JP2003017532A

JP2003017532A - ボンディングツール並びにボンディングステージ及びボンディングツール用先端部並びにボンディングステージ用ステージ部

Info

Publication number: JP2003017532A
Application number: JP2002056989A
Authority: JP
Inventors: Naoki Sakata; 直紀坂田; Koichiro Maemura; 功一郎前村; Hiroshi Kawachi; 宏河内; Tetsuo Yashiki; 哲男矢敷; Toshiya Takahashi; 利也高橋; Toshiaki Ohara; 利昭尾原
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2001-04-25
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2003-01-17
Also published as: KR20020082786A; TW543130B

Abstract

(57)【要約】【課題】取り替え自在な先端部を有するボンディング
ツールおよびボンディングステージを提供する。【構成】先端部とシャンク部または台座部とからなる
半導体実装用のボンディングツールまたはボンディング
ステージであって、先端部を構成する矩形および円形の
基体部と、基体部から突出している突出部が一体材料で
構成され、突出部の先端部は気相合成ダイヤモンドで被
覆され、基体部とシャンク部が機械的に固着されてなる
もしくは真空吸着で固定されてなることを特徴とするボ
ンディングツール。

Description

【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等の
半導体素子を実装するときに用いられるボンディングツ
ールおよび／またはボンディングステージの構造に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の持つ電気特性を引き出すた
めには、半導体素子上に形成された電極とパッケ−ジの
リード、及びこのリードと配線基板のような外部端子を
電気的に接続する必要がある。半導体素子側の電極とリ
ード線の接合は従来、金或いは銅などからなる金属細線
を導線とし、キャピラリーと呼ばれる工具を用いて１本
ずつ接合するワイヤボンディングと呼ばれる方法、及び
パターン形成された銅箔に錫をメッキしたフィルムキャ
リアーと呼ばれるリード線を、所定の温度に加熱された
ボンディングツールおよびボンディングステージを用い
て半導体素子上の全電極に全リード線を一括して接続す
るＴＡＢ方式（Tape Automated Bonding）と呼ばれる
方法などによって行われている。ここでいうボンディン
グツールおよびボンディングステージは、ボンディング
装置に取り付けられて対を成して機能する。一般的に
は、下方に工具面を上向きに固定設置されたボンディン
グステージの工具面上に半導体素子、パッケージのリー
ド部分、配線基盤等を所定の精度で位置決めして仮置
し、上方に工具面を下向きに可動設置されたボンディン
グツールで加圧することによって接合を行う。接合の方
法によって、真空吸着機構がボンディングツールに必要
な場合と、ボンディングステージに必要な場合がある。
また、加熱機構も接合方法によってどちらか一方、また
は両方に必要な場合がある。

【０００３】また最近は半導体素子をフィルム上又はガ
ラス上に形成された配線と直接接合するために所定の温
度に加熱されたボンディングツールおよびボンディング
ステージが用いられる。

【０００４】一方、リード線と配線基板、リードフレー
ムのような外部端子との接続は、錫メッキされたリード
線、或いはされていないリード線と配線基板上にスクリ
ーン印刷などにより形成されたはんだ電極とを、或いは
金メッキされたリード線を金メッキ或いは銀メッキされ
たリードフレームに所定の温度に加熱されたボンディン
グツールおよびボンディングステージを用いて接合して
いる。

【０００５】また、最近はＩＣチップによっては、リー
ドフレームをポリイミドなどの粘着テープを介して半導
体素子に直接貼り付け、しかる後、半導体素子上に形成
された電極とリードフレームを前述のワイヤボンディン
グにより接合する方法があるが、この場合もリードフレ
ームを半導体素子に貼り付ける際に所定の温度に加熱さ
れたボンディングツールおよびボンディングステージが
使用される。

【０００６】ここで用いられるボンディングツールおよ
びボンディングステージは、シャンク部と先端部および
台座部とステージ部からなる。シャンク部および台座部
は、従来モリブデン、超硬合金、ニッケル基合金、タン
グステン又はタングステン合金、鉄−ニッケル−コバル
ト合金、ステンレス鋼、鉄−ニッケル合金、チタン又は
チタン合金等で作られた金属製のものが用いられてい
る。また先端部およびステージ部は、工具面の平坦度、
耐摩耗性、温度分布などを改良するために気相合成ダイ
ヤモンド、ダイヤモンド単結晶、ダイヤモンド焼結体、
立方晶窒化硼素焼結体などの硬質物質を前記金属製の先
端部に貼り付けたものが用いられている。ボンディング
ツールおよび／またはボンディングステージの加熱は、
カートリッジヒーターを挿入したヒートブロックを、上
記シャンク部および／または台座部に装着して行なわれ
る。または、ＡｌＮやＳｉＣなどの基材に通電加熱機構
を組み込んだカートリッジヒーターを、先端部とシャン
ク部および／またはステージ部と台座部との間に挿入
し、機械的にもしくは真空吸着等の手段で固定すること
によって行なわれる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のボンディングツ
ールおよびボンディングステージの開発の経緯は概略以
下のようであった。半導体であるＩＣ、ＬＳＩ等は製品
の品種が非常に多く、製品毎に接続するリードや配線の
数、半導体の形状が異なっていた。このためＩＣ、ＬＳ
Ｉの製品毎に専用のボンディングツールおよびボンディ
ングステージを準備する必要があり、コスト的に高いこ
と、設備に取り付けたボンディングツールおよびボンデ
ィングステージの取り替えに時間を要すること、ボンデ
ィングツールおよびボンディングステージの管理が煩雑
になること等の問題があった。

【０００８】このような問題を解決するために、特開平
３−１９１５３８号公報では、ボンングツールの先端部
をねじなどによる機械的に取り付けることで先端部の着
脱を容易にした方法が提案されている。しかしながら、
ねじ方式などを用いているために長時間の使用によって
ねじ部が焼き付きを起こし、先端部の着脱が出来なくな
る等の問題が残っていた。

【０００９】さらには、特開平８−１０７１２９号公報
では、前記の特開平３−１９１５３８号公報を更に改良
し、機械的な取付方法として偏心軸を用いた方式のボン
ディングツールが提案されている。この方式ではより着
脱容易でありかつ長時間使用しても先端部部とシャンク
部との固定部が焼き付くことが無いとされている。しか
しながら、最近は使用条件が厳しくなり、着脱による冷
熱サイクルを繰り返すことにより、焼き付き防止目的の
ためのセラミックコーティングが一部剥離することがあ
った。その結果、５００℃の高温下では、約３０万回の
ボンディング後で先端部とシャンク部との間で焼き付く
ことがあった。焼き付いたものは、別の先端部と取り替
えは出来なかった。これはボンディングステージについ
ても同様であった。

【００１０】また、図８に示す従来のボンディングツー
ルの先端部では、ダイヤモンド被覆されたセラミックス
製突出部と金属製の基体部をまずろう付けする。その
後、先端部上下面の平行度を出すようダイヤモンド面を
研磨するので、研磨に時間がかかる。先端部の底面と工
具面の平行度が工具面に被覆したダイヤモンド膜厚以上
である場合には、調整できないのでろう付けをやり直さ
なければならなかった。底面と工具面の平行度が十分で
ない先端部を持つボンディングツールを使用した場合、
ボンディング装置起動時の平行度調整に非常に時間がか
かるという問題が残っていた。

【００１１】また、図８に示す構造のボンディングツー
ルにおいて、セラミックス製の突出部は、金属製の基体
部に比べ熱膨張率が小さい。したがって、これらの２つ
の部分をろう付けにより接合すると、接合界面に生じる
熱応力は、突出部サイズが大きくなるほど、大きくな
る。これにより使用中に突出部が基体部の金属から剥離
することが問題となっていた。また、剥離が起こらない
場合でも、内部応力の影響で先端部の底面と工具面の平
坦度が変化したり、繰り返しかかる実装荷重により接合
界面に熱応力が蓄積され、突出部が割れたりすると言う
問題が残っていた。

【００１２】ボンディングツールおよびボンディングス
テージは、実際の使用温度が設計温度と異なる場合があ
る。図８に示す構造のボンディングツールの工具面は、
設計温度では平坦になるように研磨加工で仕上げてい
る。しかし、当初設計温度と異なる温度で使用する場合
には、先端部の金属製基体部とセラミックス製突出部の
熱膨張率が異なるため、先端部の平坦度が設計値からず
れる。従って、全工具面に渡って均一に接合することが
困難か、場合によって接合できない部分が発生した。こ
の傾向は、先端部特に突出部が大きくなるほど顕著に現
れる。最近の状況としては、ＩＣやＬＳＩの大きさが益
々大きくなって来ており、ボンディングツールおよび／
またはボンディングステージの工具面の平坦度や使用時
の温度分布などの精度を従来のレベルに保つことは非常
に困難になってきた。

【００１３】また、工具の取り替え時間の短縮、長寿命
化が望まれている。取り替え時間を短縮するためには、
第１には焼き付きをなくすこと、第２にはボンディング
ツールとボンディングステージの工具面同士の平行度調
整時間を短縮するため、先端部および／またはステージ
部の底面と工具面の平行度の精度を高めることが重要で
ある。長寿命化においては、使用中の工具面の平坦度変
化を極力少なくすること及び先端部および／またはステ
ージ部の破損のないことが重要である。

【００１４】最近では、先端部のみを取り替えることで
多品種の製品に対応できる、いわゆるシャンクの共有化
の要望は特に大きくなってきている。これらの多様な最
近の状況に対し、従来の製品では対応できなくなってき
ている。本発明はこれらの従来の問題点を更に改良した
ボンディングツールおよびボンディングステージを提供
することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、先端部とシャ
ンク部とからなる半導体実装用のボンディングツールで
あって、先端部を構成する基体部と、基体部から突き出
ている突出部が一体材料から成り、突出部の工具面は気
相合成ダイヤモンドで被覆され、該基体部と該シャンク
部が機械的に固着されてなる、もしくは真空吸着で固定
されてなることを特徴とするボンディングツール関す
る。シャンク部は、先端部を一定の位置制度および角度
制度の範囲内でボンディング装置に固定するための装置
への取付け機構を有し、同時に、先端部を、ボンディン
グ工程に必要な温度まで加熱させるための機構を有す
る。

【００１６】本発明の別の様態は、ステージ部と台座部
とからなる半導体実装用のボンディングステージであっ
て、ステージ部を構成する基体部と、基体部から突き出
ている突出部が一体材料から成り、突出部の工具面は気
相合成ダイヤモンドで被覆され、該ステージ部と該台座
部が機械的に固着されてなる、もしくは真空吸着で固定
されることを特徴とするボンディングステージに関す
る。台座部は、ステージ部を一定の位置制度および角度
制度の範囲内でボンディング装置に固定するための装置
への取付け機構を有し、同時に、ステージ部を、ボンデ
ィング工程に必要な温度まで加熱させるための機構を有
する。

【００１７】ボンディング装置では一般に、ボンディン
グツールとボンディングステージは対を成して使用され
る。本発明のボンディングツールは従来のボンディング
ステージと組み合わせて使うことも可能であり、また、
本発明のボンディングステージと組み合わせて使うこと
も可能である。更に本発明のボンディングステージを従
来のボンディングツールと組み合わせて使用することも
できる。

【００１８】本発明のボンディングツールおよびボンデ
ィングステージは、先端部および／またはステージ部が
ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮのいずれか１種を主成分と
する焼結体の上に気相合成法で多結晶ダイヤモンドを被
覆することが好ましい。

【００１９】また、該シャンク部および該台座部は、モ
リブデン、超硬合金、ニッケル基合金、タングステン又
はタングステン合金、鉄−ニッケル−コバルト合金、ス
テンレス鋼、鉄−ニッケル合金、チタン又はチタン合金
から選ばれる１又は２以上の金属で構成することができ
る。この中で、鉄−ニッケル−コバルト合金やタングス
テン合金であるタングステン−Ｃｕ合金が、耐熱性や加
工性の点で優れている。

【００２０】本発明における先端部および／またはステ
ージ部は、先端部および／またはステージ部を構成する
基体部と、基体部から突き出ている突出部が一体材料か
ら成り、突出部の工具面は気相合成ダイヤモンド被覆層
から成り、さらに、前記先端部が少なくともＳｉＣ、Ｓ
ｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮのいずれか１種を主成分とする焼結体
であることが好ましい。

【００２１】さらに、ボンディングツールおよび／また
はボンディングステージの先端部および／またはステー
ジ部の底面と工具面との平行度が、常温において２μｍ
以下であることが好ましい。

【００２２】また、該先端部および／またはステージ部
の、シャンク部および／または台座部への取付部分を側
面側から見たときに、工具面に向かって辺長もしくは直
径が小さくなる、台形形状の断面形状をもつ取付側面を
持つことが好ましい。この構成により、取付け部の側面
の斜面と押しつけ部の楔効果によって、接合強度を高め
ることが出来る。また、斜面の傾きなどを変えることに
より、先端部の方向性を確認するようにすることもでき
る。

【００２３】本発明で得られたボンディングツール用先
端部および／またはボンディングステージ用ステージ部
の特徴は、１００℃から５５０℃までの先端部の平坦度
変化が１μｍ以下にすることが好ましく、また、任意で
あるが、先端部に半導体素子を吸着するための一個以上
の真空吸着穴を有することができる。また、先端部およ
び／またはステージ部に半導体を吸着するための真空吸
着溝及び一個以上の吸着穴を有することができる。

【００２４】本発明の先端部および／またはステージ部
は、シャンク部および／または台座部との接触面の面粗
さが平均表面粗さＲａで０．１μｍ以下であることが好
ましい。これは、シャンク部および／または台座部と先
端部との間の熱伝導を保証するためである。先端部とシ
ャンク部またはステージ部と台座部の間に金、銀、銅、
白金、タンタル、ニッケル、アルミニウム等の軟質金属
から選ばれる一層或いは二層以上の金属を介在させて使
用することもできる。特に先端部上下面の平行度が高い
場合、平行度を調整するのが容易であり、且つシャンク
部との密着性を高め、熱伝導を高めることができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】ボンディングツールおよびボンデ
ィングステージの進歩は大変早く、ＩＣやＬＳＩと同様
にライフサイクルの短い工具である。そしてその使用方
法も次第にうまくなり、同じボンディングツールでも従
来のものより２から３倍の寿命を持つようになってきて
いる。さらには、ＩＣやＬＳＩが飛躍的に大きくなって
いるが、工具に対する寸法精度などは、緩和されること
はない。しかも、１００℃から数百度の高温まで平坦度
が１μｍ以内の寸法精度と、焼き付かないことをを要求
される。

【００２６】このような市場からの要請に対して、先ず
先端部および／またはステージ部とシャンク部および／
または台座部の材料が相互に反応しないと考えられる組
み合わせを以下の各種材料から選択した。すなわち超硬
合金やモリブデン、ニッケル基合金、タングステン、タ
ングステン合金、鉄−ニッケル−コバルト合金、ステン
レス鋼、鉄−ニッケル合金、チタンまたはチタン合金等
の金属やＳｉＣ、Ｓｉ _３Ｎ_４、ＡｌＮ等のセラミックス
の各種組合わせについて検討した。

【００２７】その結果明らかになったことは、シャンク
部および台座部は熱電対収納部やカートリッジヒーター
収納部を持つので複雑な形状と成らざるをえず、その形
状を勘案すると金属が経済的である。

【００２８】そうすると、先端部および／またはステー
ジ部の基体部に使用できる材料はＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、
ＡｌＮ等のセラミックスが好適である。それ以外の材料
は、使用時にシャンク部の金属と焼き付いて、長時間使
用後にその取り外しに大変な時間を要する。

【００２９】焼き付きを防止するだけなら、図１および
図３における基体部３および１０３を、ＳｉＣ、Ｓｉ_３
Ｎ_４やＡｌＮなどのセラミックスにするか、図２におけ
るシャンク部１４および図４における台座部１１４をセ
ラミックスにすれば良い。シャンク部１４および台座部
１１４をセラミックスとした場合、硬いセラミックスを
複雑な形状に加工することは、コスト面で非常に不利と
なるので、基体部をＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４やＡｌＮ等のセ
ラミックスにするのがよい。

【００３０】また基体部３および１０３をセラミックス
にした場合、ダイヤモンドが被覆された突出部も同じセ
ラミックスにして、突出部と基体部のろう付けを無くし
た一体構造とするのがよい。本発明は突出先端部へ直接
多結晶ダイヤモンドを被覆するので金属とのろう付けが
ない構成である。従って、焼き付きが発生しないことに
加え、金属との熱膨張率差によって生じる、割れ、使用
中の平坦度変化、温度による平坦度変化などが減少し、
工具面温度分布が改善される。さらに、ろう付け後の先
端部平行度調整研磨加工が不要となり、精度の向上と経
済性の向上が一気に達成できる。従って、本発明では、
先端部および／またはステージ部は工具面に多結晶ダイ
ヤモンドを被覆したセラミックス一体成型構造とし、シ
ャンク部および／または台座部に取り付ける方法として
は、機械的に固定する方法もしくは真空吸着とした。機
械的に固着する場合はボンディング工程中での先端部の
ズレが発生しにくく、高精度のボンディングを行うこと
ができる。真空吸着によって固定する場合は、先端部の
取り替えが容易で、ボンディングする製品のサイズ変更
が容易に実施できる。なお、突出部の形状はボンディン
グを行う製品の形状、大きさによって任意に設計でき、
本発明の実施例１および３に示すような矩形の形状以外
に、円筒形の形状なども採用しうる。

【００３１】機械的な固着方法について、以下図面を用
いて説明する。この発明のボンディングツールは、図１
に示した先端部を図２に示したような取付構造とするこ
とが望ましい。図１において、１は先端部、２は取付側
面、３は基体部、４は突出部、５はダイヤ被覆層（工具
面）を示す。尚、図１ではボンディングツール先端部の
例として基体部が矩形のものを示しているが、図３のよ
うに基体部が円形もしくは曲面を持った形のものでも構
わない。図２において１４はシャンク部、１６は偏心軸
の動きを伝達する部材、１２は押しつけ部、１９は熱電
対収納部、１０はカートリッジヒーター収納部を示す。
また、この発明のボンディングステージは、図３に示し
た先端部を図４に示したような取付構造とすることが望
ましい。図３において、１０１はステージ部、１０２は
取付側面、１０３は基体部、１０４は突出部、１０５は
ダイヤ被覆層（工具面）を示す。尚、図３ではボンディ
ングステージ先端部の例として基体部が円形のものを示
しているが、図１のように基体部が矩形のものであって
もまた、円形以外の曲面を持った形のものでも構わな
い。図４において１１４は台座部、１１６は偏心軸の動
きを伝達する部材、１１２は押しつけ部、１１９は熱電
対収納部、１１０はカートリッジヒーター収納部を示
す。

【００３２】図２および４において、矢印の方向に先端
部および／またはステージ部が押されたときに、押しつ
け部によって先端部および／またはステージ部がシャン
ク部および／または台座部の底面としっかり接触し、シ
ャンク部および／または台座部と先端部および／または
ステージ部の熱伝導を保証する。このボンディングツー
ルおよびボンディングステージは、シャンク部１４およ
び台座部１１４の装着部１１および１１１でボンディン
グ装置に取り付けられる。

【００３３】図５は、先端部をシャンク部および／また
は台座部に固定する際の取付部の構造をボンディングツ
ールを例にして示す、一部断面図である。ボンディング
ステージの場合は以下の先端部をステージ部に、シャン
ク部を台座部に変えることで同様の機構を備えることが
できる。先端部のシャンク部への固定構造は、シャンク
部１４に取り付けられた偏心軸１５の動きを伝達する部
材１６によってシャンク部１４に機械的に固定されてい
る。このとき偏心軸の動きを伝達する部材１６は、部材
の支軸１８の回りを回転する。

【００３４】図５に示すように先端部１は、偏心軸の動
きを伝達する部材１６を介して偏心軸１５によって、シ
ャンク部へ押さえつけられている。そしてシャンク部１
４の熱電対収納部１９及びカートリッジヒーター収納部
１０にそれぞれ熱電対及びカートリッジヒーターが取り
付けられて使用される。このとき先端部は、押しつけ部
１２と偏心軸の動きを伝達する部材１６により、シャン
ク部に取り付けられる。先端部の取付側面は、楔状にな
っていることが望ましい。シャンクと良く接触するため
である。また、偏心軸の動きを伝達する部材１６と、先
端部が接触する部分は、やはり押しつけ部と同じ構造が
望ましいことは言うまでも無い。

【００３５】図６は図２乃至図４に示すボンディングツ
ールおよびボンディングステージの固定構造の詳細を示
したものである。図６（Ａ）に示すように、偏心軸１５
がその支持軸１７を中心に回転し、偏心軸の動きを伝達
する部材１６は偏心軸１５に押されて指示軸１８を中心
に回転する。するとこの部材１６を介して工具先端部１
はシャンク部１４に押しつけられて固定が行われる。従
って基体部の側面図では、少なくとも取付側面が斜面に
なり、台形状になることが望ましい。両方の取付側面が
斜面になっている方が望ましいのは言うまでもない。ま
た図６（Ｂ）のように、偏心軸１５を逆に回転させれば
部材１６は先端部より離れ、先端部１の取り外しができ
る。

【００３６】本発明は、ボンディングツールおよびボン
ディングステージ突出部の最大長さが１５ｍｍを越える
場合、特に２０ｍｍを越える場合に特に大きな効果を表
す。最大長さが大きくなると、先端部および／またはス
テージ部の突出部と基体部の熱膨張の相違をうち消す手
段が他にないからである。更に本発明では、先端部およ
び／またはステージ部の底面、すなわちシャンク部およ
び／または台座部と接触する部分の表面粗さが小さいこ
とが好ましい。底面の面粗さが平均表面粗さＲａで、
０．１μｍ以下であれば、シャンク部および／または台
座部と先端部および／またはステージ部間の熱伝導の程
度は実際に使用する上で問題がない。

【００３７】本発明においては、先端部および／または
ステージ部の基体部の底面と工具面の平行度が２μｍ以
下であることが好ましい。これは先端部および／または
ステージ部のダイヤ被覆前の底面と工具面の平行度を５
μｍ以下にすることで、容易に達成出来る。５μｍを越
えた場合、ダイヤモンド被覆後にセラミックスよりずっ
と難加工性のダイヤモンドを加工して、平行度２μｍ以
下とする加工費が高くなりすぎる。ダイヤ被覆前の先端
部および／またはステージ部の精度を高めることの効果
は、上記の他に被覆ダイヤモンド層を薄くできる点にあ
る。ダイヤ被覆時間を短縮できるし、一般的にダイヤモ
ンド被覆時間が短いと、合成後のダイヤモンド粒子径が
小さく、且つ滑らかなため更に研磨時間を短くすること
も出来る。合成時間が長くなると粒子が成長するためで
ある。これに対して、従来のろう付けタイプのものは、
ろう付け後の平行度を１１μｍ程度にするのが限界であ
った。

【００３８】本発明の別の特徴は、被覆ダイヤモンド層
が薄いことと、作用する部分の全面に亘りダイヤの厚さ
が均一であることである。その厚さの範囲は高々７μｍ
である。なお、基体部の底面と工具面との平行度の測定
は、定盤の上に先端部および／またはステージ部を置
き、触針をダイヤ層上で走らせて測定する。

【００３９】

【実施例】以下、この発明を実施例により詳細に説明す
る。

【００４０】

【実施例１】まず、３６ｍｍ×３６ｍｍ×１１ｍｍのＳ
ｉＣブロックから、図１に示すような形状で基体部の下
面が３５ｍｍ×３５ｍｍで突出部を幅５．４ｍｍ×３
０．４ｍｍで高さ６ｍｍ、全体の高さが１０ｍｍの先端
部を加工した。突出部の工具面側から穴径０．５ｍｍで
深さ０．５ｍｍ、底面側から穴径１．８ｍｍで深さ７ｍ
ｍの真空吸着穴を直径６ｍｍ，深さ２．５ｍｍの穴の中
に３個あけ貫通穴とした。半導体などを真空吸着して、
移設したり、ボンディングする。また工具面エッジは、
幅０．２ｍｍ、角度４５度で各稜線に対して面取り加工
を施し、突出部の有効寸法が５ｍｍ×３０ｍｍに加工し
た。

【００４１】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公知のフィラメ
ントＣＶＤ法により、上記先端部の工具面に厚さ５０μ
ｍの多結晶ダイヤモンドを被覆した。被覆の条件は以下
の通りである。

【００４２】原料ガス（流量）：ＣＨ４／Ｈ２＝１％、総流量：５００ＣＣ／ｍｉｎガス圧力：１００００Ｐａフィラメント温度：２２００℃ フィラメントと突出部被覆面間距離：５ｍｍＳｉＣ温度：９２０℃

【００４３】かくして得られたダイヤモンド被覆層５を
ダイヤモンド砥石で研磨し、突出部の有効寸法が５ｍｍ
×３０ｍｍの先端部を製作した。このようにして得たボ
ンディングツールの先端部１を図２に示す鉄−ニッケル
−コバルト合金で形成したシャンク部に、同じ材料で形
成した偏心軸にてクランプレバーを介して固定した。
尚、図２に示すシャンクは、真空吸着穴６に通じる穴を
加工してある（図面上は記載していない）。なお、被覆
前に突出部に設けた真空吸着穴は、ダイヤが被覆されな
いので、ダイヤ被覆層を設けた後も貫通穴である。

【００４４】同様にして、比較例として図８に示す従来
構造のボンディングツールを作製した。突出部は、
（縦）６０ｍｍ×（横）６０ｍｍ×（高さ）３ｍｍのＳ
ｉＣ基板に５０μｍの多結晶ダイヤモンドを被覆した
後、５．４ｍｍ×３０．４ｍｍのサイズに切断すること
で作製した。基体部は、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。その後突出部と基
体部を銀ろうづけにて接合して先端部とした。この図に
おいて２０は、多結晶ダイヤモンドを被覆したＳｉＣか
らなる突出部とコバールからなる基体部をろうづけによ
り接合したものである。その他の点は、本実施例と同様
にして比較例のサンプルを作製した。

【００４５】このようにして得られたボンディングツー
ルにおいて、先端部の上下面平行度、熱電対部に於ける
温度５００℃での工具面表面温度分布、５００℃に加熱
したときの先端部とシャンク部との焼き付き試験、常温
から６００℃に加熱と冷却を繰り返した場合の基体部と
突出部の接合界面の耐久性、及び６００℃の温度で２０
ｋｇの荷重をかけて２００万回の耐久性について比較し
た。結果を表１に示す。

【００４６】

【表１】

【００４７】試験条件の詳細は以下の通りである。

【００４８】工具面表面温度分布：熱電対部の温度が５
００℃の時の工具面の最高、最低の温度差。

【００４９】先端部焼き付き試験：５００℃、荷重２０
ｋｇ、１００万回ボンディング試験後、１０万回毎に先
端部が取り外し可能か確認する。

【００５０】ヒートサイクル試験：常温から６００℃に
加熱し２時間保持しまた、常温に戻すというサイクルを
１００回繰り返す。

【００５１】６００℃ボンディング試験：６００℃、加
重２０ｋｇ、２００万回ボンディング試験。

【００５２】従来品では、基体部と突出部をろう付けし
た後の先端部上下面の平行度は悪い。これを＃１７０の
ダイヤモンド砥石で傾けて研磨し、平行度１１μｍまで
に調整加工した。これは、平行度調整のため傾けて研磨
しているためダイヤモンド膜の一部が無くなるまでは研
磨できず、これ以上の調整は出来なかったためである。
それに対して、本発明では、突出部へ直接、多結晶ダイ
ヤモンドを被覆するというろうづけがない構成であるこ
とにより、ろうづけによる平行度悪化が生じないため、
平行度が１μｍという精度が達成できたものである。先
端部上下面の平坦度をダイヤ被覆する前に５μｍ以下と
することで、上記のような被覆後の精度をより容易に達
成できる。本発明では先端部にろうづけ部がないため、
上記の試験で全ての項目において比較例に対して優れて
いた。

【００５３】

【実施例２】φ３２ｍｍ×１２ｍｍのＳｉＣブロックか
ら、図３に示すような形状で基体部の下面がφ３１ｍｍ
で突出部を幅５．４ｍｍ×３０．４ｍｍで高さ６ｍｍ、
全体の高さが１１ｍｍのステージ部を加工した。突出部
の工具面側から穴径０．５ｍｍで深さ０．５ｍｍ、底面
側から穴径１．８ｍｍで深さ７ｍｍの真空吸着穴を直径
６ｍｍ，深さ２．５ｍｍの穴の中に３個あけ貫通穴とし
た。半導体などを真空吸着して、移設したり、ボンディ
ングしたり、固定したりする。また工具面エッジは、幅
０．２ｍｍ、角度４５度で各稜線に対して面取り加工を
施し、突出部の有効寸法が５ｍｍ×３０ｍｍに加工し
た。

【００５４】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公知のフィラメ
ントＣＶＤ法により、ＳｉＣ製の突出部に厚さ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
通りである。

【００５５】原料ガス（流量）：ＣＨ４／Ｈ２＝１％、総流量：５００ＣＣ／ｍｉｎガス圧力：１００００Ｐａフィラメント温度：２２００℃ フィラメントと突出部被覆面間距離：５ｍｍＳｉＣ温度：９２０℃

【００５６】かくして得られたダイヤモンド被覆層５を
ダイヤモンド砥石で研磨し、突出部の有効寸法が５ｍｍ
×３０ｍｍのステージ部を製作した。このようにして得
たボンディングステージのステージ部１を図４に示す鉄
−ニッケル−コバルト合金で形成した台座部に、同じ材
料で形成した偏心軸にてクランプレバーを介して固定し
た。尚、図４に示す台座部は、真空吸着穴６に通じる穴
を加工してある（図面上は記載していない）。なお、被
覆前に突出部に設けた真空吸着穴は、ダイヤが被覆され
ないので、ダイヤ被覆層を設けた後も貫通穴である。

【００５７】同様にして、比較例として図８に示すのと
同様の構造をした、従来構造のボンディングステージを
作製した。突出部は、（縦）６０ｍｍ×（横）６０ｍｍ
×（高さ）３ｍｍのＳｉＣ基板に５０μｍの多結晶ダイ
ヤモンドを被覆した後、５．４ｍｍ×３０．４ｍｍのサ
イズに切断することで作製した。基体部は、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。その後突出部と基体部を銀ろう付けにて接合した。

【００５８】このようにして得られたボンディングステ
ージにおいて、ステージ部の底面と工具面の平行度、熱
電対部に於ける温度５００℃での工具面表面温度分布、
５００℃に加熱したときのステージ部と台座部との焼き
付き試験、常温から６００℃に加熱と冷却を繰り返した
場合の基体部と突出部の接合界面の耐久性、及び６００
℃の温度で２０ｋｇの荷重をかけて２００万回の耐久性
について比較した。結果を表１に示す。

【００５９】

【表２】

【００６０】試験条件の詳細は以下の通りである。

【００６１】工具面表面温度分布：熱電対部の温度が５
００℃の時の工具面の最高、最低の温度差。

【００６２】ステージ部焼き付き試験：５００℃、荷重
２０ｋｇ、１００万回ボンディング試験後、１０万回毎
にステージ部が取り外し可能か確認する。

【００６３】ヒートサイクル試験：常温から６００℃に
加熱し２時間保持しまた、常温に戻すというサイクルを
１００回繰り返す。

【００６４】６００℃ボンディング試験：６００℃、加
重２０ｋｇ、２００万回ボンディング試験。

【００６５】従来品では、基体部と突出部をろう付けし
た後のステージ部上下面の平行度は悪い。これを＃１７
０のダイヤモンド砥石で傾けて研磨し、平行度１５μｍ
までに調整加工した。これは、平行度調整のため傾けて
研磨しているためダイヤモンド膜の一部が無くなるまで
は研磨できず、これ以上の調整は出来なかったためであ
る。それに対して、本発明では、突出部へ直接、多結晶
ダイヤモンドを被覆するというろう付けがない構成であ
ることにより、ろう付けによる平行度悪化が生じないた
め、平行度が０．８μｍという精度が達成できたもので
ある。ステージ部上下面の平坦度をダイヤ被覆する前に
５μｍ以下とすることで、上記のような被覆後の精度を
より容易に達成できる。

【００６６】本発明ではステージ部にろう付け部がない
ため、上記の試験で全ての項目において比較例に対して
優れていた。

【００６７】

【実施例３】実施例１で作製した本発明品のボンディン
グツールと比較例のボンディングツールを用いて、温度
と、平坦度の関係を調べた。夫々を、図２に示すシャン
クに装着して、カートリッジヒーターにより加熱して工
具面の表面温度とその温度での工具面の平坦度を測定し
た。その結果を図７に示す。なお、平坦度の測定は、特
開平５−３２６６４２号公報に記載されている。金線な
どをボンディングツールの工具面で押して、その転写さ
れた金線の平坦度を測定して工具面の平坦度とする。

【００６８】従来のろう付けタイプの測定結果を△で示
し、本発明品の測定結果を黒丸で示した。図７に示すよ
うに本発明の場合は、１００℃から５５０℃の範囲にお
いて殆ど変化が無い。これに対して、従来品は、温度が
上がるほど、平坦度が凹方向に変化する。これは、基体
部にろう付けされている突出部のセラミックスが、基体
部の金属よりも熱膨張率が小さいことによる。これに対
して一体品は、熱膨張率の差が無く、かつろう付けがな
いため、ろう付け部の熱膨張の差もないためである。

【００６９】なお、本発明のボンディングステージにお
いても同じ測定を行い、本実施例と同様の結果を得た。

【００７０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明により得
られるボンディングツールおよび／またはボンディング
ステージは、多様な工具形状に対して、先端部を取り替
えるだけで対応できるという大きな特徴を有し、しかも
長期間の使用にも、固着部が焼き付くことが無い。その
上、従来のボンディングツールのようにろう付けなどに
よる接合部がないので、ボンディング装置全体としてみ
たときの、平行度を維持するための加工費用や調整費用
も安くなるという特徴を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のボンディングツール先端部の一例を
示す斜視図である。

【図２】この発明のボンディングツールであって、シャ
ンク部に先端部を固着したものの斜視図である。

【図３】この発明のボンディングステージ先端部の一例
を示す斜視図である。

【図４】この発明のボンディングステージであって、台
座部にステージ部を固着したものの斜視図である。

【図５】この発明の、先端部をシャンク部に取り付ける
構造を示す一部断面図である。

【図６】この発明の偏心軸の動きを伝達する部材の動き
を説明する図ある。

【図７】本発明で得られたボンディングツールと従来の
ボンディングツールの平坦度を比較する図である。

【図８】従来のボンディングツールであって、先端部と
シャンク部を固着した状態を示す。

【符号の説明】

１．先端部２．取付側面３．基体部４．突出部５．ダイヤ被覆層（工具面）６．真空吸着穴１０．カートリッジヒーター収納部１１．装着部１２．押し付け部１４．シャンク部１５．偏心軸１６．偏心軸の動きを伝達する部材１７．偏心軸の支軸１８．部材１６の支軸１９．熱電対収納部２０．ろう付け面１０１．先端部１０２．取付側面１０３．基体部１０４．突出部１０５．ダイヤ被覆層（工具面）１０６．真空吸着穴１１０．カートリッジヒーター収納部１１１．装着部１１２．押し付け部１１４．台座部１１６．偏心軸の動きを伝達する部材１１９．熱電対収納部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者河内宏兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者矢敷哲男兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者高橋利也兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者尾原利昭兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電気工業株式会社伊丹製作所内Ｆターム(参考） 5F044 PP02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】先端部とシャンク部とからなる半導体実装
用のボンディングツールであって、先端部を構成する基
体部と、基体部から突き出ている突出部が一体材料から
成り、突出部の工具面は気相合成ダイヤモンドで被覆さ
れ、該先端部と該シャンク部が機械的に固着もしくは真
空吸着で固定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】ステージ部と台座部とからなる半導体実装
用のボンディングステージであって、ステージ部を構成
する基体部と、基体部から突き出ている突出部が一体材
料から成り、突出部の工具面は気相合成ダイヤモンドで
被覆され、該ステージ部と該台座部が機械的に固着もし
くは真空吸着で固定されてなることを特徴とするボンデ
ィングステージ。
【請求項３】先端部および／またはステージ部が、Ｓｉ
Ｃ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮのいずれか１種を主成分とする
焼結体からなり、その工具面上に気相合成法で多結晶ダ
イヤモンドを被覆した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および／またはボンディ
ングステージ。
【請求項４】シャンク部および／または台座部がモリブ
デン、超硬合金、ニッケル基合金、タングステン又はタ
ングステン合金、鉄−ニッケル−コバルト合金、ステン
レス鋼、鉄−ニッケル合金、チタン又はチタン合金から
選ばれる１又は２以上であることを特徴とする請求項
１、２または３に記載のボンディングツールおよび／ま
たはボンディングステージ。
【請求項５】先端部および／またはステージ部を構成す
る基体部と、基体部から突き出ている突出部が一体材料
から成り、該一体材料が少なくともＳｉＣ、Ｓｉ
_３Ｎ_４、ＡｌＮのいずれか１種を主成分とする焼結体か
らなり、突出部の工具面は気相合成ダイヤモンド被覆層
から成ることを特徴とするボンディングツール用先端部
および／またはボンディングステージ用ステージ部。
【請求項６】前記先端部および／またはステージ部の底
面と工具面との平行度が、常温において２μｍ以下であ
ることを特徴とする請求項５記載のボンディングツール
用先端部および／またはボンディングステージ用ステー
ジ部。
【請求項７】シャンク部および／または台座部への取付
部を側面側から見たときに、工具面に向かって辺長もし
くは直径が小さくなる、台形形状の断面形状をもつ取付
側面を持つことを特徴とする請求項５または６に記載の
ボンディングツール用先端部および／またはボンディン
グステージ用ステージ部。
【請求項８】１００℃から５５０℃までの工具面の平坦
度変化が１μｍ以下であることを特徴とする請求項５〜
７のいずれかに記載のボンディングツール用先端部およ
び／またはボンディングステージ用ステージ部。
【請求項９】先端部および／またはステージ部の工具面
に、半導体素子を吸着するための一個以上の真空吸着穴
を有することを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記
載のボンディングツール用先端部および／またはボンデ
ィングステージ用ステージ部。
【請求項１０】先端部および／またはステージ部の工具
面に、半導体を吸着するための真空吸着溝及び一個以上
の真空吸着穴を有することを特徴とする請求項５〜８の
いずれかに記載のボンディングツール用先端部および／
またはボンディングステージ用ステージ部。
【請求項１１】先端部とシャンク部もしくはステージ部
と台座部の間に金、銀、銅、白金、タンタル、ニッケ
ル、アルミニウム等の軟質金属から選ばれる一層或いは
二層以上の金属を介在させることを特徴とする請求項１
〜１０のいずれかに記載のボンディングツールおよび／
またはボンディングステージ。