JP2002016091A

JP2002016091A - 接触加熱装置

Info

Publication number: JP2002016091A
Application number: JP2000195729A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Tsurumaru; 尚文鶴丸; Kiyoshi Yokoyama; 清横山; Hiroyuki Arima; 裕之有馬; Hideaki Shimotsuru; 秀明下水流
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2000-06-29
Publication date: 2002-01-18

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体チップを多層基板に実装する為に用いら
れるボンディング用ヒーターは、放置冷却である為、降
温時間が長いので生産効率が極めて悪く、また、熱変形
による半導体チップ実装時の位置ずれが発生するという
問題があった。【解決手段】被加熱物を押圧する為のツールと、ツール
を加熱する為のセラミックスヒーターと、セラミックス
ヒーターから発生した熱が上記ツール以外に伝熱するこ
とを防止するための断熱材と、これらの部材を統合し、
他部材に結合するホルダーから構成された接触加熱装置
において、上記断熱材および／またはホルダーに冷却媒
体用の通路を設け、ヒーターまたは断熱材またはホルダ
ーを直接冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ベアチップ
を基板上に実装する際に用いるダイボンディングヒータ
ー等、被加熱物に接触して加熱する接触加熱装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体ベアチップを基板上に実装する方
法として、異方性導電膜（ＡＣＦ）等の樹脂系の接着材
を使用したＡＣＦ接続方法、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等の低融点
ロウ材を使用したフリップチップ接続法が行われてい
る。

【０００３】例えば、フリップチップ接続法は、図３に
示すように、多層パッケージ基板１２上に半導体チップ
９を載置して、その上面からボンディング用ヒーター７
と接着剤などで接合、もしくは、真空吸着されたツール
８で加熱しながら押圧することによって、接合を行って
いる。この時、両者に備えたハンダバンプ１０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。

【０００４】ボンディング用ヒーター７に求められる特
性としては、まず使用する接着材を軟化もしくは溶融す
るために必要十分な熱を半導体チップ９を介してハンダ
バンプ１０に代表される接着材まで効率よく伝える必要
がある。

【０００５】また、生産効率の観点から、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材
が固化するまでの温度降下時間が短いことが重要であ
る。

【０００６】温度降下時間について、特開平１１−３３
９９２９号公報では、放置冷却での降温速度の遅さを改
善する為に水冷用ジャケット１４が提案されている。図
３に示すように水冷ジャケット１４は、ホルダー１３に
内蔵されており、ホルダー１３を冷却することにより、
間接的にヒーターホルダー１５に設置されたボンディン
グ用ヒーター７およびツール８を冷却するようにしてい
た。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記ボンディング用ヒ
ーター７は、その作業タクトを短くすることが重要であ
り、例えば４００℃から１００℃までの冷却時間を１０
秒以下にすることが求められている。しかしながら、チ
タンやモリブデン等の耐熱金属材を用いたボンディング
用ヒーター６では、図３に示すように水冷ジャケット１
４を用いても、例えば４００℃から１００℃までの冷却
に要する時間が２０秒以上かかるという問題があった。

【０００８】また、半導体チップの実装における実装等
の位置精度は電子機器の性能に著しく影響する為、接触
加熱装置自身の熱膨張による変形が問題であった。

【０００９】特に、ボンディング用ヒーター７の使用形
態として、連続使用するコンスタントヒーター方式と、
断続的に加熱冷却を繰り返すパルスヒーター方式がある
が、コンスタントヒーター方式で５００℃のヒーター温
度で使用した際、ホルダー１３の温度が１００〜１５０
℃にまで上昇する。ところが、ホルダー１３は金属材料
からなるので、ホルダー１３内に生じる温度分布により
反りが発生し、これにより半導体チップの実装の位置精
度が低下するという問題があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記問題点
に鑑み、鋭意研究の結果、所定の温度まで急速に加熱
し、急速降温可能で、装置自身の熱変形が極めて小さい
接触加熱装置を発明した。

【００１１】すなわち、被加熱物を押圧するためのセラ
ミックス製のツールと、該ツールを加熱するためのセラ
ミックスヒーターと、該セラミックスヒーターから発生
した熱が上記ツール以外に伝熱することを防止するため
の断熱材と、これらの部材を統合し他部材に結合する為
のホルダーとから構成され、断熱材とホルダーに冷却媒
体用の通路を設け、ヒーターを直接冷却することにより
急速降温を可能とした。

【００１２】さらに、断熱材、ホルダーを冷却すること
により、温度上昇を抑え熱変形を極めて小さくし、実装
精度を向上させたものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を説明す
る。図１は本発明の斜視図である。また、図２はその分
解斜視図である。

【００１４】本発明の接触加熱装置は、被加熱物を押圧
するためのセラミックス製のツール１と、そのツール１
を加熱するためのセラミックスヒーター２と、セラミッ
クスヒーター２から発生した熱がホルダー４側に伝熱さ
れることを防止して主に上記ツール１側に伝達されるた
めの断熱材３と、以上の各部品を統合し他部材に結合す
る為のホルダー４とを備え、セラミックスヒーター２と
断熱材３をボルト５を用いてホルダー４に機械的に締結
し、脱着可能に接合している。また、ツール１、セラミ
ックスヒーター２、断熱材３、ホルダー４の中央には、
それぞれ吸引孔１ａ、２ａ、３ａ、４ａが形成され、こ
れにより不図示の半導体チップを吸引固定するようにな
っている。また、ツール１は、セラミックスヒータ２、
断熱材３、ホルダー４に形成された吸引孔２ｂ、３ｂ、
４ｂにより吸引固定されるようになっている。

【００１５】ここで、本発明の降温速度を速める冷却方
法について説明する。図２に示すように、断熱材３とセ
ラミックスヒーター２間に空隙３ｄを設け、ここに、断
熱材３およびホルダー４に形成された冷却孔３ｃ、４ｃ
が連通している。これら空隙３ｄ、冷却孔３ｃ、４ｃは
冷却媒体用の通路を成し、この通路に冷却媒体として気
体を流してセラミックスヒータ２を直接強制冷却する。
このため、従来の間接冷却方式に較べ、短時間でセラミ
ックスヒーター２を冷却することができる。

【００１６】なお、冷却孔３ｃ、４ｃの大きさはφ１ｍ
ｍ以上で、２個以上備えることが望ましい。また、空隙
３ｄの高さｈは、０．５ｍｍ〜２ｍｍが望ましく、冷却
媒体である気体は、均等に外周部へ放散されるようにな
っている。前記高さｈが０．５ｍｍ未満であると、気体
流による圧損が大きくなり気体の与圧が必要になるので
好ましくない。また、２ｍｍ以上になると、空隙３ｄの
容積が大きくなり気体の置換が遅くなるので冷却が遅く
なってしまうので好ましくない。

【００１７】さらに、この空隙３ｄの形成により、セラ
ミックスヒーター２と断熱材３との接触面積を２０％以
上減少させ、断熱材３側への熱引けを減少させること
で、セラミックスヒーター２の昇温速度も速くなる。次
に、ホルダー４の熱変形を抑え実装精度を向上させる為
の冷却方法について説明する。接触加熱装置の熱変形を
防止するためには、金属材料からなるホルダー４の加熱
を最小限に抑えることが有効である。このため、断熱材
３とホルダー４の接触面４ｘおよびホルダー４と装置へ
の取付け面４ｙに冷却媒体用の通路である溝４ｆを設
け、気体供給孔４ｍから冷却用媒体としての気体を供給
し、この溝４ｆに流すことによって、断熱材３およびホ
ルダー４を冷却する構造とする。

【００１８】これにより、セラミックスヒーター２を５
００℃程度の高温で連続使用するコンスタントヒーター
として使用しても、断熱材３、ホルダー４ともに５０℃
程度の温度に抑え、熱変形を極めて小さくできる。

【００１９】この冷却用の溝４ｆは、断熱材３とホルダ
ー４の表面でなく、それぞれの内部に形成しても同様の
効果がある。

【００２０】また、冷却媒体としての気体の種類として
は、空気、窒素ガス、炭酸ガス等の気体を用いることが
できる。炭酸ガスは熱容量が大きいため冷却媒体として
優れている。また、排気が開放系である場合、安全性の
面から空気を冷却媒体として使用することが好ましい。
また、気体の流量としては、１通路当たり３００〜５０
０００Ｎｃｃｍ程度の流量とすることが好ましい。

【００２１】被加熱物と押圧するためのツール１として
は、炭化珪素、窒化アルミニウムなどを主成分とする高
熱伝導性セラミックスの焼結体を用いる。たとえば焼結
助剤としてＡｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃などを焼結助剤
として含有させた窒化アルミニウム焼結体を使用するこ
とが好ましい。この場合、窒化アルミニウムセラミック
ス製のツール１は、窒化アルミニウム粉末とＡｌ₂Ｏ₃、
Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃などの所望の焼結助剤粉末を所望の組
成になるように調整して、メタノール、ＩＰＡなどの非
水系溶媒と混合効率を上げるためのＡｌ₂Ｏ₃製又はＳｉ
₃Ｎ₄製のメディアとともにボールミル、振動ミルといっ
た方法で混合し、得られた窒化アルミニウムスラリーを
２００メッシュ程度のメッシュに通して、メディアから
の混入、ボールミル、振動ミルのライニングからの混入
を取り去った後に、防爆式の乾燥機で１２０℃程度で２
４時間程度乾燥し、４０メッシュ程度のメッシュに通
す。ここで得られた粉末に、さらに、所望の有機バイン
ダーを所望量混合し、スプレードライ法、乾式造粒法、
湿式造粒法などの方法により造粒したのち、プレス成形
またはＣＩＰ成形により所望の形状に加工し、５００〜
７００℃程度の温度で脱脂することにより有機バインダ
ーを飛散させ、得られた成形体を窒素中にて１８００℃
〜２０００℃程度の温度で焼結させた。あるいは直接カ
ーボン型中で成形と焼結を同時に行うホットプレスで焼
結させても良い。

【００２２】また、炭化珪素質焼結体を用いる場合、例
えば炭化珪素に対し０．２〜４．０重量％の炭化硼素や
必要に応じて０．５〜５重量％の希土類元素酸化物を添
加して、１９００〜２１００℃の真空中で焼成する。

【００２３】また、セラミックスヒーター２は、窒化珪
素、炭化珪素、アルミナ、窒化アルミニウムなどを主成
分とするセラミックス中に発熱抵抗体を埋設したものを
用いることが好ましい。

【００２４】例えば、窒化珪素を主成分とするセラミッ
クスヒータ２は、窒化珪素粉末とＹ ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃等の
希土類元素酸化物とＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂などの所望の焼
結助剤粉末を所望の組成になるように調整し、成形圧１
ｔｏｎ／ｃｍ²で成形したプレス体にＷ、Ｍｏ等の高融
点金属もしくはこれらの炭化物を主成分とする発熱抵抗
体パターンと引出電極をプリントし、その上に別のプレ
ス体を重ねて密着した後１６５０〜１７５０℃でホット
プレス焼成するか、もしくは、１０気圧以上の窒素雰囲
気中で１７００〜１８５０℃で焼成することにより焼結
体とし、所定の寸法になるように両方の主面等を研削加
工し、別途引出電極部を研削加工して引出電極を露出さ
せ、ロウ材により電極金具を接続してセラミックスヒー
タ２とすることができる。

【００２５】アルミナを主成分としたセラミックスヒー
タ２は、アルミナ粉末と焼結助材として適量のＳｉ
Ｏ₂、ＭｇＯ、ＣａＯを添加した原料を混合し、テープ
成形したアルミナテープの表面に、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅのう
ち１種以上を主成分とする発熱抵抗体と電極引出部をプ
リント形成し電極引出部の裏面に電極パッドを形成した
後、スルーホール加工し中に前記電極引出部と同材質の
インクを充填することにより導通させ、前記発熱抵抗体
の上に別のアルミナテープを重ねて密着した後、１５０
０〜１６００℃の還元雰囲気中で焼成することにより焼
結体とし、前記電極パッドにＮｉメッキを施した後、電
極金具をロウ付けにより接続してセラミックスヒータ２
とすることができる。

【００２６】また、窒化アルミニウムを主成分としたセ
ラミックスヒータは、窒化アルミニウム粉末に、焼結助
材として適量のＹ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃等の希土類元素酸化
物、ＣａＯ、ＭｇＯ等のアルカリ土類酸化物を混合し、
テープ成形した窒化アルミニウムテープの表面に、Ｗ、
Ｍｏ、Ｒｅもしくはこれらの炭化物、窒化物のうち１種
以上を主成分とする発熱抵抗体および電極引出部をプリ
ント形成し電極引出部の裏面に電極パッドを形成した
後、スルーホール加工し中に前記電極引出部と同材質の
インクを充填することにより導通させ、前記発熱抵抗体
の上に別のアルミナテープを重ねて密着した後、１７０
０〜１９５０℃の真空もしくは窒素雰囲気中で焼成する
ことにより焼結体とし、前記電極パッドにＮｉメッキを
施した後、電極金具をロウ付けにより接続してセラミッ
クスヒータ２とすることができる。

【００２７】また、炭化珪素を主成分としたセラミック
スヒータ２は、炭化珪素原料に焼結助材として適量の
Ｂ、Ｃ等を混合し、プレス成形した後１９００〜２１０
０℃の真空中もしくはＡｒガス中で焼成することにより
焼結体とし、抵抗調整のため焼結体をスリット加工し、
その後、電極取出部に電極金具をロウ付けしてセラミッ
クスヒータ２とすることができる。

【００２８】上記セラミックスヒータ２のロウ付けに使
用するロウ材としては、Ａｕ−Ｃｕ、Ａｕ−Ｎｉ、Ａｇ
−Ｃｕ系のロウ材を使用することが可能である。

【００２９】次に、断熱材３としては多孔質セラミック
スを用いることが好ましいが、冷却エアーの圧力損失を
発生させないために３０％以下の気孔率を有するムライ
トセラミックスやムライト−コージェライトセラミック
スを用いることが可能である。上記気孔率を持った断熱
材３は、樹脂性のビーズを生成形体中に分散させて焼成
すれば、強度と断熱性を同時に満足する焼結体を得るこ
とができる。また、単に多孔質焼結体とするだけであれ
ば、焼結温度より低い温度で焼成するか、粒径の粗い原
料を用いて焼成することにより、多孔質な断熱材とする
こともできる。

【００３０】上記各部品を統合し他部材に結合する為の
ホルダー４としては、例えばＮｉの添加量を調整するこ
とによって熱膨張係数を６×１０^-6／℃以下としたノビ
ナイト鋳鉄を使用すれば良い。

【００３１】

【実施例】以下本発明の実施例を説明する。

【００３２】実施例１ここでは、本発明の接触加熱装置と従来の接触加熱装置
の冷却速度を比較した。

【００３３】まず、図１、２に示す本発明のセラミック
スヒーターを用いた接触加熱装置と、図３に示す従来の
ボンディング用ヒーターの作製方法を説明する。

【００３４】Ｙｂ₂Ｏ₃を焼結助剤とする窒化アルミニウ
ム粉末をバインダーと混合後に金型中でプレス成形を施
し、窒素雰囲気中にて１９００℃焼成し、平面研削盤に
て機械加工することにより、２４ｍｍ×２４ｍｍ×２ｍ
ｍ厚の寸法のツール１を得た。

【００３５】Ｙｂ₂Ｏ₃を焼結助剤とする窒化ケイ素粉末
または窒化アルミニウム粉末をバインダーと混合後にプ
レス成形し５０ｍｍ角の窒化ケイ素あるいは窒化アルミ
ニウム成形体を得た後に発熱抵抗体としてＷＣインクを
印刷し、もう一つの５０ｍｍ角の窒化ケイ素または窒化
アルミニウム成形体でＷＣインクを挟み込み、１７００
〜１８００℃でホットプレスを行うことにより、ＷＣを
発熱抵抗体として内蔵する窒化ケイ素質または窒化アル
ミニウム質焼結体を得た。これを平面研削盤、超音波加
工機を用いて、発熱部は２４ｍｍ×２４ｍｍ×３ｍｍ厚
とし、ボルト締め用の穴を両サイドに形成した。さらに
電極取出部用の足部、真空吸着穴、真空吸着溝を形成し
て、セラミックスヒーター２とした。

【００３６】断熱材３は気孔を有するムライトを発熱２
と寸法をあわせるように平面研削盤、超音波加工機で加
工して作製し、断熱材３の熱伝導率の変更は気孔率を調
整することにより行った。

【００３７】ホルダー４としてはＮｉを多く含有した鋳
鉄を断熱材３と寸法をあわせるように平面研削盤、超音
波加工機で加工して作成し、ホルダー４の熱膨張係数の
変更はＮｉ量を変更して行った。

【００３８】本発明の接触加熱装置は、被加熱物を押圧
するためのセラミックス製のツール１と、そのツールを
加熱するためのセラミックスを主成分とするセラミック
スヒーター２と、セラミックスヒーター２から発生した
熱を主に上記セラミックス製ツール側に伝達させるため
の断熱材３と、以上の各部品を統合し他部材に結合する
為のホルダー４とをボルト５などを用いて機械的に締結
することにより作製した。

【００３９】図２に示すように、断熱材３とセラミック
スヒーター２間に高さｈが０．５ｍｍの空隙３ｄを設け
て冷却媒体用の通路を成し、この通路に冷却媒体として
空気を流してセラミックスヒータ２を直接強制冷却する
ようにした。

【００４０】また、従来の接触加熱装置は、図３に示す
ようにボンディング用ヒーター７とヘッド８をヒーター
ホルダー１５に装着し、これを水冷ジャケット１４を内
蔵したホルダー１３に固定して接触加熱装置とした。

【００４１】そして、これらのサンプルについて、セラ
ミックスヒーター２の冷却速度を比較した。結果を表１
に示した。

【００４２】

【表１】

【００４３】表１に示すように、従来例は、４００→１
００℃、４００→２００℃の冷却時間が各々３０秒、１
８秒を要していたが、本発明実施例のものは、前記冷却
時間が、各々８秒、３．８秒と１０秒以下にできること
が判った。

【００４４】実施例２ここでは、断熱材３およびホルダー４の冷却による熱変
形の低減結果を示した。セラミクスツール１としては、
熱膨張率が４．５×１０^-6ｄｅｇ^-1の窒化アルミニウ
ム、セラミックスヒーター２としては、熱膨張率が３．
２×１０^-6ｄｅｇ ^-1の窒化珪素と４．５×１０^-6ｄｅｇ
^-1の窒化アルミニウム、断熱材３としては、熱膨張率が
３．２×１０^-6ｄｅｇ^-1の窒化珪素、ホルダー４として
は、熱膨張率が５．０×１０^-6ｄｅｇ^-1のノビナイト鋳
鉄を使用し、実施例１と同様にして表２に示すように３
種類の接触加熱装置を作製し、断熱材３およびホルダー
４を２０００ｃｃ／分の空気を冷却孔に流すことにより
冷却した。また、比較用には、図３に示した従来の接触
加熱装置を用いた。

【００４５】評価は、セラミックスヒーター２を１００
℃と５００℃の間を１００サイクル昇降温させた後の半
導体チップ実装品の位置ズレをレーザー干渉法で測定し
た。

【００４６】結果を表２に示した。

【００４７】

【表２】

【００４８】表２から判るように、比較例の従来の接触
加熱装置を用いたＮｏ．１の半導体チップ実装品は、初
期に較べ４０μｍの位置ズレを発生させていた。これに
対し、本発明の実施例であるＮｏ．２〜４は、位置ズレ
が２０μｍ以下となり、断熱材３およびホルダー４を冷
却することにより、位置ズレを低減できることが判っ
た。ちなみに、従来の接触加熱装置を使用した場合、ホ
ルダー４の温度は１３０℃まで上昇していたが、本発明
の実施例であるＮｏ．２〜４のホルダー４は５０〜６０
℃と昇温を大きく抑制できることが判った。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、被加熱物を押圧する為
のツールと、ツールを加熱する為のセラミックスヒータ
ーと、セラミックスヒーターから発生した熱が上記ツー
ル以外に伝熱することを防止するための断熱材と、これ
らの部材を統合し、他部材に結合するホルダーから構成
された接触加熱装置において、上記断熱材および／また
はホルダーに冷却用の通路を設け、直接セラミックスヒ
ーターを冷却することにより、セラミックスヒーターの
冷却速度を早くすることができるので、半導体チップ実
装のタクトタイムを大きく短縮することができた。

【００５０】また、断熱材およびホルダーを冷却するこ
とにより、半導体チップ実装時の位置ズレを低減でき精
度の高い実装が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の接触加熱装置を示す斜視図である。

【図２】図１の接触加熱装置の分解斜視図である。

【図３】従来のボンディング用ヒーターを示す概略図で
ある。

【符号の説明】

１：ツール２：セラミックスヒーター３：断熱材３ａ、４ａ：吸引孔３ｂ、４ｂ：吸引孔３ｃ、４ｃ：冷却孔３ｄ：空隙４：ホルダー４ｘ：ホルダー主面４ｙ：ホルダー主面５：ボルト７：ボンディング用ヒーター８：ツール９：半導体チップ１０：ハンダバンプ１２：多層パッケージ基板１３：ホルダー１４：水冷ジャケット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者下水流秀明鹿児島県国分市山下町１番１号京セラ株式会社鹿児島国分工場内Ｆターム(参考） 3K092 PP20 QA05 QB02 QB08 QB20 QB76 QC38 QC49 QC58 QC62 RF03 RF11 RF26 SS02 SS03 SS05 UB04 VV15 VV26 5F047 FA51

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加熱物を押圧する為のツールと、ツール
を加熱する為のセラミックスヒーターと、セラミックス
ヒーターから発生した熱が上記ツール以外に伝熱するこ
とを防止するための断熱材と、これらの部材を統合し他
部材に結合するホルダーから構成された接触加熱装置に
おいて、上記断熱材および／またはホルダーに冷却媒体
用の通路を設けたことを特徴とする接触加熱装置。
【請求項２】前記冷却媒体として気体を通路に流すよう
にしたことを特徴とする請求項１記載の接触加熱装置。
【請求項３】前記断熱材の気孔率が３０%以下であるこ
とを特徴とする請求項１記載の接触加熱装置。