃で１〜５時間程度焼成するため特殊な装置が必要になるとともに、ＴｉＣ原料自体が高価であることから製造コストが高くなるといった課題もあった。
【００１１】
また、半導電性ジルコニアから成るボンディングツールは、磁気ディスク装置の製造工程におけるワイヤＷのアッセンブリに使用出来るよう、適正な体積固有抵抗値である１０６〜１０９Ω・ｃｍになっている。しかしながら、ヤング率が２００ＧＰａより小さく、ビッカース硬度が１０ＧＰａより小さいため、ボンディングにより先端部が摩耗しやすくなり、摩耗くずが半導体素子に付着すると素子の挙動に悪影響を及ぼしていた。また、その摩耗くずが電極パッドに付着したままボンディングを行うと、ワイヤのボンディング品質の低下につながり、ワイヤボンディングの歩留まりが低下する課題があった。
【００１２】
そして、先端部の摩耗を抑えるためにボンディング時の負荷を小さくすると、ボンディングの特性が悪くなるため問題が生じていた。ジルコニアはアルミナに比べヤング率が小さい。ヤング率が小さいと、ボンディングツール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する問題があった。その対応として、ボンディング時の負荷を強くしたり、ワイヤの接合時間を長くしたりすると、ボンディングツール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課題があった。
【００１３】
さらに、ジルコニアは他のアルミナ系セラミックスに比べ耐薬品性が著しく低い。そのため、ボンディングツールに付着したワイヤ成分を除去する目的で、王水や硝酸等で洗浄することが出来なかった。
【００１４】
本発明は係る諸事情に鑑みて成されたものであり、ワイヤのビルトアップが少なく、適度な導電性を有するとともに、酸化雰囲気中での焼成が可能で安価に製造できる半導電性アルミナセラミックスによりワイヤボンディングツールを製作することで、ＭＲヘッドやＧＭＲヘッドを備えた磁気ディスク装置の製造工程において使用しても、ヘッドの磁気抵抗素子に悪影響を与えることがなく、ワイヤＷを強固に圧着させることができるとともに、長期間にわたって使えるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
そこで、上記の課題に鑑みて本発明のボンディングツールは、先端部が先細り状をなし、その先端面にてワイヤを押圧して圧着させるためのボンディングツールにおいて、少なくとも上記先端部が、アルミナを３５〜６５重量％、チタン酸カルシウムを３５〜６５重量％含有し、ヤング率が３００ＧＰａ以上で、かつ体積固有抵抗値が１０6〜１０9Ω・ｃｍであるセラミックスにより形成したものである。
【００１６】
上記アルミナの平均結晶粒子径は、０．４〜２．１μｍであることが好ましい。
【００１７】
また、ボンディングツール表面は、そのボイド占有率が０．２％以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ボンディングツールの少なくとも先端部がアルミナを３５〜６５重量％、チタン酸カルシウムを３５〜６５重量％含有し、体積固有抵抗値が１０6〜１０9Ω・ｃｍであるセラミックスにより形成したことから、圧着の繰り返しにおいて静電気が発生したとしても徐々に逃がすことができるため、導通短絡による取り扱い不良事故を生じることがなく、また、非磁性であることから磁気を帯びることもない。
【００１９】
しかも、アルミナの平均結晶粒子径を０．４〜２．１μｍとすることで、ボンディングツールのヤング率を３００ＧＰａ以上とすることができ、ボンディングにより先端部の摩耗が少なく、摩耗くずが半導体素子に付着することができる。その為、本発明のボンディングツールをＭＲヘッドやＧＭＲヘッドを備えた磁気ディスク装置の製造工程に用いても、ヘッドの磁気抵抗素子に悪影響を及ぼすことなく、ワイヤを所定の接合位置に強固に圧着させることができるとともに、ワイヤの圧着面にはボンディングツールの溝パターンが転写され、見た目にも美しい仕上げ面とすることができる。
【００２０】
更に、上記ボンディングツールは、そのボイド占有率が０．２％以下であるので、ワイヤのビルトアップが少なく、また、ボンディングツールの先端面への溝の加工時あるいはワイヤの圧着時に溝のエッジ部に欠けや割れを生じることがないため、長期間にわたって使用することができる。
【００２１】
また、アルミナとチタン酸カルシウムを主成分としたセラミックスなので、耐薬品性が高く、ボンディングツールに付着したワイヤ成分を除去する目的で、王水や硝酸等で洗浄することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００２３】
本発明に係るボンディングツールは、図１に一部を破断した縦断面図（図３と同一部分は同一符号を用いる。）を示すように、円柱状の本体部２と円錐状の先端部部３とからなり、先端部３に導線を送出する細孔１ａを備えている。
【００２４】
又、図３に示すようなボンディングツール１の先端部３の先端径よりさらに小さい径を有する円筒部４を設けてなるボトルネック型のものであってもよい。このようなボトルネック型のボンディングツール１は、先端部３がテーパ状に形成されたキャピラリー１では、狭すぎて入らないような場所にボンディングを行う際に有効である。
【００２５】
また、このボンディングツール１は、少なくとも先端部３を、アルミナを３５〜６５重量％、チタン酸カルシウムを３５〜６５重量％含有し、ヤング率が３００ＧＰａ以上で、かつ体積固有抵抗値が１０６〜１０９Ω・ｃｍであるセラミックスにより形成してなる。
【００２６】
セラミックスの体積固有抵抗値を１０６〜１０９Ω・ｃｍとするのは、体積固有抵抗値が１０１０Ω・ｃｍ以上になると、絶縁性が高すぎるために静電気の除去効果が得られないからであり、逆に、１０５Ω・ｃｍ以下になると、先端部３に溜まった静電気が一気に逃げ易くなり、大気摩擦による放電が発生し易くなるからである。
【００２７】
なお、より好ましいセラミックスの特性としては、ビッカース硬度１０ＧＰａ以上、３点曲げ強度２５０ＭＰａ以上であるものが良い。
【００２８】
このような特性を持たせるためには、アルミナを３５〜６５重量％、チタン酸カルシウムを３５〜６５重量％含有したセラミックスにより構成することが重要である。
【００２９】
即ち、導電性付与剤のチタン酸カルシウムの含有量が３５重量％未満では抵抗値を下げる効果が小さく、表面抵抗値を１０９Ω・ｃｍ以下とすることができないからであり、逆に、６５重量％より多くなると、焼結体のヤング率を３００ＧＰａ以上とすることができず、ワイヤボンディング時において超音波の伝達効率が低下するとともに、表面抵抗値が１０6 Ω・ｃｍ未満にまで低下して大気摩擦による放電が発生し易くなるからである。
【００３０】
また、上記セラミックスは、チタン酸カルシウム以外の導電性付与剤として、二酸化マンガン、鉄族酸化物、５ａ族酸化物の少なくとも１種の添加成分を２０重量％以下含有するセラミックとしても良い。この添加成分は、導電性付与剤として作用し、ボンディングツールの体積固有抵抗値を低くする効果がある。また、上記添加成分の含有率を１５重量％以下とすることで、ヤング率が３００ＧＰａ以上とすることができる。
【００３１】
ここで、上記添加成分の重量比で表したとき、二酸化マンガンを１５〜９０％、周期律表第５ａ族元素酸化物を３〜４０％、及び鉄族金属の酸化物を５〜８０％の割合で構成した添加成分であると良い。
【００３２】
二酸化マンガンを１５〜９０％の割合で含有させたのは、焼結性が向上して比較的低温で焼成できるとともに、所望の体積固有抵抗を得やすいからである。二酸化マンガンの含有量が重量比で９０％よりも多いと体積固有抵抗が低くなり、導電体に近づき、一方、１５％よりも少ないと焼結性が悪化するためである。二酸化マンガンは１０６〜１０９Ω・ｃｍの体積固有抵抗を有するという点からは重量比１５〜９０％含有させることが好ましく、焼結性という点からは重量比３０〜９０％含有させることが望ましい。
【００３３】
また、少なくとも１種の周期律表第５ａ属元素酸化物を重量比で３〜４０％含有させたのは、３％よりも少ない場合には、温度に対する体積固有抵抗が大きくなり、一方、４０％よりも多い場合には体積固有抵抗が小さくなり導電体に近づくからである。周期律表第５ａ属元素としては、バナジウム、ニオブ、タンタルがあり、ニオブがより好ましい。
【００３４】
さらに、少なくとも１種の鉄属金属の酸化物を重量比で５〜８０％含有させたのは、５％より少ないと、温度に対する体積固有抵抗が大きくなり、一方８０％よりも多い場合には体積固有抵抗が小さくなり導電体に近づくからである。鉄属としては、鉄、コバルト、ニッケルがあり、鉄がより好ましい。
【００３５】
ただし、鉄系金属の酸化物は、多量に含有させると磁気を帯び易くなるといった不都合があるので、本発明のセラミックスで半導電性を得る場合は、添加成分が１５重量％以下であることが最適である。
【００３６】
また、ワイヤボンディング時におけるワイヤＷのビルトアップを抑えるとともに、セラミックスの機械的特性を高め、特に、ボトルネック型のボンンディングツール１の円筒部４における欠けや割れを防ぐためには、アルミナの平均結晶粒子径を０．４〜２．１μｍとすることが好ましい。これはアルミナの平均結晶粒子径が２．１μｍより大きくなると、ヤング率等の機械的特性が大きく低下するとともに、ボンディングツールの先端部の加工後における面粗さが粗くなり過ぎるため、ワイヤＷのビルトアップが発生し易くなるからである。なお、下限値を０．４μｍ未満としたのは、０．４μｍとすることは製造上難しいからである。
【００３７】
主成分であるアルミナとチタン酸カルシウムの平均結晶粒子径を比べた場合、通常はアルミナの平均結晶粒子径の方が小さくなるため、アルミナの平均結晶粒子径がヤング率に影響する。但し、好ましくはチタン酸カルシウムの平均結晶粒子径を０．４〜２．１μｍとする。さらに、チタン酸カルシウム以外の導電性付与剤の平均結晶粒子径が大き過ぎてもアルミナセラミックスの破壊靱性値や曲げ強度等の機械的特性を低下させるため、これらの平均結晶粒子径を４μｍ以下、好ましくは２μｍ以下とすることが良い。
【００３８】
そして、ボンディングツール１は、そのボイド占有率が０．２％以下であることが好ましい。セラミックスには結晶粒界や材料欠陥によるボイドが存在するが、表面のボイド占有率が０．２％以下の緻密なセラミックス焼結体を形成するのには、セラミックス焼結体を熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理によりボイドの発生を抑えると、ボイド占有率を０．２％以下とすることが可能になる。ボイド占有率０．２％以下のセラミックスを用いて、先端面３を滑らかに仕上ることにより、ワイヤのビルトアップが少なく、また、ボンディングツールの先端面への溝の加工時あるいはワイヤの圧着時に溝のエッジ部に欠けや割れを生じることがないため、長期間にわたって使用することができる。
【００３９】
次に、図１に示すボンディングツール１の製造方法について説明する。
【００４０】
まず、上述した粒子径の範囲の内、任意の径のアルミナ粉末、チタン酸カルシウム粉末、二酸化マンガン粉末、周期律表５ａ族元素酸化物粉末、鉄族金属の酸化粉末を用意し、各原料を適位割合となるように秤量後、回転ミルにて湿式混合する。混合後のスラリーをスプレードライにて乾燥して焼結用原料とする。
【００４１】
得られた原料をプレス成形し、大気中において焼成温度１３００〜１４５０℃で１〜３時間焼成することによってセラミックス焼結体を得る。なお、得られたセラミックス焼結体を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）処理を施してさらに機械的特性を高めても良い。
【００４２】
しかるのち、得られたセラミックス焼結体を必要に応じて適宜研削や研磨加工を施すと、図１に示すボンディングキャピラリー１を作製することができる。
【００４３】
なお、図１、図３にはボンディングツール１の全体をセラミックスにより形成した例を示したが、例えば、ボンディングツール１の先端部２をセラミックスにより形成し、本体部５をステンレス、アルミニウム合金、黄銅といった金属や樹脂により形成し、両者を接合したものであっても良いことは言うまでもない。また、図１、図３以外に、先端部が先細り状をなし、細孔１ａが無く、その先端面にてワイヤを押圧して圧着させるウェッジと呼ばれるボンディングツールに適用することもできる。
【実施例】
【００４４】
以下に本発明の実施例を説明する。
【００４５】
ここで、導電性付与剤のチタン酸カルシウム、および添加成分の含有量を表１の条件にしてボンディングツールを作成し、体積固有抵抗値、ヤング率、ボイド占有率を測定する実験を行った。
【００４６】
本実験では、得られたセラミックス焼結体を３ｍｍ×４ｍｍ×５０ｍｍの角柱状の試験片に、表面を算術平均粗さ（Ｒａ）０．１μmとなるように研磨して資料を製作し、ヤング率を超音波パルス法（JIS  R1602準拠）で測定した。
【００４７】
また、別の試料を直径６０ｍｍ、厚み２ｍｍの円盤状に切削し、そしてこの試料をＪＩＳ  Ｃ  ２１４１に定められた絶縁抵抗の測定方法に基づき、試料を約０．１３３×１０−３Ｐａの真空中に収容し、試料の両端の電極に超絶縁抵抗計の端子を接続し、試料に電圧１０００Ｖを５分間印加した時の抵抗値を読み取り、この抵抗値から体積固有抵抗値を求めた。
【００４８】
アルミナの平均粒子径は、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、ボイド占有率については、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。
【００４９】
各セラミックスの組成と特性及び結果は表１にそれぞれ示す通りである。
【表１】
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【００５０】
この結果、アルミナの含有量が３５〜６５重量％の範囲外で、チタン酸カルシウムの含有量が３５〜６５重量％の範囲外である比較例１、２の試料は、体積固有抵抗値が１０９Ω・ｃｍより高いために静電気の除去効果が得られなかった。
【００５１】
また、比較例３〜８の試料は、導電性付与剤の添加量が多く、アルミナの平均結晶粒子径が２μｍより大きいため、ヤング率が３００ＧＰａ以下に低下していた。ボンディングツールにおける超音波振動の伝達効率が低下し、ボンディング時の接合強度が低下する問題が生じる。
【００５２】
これに対し、アルミナを３５〜６５重量％、チタン酸カルシウムを３５〜６５重量％含有のする実施例１〜５の試料は、いずれも体積固有抵抗値が１０６〜１０９Ω・ｃｍで、ヤンギ率が３００ＭＰａ以上であった。しかも、各材質は非磁性であり、体積固有抵抗値が１０６〜１０９Ω・ｃｍであるため、静電気を適度な速度で逃がすことができ、優れた静電気除去効果も有していた。
【００５３】
この結果、アルミナを３５〜６５重量％、チタン酸カルシウムを３５〜６５重量％含有し、ヤング率が３００ＧＰａ以上で、かつ体積固有抵抗値が１０６〜１０９Ω・ｃｍであるセラミックスによりボンディングツールを製作すれば、先端面３における破損がなく、かつ適度なスピードで静電気を除去できることが判った。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係るワイヤボンディングツールの一実施形態を示す図である。
【図２】本発明に係るワイヤボンディングツールの先端部を拡大した図である。
【図３】本発明の別の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１：ボンディングツール
１ａ：細孔
２：本体部  
３：先端部
４：円筒部
Ｗ：ワイヤ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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