(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の電極とパッケージのリード電極とを接続するワイヤボンディング装置用キャピラリを、超音波振動伝達ホーンであるボンディングアームに固定するための締結具であり、スリットを形成した前記ボンディングアームの先端部に、キャピラリ挿入孔と直交する方向に形成された貫通孔に挿通された２つの締結具本体とからなり、前記締結具本体内にネジが締め込まれて前記キャピラリを前記ボンディングアームに固定する締結具であって、ステンレス鋼で製作された締結具本体の前記キャピラリと接する部分に、ステンレス鋼よりも強度の高い超硬合金からなる下層とダイヤモンド焼結体からなる上層を積層したことを特徴とするワイヤボンディング装置用キャピラリ締結具。
【請求項２】
前記ダイヤモンド焼結体の積層厚さを０．１〜２．０ｍｍとした請求項１記載のワイヤボンディング装置用キャピラリ締結具。
【請求項３】
前記ダイヤモンド焼結体の積層面の表面粗さＲｚを０．５〜１．５μｍとした請求項１または２記載のワイヤボンディング装置用キャピラリ締結具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置のワイヤボンディングに使用するキャピラリの締結具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程において、半導体素子の電極とパッケージのリード電極とを接続するワイヤボンディング作業には、金またはアルミニウムよりなる細線を先端から繰り出す細孔を備えたキャピラリが使用される。このキャピラリを使用したワイヤボンディング作業は、概略以下のようにして行われる。
【０００３】
図３の（ａ）はワイヤボンディング装置の要部を示す図で、超音波振動伝達ホーンであるボンディングアーム１１の先端部に設けたキャピラリ挿入孔１１ａに、中心部の貫通孔１０ａから金線１２を繰り出すキャピラリ１０を挿入した後、同図（ｂ）に示すようにネジ１３により半割部材１１ｂ、１１ｃを締め付けることによってキャピラリ１０を固定する。このキャピラリ１０から繰り出した金線１２の先端を電気トーチ（図示せず）との放電により溶融させて金球を形成する。つぎにキャピラリ１０をヒータブロックによって加熱された半導体素子（図示せず）の電極上に降下させ、キャピラリ１０により電極に超音波振動を加えながら金球を電極と接合する。ついでキャピラリ１０をヒータブロックによって加熱されたインナーリード（図示せず）上に移動させ、キャピラリ１０によりインナーリードに超音波振動を加えながら接合を行う。
【０００４】
このようなワイヤボンディング作業に用いられるワイヤボンディング装置において、ボンディングアーム１１にキャピラリ１０を固定する方法は、図３の（ｂ）に示すように、ボンディングアーム１１の先端部にスリット１１ｄを形成し、ネジ１３を締め付けることにより半割部材１１ｂ，１１ｃでキャピラリ挿入孔１１ａに挿入されたキャピラリ１０を固定する方法が一般的である。なお、キャピラリ１０の挿入位置とネジ１３による締め付け位置が図３の場合と異なる別の例を図４の（ａ）に示している。この例では、ネジ１３の締め付け位置がスリット１１ｄの先端部となっている。
【０００５】
しかし、これらのキャピラリ固定方法では、スリット１１ｄをネジ１３で締め込んでキャピラリ１０を固定すると、キャピラリ１０が支点となり、てこの原理によりスリット１１ｄの先端または奥の部分が撓み、強く締め込むとさらに撓みが大きくなり、キャピラリ１０の固定が安定しなくなる。スリット１１ｄの撓みが大きくなるとキャピラリ１０がボンディングアーム１１に密着しなくなるため、超音波振動の伝達ロスが大きくなる。また、スリット１１ｄの存在自体が、ボンディングアーム１１とキャピラリ１０との接合面積を減ずることになり、超音波振動の伝達効率が低下する原因となる。
【０００６】
このような問題に対して、超音波振動伝達ホーンとキャピラリの密着性を高めるように改善されたキャピラリ固定方法が提案されている。たとえば特開平６−１４０４５７号公報には、キャピラリ挿入孔にネジ溝を形成し、硬化性樹脂を塗布したキャピラリをキャピラリ挿入孔に挿入し、ネジで締め付けて硬化性樹脂を介してキャピラリを接着固定する方法が記載されている。
【０００７】
また特開平８−２３０１２号公報には、キャピラリ挿通孔の中心を横切るように形成されたスリットが超音波振動伝達ホーンの軸中心に対してほぼ垂直となる構成として、超音波振動伝達ホーンとキャピラリの接合面積がスリットによって減じられないようにしたキャピラリの固定方法が記載されている。
【０００８】
また特開平８−１６２５０７号公報には、超音波振動伝達ホーンの先端部に、キャピラリ挿通孔と、超音波振動伝達ホーンの先端から開口しキャピラリ挿通孔に貫通しているビス孔とを設け、キャピラリ挿通孔に挿通したキャピラリをビス孔からセットビスで固定することによって、超音波振動の方向と一致する方向でのキャピラリの遊びがなくなるようにしたキャピラリの固定方法が記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記の公開公報に記載のキャピラリ固定方法によれば、超音波振動の方向におけるキャピラリの固定の不安定さは幾分改善されるものの、キャピラリの固定力そのものはさして向上しない。この点を改善するものとして、近年は図４（ｂ）に示す固定方法が採用されている。この固定方法は、図３（ａ）および図４（ａ）に示した固定方法の改良型に相当するもので、図３（ａ）および図４（ａ）に示す部材と同じ機能を果たす部材については同じ符号を付して説明は省略する。
【００１０】
図４（ｂ）に示す固定方法は、スリット１１ｄを形成したボンディングアーム１１の先端部に、キャピラリ挿通孔１１ａと直交する方向の貫通孔１１ｅを形成し、この貫通孔１１ｅに概略円筒状の２個の締結具本体１４ａと１４ｂとからなる締結具１４を挿通し、締結具１４内にネジ１３を締め込むことにより、締結具本体１４ａと１４ｂとによりキャピラリ挿通孔１１ａに挿通されたキャピラリ１０を超音波振動伝達方向およびそれと直角な方向に押し付けて固定する方法である。
【００１１】
ボンディングアーム１１の貫通孔１１ｅには、締結具１４の回転阻止用の平坦面１１ｆが形成され、締結具本体１４ａ，１４ｂには貫通孔１１ｅの平坦面１１ｆに対応する平坦面１４ｆが形成されている。また締結具本体１４ａの貫通孔にはネジ山は形成されてはおらず、締結具本体１４ｂの貫通孔にはネジ１３に対応するネジ山が形成され、さらにフランジ１４ｇが形成されている。
【００１２】
この固定方法において、締結具１４はステンレス鋼製の部材が用いられている。ステンレス鋼にもある程度の耐摩耗性はあるが、ワイヤボンディング作業中は締結具には常時超音波振動が付加されているので、部材の摩耗が激しい。部材が摩耗するとキャピラリの固定能力が著しく低下する。これに対して、締結具とキャピラリの接する部位に硬質物質をコーティングすることが試みられたが、表面のみのコーティングでは摩耗を防止するには不充分であった。
【００１３】
本発明はかかる問題に鑑みて、締結具を用いたキャピラリの固定に用いる締結具の耐摩耗性、とくにキャピラリと接する部分の耐摩耗性を高めることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体素子の電極とパッケージのリード電極とを接続するワイヤボンディング装置用キャピラリを、超音波振動伝達ホーンであるボンディングアームに固定するための締結具であり、スリットを形成した前記ボンディングアームの先端部に、キャピラリ挿入孔と直交する方向に形成された貫通孔に挿通された２つの締結具本体とからなり、前記締結具本体内にネジが締め込まれて前記キャピラリを前記ボンディングアームに固定する締結具であって、ステンレス鋼で製作された締結具本体の前記キャピラリと接する部分に、ステンレス鋼よりも強度の高い超硬合金からなる下層とダイヤモンド焼結体からなる上層を積層したことを特徴とする。
【００１５】
キャピラリ固定用の締結具本体は従来と同様にステンレス鋼で製作されているが、本発明では締結具本体のキャピラリと接する部分に、ステンレス鋼よりも強度の高い超硬合金層を形成し、さらにその上にダイヤモンド焼結体層（以下、ＰＣＤ層という）を積層する。超硬合金層およびＰＣＤ層を積層する範囲は、キャピラリと接する部分だけで十分ではあるが、その近傍も含めて積層することを妨げない。
【００１６】
本発明の締結具では、締結具本体のキャピラリと接する部分に超硬合金層とＰＣＤ層が積層されているので、常時キャピラリと接している部分であっても摩耗が少なく、キャピラリは長期にわたり強固に固定される。キャピラリが強固に固定されることにより、ボンディングの精度が向上する。
【００１７】
ここで、ＰＣＤ層の厚さは０．１〜２．０ｍｍとするのが望ましい。ＰＣＤ層の厚さが０．１ｍｍより薄いとＰＣＤ層の摩滅までの期間が短く、頻繁な交換が必要になる。ＰＣＤ層の厚さを厚くすると、その分、ＰＣＤ層のバックアップ層としての超硬合金層の厚さが薄くなり積層体の靱性が低下するので、ＰＣＤ層の厚さを必要以上に厚くするのは好ましくない。ネジ部も含めた締結具本体の全体の寿命とのバランスからみて、ＰＣＤ層の厚さは２．０ｍｍ以下で十分である。
【００１８】
また、ＰＣＤ層の表面粗さＲｚを０．５〜１．５μｍとするのが好ましい。Ｒｚが０．５μｍより小さいとＰＣＤ層表面とキャピラリ表面との間の摩擦力が小さすぎて、キャピラリを固定する力が弱くなる。Ｒｚが１．５μｍより大きいと超音波振動伝達ホーンから伝わってくる超音波振動をキャピラリに正確に伝えられなくなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、ワイヤボンディング装置用キャピラリを超音波振動伝達ホーンに固定するための締結具として図４の（ｂ）に示した締結具に本発明を適用した実施形態について説明する。図１の（ａ）は本実施形態における締結具の斜視図、（ｂ）は側面図であり、図２は締結具を用いたキャピラリ固定方法を説明するための分解斜視図である。
【００２０】
本実施形態の締結具１４を用いたキャピラリ１０の固定方法は図４の（ｂ）に示した固定方法と同様であり、スリット１１ｄを形成したボンディングアーム１１の先端部に、キャピラリ挿通孔１１ａと直交する方向の貫通孔１１ｅを形成し、この貫通孔１１ｅに概略円筒状の２個の締結具本体１４ａと１４ｂとからなる締結具１４を挿通し、締結具１４内にネジ１３を締め込むことにより、キャピラリ１０を固定する方法である。
【００２１】
キャピラリ１０の固定は、図２に示すように、まず、キャピラリ１０をキャピラリ挿通孔１１ａに挿通し、つぎに締結具本体１４ａと１４ｂをそれぞれ対向させて貫通孔１１ｅに挿通し、ワッシャ１５を介してネジ１３を締結具本体１４ａと１４ｂの貫通孔に挿通し、締結具本体１４ｂのネジ山にねじ込む。ネジ１３を強くねじ込むことによって、半割部材１１ｂ，１１ｃでキャピラリ１０を締め付けるとともに、締結具本体１４ａ，１４ｂの端部に形成された斜面１４ｈでキャピラリ１０を締め付ける。これにより、キャピラリ１０は超音波振動伝達方向およびそれと直角な方向に締め付けられて強固に固定される。
【００２２】
締結具本体１４ａ，１４ｂには、ボンディングアーム１１の貫通孔１１ｅの平坦面１１ｆに対応する平坦面１４ｆが形成されており、これにより貫通孔１１ｅ内の締結具本体１４ａ，１４ｂの回転が阻止される。また締結具本体１４ａの貫通孔１４ｉにはネジ山は形成されてはおらず、締結具本体１４ｂの貫通孔１４ｊにはネジ１３に対応するネジ山１４ｋが形成され、さらにフランジ１４ｇが形成されている。
【００２３】
以上の態様で使用される締結具本体１４ａ，１４ｂにおいて、締結具本体１４ａ，１４ｂのキャピラリ１０と接する部分に、超硬合金からなる下層とダイヤモンド焼結体からなる上層を積層している。キャピラリ１０と接する部分とは、図１において、締結具本体１４ａ，１４ｂの端部に形成された斜面１４ｈとその周辺である。この斜面１４ｈは、前出の図４（ｂ）に示すように、ネジ１３を締め付けることによって斜面１４ｈでキャピラリ１０を押圧することになり、同時にその周辺の一部（斜面１４ｈの頂点に続く胴部の一部）１４ｍもキャピラリ１０と接触する。
【００２４】
締結具本体１４ａ，１４ｂの材質はステンレス鋼であるが、斜面１４ｈとその周辺の一部１４ｍにステンレス鋼よりも強度の高い超硬合金層が形成され、さらにその上にＰＣＤ層が積層されている。ここで、締結具本体１４ａ，１４ｂの外径は２．６ｍｍであり、超硬合金層の厚さは０．８ｍｍ、ＰＣＤの厚さは１．０ｍｍである。ＰＣＤ層の表面粗さＲｚは約１．０μｍである。
【００２５】
本実施形態の締結具１４においては、キャピラリ１０と接する部分に耐摩耗層が積層されているので、常時キャピラリ１０と接している部分であっても摩耗が少なく、キャピラリ１０は長期にわたり強固に固定される。キャピラリ１０が強固に固定されることにより、ボンディングの精度が向上する。
【００２６】
本発明の効果を確認するために、超硬合金層とＰＣＤ層からなる耐摩耗層を積層した本実施形態の締結具（発明品）と、耐摩耗層のない従来の締結具（従来品）を用いて、３００日間の使用試験を行った。従来品は８〜１０日で表面の面粗さが悪くなり、再研磨を必要としたのに対し、発明品では３００日使用しても表面粗さは大きな変化はなかった。
【００２７】
【発明の効果】
スリットを形成したボンディングアームの先端部に、キャピラリ挿入孔と直交する方向に形成された貫通孔に挿通された２つの締結具本体とからなり、締結具本体内にネジが締め込まれてキャピラリをボンディングアームに固定する締結具の、ステンレス鋼で製作された締結具本体の前記キャピラリと接する部分に、ステンレス鋼よりも強度の高い超硬合金からなる下層とダイヤモンド焼結体からなる上層を積層したことにより、常時キャピラリと接している部分であっても使用中の超音波振動による締結具の摩耗を抑制することができ、適正な表面粗さを長期間維持できるため、締結具の寿命が大幅に向上する。さらに、キャピラリが長期にわたり強固に固定されることにより、ボンディング回数とボンディング精度が顕著に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）は本発明の実施形態における締結具の斜視図、（ｂ）は側面図である。
【図２】  図１の締結具を用いたキャピラリ固定方法を説明するための分解斜視図である。
【図３】  従来のキャピラリ固定方法を説明するための図である。
【図４】  従来の別のキャピラリ固定方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１０  キャピラリ
１１  ボンディングアーム
１１ａ  キャピラリ挿通孔
１１ｂ，１１ｃ  半割部材
１１ｄ  スリット
１１ｅ  貫通孔
１１ｆ  平坦面
１３  ネジ
１４  締結具
１４ａ，１４ｂ  締結具本体
１４ｆ  平坦面
１４ｇ  フランジ
１４ｈ  斜面
１４ｉ，１４ｊ  貫通孔
１４ｋ  ネジ山
１４ｍ  周辺部
１５  ワッシャ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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