JP2000260825A

JP2000260825A - 接触加熱用ヒータ及びこれを用いた接触加熱装置

Info

Publication number: JP2000260825A
Application number: JP11059265A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Nagaseko; 竜一長迫
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-03-05
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2000-09-22
Anticipated expiration: 2019-03-05
Also published as: JP3694607B2

Abstract

(57)【要約】【課題】接触加熱用ヒーターにおいて、ヒーター内部に
製品吸着用穴があるために、穴近傍の温度が他の部分と
比べて低いために、温度分布にむらが生じ半田などの接
着剤が十分に溶けずないと言う問題があった。【解決手段】ヒーターの発熱パターンを印刷手法にする
ことにより穴近傍までパターンを埋設することが可能に
なりとりわけ、穴から０．７ｍｍ以下の位置までパター
ンを埋設することで温度分布を均一にすることが可能に
なった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、半導体ベアチップ
を基板上にダイレクトボンドする際に用いるボンディン
グ用ヒータヘッド等、被加熱物を押圧加熱するようにし
た接触加熱用ヒータ及びこれを用いた接触加熱装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体ベアチップを基板上にダイレクト
ボンドする方法として、異方性導電膜などの樹脂系の接
着剤を使用したＡＣＦ接続法、またはマルチチップモジ
ュールに用いるようなＡｕ−Ｓｉ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｐｂ−
Ｓｎなどの低融点ロウを使用したフリップチップ接続法
などが行われている。例えばフリップチップ接続では、
多層パッケージの基板上に半導体ベアチップを搭載し
て、その上面から押圧加熱用ヒーターを内蔵もしくは組
み合わせたセラミックブロック体で加熱しながら押圧す
ることによって接合している。このとき、両者に備えた
半田バンプによって、接合するとともにワイヤリングを
行うことができる。

【０００３】このような押圧加熱用ヒータとして、熱伝
導性の高い窒化アルミニウム質セラミックスが用いられ
ていた。これは、ボンデイング用ヒータを窒化アルミニ
ウム質セラミックスからなる方形体に形成し、その先端
側を半導体チップと当接させるセラミックブロック体と
し、後端側を他部材と結合するホルダとし、側面もしく
は内部にＡｇ−Ｐｄ、Ｐｔ−Ｐｄ等の発熱体を厚膜印刷
の手法で印刷し焼き付けた後、カバーガラスペースト等
で覆ったものである（厚膜式セラミックブロック体）。
このようなボンデイング用ヒータに求められる特性とし
ては、まず半導体ベアチップを多層パッケージの基板上
に固着させるめの接着材を軟化もしくは溶融するための
熱を半導体ベアチップを介して接着材まで効率良く伝え
る必要がある。

【０００４】また、生産効率の点から、所要温度までの
昇温時間が短く、しかもボンディング終了後の接着剤が
固化するまでの温度降下時間が短いことも重要である。
さらに、半導体ベアチップを接合する際には、熱と同時
に圧力を加えるため、ボンディング用ヒータのセラミッ
クブロック体には機械的強度や耐摩耗性、あるいは靭性
が要求される。しかし、上記圧膜式セラミックブロック
体の場合、熱伝導性のよい窒化アルミニウム質セラミッ
クスを用いているため、発熱体の熱がホルダ側に逃げや
すくセラミックブロック体側の加熱効率が悪いという問
題があった。

【０００５】さらに、圧膜式であるため、発熱体とセラ
ミックスとの密着性が悪く、しかも熱膨張差があること
から、昇温、降温の熱サイクルを繰り返すうちに、発熱
抵抗体がセラミックスから剥がれたり、頻繁に断線を生
じる等の不具合があった。

【０００６】そこで、近年、図６に示すように、ホルダ
１を低熱伝導セラミックスで構成し、他方、発熱抵抗体
４ａを内部に設けたセラミックヒータ２を前記ホルダ１
に固着させ、さらにセラミックヒータ２上に高熱伝導セ
ラミックスからなるヘッド３を接触させ、前記ヘッド３
を半導体ベアチップに押圧加熱することにより、前記半
導体ベアチップを多層パッケージ基板に接着剤により固
着させるような方式の押圧加熱用ヒータが開発された。

【０００７】図５に、従来の押圧加熱用ヒータの発熱抵
抗体４ａのパターン、リード引出部６のパターンと電極
取出部７を示した。発熱抵抗体４ａはセラミックヒータ
２の押圧面全体に蛇行パターンが形成されている。ま
た、前記セラミックヒータ２の中央部には３つの吸引孔
５が形成され、両側の二つがヘッド吸着用、中央の一つ
が半導体ベアチップ吸着用の吸引孔５として使用され
る。

【０００８】これにより、加熱効率および発熱抵抗体の
耐久性良好な押圧加熱用ヒータが供給できるようになっ
た。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の押圧加熱用ヒー
タに使用される発熱抵抗体４ａは、図５に示すように中
央部分には吸引孔５が３ヶ所設けられているため、この
吸引孔５を避けるように中央部の蛇行パターンは大きな
隙間を形成していた。近年、加熱温度の向上が求められ
る中でセラミックヒータの加熱温度の向上が必要となっ
た。加熱温度が上昇するにつれ、吸引孔５付近は発熱量
が少ない上に吸引孔内部からも放熱されるので、吸引孔
５の周辺の温度分布が大きくなり、被加熱物に熱が均等
に伝わらないという第一の課題が発生した。

【００１０】また、セラミックヒータの加熱温度が高く
なったため、電極端子部の温度が３００℃以上の高温に
達するようになり、電極取出部７の耐久性が悪くなると
いう第２の課題があった。

【００１１】さらに、リード引出部からの熱引きのた
め、リード引出部付近の温度が低下し、半田等の接着剤
の溶解不良が発生するという第３の問題があった。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明では、被加熱物吸
着用の吸引孔を囲むように発熱抵抗体を埋設することに
よりヒータ自体の温度分布が悪く被加熱物に熱が均等に
伝わらないという第１の課題を解決できるようにした。

【００１３】また、セラミックヒータの発熱抵抗体から
電極取出部までの距離を１０ｍｍ以上にする事により電
極部の耐久性が悪いという第２の課題を解決できるよう
にした。

【００１４】さらに、ヒータの発熱抵抗体に関して、リ
ード部付近の抵抗値を他の部分に較べて大きくすること
により、リード部付近の発熱抵抗体の発熱量を増加さ
せ、電極取出部への熱引きによる温度低下を補い第３の
課題を解決した。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
を用いて説明する。図１は、押圧加熱用ヒータの加熱部
及び押圧部を示した図である。本発明の押圧加熱用ヒー
タは、低熱伝導セラミックスからなるホルダ１に凹部１
ａを形成し、前記凹部１ａに発熱抵抗体４ａを埋設した
セラミックヒータ２を保持する。この押圧加熱用ヒータ
を使用する場合は、発熱抵抗体４ａに通電した状態で、
セラミックヒータ２に接するように設けられているヘッ
ド３の当接面を半導体ベアチップに押し当てて、加熱し
ながら応力を加え、多層パッケージ基板上に半田バンプ
で半導体ベアチップを接合する。このとき、セラミック
ヒータ２は高熱伝導セラミックスからなるヘッド３を表
面に接合しているため、熱を良好に伝えることができる
ので、急速昇温が可能となる。

【００１６】図２に、本発明の押圧加熱用ヒータのセラ
ミックヒータ２に形成される発熱抵抗体４ａのパターン
を示した。セラミックヒータ２は、方形の発熱部４と、
発熱抵抗体４ａと、発熱抵抗体４ａに電圧を印加するた
めのリード部６と、リード部６の末端に形成される電極
取出部７とからなる。電極取出部７には、さらにＮｉな
どからなるリード線がロウ付け等の手法により接続され
る。さらに、セラミックヒータ２には、半導体チップお
よびヘッド２を吸着するための吸引孔５が３ヶ所形成さ
れている。この吸引孔５周辺の温度が低下しやすいの
で、発熱抵抗体４ａの配線が吸引孔５を取り囲むように
形成されている。吸引孔５と発熱抵抗体４ａ間の距離ｂ
は、好ましくは０．７ｍｍ以下に調整される。なお、該
距離ｂは、吸引孔５と発熱抵抗体４ａ間の最近接距離が
０．７ｍｍ以下であって、好ましくは吸引孔５を囲むよ
うに全体が均一な距離に形成する方がよい。

【００１７】従来の押圧加熱用ヒータは、加熱温度が３
００℃だったが、最近は市場要求が５００℃加熱タイプ
へと変化してきている。加熱温度が高くなるにつれ、電
極取出部７の温度が上昇する傾向にある。これにより、
使用時の熱サイクルにより電極取出部７にクラックが発
生し電極取出部７の強度が低下することが判った。この
点の解決のため、図２に示した方形の発熱部４と電極取
出部７間の距離ａの寸法を１０ｍｍ以上に長くし電極取
出部７の温度を３００℃以下に下げるようにした。

【００１８】図３は、本発明の別の実施例を示したもの
である。リード部６を形成すると、この部分を通して逃
げる熱移動のため、リード部６の周辺の温度が低下しや
すくなる。この温度低下を防止するために、図３のよう
にリード部６付近のｅ部における発熱抵抗体４ａのパタ
ーン幅を狭くすることにより、発熱抵抗体４ａの抵抗値
を高くし発熱量を多くすることが有効である。

【００１９】また、外周部および吸引孔５の周辺は、発
熱抵抗体４ａの抵抗値を他の部分より高く調整するのが
好ましい。

【００２０】さらに他の実施形態として、図４に示すよ
うな中央に孔を有するリング状のセラミックヒータ２を
用いることもできる。これは、円筒状のセラミック体に
発熱抵抗体４ａを埋設し、リード線８を備えたものであ
って、中央孔を吸引孔５として利用し、リード線８の反
対側の面を当接面とするものである。この場合は、発熱
抵抗体４ａとして線状体を用いており、この発熱抵抗体
４ａが吸引孔５を取り囲むように近接して埋設してあ
る。

【００２１】以上の本発明の接触加熱用ヒータを用いる
場合、上記吸引孔５に連通する真空吸引手段を備えて接
触加熱装置と成し、真空吸引しながら被加熱物を吸着し
て加熱することができる。

【００２２】この時、加熱時にはホルダ１に圧縮応力が
加わるがセラミックスからなるために弾性変形すること
なく確実に応力を伝達することができる。しかも、ホル
ダ１下面と当接面の間は優れた平行度を保持する必要が
あるが、すべての部材が高硬度のセラミックス材料から
なるために、高い平行度を保持することができる。この
ため、大面積の半導体チップの接合時にも、安定した接
合が可能となる。

【００２３】さらに、発熱抵抗体４ａはセラミックヒー
タ２に埋設されているので、昇温、降温を繰り返して熱
サイクルが加わっても、熱応力による発熱抵抗体４ａの
断線を防止できる。

【００２４】ここでセラミックヒータ２をなすセラミッ
クスは、ホルダ１よりも熱伝導率が高いか、もしくは同
等のセラミックであれば良く、好ましくは常温での熱伝
導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の物を用いる。なお、本発明
における熱伝導率は常温での値であり、レーザーフラッ
シュ法により求めた値である。

【００２５】また、セラミックヒータ２よりさらに高熱
伝導性材料からなるヘッド３をセラミックヒータ２の上
に接着剤を介して接合するようにしてもかまわないし、
他の保持具で可動可能に保持され、押圧加熱時にセラミ
ックヒータ２及び半導体チップと接触するような構造に
取り付けることも可能である。

【００２６】また、セラミックヒーター２の当接面は半
導体ベアチップなどの被加熱物と接触することから、耐
摩耗性を高めるために、セラミックヒータ２の材質とし
ては荷重５００ｇでのビッカース硬度が１０ＧＰａ以上
のセラミックスを用いることが好ましい。

【００２７】さらに、当接面の欠けを防止するために
は、ＪＩＳに規定する３点曲げ強度が３００ＭＰａ以
上、圧痕法で測定した破壊靱性値（ＫＩＣ）が４ＭＰａ
・ｍ^1/2以上のセラミックスを用いることが好ましい。

【００２８】これらを満足するセラミックスとしては、
窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素などのセラミッ
クスがある。窒化珪素セラミックスは、窒化珪素を主成
分とし、周期律第３a 族元素（ＲＥ）を酸化物（ＲＥ₂
Ｏ₃）換算で３〜５モル％、アルミニウムが酸化物換算
で０．２重量％以下の組成からなり窒化珪素の平均粒径
が５μｍ以上と大きくするとともに粒界に周期律表第３
a 族元素、珪素、及び酸素等を含む結晶相を形成するこ
とにより熱伝導率を５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とした物が望ま
しい。

【００２９】また、窒化アルミニウム質セラミックスは
窒化アルミニウムを主成分とし、焼結助剤として希土類
元素の酸化物などを含有するものである。さらに炭化珪
素セラミックス質は炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分とし
Ｂ、ＣまたはＡｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃等の焼結助剤を含有
するものである。

【００３０】これらの高熱伝導セラミックスの中でも、
特にビッカース硬度が１０ＧＰａ以上、曲げ強度が３０
０ＭＰａ以上、靱性値が４ＭＰａ・ｍ^1/2以上のものを
用いれば、当接面の欠けを抑制することができる。具体
的には高熱伝導性窒化珪素を用いるのが最適である。

【００３１】また、セラミックスヒータ２の当接面は被
加熱物と密着し均一に熱を加えるために平坦な面とする
ことが必要である。具体的には、当接面は表面粗さ０．
５μｍ以下、平坦度１〜５μｍとしホルダー下面との間
の平行度を２〜５μｍとすることが望ましい。

【００３２】さらにセラミックヒータ２の厚みは０．５
〜５ｍｍとすることが望ましい。これは厚みが５ｍｍを
越すと熱容量が大きくなりすぎて昇温特性が悪くなり一
方０．５ｍｍ以下であると均熱性が維持しにくくなるた
めである。また、セラミックヒータ２の発熱部及びリー
ド部に用いられる材質としてはタングステン、モリブデ
ンなどの高融点金属の単体あるいはそれらの炭化物、珪
化物が用いられ、また熱膨張率の差を緩和するために上
記金属にセラミックヒータ２の母材成分を添加すること
も発熱抵抗体４ａの耐久性向上に有効である。

【００３３】次に、ホルダを成す低熱伝導セラミックス
とは、セラミックヒータ２と熱伝導率が同等かもしくは
それよりも熱伝導率の低い物であれば良く、好ましくは
常温での熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下のものを用い
る。具体的には、低熱伝導窒化珪素、アルミナ、ジルコ
ニア等を用いることができその他様々なセラミックスを
用いることができる。

【００３４】さらに具体的に説明すると、低熱伝導窒化
珪素セラミックスとは、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を主成
分とし、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃等を焼結助剤として含有
し結晶化し難い粒界層を有するものを用いることが可能
である。また、アルミナセラミックスとはＡｌ₂Ｏ₃を
主成分とし、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ、ＣａＯ等を焼結助剤と
して含有するものである。さらにジルコニアセラミック
スは、ＺｒＯ₂を主成分とし、Ｙ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、Ｃａ
Ｏ、ＣｅＯ₂などを焼結助剤として含有するものであ
る。また、ジルコニアについては、強度及び靱性を考慮
し、上記のような焼結助剤を３〜６モル％含有するＴＺ
Ｐ、もしくは部分安定化ジルコニアを使用するとよい。

【００３５】

【実施例】実施例１本発明の実施例を、図１および２を用いて説明する。

【００３６】まず、ホルダ１の製法を説明する。ホルダ
１の材質として熱伝導率２５Ｗ／ｍＫの低熱伝導率窒化
珪素を用い、幅２４ｍｍ、長さ４４ｍｍとした物を用意
した。その後、セラミックヒータ２を接合するための凹
部を幅が２０ｍｍ、長さ２４ｍｍ、深さ１．５ｍｍとな
るよう切削加工した。

【００３７】次に、セラミックヒータ２の製法を説明す
る。窒化珪素からなるセラミック生成形体２ａの上に発
熱抵抗体４およびリード部６のパターンをプリント形成
した。発熱抵抗体４ａとしては、ＷＣを主成分としセラ
ミック生成形体と同質の窒化珪素材料を適宜加えたもの
をバインダーおよび溶剤と混合したものを用いた。発熱
抵抗体４ａは、３ヶ所の吸引孔５となる部分を避け、吸
引孔５となる部分を囲むように形成した。吸引孔５と発
熱抵抗体４ａの距離ｂは表１に示すように０．３〜２ｍ
ｍの間で変量したものを作製した。その後、別のセラミ
ック生成形体２ａ’を重ねて密着し、ホットプレス等の
方法で焼成し焼結体とした。その後、２本のリード部６
の中間部を切削除去することにより、リード部６を形成
した。方形の発熱部４と電極取出部７間の長さａは、１
０ｍｍとした。さらに、吸引孔５を所定の位置に穴加工
した。セラミックヒータ２の総厚みは３ｍｍとした。

【００３８】次にホルダ１の凹部１ａにガラス組成の混
合粉末のペーストを塗布し、上にセラミックヒータ２を
重ね、窒素雰囲気中１５００〜１７００℃で熱処理する
ことにより一体化した。また、電極取出部７は、Ｎｉ線
を溶接したＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金からなる板をＡｕ−Ｃ
ｕロウを用いてロウ付けした。

【００３９】このようにして作製したサンプルに、発熱
部４の測温点ｄが４００℃になるように通電して、通電
開始後５秒後の測温点ｄと吸引孔５直近の測温点ｃの温
度差を測定した。また、吸引孔５と発熱抵抗体４間の距
離ｂは、透過Ｘ線法により測定した。さらに測定後、吸
引孔５を含む部分をクロスセクションする事により寸法
を確認した。測温点ｄと測温点ｃの温度は、赤外線放射
温度計（サーモビュア）を用いて測定した。その結果を
表１に示した。

【００４０】

【表１】

【００４１】吸引孔５と発熱抵抗体４ａ間の距離ｂを
１．０ｍｍ以上にしたＮｏ．１〜３は、温度差が１０℃
以上となる。これに対し、本発明の請求範囲内である４
〜６は、温度差を１０℃以下に小さくできることが判
る。これにより、信頼性の高いフリップチップ接合が可
能となる。

【００４２】実施例２方形の発熱部４と電極取出部７間の距離ａを５〜２０ｍ
ｍに変量して、実施例１と同様の手法で評価サンプルを
作製した。発熱抵抗体４ａと吸引孔５間の距離ｂは、
０．３ｍｍとした。Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ板とリード取出部
７の接合寸法は２ｍｍ×５ｍｍとし、ロウ付けにはＡｕ
−Ｃｕロウを用いた。こうして準備したサンプルを、発
熱部４の測温点ｄの温度が５００℃になるように加熱し
た場合の、定常状態での電極取出部７の温度を測定し
た。温度測定には、線径０．２ｍｍの熱電対をそれぞれ
の部分にアルミナセメントで固定して測定した。また、
発熱部を５００℃加熱２分、強制空冷１分のサイクルを
５０００サイクル繰り返した前後の電極取出部７のリー
ド強度データを表２に示した。

【００４３】

【表２】

【００４４】表２の結果より発熱部４と電極取出部７間
の距離ａを５〜８ｍｍにしたサンプルＮｏ．１と２は、
電極取出部７の温度が３００℃以上に上がり、サイクル
テスト後のリード部の引っ張り強度が低下するので好ま
しくない。これに対し、本発明の請求範囲であるＮｏ．
３〜５は、電極取出部７の温度が３００℃以下となるの
で、サイクルテスト後のリード部の引っ張り強度の変化
がなく、良好な耐久性を示すことが判った。

【００４５】実施例３セラミック生成形体２ａの表面に発熱抵抗体４をプリン
トする際、従来通りリード引出部６ａ付近まで同一抵抗
比率で形成したものと、リード引出部６ａ付近の抵抗を
他部分に較べ最大で１０％大きくなるように調整したも
のを作製した。その他の工程は、実施例１と同様にして
サンプルを作製した。

【００４６】こうして作製したサンプルに、発熱抵抗体
４上の測温点ｄの温度が５００℃になる電力を印加して
５秒後のリード引出部付近の測温点ｅの温度を赤外線放
射温度計（サーモビュア）を用いて測定した。結果を表
３に示した。

【００４７】

【表３】

【００４８】リード部の断面積をリード引出部まで同一
断面積にした従来品は、測温点ｅの温度が４９０℃と測
温点ｄより１０℃低くなったのに対し、本発明のもの
は、測温点ｅと測温点ｄの温度差が１℃以下に低減する
事ができた。

【００４９】

【発明の効果】叙上のように発熱抵抗体を吸引孔と囲む
ように埋設することでヘッド面の温度分布を均一にする
ことが可能になりベアチップ取り付け時の半田溶け不良
を防止することができた。発熱抵抗体と吸引孔間の距離
は、０．７ｍｍ以下にすることが望ましい。また、発熱
部の均熱性を保つためにリード部付近の発熱抵抗体は、
他の部分に較べ抵抗値を高くすることが望ましい。さら
に、リード部の長さは、電極取出部の耐久性向上のた
め、１０ｍｍ以上とすることが望ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の接触加熱用ヒータを示す断面図であ
る。

【図２】本発明の接触加熱用ヒータの発熱パターン図で
ある。

【図３】本発明の別の接触加熱用ヒータの発熱パターン
図である。

【図４】本発明の他の実施形態を示す斜視図である。

【図５】従来の接触加熱用ヒーターの発熱パターンを示
す図である。

【図６】従来の接触加熱用ヒータの構造を示す斜視図で
ある。

【符号の説明】

１：ホルダ２：セラミックヒータ２ａ、２ａ’：生成形体３：ヘッド４：発熱部４ａ：発熱抵抗体５：吸引孔６：リード部６ａ、６ａ’：リード引出部７：電極取出部８：リード線ａ、ｂ：距離ｃ、ｄ、ｅ：測温点

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加熱物と接触するためのヘッド部と、該
ヘッド部を加熱するための発熱抵抗体を有する接触加熱
用ヒータにおいて、該ヘッド部に被加熱物を吸着するた
めの吸引孔を有するとともに、前記発熱抵抗体が前記吸
引孔を囲むように形成されている事を特徴とする接触加
熱用ヒータ。
【請求項２】前記発熱抵抗体と前記吸引孔との距離が
０．７ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の
接触加熱用ヒータ。
【請求項３】前記発熱抵抗体の電極取出部が発熱部より
も少なくとも１０ｍｍ以上突出して形成され、その端末
付近にリード線がロウ付けされていることを特徴とする
請求項１記載の接触加熱用ヒータ。
【請求項４】リード部付近の発熱抵抗体の抵抗値が、他
の部分の発熱抵抗体より大きくなるように形成されてい
ることを特徴とする請求項１記載の接触加熱用ヒータ。
【請求項５】請求項１〜４記載の接触加熱用ヒータを用
い、吸引孔に連通する真空吸引する手段を備えてなる接
触加熱装置。