(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼結体基板に多結晶ダイヤモンド膜を析出させたツール先端部をシャンクにろう付けしてなるボンディングツールにおいて、シャンクの材質がオーステナイト系低熱膨張鋳鉄であって、該オーステナイト系低熱膨張鋳鉄が、炭素０.８〜３.０重量％、ケイ素１.０〜３.０重量％、ニッケル３０.０〜３４.０重量％及びコバルト４.０〜６.０重量％を含有し、オーステナイト系低熱膨張鋳鉄の線膨張率が、室温〜６００℃において８〜１２×１０-6Ｋ-1であることを特徴とする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、ボンディングツールに関する。さらに詳しくは、本発明は、ツール作用面の平坦性に優れ、ツール作用面材の摩耗が少なく、ツール作用面の変形が少ないＴＡＢ（Ｔａｐｅ  Ａｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）工程用のボンディングツールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＴＡＢ工程においては、ＬＳＩチップの電極とフィルムキャリヤのリードが接続される。図１は、ＴＡＢ工程の説明図である。加熱ステージ１上の熱絶縁体２の上に、チップガイド３により位置決めされたチップ４に対して、インナーリード５を有するフィルムキャリヤ６が、テープガイド７を経由して、インナーリードの位置と電極８の位置が一致するよう運ばれる。この状態で、加熱されたボンディングツール９が加圧シリンダ１０によって押し下げられてインナーリードを電極に押し付け、インナーリードと電極の間にＡｕ−Ｓｎ共晶合金を形成することにより、あるいは、Ａｕ−Ａｕの熱圧着により、チップをインナーリードに接合する。電極とリードの良好な接合を行うためには、電極の高さの均一性を保つとともに、ボンディングツール作用面の平坦性と、耐摩耗性と、均一な温度分布が重要である。
ボンディングツール作用面の材料として、耐摩耗性に優れ、熱伝導率の大きい多結晶ダイヤモンドが開発されている。多結晶ダイヤモンドは線膨張率が小さいので、多結晶ダイヤモンド膜を形成する基板も低熱膨張性の材料が選ばれる。さらに、ボンディングツールのシャンクにも、熱膨張率の小さい多結晶ダイヤモンドと焼結体基板からなるツール先端部とシャンクの接合部において、たがいの熱膨張率の差による接合強度の低下や剥離の発生を防ぐために、低熱膨張率を有する材料の使用が試みられている。例えば、特許第２５２０９７１号公報には、室温から６００℃までの線膨張率が７.５×１０-6／℃以下である金属又は合金製シャンクが提案されている。このような熱膨張率の小さい金属又は合金としては、例えば、コバール、インバー合金、モリブデン、タングステン、Ｗ−Ｃｕ合金、超硬合金などが挙げられる。
しかし、このような金属及び合金は、ボンディングツール作用面となる多結晶ダイヤモンドやＳｉＣ基板などとシャンクの接合に用いるろう材に対する濡れ性が悪く、ボンディングツールを長期間にわたって使用すると、接合部の境界面にクラックが発生しやすい。また、このような金属及び合金は、加工性が悪く、複雑な形状への加工が必要なボンディングツールのシャンクの加工には困難が伴い、経済的に有利に製造できないという問題がある。さらに、このような金属及び合金は、材料自体も高価であり、加工性の問題に加えて、コスト高の原因となる。
このために、ＳｉＣ基板などとの濡れ性が良好で、複雑な形状への加工を容易に行うことができ、経済的に有利に製造することができるボンディングツールが求められている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、容易に製作することができ、しかもツール作用面の平坦性に優れ、ツール作用面材の摩耗が少なく、ツール作用面の変形が少なく、ツール先端部とシャンクが強固に接合されたＴＡＢ工程用のボンディングツールを提供することを目的としてなされたものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、焼結体基板に多結晶ダイヤモンド膜を析出させたツール先端部を、オーステナイト系低熱膨張鋳鉄からなるシャンクにろう付けすることにより、シャンクを容易に加工することができ、しかも、ツール作用面の平坦性、耐摩耗性に優れ、ツール先端部とシャンクの接合強度の大きいボンディングツールが得られることを見いだし、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、
（１）焼結体基板に多結晶ダイヤモンド膜を析出させたツール先端部をシャンクにろう付けしてなるボンディングツールにおいて、シャンクの材質がオーステナイト系低熱膨張鋳鉄であって、該オーステナイト系低熱膨張鋳鉄が、炭素０.８〜３.０重量％、ケイ素１.０〜３.０重量％、ニッケル３０.０〜３４.０重量％及びコバルト４.０〜６.０重量％を含有し、オーステナイト系低熱膨張鋳鉄の線膨張率が、室温〜６００℃において８〜１２×１０-6Ｋ-1であることを特徴とするボンディングツール、
を提供するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明のボンディングツールは、焼結体基板に多結晶ダイヤモンド膜を析出させたツール先端部を、材質がオーステナイト系低熱膨張鋳鉄であるシャンクにろう付けしてなるものである。図２は、ボンディングツールの説明図であり、図２(ａ)は正面図、図２(ｂ)は側面図、図２(ｃ)は底面図である。ボンディングツールのシャンクには、加圧シリンダへの取り付け部１１、ヒーター取り付け穴１２、熱電対取り付け穴１３などの複雑な加工が施され、先端にツール先端部１４がろう付けされている。
本発明において、ツール先端部の焼結体基板の材質には特に制限はなく、例えば、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4、ＡｌＮなどを挙げることができる。これらの中で、ＳｉＣは耐熱性、高温下での強度、低熱膨張性、高熱伝導性を兼ね備えているので、特に好適に使用することができる。
本発明において、焼結体基板に多結晶ダイヤモンド膜を析出させる方法には特に制限はなく、例えば、熱フィラメント法、マイクロ波プラズマ法、高周波プラズマ法、直流放電プラズマ法、アーク放電プラズマジェット法、燃焼炎法などを挙げることができる。
【０００６】
本発明においては、材質がオーステナイト系低熱膨張鋳鉄であるシャンクを使用する。オーステナイト系低熱膨張鋳鉄は、従来より用いられたきた低熱膨張合金と比べて加工性が良好であるので、シャンクの加工精度を上げて、ツール作用面の平坦性と、装置取付け部分（図２−１１）に対する位置精度を向上させることができる。また、オーステナイト系低熱膨張鋳鉄からなるシャンクを用いることにより、シャンクとツール先端部をろう付けするとき、熱膨張率の差により発生する接合部の歪みが緩和され、加熱と冷却を繰り返しても、ツール先端部の平坦性が維持される。また、オーステナイト系低熱膨張鋳鉄は、多くのろう材に対して良好な濡れ性を有するので、大きい接合強度が得られる。さらに、オーステナイト系低熱膨張鋳鉄は、マトリックス中に分散する黒鉛の作用により、ろう付け時のシャンクとツール先端部の間の歪みが緩和される。
本発明において、シャンクとツール先端部をろう付けするためのろう材には特に制限はなく、例えば、金ろう、銀ろう、パラジウムろう、銅ろう、黄銅ろう、りん銅ろう、ニッケルろう、アルミニウム合金ろうなどを挙げることができる。これらの中で、銀ベースのろう材にＴｉ、Ｔａ等を添加した活性銀ろうを特に好適に使用することができる。
【０００７】
本発明において、シャンクの材料として用いるオーステナイト系低熱膨張鋳鉄の線膨張率は、常温〜６００℃において、８〜１２×１０-6Ｋ-1であることが好ましい。多結晶ダイヤモンドの線膨張率は非常に小さいので、従来より、多結晶ダイヤモンド膜を析出させる焼結体基板に低熱膨張性の材料を選び、ツール先端部を接合するシャンクも、可能な限り線膨張率の小さいものを使用することにより、接合部の破壊を防ぐとともに、ツール作用面の平坦性を実現しようとする考え方が支配的であった。しかし、ツール先端部の多結晶ダイヤモンドは低熱膨張の物質であるが、そこに使用される基板はその多結晶ダイヤモンドより熱膨張率が大きい。また、ボンディングツールを駆動する加圧シリンダなど、ボンダの他の部分は通常の工作機械用鋼材で構成されているので、ボンディングツールのシャンクを低熱膨張性の材料とすることは、必ずしもボンダ全体としての精度を向上する結果とはならない。本発明のボンディングツールにおいては、ボンダ本体を構成する材料の線膨張率から徐々にシャンク材、多結晶ダイヤモンドと線膨張率を小さくすることにより、ツール先端部に接合された低熱膨張性の多結晶ダイヤモンドとボンダ本体の線膨張率の差による変形の差を緩和し、ボンダ全体としての精度を向上し、ツール作用面の平坦性を維持することができる。
本発明において、オーステナイト系低熱膨張鋳鉄の線膨張率が、室温〜６００℃において８×１０-6Ｋ-1未満であると、シャンクとボンダ本体の接合したときの精度が低下するおそれがある。オーステナイト系低熱膨張鋳鉄の線膨張率が１２×１０-6Ｋ-1を超えると、加熱と冷却の繰り返しにより、シャンクとツール先端部の接合部において、クラックが発生しやすくなるおそれがある。
【０００８】
本発明において、オーステナイト系低熱膨張鋳鉄は、炭素０.８〜３.０重量％、ケイ素１.０〜３.０重量％、ニッケル３０.０〜３４.０重量％及びコバルト４.０〜６.０重量％を含有することが好ましい。炭素０.８〜３.０重量％及びケイ素１.０〜３.０重量％を含有することにより、鋳鉄中に炭素が適量の片状黒鉛又は球状黒鉛として析出し、良好な鋳造性及び加工性が維持される。炭素の含有量が０.８重量％未満であると、炭素は炭化物となり黒鉛として析出しないので、鋳造性が損なわれるおそれがある。炭素の含有量が３.０重量％を超えると、黒鉛の析出量が過剰となって、鋳造性が損なわれるおそれがある。ニッケルの含有量が、３０.０重量％未満であっても、３４.０重量％を超えても、線膨張率が高くなりすぎるおそれがある。コバルトの含有量が４.０重量％未満であっても、６.０重量％を超えても、線膨張率が高くなりすぎるおそれがある。
本発明のボンディングツールは、耐摩耗性に優れた多結晶ダイヤモンド膜を有するツール先端部を、加工性が良好で適度な線膨張率を有するオーステナイト系低熱膨張鋳鉄からなるシャンクにろう付けしているので、ツール作用面の平坦性に優れた高精度のボンダを得ることができる。
【０００９】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定されるものではない。
実施例１
厚み４mm、寸法１０mm×１０mmのＳｉＣ基板に、マイクロ波プラズマ法により厚さ４０μｍのＳｉＣ中間層を形成した。次いで、ＳｉＣ基板を９００℃に加熱し、５０Torrの減圧下にメタン０.８容量％。水素９９.２容量％の混合気体を導入し、熱フィラメント法により２０時間ダイヤモンドの気相合成を行い、ＳｉＣ中間層の上に厚み８０μｍの多結晶ダイヤモンド膜を形成し、鏡面にラップ加工することによりツール先端部を得た。
室温〜６００℃の線膨張率が８.７×１０-6Ｋ-1であるオーステナイト系低熱膨張鋳鉄［(株)榎本鋳工所、ＣＮ−５］を用いて、図２に示す形状を有するシャンクを作製した。シャンクの加工は、容易であった。このシャンクに、ツール先端部を活性銀ろうを用いてろう付けし、ボンディングツールを得た。このツール作用面の平坦度は、５００℃に加熱した状態で、０.８μｍ凹であった。
このボンディングツールをボンダに取り付け、ツール作用面の温度を５００℃に保ち、加熱ステージに対して、ツール荷重５kg、加圧サイクル３０回／分で、２８日間ショットテストを継続した。
テスト終了後のツール作用面の平坦度は、５００℃に加熱した状態で、１.３μｍ凹であり、テスト前後の平坦度の変化は０.５μｍであった。
テスト終了後のツール先端部とシャンクの接合部の境界面を、走査型電子顕微鏡を用いて観察したところ、変化は認められなかった。
実施例２
シャンクの材質を、室温〜６００℃の線膨張率が１１.１×１０-6Ｋ-1であるオーステナイト系低熱膨張鋳鉄［(株)榎本鋳工所、ＣＳ−５］とした以外は、実施例１と同じ操作を繰り返した。
ショットテスト前のツール作用面の平坦度は、５００℃に加熱した状態で、１.２μｍ凸、ショットテスト後のツール作用面の平坦度は、５００℃に加熱した状態で、０.５μｍ凹であり、テスト前後の平坦度の変化は１.７μｍであった。
テスト終了後のツール先端部とシャンクの接合部の境界面を、走査型電子顕微鏡を用いて観察したところ、変化は認められなかった。
比較例１
シャンクの材質を、室温〜６００℃の線膨張率が７.０×１０-6Ｋ-1である５４wt％Ｆｅ−２８Ｎｉ−Ｃｏ合金とした以外は、実施例１と同じ操作を繰り返した。
ショットテスト前のツール作用面の平坦度は、５００℃に加熱した状態で、２.０μｍ凹であり、ショットテスト後のツール作用面の平坦度は、５００℃に加熱した状態で、１.０μｍ凹であり、テスト前後の平坦度の変化は１.０μｍであった。
テスト終了後のツール先端部とシャンクの接合部の境界面を、走査型電子顕微鏡を用いて観察したところ、変化は認められなかった。
比較例２
シャンクの材質を、室温〜６００℃の線膨張率が７.６×１０-6Ｋ-1であるＪＩＳ規格Ｋ１０種の超硬合金とした以外は、実施例１と同じ操作を繰り返した。
ショットテスト前のツール作用面の平坦度は、５００℃に加熱した状態で、１.５μｍ凹であり、ショットテスト後のツール作用面の平坦度は、５００℃に加熱した状態で、１.５μｍ凸であり、テスト前後の平坦度の変化は３.０μｍであった。
テスト終了後のツール先端部とシャンクの接合部の境界面を、走査型電子顕微鏡を用いて観察したところ、クラックの発生が認められた。また、シャンクの表面はＣｏが抜けて、緑色に変色し、脆くなっていた。
比較例３
シャンクの材質を、室温〜６００℃の線膨張率が５.１×１０-6Ｋ-1であるモリブデンとした以外は、実施例１と同じ操作を繰り返した。
ショットテスト前のツール作用面の平坦度は、５００℃に加熱した状態で、０.５μｍ凹であり、ショットテスト後のツール作用面の平坦度は、５００℃に加熱した状態で、２.７μｍ凸であり、テスト前後の平坦度の変化は３.２μｍであった。
テスト終了後のツール先端部とシャンクの接合部の境界面を、走査型電子顕微鏡を用いて観察したところ、クラックの発生が認められた。また、シャンク表面は、黄色に変色し、脆くなっていた。
実施例１〜２及び比較例１〜３の結果を、第１表に示す。
【００１０】
【表１】
0003862815.tif 000002
【００１１】
第１表の結果から、実施例１〜２の、シャンクの材質がオーステナイト系低熱膨張鋳鉄である本発明のボンディングツールは、２８日間のショットテスト後もツール作用面の平坦度の変化が少なく、ツール先端部とシャンクの接合部の境界面にも異常を生じていない。また、実施例１〜２に用いたシャンクは、加工が容易であった。
これに対して、シャンクの材質がＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金である比較例１においては、ツール作用面の平坦度の変化量と、ツール先端部とシャンクの接合部の境界面に異常を生じていない点は、実施例と同様であるが、このシャンクの加工は、実施例のシャンクの加工に比べて、著しく困難であった。
超硬合金をシャンクの材料に用いた比較例２においては、ツール作用面の平坦度の変化量は大きく、ツール先端部とシャンクの接合部の境界面にはクラックが発生した。また、線膨張率がＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金よりもさらに小さいモリブデンをシャンクの材料に用いた比較例３においては、ツール作用面の平坦度の変化量は比較例１よりも多く、また、ツール先端部とシャンクの接合部の境界面にクラックが発生したことから、シャンクの材料の線膨張率が小さいほど良好な結果が得られるわけではないことが分かる。
【００１２】
【発明の効果】
本発明のボンディングツールは、シャンクの加工性が良好で容易に製作することができ、しかもツール作用面の平坦性に優れ、ツール作用面材の摩耗が少なく、ツール作用面の変形が少なく、ツール先端部とシャンクの結合が強固であり、ＴＡＢ工程に好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ＴＡＢ工程の説明図である。
【図２】図２は、ボンディングツールの説明図である。
【符号の説明】
１  加熱ステージ
２  熱絶縁体
３  チップガイド
４  チップ
５  インナーリード
６  フィルムキャリヤ
７  テープガイド
８  電極
９  ボンディングツール
１０  加圧シリンダ
１１  加圧シリンダへの取り付け部
１２  ヒーター取り付け穴
１３  熱電対取り付け穴
１４  ツール先端部
【図１】
0003862815.tif 000003
【図２】
0003862815.tif 000004