DE10125577B4

DE10125577B4 - Kontaktier-Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE10125577B4
Application number: DE10125577A
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Kokubu Yokoyama; Takafumi Kokubu Turumaru; Hiroyuki Kokubu Arima; Hideaki Kokubu Shimozuru
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-05-25
Filing date: 2001-05-25
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2021-05-26
Also published as: DE10125577A1; US20020003137A1; US6414271B2

Abstract

Kontaktier-Heizvorrichtung mit:
einem Keramikwerkzeug (1) zum Pressen gegen ein zu erhitzendes Objekt;
einem Keramikheizer (2) zum Erhitzen des Keramikwerkzeugs (1) in Kontakt mit dem Keramikheizer (2);
einem Hitzeisolierelement (3) zum Lagern und thermischen Abschirmen des Keramikheizers (2); und
einem Halter (4) zum Unterstützen des Hitzeisolierelements (3) und zum Halten der Elemente der Kontaktier-Heizvorrichtung;
wobei eine Oberfläche des Hitzeisolierelements (3) in Kontakt mit einer Kontaktfläche (40) des Halters (4) ist; und
wobei das Keramikwerkzeug (1), der Keramikheizer (2), das Hitzeisolierelement (3) und der Halter (4) lösbar miteinander verbunden sind,
wobei die Kontaktier-Heizvorrichtung außerdem einen Kühlkanal aufweist, durch welchen ein Kühlmittel fließen kann, wobei der Kühlkanal mindestens eine Nut (74f) beinhaltet, die in der Kontaktfläche (40) des Halters (4) mit dem Hitzeisolierelement (3) und in einer Anbringfläche (41) des Halters (4) ausgebildet ist, die zur Anbringung des Halters (4) an einer Bondingvorrichtung ausgestaltet ist, und...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kontaktier-Heizvorrichtung zum Erhitzen eines zu erhitzenden Objekts in Kontakt mit der Vorrichtung, wie beispielsweise einen Die-Bonding-Heizer, welcher verwendet wird, wenn ein blanker Haltleiterchip auf ein Substrat aufgebracht wird.
Stand der Technik
Als Montageverfahren zum Aufbringen eines blanken Halbleiterchips auf ein Schaltkreissubstrat ist das ACF-Bonding-Verfahren bekannt, in welchem Pad-Elektroden auf einem Chip und solche auf einem Substrat unter Verwendung eines Haftmittels auf Kunstharzbasis, wie beispielsweise einer anisotropischen Leiterfolie, zusammengebondet werden. Als anderes Anbringverfahren wird auch das Flip-Chip-Bonding-Verfahren zum Herstellen von Mehrfachchipmodulen verwendet, in welchem Pad-Elekroden auf einem Chip und solche auf einem Substrat unter Verwendung eines Lötmaterials mit niedrigem Schmelzpunkt, wie z. B. Au-Si oder Au-Sn-Legierungen, gebondet werden.
Wie in 5A gezeigt, wird in dem Flip-Chip-Bonding-Verfahren ein Halbleiterchip 8 auf einem mehrschichtigen Substrat 85 angeordnet, ein Presswerkzeug 910, welches fest mit einem Bondingheizer 92 verbunden ist, wird in Kontakt mit einer oberen Fläche des Chips 8 gebracht, und dann wird der Chip gepresst, während er erhitzt wird. Der Halbleiterchip 8 wird mittels schmelzendem Lötmittel 82, 87 zwischen Pad-Elektroden 81, 86 auf das Substrat 85 gelötet. Nach dem Abkühlen werden das Bonden der Pad-Elektroden 81, 86 und das Verdrahten abgeschlossen, und der Halbleiterchip 8 ist an dem Substrat 85 befestigt. Nach diesem Vorgang wird das Presswerkzeug 910 von dem Halbleiterchip 8 getrennt und zu einem weiteren Halbleiterchip 8 bewegt. Das Presswerkzeug 910 erfasst diesen Chip, um den gleichen Bondingvorgang durchzuführen.
Als Leistungsmerkmal eines Bondingheizers 92 ist es zunächst erforderlich, die notwendige Hitze effizient und ausreichend zu dem Bondingmaterial über einen Halbleiterchip 8 zu übertragen, um das Bondingmaterial, wie Lötmittel 82, 87, welches zum Bonden von beispielsweise Stoßelektroden verwendet wird, zu erweichen oder zu schmelzen.
Zweitens ist es unter dem Gesichtspunkt der Produktionseffizienz wichtig, dass die Zeit für einen Temperaturanstieg auf eine erforderliche Temperatur und die Zeit für einen Temperaturabfall nach dem Bonden, bis das Bondingmaterial ausgehärtet ist, kurz ist.
Da sowohl Druck als auch Hitze aufgebracht werden, wenn ein Halbleiterchip 8 gebonded wird, ist es drittens notwendig, dass der Bondingheizer 92 und das Werkzeug 910 eine mechanische Festigkeit und Verschleißfestigkeit haben.
Um dies zu erreichen, besteht der Bondingheizer 92 aus einem gesinterten Körper, welcher aus einer geringen Menge aus hitzebeständigem Metall, wie z. B. Titan oder Molybdän, als Sinterzusatz aufgebaut ist, sowie aus Diamantpartikeln (beispielsweise einem gesinterten Diamantkörper, wie er in der JP 11240762 A offenbart ist), und dieser Körper wird als Werkzeug 910 verwendet. Dies ist ein Pulsheizerverfahren, in welchem ein großer gepulster Strom in dem hitzebeständigen Metall, wie z. B. Titan oder Molybdän in dem Werkzeug selbst fließen kann, um das Werkzeug zu erhitzen.
Die JP 10134938 A offenbart einen in 5B gezeigten Bondingheizer. Der Heizer besteht aus einem Keramikkopf 91 (oder Werkzeug) und einem Keramikhalter 94 zum Verbinden des Kopfes 91 mit einem anderen Bauteil. Hier ist eine thermische Leitfähigkeit des Kopfes 91 größer als die des Halters 94. Der Kopf 91 ist unter Verwendung einer Glasbondingschicht 911 mit hohem Schmelzpunkt fest mit einem Keramikheizer 92 verbunden. Das Glasmaterial dieser Bondingschicht 911 ist zusammengesetzt aus einer Kombination aus Stoffen, wie Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Aluminium, Siliziumoxid, Zirkon, Alkali-Erdmetall-Oxid und seltenes Erdmetalloxid, und es hat einen hohen Schmelzpunkt von 1500–1800°C.
Um einen Temperaturabfall zu beschleunigen, wird in der JP 11339929 A die Verwendung einer Wasserkühlverkleidung vorgeschlagen, um die Geschwindigkeit des Temperaturabfalls zu verbessern, welche beim Abkühlen im Stand langsam ist. Wie in 6 gezeigt, ist die Wasserkühlverkleidung 96 in einem Halterkörper 95 eingebettet und kühlt zwangsweise den Halter 94 und dadurch indirekt den Bondingheizer 92 und das Werkzeug 91, welches mit dem Heizerhalter 94 verbunden ist.
Mikrocomputer, die eine geringe Baugröße, eine hohe Dichte und eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit erfordern, wie beispielsweise portable Telefone oder tragbare Computer, verbreiten sich schnell weiter, und höhere Leistungsfähigkeiten werden erzielt. Unter diesen Umständen wird auch eine stärker integrierte Halbleiterchip-Herstellung und Miniaturisierung erforderlich. Gleichzeitig gibt es eine größere Vielfältigkeit der Größen von Halbleiterchips, und sie müssen auf mehrschichtige Substrate angebracht werden.
Wie oben beschrieben, sind in dem herkömmlichen Bondingheizer, wie er beispielhaft in 5A gezeigt ist, ein Bondingheizer 92 und ein Werkzeug 910 integral miteinander verbunden. In einem Beispiel in 5B sind ein Keramikheizer 92 und ein Kopf 91 vollständig mittels eines Bondingmaterials 911 verbunden. Daher können solche herkömmlichen Bondingheizer nicht für Chips mit unterschiedlichen Chipgrößen verwendet werden. Außerdem muss, sogar wenn nur das Werkzeug 91 bzw. 910 oder nur der Bondingheizer 92 beschädigt ist, beide Elemente ausgetauscht werden.
In dem Bondingheizer 92 muss das Werkzeug 91 bzw. 910 eine gleichmäßige Oberflächentemperatur über den Bereich der Oberfläche haben, um Pad-Elektroden gleichmäßig auf der gesamten Oberfläche eines Halbleiterchips 8 zu bonden. Der herkömmliche Bondingheizer 92 hat jedoch den Nachteil, dass die Temperatur eines äußeren Bereichs des Werkzeugs 91 bzw. 910 sinkt aufgrund der Ableitung von Hitze in die Luft.
Da beispielsweise die Anbringgenauigkeit bei der Herstellung von Halbleiterchips die Leistungsfähigkeit der elektronischen Geräte signifikant beeinflusst, ist auch die Verformung der Kontaktierheizvorrichtung selbst aufgrund der thermischen Ausdehnung ein Problem. Wenn die Kontaktierheizvorrichtung ein Pulsheizerverfahren verwendet, werden große gepulste Ströme auf einen Widerstand aus Titan oder Molybdän für einen schnellen Temperaturanstieg aufgebracht. Als Ergebnis schwingt der Heizer selbst, und die Anbringposition verschiebt sich von der Position, wo der Halbleiterchip 8 ursprünglich vorgesehen war. Diese Verschiebung beeinflusst signifikant die Leistungsfähigkeit des elektronischen Geräts, an welchem der Halbleiterchip angebracht wird.
Andererseits steigt in einem konstanten Heizverfahren, in welchem der Heizer kontinuierlich verwendet wird, wenn der Heizer bei einer Temperatur von 500°C betrieben wird, die Temperatur des Halters 94 auf 100–150°C. Da der Halter 94 jedoch aus metallischem Material besteht, tritt eine Verwerfung auf aufgrund einer Temperaturverteilung in dem Halter 94. Demzufolge wird die Genauigkeit der Anbringung des Halbleiterchips verschlechtert.
Der Bondingheizer soll auch einen Temperaturanstieg und -abfall schneller machen, um den Arbeitstakt zu verkürzen. Insbesondere muss in dem oben genannten Flip-Chip-Verfahren die Temperatur schnell auf eine vorbestimmte Temperatur erhöht werden, um das Bondingmaterial zu erweichen und den Halbleiterchip 8 zu positionieren. Es dauert jedoch lange, den Bondingheizer mit dem hitzebeständigen Metall, wie z. B. Titan oder Molybdän, auf eine vorbestimmte Temperatur aufzuheizen.
Außerdem soll der Bondingheizer eine für das Abkühlen benötigte Zeit verkürzen, um den Arbeitstakt zu verkürzen. Beispielsweise muss die Zeit für einen Arbeitstemperaturabfall von 400°C auf 100°C zehn Sekunden oder weniger betragen. Bei dem Bondingheizer mit dem hitzebeständigen Metall, wie z. B. Titan oder Molybdän, beträgt die für das Abkühlen benötigte Zeit von beispielsweise 400 auf 100°C jedoch 20 Sekunden oder mehr, sogar wenn eine Wasserkühlverkleidung 96 verwendet wird, wie in 6 gezeigt.
Aus JP 10-275833 A ist eine Kontaktier-Heizvorrichtung mit einem Keramikwerkzeug zum Pressen gegen ein zu erhitzendes Objekt, einem Keramikheizer zum Erhitzen dieses Werkzeugs und einem wärmeisolierenden Grundelement zum Lagern und thermischen Abschirmen des Keramikheizers bekannt. Eine Kühlöffnung zum Kühlen des Heizelements ist durch das wärmeisolierende Element hindurch ausgebildet.
JP 2000-013005 A beschreibt eine ähnliche Vorrichtung mit einem Keramikheizer, einem mit dem Keramikheizer verbundenen Werkzeug sowie einem wärmeisolierenden, porösen Element. Der Heizer ist über das poröse Element an einem Halterblock befestigt. Zwischen dem wärmeisolierenden porösen Element und dem Halterblock ist mittels eines Abstandshalters ein Raum ausgebildet, in den ein Kühlmittel eingeleitet werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kontaktier-Heizvorrichtung zu schaffen, die schnell abgekühlt werden kann, nachdem sie aufgeheizt worden ist, um die Abkühlzeit zu verringern.
Diese Aufgabe wird mit einer Kontaktier-Heizvorrichtung gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
Diese Kontaktier-Heizvorrichtung kann Halbleiterchips in verschiedenen Größen bonden, indem das Werkzeug, der Keramikheizer, das Hitzeisolierelement und der Halter lösbar verbunden sind und leicht gewartet werden können, sogar wenn nur der Keramikheizer oder nur ein Werkzeugbereich während der Verwendung beschädigt wird.
In der vorliegenden Erfindung wird das Werkzeug vorzugsweise durch Vakuumansaugen durch den Keramikheizer befestigt, um jedes Element lösbar zu machen. Andererseits kann der Keramikheizer mit dem Hitzeisolierelement verschraubt werden, und das Hitzeisolierelement kann mit dem Halter verschraubt werden.
Als Vakuumansaugmittel ist eine Ringnut in der Oberfläche des Keramikheizers ausgebildet und mit ersten Saugdurchgangsöffnungen verbunden, welche sich durch das Hitzeisolierelement hindurch erstrecken. Eine zweite Saugdurchgangsöffnung kann auch vorgesehen sein, welche sich zur Werkzeugfläche hin öffnet und durch das Werkzeug hindurchtritt, durch den Keramikheizer, durch das Hitzeisolierelement und durch den Halter.
In der Kontaktier-Heizvorrichtung gemäß der Erfindung ist der Halter mit einem Kühlmittelkanal versehen. Da ein Temperaturanstieg unterdrückt wird durch Abkühlen des Hitzeisolierelements des Halters, ist die thermische Verformung des Halters extrem gering, was die Genauigkeit des Anbringens des Chips auf dem Substrat verbessert.
Die Nut kann mit einer Kühlöffnung in Verbindung stehen, welche sich durch den Halter hindurch erstreckt, um den Halter abzukühlen.
Eine weitere Nut, in welcher ebenfalls Kühlmittel fließen kann, ist in einer Fläche des Hitzeisolierelementes, die an den Keramikheizer angrenzt, ausgebildet, und zumindest eine Kühlöffnung, welche mit der Nut in Verbindung steht, ist auch durch das Hitzeisolierelement hindurch ausgeformt, um das Abkühlen des Keramikheizers zu beschleunigen.
Vorzugsweise beträgt eine thermische Leitfähigkeit des Werkzeugs 100 W/m·K oder mehr, und die thermische Leitfähigkeit des Keramikheizers beträgt 10 W/m·K oder mehr. Andererseits beträgt eine thermische Leitfähigkeit des Hitzeisolierelements vorzugsweise 5 W/m·K oder weniger, um eine gleichmäßige Temperatur der Werkzeugfläche und eine schnelle Aufheizung zu erzielen.
Das Werkzeug, der Keramikheizer, das Hitzeisolierelement und der Halter haben vorzugsweise einen thermischen Expansionskoeffizienten von 6 × 10^–6/K oder niedriger, um eine thermische Verformung zu verhindern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nun im Detail beschrieben mit Bezug auf die Zeichnungen, wobei:
1 eine perspektivische Ansicht ist, welche eine Kontaktier-Heizvorrichtung von unten gesehen zeigt;
2 eine Explosionsansicht ist, welche die Kontaktier-Heizvorrichtung der 1 zeigt;
3 eine Seitenansicht ist, welche eine Kontaktier-Heizvorrichtung zeigt;
4 eine Seitenansicht ist, welche eine Kontaktier-Heizvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, in welcher ein Kühlmittelkanal in dem Halter vorgesehen ist;
5A eine herkömmliche Kontaktier-Heizvorrichtung zeigt, welche beim Bonden verwendet wird;
5B eine Querschnittsansicht der herkömmlichen Kontaktier-Heizvorrichtung ist; und
6 eine herkömmliche Kontaktier-Heizvorrichtung zeigt, welche mit einer Wasserkühlverkleidung versehen ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie in 1 und 2 gezeigt, ist eine Kontaktier-Heizvorrichtung mit einem Keramikwerkzeug 1 versehen, mit welchem ein zu erhitzendes Objekt in Druckkontakt gebracht werden kann, mit einem Keramikheizer 2 zum Erhitzen des Werkzeugs 1, mit einem Hitzeisolierelement 3 und mit einem Halter 4 zum Integrieren dieser Bauteile und zum Verbinden dieser Bauteile mit einem Halteelement einer Bondingvorrichtung. Diese Elemente sind lösbar mit dem Halter verbunden.
Das Hitzeisolierelement 3 ist zwischen dem Keramikheizer 2 und dem Halter 4 vorgesehen und überträgt von dem Keramikheizer 2 erzeugte Hitze hauptsächlich zu dem Werkzeug 1, um eine Übertragung an den Halter 4 zu reduzieren. Das Hitzeisolierelement 3 ist lösbar an einer Fläche des Halters 4 auf mechanische Art und Weise angebracht. Der Keramikheizer 2 ist lösbar mit dem Hitzeisolierelement 3 verbunden. Demzufolge sind der Keramikheizer 2, das Hitzeisolierelement 3 und der Halter 4 so verbunden, dass sie individuell ausgetauscht werden können.
Dabei ist das Werkzeug 1 mit dem Keramikheizer 3 durch Vakuumansaugen verbunden, wie später noch genauer beschrieben wird. Das Werkzeug 1 heizt einen Halbleiterchip auf durch Übertragen von Hitze an den Halbleiterchip in Kontakt mit diesem Halbleiterchip. Das Werkzeug 1 saugt den Halbleiterchip fest an, wie später beschrieben wird.
Als mechanisches Bondingverfahren zeigt die Explosionsansicht in 2 ein Beispiel einer Kontaktier-Heizvorrichtung, in welcher der Keramikheizer 2 mit dem Hitzeisolierelement 3 mittels Schrauben 6 verschraubt ist, und das Hitzeisolierelement 3 ist mit Schrauben 5 mit dem Halter verschraubt.
Der Halter 4 ist ein solider rechteckiger Block, welcher mit flachen äußeren Flächen versehen ist, und das Hitzeisolierelement 3 ist an einer Fläche 40 des Halters angebracht. Das Hitzeisolierelement 3 beinhaltet einen Flansch 31, von dem eine Fläche 30 auf der Fläche 40 des Halters 4 angeordnet ist, sowie eine Plattform 32, auf welcher der Keramikheizer 2 fest platziert ist. In diesem Beispiel treten Schraubendurchgangsöffnungen 51 durch den Flansch 31 an vier Ecken hindurch, während Schrauböffnungen 52 mit Gewinde sich an entsprechenden Stellen an der oberen Fläche des Halters 4 öffnen. Das Hitzeisolierelement 3 wird auf der oberen Fläche des Halters 4 angeordnet und mittels Schrauben 5 in den Schrauböffnungen 52 durch die Schraubendurchgangsöffnungen 51 befestigt.
Das Hitzeisolierelement 3 ist mit einer Anbringfläche für den Keramikheizer 2 an seiner vorderen Fläche 33 versehen, und der Keramikheizer 2 ist mittels Schrauben 6 befestigt.
Der Keramikheizer 2 hat die Gestalt einer Platte, in welcher ein Heizelement eingebettet ist, und er hat ein Paar von Anschlüssen 21, welche elektrisch mit dem Heizelement verbunden sind, in Richtung der Plattenoberfläche. Hervorstehende Bereiche 24 sind auf beiden Seiten in horizontaler Richtung vorgesehen, und Schraubendurchgangsöffnungen 61 öffnen sich. Schrauböffnungen 62 entsprechend diesen Schraubendurchgangsöffnungen 61 sind in hervorstehende Bereiche 34 hineingeschnitten, welche in horizontaler Richtung der Plattform 32 des Isolierelements 3 vorgesehen sind. Der Keramikheizer 2 ist auf der Plattform 32 des Isolierelements 3 angeordnet und befestigt durch das Einführen eines Paars von Schrauben 6, 6 in die Schraubendurchgangsöffnungen 61 des Keramikheizers 2 und durch Schrauben in die Schrauböffnungen 62 in der Plattform des Isolierelements 3.
Während in diesem Beispiel das Werkzeug 1 durch Vakuumansaugung von dem Keramikheizer 2 angezogen und daran befestigt wird, kann das Werkzeug 1 einen Halbleiterchip durch Vakuumansaugung halten und bewegen und den Chip pressen, während er erhitzt wird. In diesem Beispiel hat das Werkzeug 1 die Gestalt einer dünnen Platte, und eine Durchgangsöffnung 71b in Kreuzform ist in der Mitte des Werkzeugs 1 ausgebildet. Einige Arten von äußeren Gestalten und Flächen des Werkzeugs 1 sind vorbereitet, um mit Gestalten von anzusaugenden Halbleiterchips zusammenzupassen.
In einer Kontaktier-Heizvorrichtung in 2 ist eine Ringnut 72a in der vorderen Fläche 20 des Keramikheizers 2 vorgesehen, und erste Saugdurchgangsöffnungen 73a, 74a treten durch das Hitzeisolierelement 3 und den Halter 4 hindurch, um mit dieser Ringnut 72a in Kontakt zu geraten, so dass der Keramikheizer 2 das Werkzeug 1 durch Vakuumansaugung befestigt.
Um das Werkzeug 1 anzusaugen, ist insbesondere eine Ringnut 72 in die Oberfläche des Heizers 2 hineingeschnitten, und Bereiche der Ringnut 72a treten bis zur Rückseite hindurch. Ein Paar von Durchgangsöffnungen 73a, 73a für die Vakuumansaugung sind in dem Isolierelement 3 vorgesehen, um mit diesen durchgehenden Bereichen in Verbindung zu stehen. In gleicher Art und Weise sind Durchgangsöffnungen 74a, 74a in dem Halter 4 vorgesehen, welche mit diesen Durchgangsöffnungen 73a, 73a in Verbindung stehen. In dem Halter 4 sind die Durchgangsöffnungen 74a, 74a mit einer nicht dargestellten externen Saugvorrichtungen verbunden, und die rückwärtige Fläche 10 des Werkzeugs 1 wird fest mit der vorderen Fläche 20 des Keramikheizers 2 mittels Vakuumansaugung durch die Ringnut 72a verbunden.
Außerdem öffnet sich in dieser Kontaktier-Heizvorrichtung eine zweite Ansaugdurchgangsöffnung in der vorderen Fläche 11 des Werkzeugs 1 und tritt hindurch durch das Werkzeug 1, den Keramikheizer 2, das Hitzeisolierelement 3 und den Halter 4, so dass das Werkzeug seinerseits Halbleiterchips anziehen und anheben kann. In diesem Beispiel sind die zweiten Durchgangsöffnungen 71b, 72b, 73b, 74b durchgehend ausgebildet, so dass das Werkzeug 1, der Keramikheizer 2, das Isolierelement 3 und der Halter 4 miteinander verbunden sind. Nach dem Zusammenbau wird der Halter 4 mittels einer weiteren externen Ansaugvorrichtung (nicht dargestellt) mittels der Durchgangsöffnung angesaugt, so dass der Halbleiterchip fest an der Endfläche des Werkzeugs 1 adsorbiert werden kann. Die Öffnung in der vorderen Fläche 11 des Werkzeugs hat eine Kreuzform, um das Ansaugen zu erleichtern.
Zusätzlich zu dem oben beschriebenen Verfahren mit Schrauben und Vakuumansaugung können Verbindungsmittel unter Verwendung eines lösbaren Haftmittels in der Kontaktier-Heizvorrichtung verwendet werden. Ein Verfahren zum sandwichartigen Verbinden der oben genannten Elemente durch metallische oder Keramikplatten von der Seite kann auch angewandt werden.
3 zeigt eine Kontaktier-Heizvorrichtung, in welcher die vorgenannten Elemente nur durch Vakuumansaugung verbunden sind. Diese Vorrichtung hat einen Aufbau, der erhalten wird durch Stapeln eines Werkzeugs 1, eines Keramikheizers 2, eines Hitzeisolierelements 3 und eines Halters 4. Erste Ansaugdurchgangsöffnungen 72a, 73a, 74a zum Adsorbieren des Werkzeugs 1 (Kopf) sind in dem Keramikheizer 2, dem Hitzeisolierelement 3 und dem Halter 4 vorgesehen, so dass sie miteinander in Verbindung stehen.
Dabei zeigt 3, dass eine dritte Ansaugdurchgangsöffnung 74d zum Adsorbieren des Hitzeisolierelements 3 hindurchtritt und dass ihre Öffnung der unteren Fläche 30 (der rückwärtigen Fläche) des Hitzeisolierelements 3 gegenüberliegt. In dieser Zeichnung sind außerdem vierte Ansaugdurchgangsöffnungen 73e, 74e zum Adsorbieren des Keramikheizers 2 durchgehend durch das Hitzeisolierelement 3 bzw. den Halter 4 ausgeformt. Diese Elemente 1, 2, 3, 4 werden durch diese Ansaugdurchgangsöffnungen vakuumadsorbiert und integral gehalten.
Da die Elemente 1, 2, 3 und 4 nur mechanisch verbunden sind und getrennt werden können, kann die Vorrichtung daher für verschiedene Größen von Halbleiterchips mit unterschiedlichen Ausmaßen verwendet werden, indem lediglich das Werkzeug 1 und der Keramikheizer 2 ausgetauscht werden. Wenn eines der Elemente beschädigt ist, braucht außerdem nur das beschädigte Elemente ausgetauscht zu werden.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft eine Kontaktier-Heizvorrichtung, welche mit einer Kühleinrichtung versehen ist. In dieser Ausführungsform beinhaltet die Kühleinrichtung Mittel zum Beschleunigen der Abkühlung des Keramikheizers beim Temperaturabfall, wodurch die Geschwindigkeit des Temperaturabfalls steigt. Außerdem beinhaltet die Kühleinrichtung Mittel zum Verhindern eines Temperaturanstiegs des Halters, um dessen Verformung zu verhindern.
Als Kühleinrichtung zum Beschleunigen eines Temperaturabfalls gemäß der vorliegenden Erfindung sind ein Paar von flachen Nuten mit einem Zwischenraum zwischen ihnen in der Fläche des Hitzeisolierelements 3 vorgesehen, wie in 4 gezeigt. Wenn der Keramikheizer 2 angebracht wird, befindet sich ein Paar von Lücken 73d, 73d zwischen dem Hitzeisolierelement 3 und dem Keramikheizer 2. Eine Kühlöffnung 73c erstreckt sich durch das Hitzeisolierelement 3 offen zu diesen Lücken 73d, 73d, und diese Kühlöffnungen 73c stehen in Verbindung mit Kühlöffnungen 74c, welche sich durch den Halter 4 hindurch erstrecken. Die Räume 3d und Kühlöffnungen 73c, 74c bilden einen Kühlmittelkanal. Beim Kühlen nach dem Aufheizen des Heizers kann ein Gas als Kühlmittel durch die Kühlöffnungen 74c, 73c durch die Lücken 73d fließen, um den Keramikheizer 2 direkt und zwangsweise abzukühlen. Demzufolge kann der Keramikheizer 2 in einer kürzeren Zeit abgekühlt werden als mit einem herkömmlichen indirekten Kühlverfahren.
Vorzugsweise sind zwei oder mehr Kühlöffnungen 73c, 74c mit einem Durchmesser von 1–5 mm vorgesehen. Die Höhe h der Lücke 73d beträgt vorzugsweise 0,5–2 mm. Die Räume sind offen zu den Seitenflächen, und ein Gas als Kühlmittel wird gleichmäßig nach außen abgegeben. Der Raum hat vorzugsweise nicht eine Höhe h von weniger als 0,5 mm, da ein Druckverlust steigt aufgrund des Gasflusses, was ein Vorladen des Gases erfordert. Es ist auch nicht bevorzugt, dass die Höhe mehr als 2 mm beträgt, da das Volumen der Lücke 73d steigt und das Gas langsam ausgetauscht wird, was das Kühlen bremst.
Da außerdem die Lücken 73d zwischen dem Keramikheizer 2 und dem Hitzeisolierelement 3 ausgeformt sind, wird die Kontaktfläche zwischen dem Keramikheizer 2 und dem Hitzeisolierelement 3 um 20% oder mehr gesenkt. Die Hitzeübertragung an das Hitzeisolierelement 3 wird daher reduziert, was die Geschwindigkeit eines Temperaturanstiegs dieses Keramikheizers 2 beschleunigt.
Eine Kühleinrichtung zum Verhindern einer thermischen Verformung des Halters 4, um die Anbringgenauigkeit zu verbessern, wird nun beschrieben. Um die thermische Verformung der Kontaktier-Heizvorrichtung zu verhindern, ist es sinnvoll, die Aufheizung des Halters 4 aus metallischem Material zu minimieren. Daher sind flache Nuten 74f, welche Kühlmittelkanälen entsprechen, in einer Kontaktfläche 40 des Halters 4 vorgesehen, welche in Kontakt mit dem Hitzeisolierelement 3 gebracht wird, und in einer Anbringfläche 41 des Halters 4, welche mit einer Vorrichtung verbunden wird. Ein Gas als Kühlmittel wird aus einer Gaszuführöffnung 74g zugeführt. Das Hitzeisolierelement 3 und der Halter 4 werden gekühlt, indem das Gas in den Nuten 74f, 74f fließen kann, welche in der oberen und unteren Fläche ausgebildet sind. Luft, welche in den Nuten 74f fließt, wird schrittweise von einer Verbindungsfläche zwischen dem Halter 4 und dem Hitzeisolierelement 3 oder von einer Verbindungsfläche des Halters 4 und einem Halteelement einer Bondingvorrichtung abgegeben.
Demzufolge können, sogar wenn der Keramikheizer 2 als konstanter Heizer verwendet wird, welcher normalerweise bei einer hohen Temperatur von ungefähr 500°C verwendet wird, sowohl das Hitzeisolierelement 3 als auch der Halter 4 auf einer niedrigen Temperatur von ungefähr 50°C gehalten werden, was die thermische Verformung verhindert. Diese Nut 74f zum Kühlen hat einen gleichen Effekt, wenn sie nicht in beiden Flächen des Hitzeisolierelements 3 und des Halters 4 ausgeformt ist, sondern innerhalb davon.
Als Kühlmittelgas können Gase, wie Luft, Stickstoffgas, Kohlendioxidgas und ähnliches verwendet werden. Kohlendioxidgas ist ein exzellentes Kühlmittel aufgrund seiner großen Hitzekapazität. Wenn ein offenes System für die Absaugung verwendet wird, wird unter dem Gesichtspunkt der Sicherheit vorzugsweise Luft als Kühlmittel verwendet. Eine Durchflussgeschwindigkeit des Gases beträgt vorzugsweise ungefähr 300–50.000 cm³/Min. pro Kanal.
In der Kontaktier-Heizvorrichtung der vorliegenden Erfindung beträgt eine thermische Leitfähigkeit des Werkzeugs 1 vorzugsweise 100 W/m·K oder mehr, und eine thermische Leitfähigkeit des Keramikheizers beträgt 10 W/m·K oder mehr. Eine solche thermische Leitfähigkeit ist sinnvoll, da das Problem gelöst werden kann, dass die Temperatur eines äußeren Bereichs des Werkzeugs 910 aufgrund der Hitzeabgabe in die Luft bei dem herkömmlichen Bondingheizer 92 in 5A gering ist. In 1 der vorliegenden Erfindung kann ein Temperaturabfall im äußeren Bereich des Werkzeugs 1 aufgrund der Abgabe von Hitze in die Luft verhindert werden durch Vergrößern einer thermischen Leitfähigkeit des Werkzeugs 1 und des Keramikheizers 2 auf den oben genannten Bereich. Gleichzeitig kann von dem Keramikheizer 2 erzeugte Hitze effizient zu dem Werkzeug 1 zugeführt werden, und ein Temperaturabfall des äußeren Bereichs des Werkzeugs 1 kann verhindert werden durch Verwenden des Hitzeisolierelements 3 mit einer niedrigeren thermischen Leitfähigkeit als der des Keramikheizers.
Da ein Werkzeug 1 mit einer thermischen Leitfähigkeit unterhalb von 100 W/m·K eine große Temperaturverteilung hat, wird eine Temperaturverteilung an einem Halbleiterchip groß, und daher können Abweichungen beim Bonden mit Lötmittel auftreten. Außerdem ist ein Keramikheizer 2 mit einer thermischen Leitfähigkeit unterhalb von 10 W/m·K nicht bevorzugt, da die Temperaturverteilung an dessen Oberfläche groß wird und Abweichungen in der Temperaturverteilung des Halbleiterchips auftreten.
Außerdem ist der thermische Expansionskoeffizient des Werkzeugs 1, des Keramikheizers 2, des Hitzeisolierelements 3 und des Halters 4 vorzugsweise 6 × 10^–6/K oder geringer. Durch Verwenden eines so niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten kann eine Verschiebung aufgrund von Ausweitung oder Schrumpfung beim Erhitzen oder Kühlen jedes Elements reduziert werden sowie eine Verschiebung beim Anbringen des Halbleiterchips, welches ein Problem bei dem herkömmlichen Pulsheizerverfahren ist.
Außerdem ist die thermische Leitfähigkeit des Hitzeisolierelements 3 vorzugsweise 5 W/m·K oder darunter. Da ein solches Hitzeisolierelement 3 die Hitzeübertragung an den Halter begrenzt und so Hitze zu dem Keramikwerkzeug 1 hin übertragen wird, kann die Leistungsfähigkeit beim Heizen des Werkzeugs 1 verbessert werden, und die Zeit, die erforderlich ist, um ein Bondingmaterial, wie eine Lötlegierung oder ein leitfähiges Haftmittel, zum Bonden eines Halbleiterchips und eines Schaltkreissubstrats zu erweichen und zu schmelzen, kann verkürzt werden.
Materialien, welche die thermischen Anforderungen der oben genannten Elemente der Kontaktier-Heizvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllen, werden nun beschrieben. Als Werkzeug 1 zum Pressen eines zu erhitzenden Objekts wird ein gesinterter Körper mit beispielsweise Aluminiumnitrid oder Siliziumkarbid als Hauptinhaltsstoff verwendet. Dieser gesinterte Körper aus Aluminiumnitrid und Siliziumkarbid kann eine thermische Leitfähigkeit von 100 W/m·K oder darüber und einen thermischen Expansionskoeffizienten von 6 × 10^–6/K oder darunter haben.
Der gesinterte Körper aus Aluminiumnitrid kann z. B. Al₂O₃, Y₂O₃ oder Yb₂O₃ als Sinteradditiv enthalten. Um das Werkzeug 1 aus Aluminiumnitrid-Keramik herzustellen, werden ein Aluminiumnitrid-Pulver und ein gewünschtes Sinteradditiv-Pulver, wie z. B. Al₂O₃, Y₂O₃ oder Yb₂O₃, angepasst, um eine gewünschte Mischung herzustellen, und gemischt mit den Kugeln von Aluminium oder Siliziumnitrid in einer Kugelmühle, Schwingungsmühle oder ähnlichem, um die Mischeffizienz mit einem nicht-wässrigen Lösungsmittel, wie z. B. Methanol oder IPA, zu verbessern. Der erhaltene Aluminiumnitrid-Schlamm wird durch ein Sieb mit ungefähr 200 Maschen gegeben, getrocknet mittels eines explosionssicheren Trockners bei ungefähr 120°C für ungefähr 24 Stunden und dann durch ein Sieb mit ungefähr 40 Maschen gegeben. Das erhaltene Aluminiumnitrid wird granuliert durch Mischen eines gewünschten organischen Binders und durch Anwenden eines Verfahrens des Sprühtrocknens, des nassen oder trockenen Granulierens. Die granulierten Substanzen werden zu einem geformten Körper geformt in einem Druck- oder CIP-Formverfahren, und dann wird der organische Binder bei ungefähr 500–700°C entfernt. Der erhaltene geformte Körper wird gesintert bei Anwesenheit von Stickstoff bei ungefähr 1800–2000°C. In einem anderen Verfahren können die granulierten Substanzen direkt gesintert werden durch Heißpressen, wobei das Formen und Sintern gleichzeitig in einer Kohlenstoffform durchgeführt werden.
Um ein Werkzeug aus einem gesinterten Körper mit Siliziumkarbid zu erhalten, werden 0,2–4 Gew.-% Boronkarbid oder, wenn erforderlich, 0,5–5 Gew.-% seltene Erdmetalloxide zu Siliziumkarbid hinzugefügt und im Vakuum bei 1900–2100°C gesintert.
Vorzugsweise wird ein Keramikheizer 2 verwendet, welcher einen Heizwiderstand hat, welcher in eine Keramik eingebettet ist, welche z. B. Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Aluminium oder Aluminiumnitrid als Hauptzusatzstoff beinhaltet. Beispielsweise wird Siliziumkarbid verwendet, um einen gesinterten Körper zu erhalten, indem B, C oder ähnliches als Sinteradditiv verwendet wird. Wenn Siliziumnitrid verwendet wird, wird ein gesinterter Körper mit beispielsweise Y₂O₃, Al₂O₃ oder Yb₂O₃ als Sinteradditiv verwendet. Wenn Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid verwendet wird, kann ein Keramikheizer 2 mit einer thermischen Leitfähigkeit von 10 W/m·K oder höher und mit einem thermischen Expansionskoeffizienten von 6 × 10^–6/K oder darunter erzielt werden.
Um einen Keramikheizer 2 herzustellen, wird das oben genannte Sinteradditiv mit dem Siliziumnitrid-Pulver oder Siliziumkarbid-Pulver vermischt, um eine gewünschte Mischung vorzubereiten, und gemischt mit Al₂O₃-Medium mit einem nichtwässrigen Lösungsmittel, wie beispielsweise Methanol oder IPA durch eine Kugelmühle, eine Schwingungsmühle oder ähnliches. Der erzielte Schlamm wird getrocknet mittels eines Trockners bei ungefähr 120°C und dann durch ein Sieb mit ungefähr 40 Maschen gegeben.
Ein erwünschter organischer Binder wird gemischt mit dem hier erhaltenen gemischten Puder mittels eines Verfahrens, wie eines Sprühtrockenverfahrens oder ähnlichem, und eine gewünschte Gestalt wird erzielt durch Druckformen oder CIP-Formen. Der geformte Körper wird entbunden bei ungefähr 500–700°C und gesintert bei ungefähr 1800–2000°C bei Anwesenheit von Stickstoff, um eine Platte aus Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid zu erhalten. Die Platte aus Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid kann gesintert werden durch Heißpressen, wobei das Formen und Sintern direkt gleichzeitig in einer Kohlenstoffform durchgeführt werden.
Die Platte aus Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid, die so erhalten wird, wird als oben beschriebener Keramikheizer verwendet. Wenn Siliziumkarbid in einem Keramikheizer 2 verwendet wird, kann das Siliziumkarbid als Heizelement verwendet werden, indem Strom durch das Siliziumkarbid selbst geschickt wird aufgrund seiner Eigenschaft als Halbleiter.
Wenn andererseits Siliziumnitrid in einem Keramikheizer 2 verwendet wird, wird ein Heizelement aufgrund seiner isolierenden Eigenschaft ausgebildet. Ein Heizwiderstandselement aus leitfähiger Keramik oder Metall, wie W/Mo, WC oder ähnliches wird auf die Oberfläche oder in das Siliziumkarbid hineingedruckt, und dann wird das Heizelement auf das Siliziumnitrid gedruckt, und zwar später oder gleichzeitig mit dem Sintern des Siliziumnitrids in einer reduzierenden Atmosphäre, um diese zu integrieren. Der metallene Anschlussdraht wird mit dem Heizelement aus leitfähiger Keramik oder Metall verlötet durch Verwenden von Lötmaterial, wie AgCu, Ag, Cu oder ähnlichem, und an diesen gelöteten Metallanschlussdraht wird eine Spannung angelegt.
Beispielsweise werden in einem Keramikheizer 2, der Siliziumnitrid als Hauptinhaltsstoff beinhaltet, ein Siliziumnitrid-Pulver, ein seltenes Erdmetalloxid, wie Y₂O₃, Yb₂O₃ oder ähnliches, und ein gewünschtes Sinteradditiv-Pulver, wie Al₂O₃, SiO₂ oder ähnliches, angepasst, um eine gewünschte Mischung vorzubereiten. Dann werden ein Heizwiderstandsmuster aus Metall mit hohem Schmelzpunkt, wie W, Mo oder ähnliches oder ein Karbid davon als Hauptinhaltsstoff sowie Anschlusselektroden auf den geformten Körper aufgedruckt, der geformt wird unter einem Druck von 1 t/cm². Dann wird auf den geformten Körper ein anderer geformter Körper gestapelt und damit verbunden, welcher einem Heißpressen bei 1650–1750°C unterliegt oder aufgeheizt wird bei 1700–1850°C in einer Stickstoffatmosphäre bei 10132,5 hPa oder mehr, um einen gesinterten Körper zu erhalten. Die Hauptflächen der kombinierten Körper werden mit genauen Abmessungen geerdet, und der Anschlusselektrodenbereich wird separat geerdet, um die Anschlusselektrode freizulegen. Metallische Elektrodenpassstücke werden mittels Lötmaterial verbunden, um einen Keramikheizer 2 zu erzielen.
Um einen Keramikheizer 2 herzustellen, der Aluminium als Hauptinhaltsstoff beinhaltet, werden ein Aluminiumpulver und Material, zu welchem eine geeignete Menge an SiO₂, MgO und CaO als Sinteradditive hinzugefügt sind, gemischt. Ein Heizwiderstand, der W, Mo und/oder Re als Hauptinhaltsstoff beinhaltet, und ein Elektrodenanschlussbereich werden auf eine Fläche eines bandgegossenen Aluminiumbands aufgedruckt, um ein Elektrodenpad auf der hinteren Fläche des Elektrodenanschlussbereichs auszuformen. Dann wird eine Durchgangsöffnung ausgeformt und in leitenden Kontakt gebracht durch Einfüllen einer Paste, welche das gleiche Material beinhaltet wie der Elektrodenanschlussbereich. Nachdem ein weiteres Aluminiumnitrid-Band gestapelt und mit dem Heizwiderstand verbunden worden ist, wird ein gesinterter Körper erhalten durch Aufheizen in einer reduzierenden Atmosphäre bei 1500–1600°C. Nachdem das Elektrodenpad mit Nickel plattiert worden ist, werden metallische Elektrodenpassstücke verbunden durch Löten, um einen keramischen Heizer 2 zu erhalten.
Um einen keramischen Heizer herzustellen, der Aluminiumnitrid als Hauptinhaltsstoff beinhaltet, werden eine geeignete Mischung von seltenen Erdmetalloxiden, wie Y₂O₃, Yb₂O₃ oder ähnliches, und Alkalierdoxide, wie CaO, MgO oder ähnliches, als Sinteradditive mit einem Aluminiumnitridpulver gemischt. Ein Heizwiderstand, welcher W, Mo, Re, Karbide davon und/oder Nitride davon beinhaltet als Hauptinhaltsstoff sowie ein Elektrodenanschlussbereich werden auf eine Oberfläche eines bandgegossenen Aluminiumnitridbands aufgedruckt, um ein Elektrodenpad auf der hinteren Fläche des Elektrodenanschlussbereichs auszubilden. Dann wird eine Durchgangsöffnung ausgebildet und in leitenden Kontakt gebracht durch Einfüllen einer Paste, welche das gleiche Material beinhaltet wie der Elektrodenanschlussbereich. Nachdem ein anderes Aluminiumband auf den Heizwiderstand gestapelt und damit verbunden worden ist, wird ein gesinterter Körper erhalten durch Sintern in einer Vakuum- oder Stickstoffatmosphäre bei 1700–1950°C. Nachdem das Elektrodenpad einem Nickelplattieren unterworfen worden ist, werden metallische Elektrodenpassstücke verbunden durch Löten, um einen Keramikheizer 2 zu erzielen.
Als Lötmaterial zum Löten des Keramikheizers 2 können AuCu, AuNi oder AgCu-Lötmaterialien verwendet werden.
Mullitkeramik oder Mullit-Kordieritkeramik mit einer Porosität von ungefähr 5–30% können als das Hitzeisolierelement 3 verwendet werden. Wenn das Hitzeisolierelement 3 mit dieser Porosität gesintert wird, während Kunstharzkügelchen in dem erzeugten Körper verteilt werden, kann ein gesinterter Körper mit zureichender Festigkeit und gleichzeitig ausreichender Hitzeisolierung erzielt werden. Wenn nur ein poröser gesinterter Körper erzielt zu werden braucht, kann ein poröses Hitzeisolierelement erhalten werden durch Sintern bei einer Temperatur unterhalb einer Sintertemperatur oder durch Sintern unter Verwendung von Material mit großer Korngröße.
So kann ein Hitzeisolierelement 3 mit einer thermischen Leitfähigkeit von 5 W/m·K oder darunter und einem thermischen Expansionskoeffizienten von 6 × 10^–6/K oder darunter erzielt werden.
Als Halter zum Integrieren der Komponentenelemente, abgesehen von dem Keramikwerkzeug 1 und zum Verbinden dieser Elemente mit einem anderen Element, kann beispielsweise eine Invar-Legierung mit einem thermischen Expansionskoeffizienten von 6 × 10^–6/K oder darunter durch Anpassen der Menge des hinzugefügten Nickels verwendet werden.
Beispiel 1
Hier sind die Anpassbarkeits- und Wartungskennwerte für unterschiedliche Größen von Haltleiterchips von der Kontaktier-Heizvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und einer herkömmlichen Kontaktier-Heizvorrichtung verglichen worden.
Der Keramikheizer wurde wie unten beschrieben hergestellt gemäß dem in 1 und 2 gezeigten Aufbau.
Ein Werkzeug 1 mit einer rechteckigen äußeren Gestalt von 24 × 24 mm und einer Dicke von 2 mm wurde erhalten durch Mischen eines Aluminiumnitrid-Pulvers mit Yb₂O₃ als Sinteradditiv mit einem Binder und durch Pressen dieser Mischung in eine Form, durch Sintern in einer Stickstoffatmosphäre bei 1900°C und durch Bearbeiten durch Oberflächenschleifen. Eine kreuzförmige Durchgangsöffnung 71 wurde durchgehend an dem mittleren Bereich des Werkzeugs 1 ausgebildet.
Um einen Keramikheizer zu erhalten, wurde ein Siliziumnitrid- oder Aluminiumnitridpulver mit Yb₂O₃ als Sinteradditiv mit einem Binder gemischt und pressgeformt, um quadratische geformte Körper von 50 mm zu erhalten. Eine Wolframkarbid(WC)-Paste wurde auf einen geformten Körper als ein Heizelement aufgedruckt, und ein anderer geformter Körper wurde kombiniert, um ein Aggregat zu erhalten, durch Platzieren der WC-Paste zwischen diesen beiden geformten Körpern.
Das Aggregat wurde heißgepresst bei 1700–1800°C, um gesinterte Körper aus Siliziumnitrid bzw. Aluminiumnitrid zu erhalten, mit einem darin eingebetteten WC-Heizelement. Diese wurden bearbeitet unter Verwendung einer Oberflächenschleif- oder Ultraschallmaschine, um einen Heizer mit einer äußeren Gestalt von 24 × 24 mm und einer Dicke von 3 mm sowie mit Schraubendurchgangsöffnungen 61 zu erhalten, die auf beiden Seiten hindurchgehen. Dann wurden Pad-Elektroden 21, eine zweite Durchgangsöffnung 72b sowie eine Ringnut 72a für die Vakuumansaugung ausgeformt, um einen Keramikheizer 2 zu erhalten.
Ein Hitzeisolierelement 3 wurde geformt durch Verarbeiten von porösem Mullitmaterial unter Verwendung einer Oberflächenschleif- oder Ultraschallmaschine, so dass die Abmessungen des Elements zu denen des Keramikheizers 2 passten. Schraubendurchgangsöffnungen 51 und Schraubenöffnung 62 zum Befestigen des Heizers wurden ausgestanzt, und erste und zweite Durchgangsöffnungen 73a, 73b für die Vakuumansaugung wurden außerdem an vorbestimmten Stellen ausgestanzt. Die thermische Leitfähigkeit des Hitzeisolierelements 3 wurde durch Anpassen der Porosität verändert.
Ein Halter 4 wurde vorbereitet durch Verarbeiten von FeNi-Legierung (Invar-Legierung) mit viel Nickel mittels eines Oberflächenschleifers oder einer Ultraschallmaschine, so dass seine Abmaße zu denen des Hitzeisolierelements 3 passten. Schraubenöffnungen 52 wurden an Ecken gewindegeschnitten durch Bearbeiten, und eine erste und eine zweite Durchgangsöffnung 74a, 74b für die Vakuumansaugung wurden im mittleren Bereich ausgebildet.
Der thermische Expansionskoeffizient des Halters 4 wurde verändert durch Verändern des Nickelgehalts in der Legierung.
Die herkömmliche Kontaktier-Heizvorrichtung wurde erhalten durch Bonden eines Keramikheizers 92 und eines Kopfes 16 mit Bondmaterial 911, wie in 5B gezeigt, und durch Befestigen dieser Anordnung an dem Halter 94.

Tabelle 1 zeigt einen Vergleich der Anpassbarkeit und Wartungskennwerte für verschiedene Halbleiterchip-Größen zwischen diesen Beispielen. Tabelle 1

	Anpassbarkeit an Halbleiterchips	Wartung
Pulsheizer	nur anpassbar an bestimmte Chipgrößen	Heizer und Werkzeug gleichzeitig ausgetauscht
Ausführungs- form	anpassbar an ververschiene Typgrößen	Heizer und Werkzeug können getrennt ausgetauscht werden.

In der Kontaktier-Heizvorrichtung in 1 und 2 sind ein Keramikwerkzeug 1 zum Pressen eines zu erhitzenden Objekts und ein Keramikheizer 2 zum Erhitzen des Werkzeugs 1 separat vorgesehen, und ein Hitzeisolierelement 3 zum Übertragen von Hitze an das Keramikwerkzeug 1 sowie ein Halter 4 sind mechanisch mittels Schrauben 5 befestigt. Daher ist das Werkzeug für verschiedene Halbleiterchipgrößen geeignet. Während der Wartung können das Werkzeug und der Keramikheizer getrennt ausgetauscht werden. Die trennbare Kontaktier-Heizvorrichtung löst daher das Problem, dass die herkömmliche, feste Kontaktier-Heizvorrichtung nicht für verschiedene Halbleiterchipgrößen geeignet ist und dass, wenn nur das Werkzeug oder nur der Keramikheizer beschädigt ist, beide ausgetauscht werden müssen.
Beispiel 2
In diesem Beispiel ist die Beziehung einer thermischen Leitfähigkeit des Keramikheizers 2 und Werkzeugs 1 zu einer Temperaturverteilung an einem Halbleiterchip 8, welcher mittels einer Kontaktier-Heizvorrichtung erhitzt wurde, welche diese Elemente verwendet, untersucht.
Die thermische Leitfähigkeit des Werkzeugs 1 wurde eingestellt durch Anpassen der Menge von Yb₂O₃ und Aluminiumnitrid. Der thermische Expansionskoeffizient des Keramikheizers 2 wurde verändert durch Auswählen Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid als ein Keramikheizer 2. Die thermische Leitfähigkeit davon wurde verändert durch Verändern der Zusammensetzung von Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid und Yb₂O₃.
In diesem Beispiel wurde die thermische Leitfähigkeit des Keramikwerkzeugs 1 auf 100 W/m·K oder darüber gesetzt und die des Keramikheizers 2 auf 10 W/m·K oder darüber. In diesem Beispiel fiel die Temperatur eines äußeren Bereichs des Werkzeugs 1 ab, und von dem Keramikheizer 2 erzeugte Hitze konnte gleichzeitig aufgrund der Hitzedissipation in die Luft abgeführt werden durch Vergrößern der thermischen Leitfähigkeit des Werkzeugs 1 und des Keramikheizers 2. Die Temperaturverteilung an dem Halbleiterchip wurde gemessen durch ein Thermoelement, während die thermische Leitfähigkeit des Werkzeugs 1 und des Keramikheizers 2 verändert wurde, und die Verhinderung eines Temperaturabfalls in dem äußeren Bereich des Werkzeugs 1 wurde verglichen.
Die Ergebnisse gehen aus Tabelle 2 hervor. Tabelle 2

Probe Wärmeleitfähigkeit W/m·K Temperaturverteilung ΔT (°C)

Heizer Werkzeug

Probe 1 9 90 9

Probe 2 20 110 4

Probe 3 9 110 7

Probe 4 20 90 8

Vergleichsbeispiel - - 30
Dieses Beispiel zeigt, dass die Temperaturdifferenzen zwischen dem höchsten Temperaturpunkt und dem niedrigsten Punkt stets 10°C oder weniger an dem Halbleiterchip betragen haben. Insbesondere betrug die Temperaturdifferenz 5°C oder weniger durch Setzen der thermischen Leitfähigkeit des Keramikwerkzeugs 1 auf 100 W/m·K oder darüber und der thermischen Leitfähigkeit des Keramikheizers 2 auf 10 W/m·K oder darüber.
Andererseits war die Temperaturdifferenz zwischen dem höchsten Temperaturpunkt und dem niedrigsten Punkt an dem Halbleiterchip so groß wie 30°C in dem herkömmlichen Pulsheizer, wobei die Temperatur schnell anstieg durch den Fluss eines großen Stroms durch das Titan oder Molybdän.
Beispiel 3
In diesem Beispiel wurden die thermischen Expansionskoeffizienten des Keramikwerkzeugs 1, des Keramikheizers 2, des Hitzeisolierelements 3 und des Halters 4 auf 6 × 10^–6/K oder darunter gesetzt. Durch Reduzieren der Veränderung in den Abmessungen jedes Elements in den Heiz- und Kühlvorgängen wurde eine Verschiebung eines Halbleiterchips bezüglich des Substrats beim Anbringen eines Halbleiterchips mit dem Fall der Anwendung eines herkömmlichen Pulsheizerverfahrens verglichen. Die Verschiebung des Chips wurde gemessen unter Verwendung eines Laser-Interferometers.

Die Ergebnisse gehen aus Tabelle 3 hervor. Tabelle 3

	Thermischer Expansionskoeffizient (× 10^–6/K)				Verschiebung (μm)
	Werkzeug	Heizer	Isoliermaterial	Halter
Probe 1	4,5	3,2	3,2	5,0	9
Probe 2	4,5	4,4	3,2	5,0	10
Probe 3	4,5	3,2	3,2	6,5	18
Vergleichsbeispiel	-	-	-	-	40

In diesem Beispiel betrug die Verschiebung des Halbleiterchips 20 μm oder darunter in allen Fällen. Insbesondere konnte die Verschiebung auf 10 μm oder weniger gesenkt werden durch Setzen des thermischen Expansionskoeffizienten des Keramikwerkzeugs 1, des Keramikheizers 2, des Hitzeisolierelements 3 und des Halters 4 auf 6 × 10^–6/K oder darunter. Dies ist eine große Verbesserung mit dem herkömmlichen Pulsheizer, wo die Verschiebung 40 μm betrug.
Beispiel 4
In diesem Beispiel wurde eine Zeit für den Temperaturanstieg von der Hitzeerzeugung durch den Keramikheizer auf 25–350°C bewertet in Beziehung zu einer thermischen Leitfähigkeit des Hitzeisolierelements 3. Die thermischen Leitfähigkeiten der Probe wurden verändert auf 1, 2, 4 und 6 W/m·K durch Anpassen der Porosität des Hitzeisolierelements 3, und das Hitzeisolierelement wurde hergestellt wie im Beispiel 1 beschrieben. Ein Pulsheizer wurde für den Vergleich verwendet.
Die Ergebnisse gehen aus Tabelle 4 hervor. Tabelle 4

Hitzeleitfähigkeit (W/m·K) des Isoliermaterial Temperaturanstiegsrate (s)

Probe 1 6 1,9

Probe 2 4 1,4

Probe 3 2 1,1

Probe 4 1 1,0

Vergleichsbeispiel - 3,2
Bei dem herkömmlichen Pulsheizer betrug die Zeit für den Temperaturanstieg, bis das Haftmittel aufgeweicht war, 3,2 Sekunden. Andererseits betrug in den Proben gemäß dem Beispiel, in welchen die thermische Leitfähigkeit des Hitzeisolierelements auf einen Bereich von 1–6 W/m·K gesetzt war, die Zeit für den Temperaturanstieg 2 Sekunden oder weniger. Es wurde festgestellt, dass die Zeit für den Temperaturanstieg auf 1,5 Sekunden oder darunter gedrückt werden konnte durch Wählen von 5 W/m·K oder weniger.
Beispiel 5
Hier wurde die Abkühlgeschwindigkeit verglichen zwischen der Kontaktier-Heizvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und der herkömmlichen Kontaktier-Heizvorrichtung. Die Kontaktier-Heizvorrichtung mit dem Keramikheizer aus 1 und 4 und der herkömmliche Bondingheizer aus 5B wurden vorbereitet.
Ein Aluminiumnitrid-Pulver mit Yb₂O₃ als Sinteradditiv wurde mit einer Binder gemischt, in einer Form pressgeformt, in einer Stickstoffatmosphäre bei 1900°C gesintert und mittels eines Oberflächenschleifers bearbeitet, um ein rechteckiges Werkzeug 1 mit einer Fläche von 24 × 24 mm und einer Dicke von 2 mm zu erhalten.
Ein Siliziumnitrid-Pulver oder Aluminiumnitrid-Pulver mit Yb₂O₃ als Sinteradditiv wird gemischt mit einem Binder und dann pressgeformt, um 50 mm große quadratische geformte Körper aus Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid zu erhalten. Dann wird eine WC-Paste als Hitzewiderstand aufgedruckt, und Heizpressen wird bei 1700–1800°C durchgeführt, während die WC-Paste mit einem anderen 50 mm großen geformten Körper aus Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid sandwichartig angeordnet wird, um einen gesinterten Körper mit einem eingebetteten WC-Heizwiderstand zu erhalten. Die Hitzeerzeugungseinheit hatte eine Gestalt von 24 × 24 mm und eine Dicke von 3 mm unter Verwendung eines Oberflächenschleifers oder einer Ultraschallmaschine, und Schrauböffnungen wurden an beiden Seiten ausgebildet. Außerdem wurden Beine für einen Elektrodenanschlussbereich, Vakuumansaugöffnungen sowie eine Vakuumsaugnut ausgebildet, um einen Keramikheizer 2 zu erhalten.
Das Hitzeisolierelement 3 wurde hergestellt durch Verarbeiten eines porösen Mullitmaterials mittels eines Oberflächenschleifers oder einer Ultraschallmaschine, so dass dessen Abmaße zu denen des Heizers 2 passten. Die thermische Leitfähigkeit des Hitzeisolierelements 3 wurde verändert durch Anpassen der Porosität.
Ein Halter 4 wurde ausgeformt durch Verarbeiten einer Fe-Ni-Invar-Legierung unter Verwendung eines Oberflächenschleifers oder einer Ultraschallmaschine, so dass dessen Abmaße zu denen des Hitzeisolierelements 3 passten. Der thermische Expansionskoeffizient des Halters 4 wurde verändert durch Verändern des Nickelgehalts in der Legierung.
Die Kontaktier-Heizvorrichtung gemäß der Erfindung wurde hergestellt durch mechanisches Befestigen eines Keramikwerkzeugs 1 zum Pressen eines zu erhitzenden Objekts, eines Keramikheizers 2 mit Keramik als Hauptbestandteil zum Heizen des Werkzeugs, eine Hitzeisolierelements 3 zum Übertragen von durch den Keramikheizer 2 übertragener Hitze vor allem zu dem Keramikwerkzeug und eines Halters 4 zum Integrieren der entsprechenden Elemente und zum Verbinden dieser Elemente mit einem anderen Element unter Verwendung von Schrauben 5 oder ähnlichem.
Wie in 4 gezeigt, waren zwei Lücken 73d mit einer Höhe h von 0,5 mm zwischen dem Hitzeisolierelement 3 und dem Keramikheizer 2 vorgesehen, um einen Kühlmittelkanal zu schaffen. Luft konnte durch diesen Kanal als Kühlmittel fließen, um direkt und zwangsweise den Keramikheizer 2 zu kühlen.
Wie in 6 gezeigt, wurden in der herkömmlichen Kontaktier-Heizvorrichtung der Bondingheizer 92 und der Kopf 91 an dem Heizerhalter 94 angebracht, und diese Anordnung wurde an einem Halter 95 befestigt, welcher eine Wasserkühlverkleidung 96 beinhaltete, um eine Kontaktier-Heizvorrichtung zu schaffen.
Dann wurde die Abkühlgeschwindigkeit des Keramikheizers 2 zwischen diesen Proben verglichen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt. Tabelle 5

Temperatura im Temperatur bfall (s) bereich von

400°C–100°C 400°C–200°C

Beispiel 8,0 3,5

Vergleichsbeispiel 30 18
Wie in Tabelle 5 gezeigt, betrugen die Abkühlzeiten von 400°C auf 100°C und von 400°C auf 200°C in dem herkömmlichen Beispiel 30 bzw. 18 Sekunden. Andererseits betrugen die Abkühlzeiten in dem Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung 8 bzw. 3,8 Sekunden. Es wurde daher festgestellt, dass die Abkühlzeiten auf 10 Sekunden oder weniger verkürzt werden konnten.
Beispiel 6
Hier wurde die Reduzierung der thermischen Verformung aufgrund des Abkühlens des Hitzeisolierelements 3 und des Halters 4 gezeigt. Durch Verwenden von Aluminiumnitrid mit einem thermischen Expansionskoeffizienten von 4,5 × 10^–6/K als Keramikwerkzeug 1 von Siliziumnitrid mit einem thermischen Expansionskoeffizienten von 3,2 × 10^–6/K und Aluminiumnitrid mit einem thermischen Expansionskoeffizienten von 4,5 × 10^–6/K als Keramikheizer 2, von Siliziumnitrid mit einem thermischen Expansionskoeffizienten von 3,2 × 10^–6/K als Hitzeisolierelement 3 und von einer Invar-Legierung mit einem thermischen Expansionskoeffizienten von 5 × 10^–6/K als Halter 4 wurden drei Arten von Kontaktier-Heizvorrichtungen vorbereitet, wie in Beispiel 5 beschrieben und wie in Tabelle 6 gezeigt, und Luft konnte bei einem Durchfluss von 2000 Ncm³/Min. durch die Kühlöffnungen fließen, um das Hitzeisolierelement 3 und den Halter 4 zu kühlen.
Eine herkömmliche Kontaktier-Heizvorrichtung in 6 wurde für den Vergleich herangezogen.
Die Bewertung wurde durchgeführt durch Messen der Verschiebung des Halbleiterchips mittels eines Laser-Interferometers, nachdem der Keramikheizer 2 100 Zyklen von Temperaturanstiegen und -abfällen zwischen 100 und 500°C unterworfen worden war.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 gezeigt. Tabelle 6

	Thermischer Expansionskoeffizient (× 10^–6/K)				Verschiebung (μm)
	Werkzeug	Heizer	Isoliermaterial	Halter	Verschiebung (μm)
Probe 1	4,5	3,2	3,2	5,0	9
Probe 2	4,5	4,5	3,2	5,0	10
Probe 3	4,5	3,2	3,2	5,0	18
Vergleichsbeispiel	-	-	-	-	40

Wie in Tabelle 6 gezeigt, trat bei einem angebrachten Halbleiterchip in dem Vergleichsbeispiel mit der herkömmlichen Kontaktier-Heizvorrichtung eine Verschiebung von 40 μm verglichen mit dem Anfangszustand auf. Andererseits gab es bei den Proben 1 bis 3 gemäß dem Beispiel der vorliegenden Erfindung nur eine Verschiebung um 20 μm oder weniger. Es wurde festgestellt, dass die Verschiebung reduziert werden konnte durch Kühlen des Hitzeisolierelements 3 und des Halters 4. Wenn die herkömmliche Kontaktier-Heizvorrichtung verwendet wurde, stieg die Temperatur des Halters 4 auf 130°C. Es wurde jedoch festgestellt, dass der Halter 4 der Proben 1 bis 3 des Beispiels der vorliegenden Erfindung nur auf 50–60°C anstieg, das heißt, der Temperaturanstieg konnte stark begrenzt werden.

Claims

Kontaktier-Heizvorrichtung mit: einem Keramikwerkzeug (1) zum Pressen gegen ein zu erhitzendes Objekt; einem Keramikheizer (2) zum Erhitzen des Keramikwerkzeugs (1) in Kontakt mit dem Keramikheizer (2); einem Hitzeisolierelement (3) zum Lagern und thermischen Abschirmen des Keramikheizers (2); und einem Halter (4) zum Unterstützen des Hitzeisolierelements (3) und zum Halten der Elemente der Kontaktier-Heizvorrichtung; wobei eine Oberfläche des Hitzeisolierelements (3) in Kontakt mit einer Kontaktfläche (40) des Halters (4) ist; und wobei das Keramikwerkzeug (1), der Keramikheizer (2), das Hitzeisolierelement (3) und der Halter (4) lösbar miteinander verbunden sind, wobei die Kontaktier-Heizvorrichtung außerdem einen Kühlkanal aufweist, durch welchen ein Kühlmittel fließen kann, wobei der Kühlkanal mindestens eine Nut (74f) beinhaltet, die in der Kontaktfläche (40) des Halters (4) mit dem Hitzeisolierelement (3) und in einer Anbringfläche (41) des Halters (4) ausgebildet ist, die zur Anbringung des Halters (4) an einer Bondingvorrichtung ausgestaltet ist, und wobei der Kühlkanal außerdem eine weitere Nut (73d), durch welche das Kühlmittel fließen kann und die in einer Fläche des Hitzeisolierelements (3) ausgebildet ist, die an den Keramikheizer (2) angrenzt und eine Kühlöffnung (73c, 74c) aufweist, welche mit dieser weiteren Nut (73d) in Verbindung steht und durchgehend durch das Hitzeisolierelement (3) und den Halter (4) ausgeformt ist, um die Kühlung des Keramikheizers (2) zu fördern.
Kontaktier-Heizvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Keramikwerkzeug (1) mittels Vakuumansaugung durch den Keramikheizer (2) befestigt ist.
Kontaktier-Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Keramikheizer (2) mit dem Hitzeisolierelement (3) verschraubt und das Hitzeisolierelement (3) mit dem Halter (4) verschraubt ist.
Kontaktier-Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Ringnut (72a) in einer Oberfläche (20) des Keramikheizers (2) ausgeformt ist und erste Saugdurchgangsöffnungen (73a, 74a) vorgesehen sind, welche durch das Hitzeisolierelement (3) und den Halter (4) hindurchtreten, so dass sie mit der Ringnut (72a) in Verbindung stehen.
Kontaktier-Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine zweite Saugdurchgangsöffnung (71b, 72b, 73b, 74b) vorgesehen ist, welche sich in der Keramikwerkzeugoberfläche öffnet und durchgehend mit dem Keramikwerkzeug (1), mit dem Keramikheizer (2), dem Hitzeisolierelement (3) und dem Halter (4) in Verbindung steht.
Kontaktier-Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine thermische Leitfähigkeit des Keramikwerkzeugs (1) mindestens 100 W/m·K und eine thermische Leitfähigkeit des Keramikheizer (2) mindestens 10 W/m·K beträgt.
Kontaktier-Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der thermische Expansionskoeffizient des Keramikwerkzeugs (1), des Keramikheizers (2), des Hitzeisolierelements (3) und des Halters (4) höchstens 6 × 10^–6/K beträgt.
Kontaktier-Heizvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kühlöffnung (74c), welche durchgehend durch den Halter (4) ausgebildet ist, mit der in der Kontaktfläche (40) des Halters ausgebildeten Nut (74f) in Verbindung steht.
Kontaktier-Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Kühlmittel ein Gas ist.
Kontaktier-Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Porosität des Hitzeisolierelements (3) höchstens 30% beträgt.
Kontaktier-Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine thermische Leitfähigkeit des Hitzeisolierelements (3) höchstens 5 W/m·K beträgt.
Kontaktier-Heizvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Halter (4) aus einem metallischen Material besteht und das Hitzeisolierelement (3) aus einem porösen keramischen Material.