JP2004063947A

JP2004063947A - 加熱装置

Info

Publication number: JP2004063947A
Application number: JP2002222578A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Tsurumaru; 鶴丸　尚文
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-07-31
Also published as: JP3801966B2

Abstract

【課題】従来のパルスヒータユニットは、加熱面の温度分布の均熱性を向上させるために高熱伝導のツールが使用され、さらに均熱性向上のためにツール自身の厚みが厚くなり、熱容量が増大して冷却速度が遅くなるという問題が生じていた。
【解決手段】ツール７と、ツール７に当接したセラミックスヒータ２と、セラミックスヒータ２に当接し、その当接面に冷却ガスが流れる流路（溝）５を形成した冷却部材３とからなる加熱装置において、冷却ガスの流路５がツール７とセラミックスヒータ２との間に延出形成されている構成である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体プロセスに用いられステージに搭載された基板そのものを加熱するステージ用セラミックスヒータまたは、半導体チップを基板上に押圧加熱実装する際に用いるダイボンディングセラミックスヒータ等、被加熱物を加熱する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、多層パッケージ基板上に、例えば裏面側に当接する半田当のバンプを介して半導体チップが搭載され、その半導体チップの表面に加熱装置を押し付けることで、両者に当接した半田バンプ等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】
ここでフリップチップ接続用のパルスヒータに求められる特性としては、まず使用する接着剤を軟化もしくは溶融するために必要な熱を、半導体チップを介してハンダバンプに代表される接着材まで効率よく伝える必要がある。また、生産効率の点から、予め定められた規定の温度までの昇温速度が速く、押圧加熱接合後の接着剤が固化するまでの温度降下速度が速いことが重要であり、また、実装後の半導体チップの信頼性から、半導体チップの表面である加熱面の全領域が均熱である必要もある。
【０００５】
そこで、急速な昇温、降温を行うフリップチップ接続用パルス型ヒータとして、特開平１０−２７５８３３号公報に開示されている。このフリップチップ用セラミックスヒータ１００は、図３に示すように、基板に搭載した半導体チップ２００表面に当接するセラミック製のツール１０１とその下面全域に当接するセラミックスヒータ１０２と、その下面に配した冷却部材１０３とから構成され、急速降温を必要とする時は、冷却部材１０３に形成した冷却孔１０４が、セラミックスヒータ１０２裏面に冷却媒体を吹付けて、急速冷却を行っている。
【０００６】
なお、１０５は半導体チップ２００表面を吸着する吸着孔、１０６は、セラミックスヒータ１０２に電力を供給するリード線である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年、半導体チップ２００の実装時の生産性向上が望まれ、上述のものよりも急速昇温可能であり且つ、急速降温可能な加熱装置が要求されている。
【０００８】
また、半導体チップ２００を加熱するツール加熱面全域の均熱性を向上させることによる、チップ実装時の信頼性向上も望まれているが、加熱面の温度分布の均熱性を向上させるのに、高熱伝導のツールを使用すると同時にツール自身の厚みを厚く形成されるために、加熱装置としての熱容量が増大し、冷却速度が遅くなり、生産時のタクトタイムが長く量産性に乏しくなるという問題が生じていた。
【０００９】
【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、半導体ベアチップの高生産性を実現する急速冷却可能な加熱装置を考案した。
【００１０】
すなわち、被加熱物を加熱する高熱伝導性のツールと、該ツールに当接したセラミックスヒータと、該セラミックスヒータに当接し、該当接面に冷却ガスが流れる流路を形成した冷却部材とからなる加熱装置において、前記冷却ガスの流路が前記ツールとセラミックスヒータとの間に延出形成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、前記冷却部材は低熱伝導性の材料で構成したことを特徴とするものであり、前記冷却ガス流路は、ツール側又は前記セラミックスヒータ側の一方もしくは、双方の面に形成された溝であることを特徴とするものである。
【００１２】
さらに、前記ツールに形成された溝の深さｄ１が、ツール厚みｄ２に対し、０．２×ｄ２≦ｄ１≦０．５×ｄ２の範囲に形成されていることを特徴とし、更に、前記セラミックスヒータ側に形成された溝深さｄ３が、ヒータ厚みｄ４に対し、０．２×ｄ４≦ｄ３≦０．５×ｄ４の範囲に形成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図１、２を用いて説明する。図１本発明の加熱装置の全体を示す斜視図、図２は分解斜視図である。
【００１４】
本発明の加熱装置２の一方主面に当接した冷却部材３を保持し、さらに冷却部材３をベース４に保持するとともにセラミックヒータ２の他方主面の略全領域に被加熱部材に当接してセラミックヒータ２の熱を伝導するツール７を配置してなる。
【００１５】
なお、セラミックスヒータ２とツール７との間には、本発明の特徴である冷却手段６が後述の冷却の機能を有する冷却部材３の溝５から延出形成されている。ところで、セラミックヒータ２は、内部に不図示の発熱体が埋設された加熱部２０、その発熱体に電力を供給するリード部２２、冷却部材３とネジにより、連結する連結部２１とからなる。この加熱部２０、リード部２２、連結部２１は、ともに一体的に形成したセラミックス材料より構成されており、セラミックスとして、窒化珪素、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く、焼結助剤として、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３などを焼結助剤として含有した窒化珪素を用いても良い。セラミックスヒータ２の製造例として、窒化珪素の粉末とＡｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３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するか、又は炭化珪素粉末とＢ、Ｃ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Ａｌ_２Ｏ_３製又はＳｉ_３Ｎ_４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、スラリを作製する。そして得られたスラリーを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、防爆式の乾燥機を用いて１２０℃程度で２４時間乾燥し、その後に４０メッシュ程度のメッシュに通す。ここで得られた、混合粉末に、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所望の有機バインダーを所望の量だけ混合して、プレス成形、ＣＩＰ成形して所望の形状に形成し、脱脂工程を５００〜７００℃程度の温度で行い、有機バインダーを飛散させて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ることにより窒化珪素製の板を得る。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も窒化珪素製の板を得ても良い。
【００１６】
そして、例えば、ここで得られた窒化珪素製の板をセラミックスヒータ２とするのは、窒化珪素をセラミックスヒータ２として使用する場合、絶縁性であるので、窒化珪素の表面または内部に導電性セラミックスあるいは金属からなるＷ、Ｍｏ、ＷＣなどの発熱抵抗体を印刷するなどの方法で形成して、還元雰囲気中などでその発熱体を窒化珪素に後付又は窒化珪素の焼結と同時に焼き付け一体化することにより、セラミックスヒータ２として使用する。この窒化珪素の表面または内部に一体形成された導電性セラミックスあるいは金属からなる発熱抵抗体に電流を通電することにより加熱することができる。
【００１７】
また、加熱部２０のツール７側には、冷却手段６の一部である冷却溝６ａが形成されている。この冷却溝６ａは後述のツール７の主面（セラミックヒータ２側）と対応した冷却溝６ｂと合致して冷却手段６を構成している。特に冷却溝６ａは、セラミックヒータ２の周囲にいくほど放熱されやすいため、ツール７にて均等に加熱するためセラミックヒータ２の温度を高くしているので、加熱後の冷却に対してもセラミックヒータ２の冷却をスムーズにするため、セラミックヒータ２の周辺部で冷却溝６ａを多く形成させている。また、冷却溝６ａには、後述する導入孔５２から冷却部材３を通過して冷却ガスを冷却溝６ａに導入する開孔２３が延在形成され、導入された冷却ガスを両サイドで排出させる流路を形成している。
【００１８】
冷却部材３は、冷却部５０とセラミックヒータ２連結する連結部５１とが一体的に形成されている。冷却部５０は、セラミックヒータ２の裏面を冷却するための溝５が形成されており、溝５の表面にはベース４から連通した複数の導入孔５２を介して冷却ガスが導入される開孔５３を有しており、そこに導入された冷却ガスが側面から排出されるように構成されている。
【００１９】
なお、５４は、被加熱物ｔを吸着する吸引孔である。そして、冷却部材３は、低熱伝導性のセラミック、例えば気孔率３０％以下のセラミックスが望ましく、５〜３０％程度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。この低熱伝導性のセラミックを用いる理由は、ツール７とセラミックヒータ２巻に冷却手段６を形成して一見、熱が伝わりにくいような構成にしても冷却部材３側よりも、より多くの熱をツール７側に伝熱させて伝達効率を向上させることができるからである。
【００２０】
上記気孔率を持った冷却部材３としては、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ができる。気孔率０％の緻密体質のセラミックスとしては、熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以下と極めて小さいフッソ金雲母系の加工が容易なマシナブルセラミックスを用いることが望ましい。断熱材３は、研削加工で所望の形状とし、冷却用連通穴は、超音波加工機で加工を行う。
【００２１】
ツール７は、被加熱物ｔと当接して押圧するため、高熱電導性のセラミックスが用いられる。例えば、炭化珪素、窒化アルミニウムなどを主成分とする焼結体があげられる。また、このセラミックスの焼成に際して、焼結助剤としてＡｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３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。窒化アルミニウムセラミックス製のツール７は、窒化アルミニウム粉末とＡｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３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、上述した、セラミックヒータ２と同じ製造方法により形成される。
【００２２】
さらに、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】
これらの窒化アルミニウム質焼結体や炭化珪素質焼結体は、熱伝導性が良い高熱伝導性のもので、熱膨張率が低いもの例えば、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、熱膨張率が６×１０^−６／℃以下のものが用いられる。または、セラミックスに限定されず熱伝導率が高く、比熱の小さい金属アルミニウムを用いても良い。この場合アルミニウム表面の硬度を上げるために、アルマイト処理等の表面処理をすることが望ましい
また、このツール７に設けられた冷却溝６ｂの溝深さｄ１は、ツール７の厚みｄ２に対し、０．２×ｄ２≦ｄ１≦０．５×ｄ２が適切である。
【００２４】
ツール７側に設けた溝深さｄ１が、ｄ１＜０．２×ｄ２では、セラミックスヒータ２の冷却時の冷却効果が小さいために、冷却時間の短縮ができず、生産性の高い半導体チップの実装が困難となる。また、溝深さｄ１が、ｄ１＞０．５×ｄ２では、溝深さｄ１がツール厚みｄ２に対し、深すぎる為にツール表面での均熱性が劣化するために、半導体チップ実装後に十分な信頼性を得ることができない。
【００２５】
同様にセラミックスヒータ２側に設けられた冷却溝６の溝深さｄ３は、セラミックスヒータ２の厚みｄ４に対し、０．２×ｄ４≦ｄ３≦０．５×ｄ４が適切である。
【００２６】
セラミックスヒータ２側に設けた溝深さｄ３が、ｄ３＜０．２×ｄ４では、セラミックスヒータ２の冷却時の冷却効果が小さいために、冷却時間の短縮ができず、生産性の高い半導体チップの実装が困難となる。ｄ３＞０．５×ｄ４では、溝深さｄ３がセラミックスヒータ２の厚みｄ４に対し、深すぎる為にツール表面での均熱性が劣化するために、半導体チップ実装後に十分な信頼性を得ることができない。
【００２７】
また、ツール７およびセラミックスヒータ２に設ける溝の幅は、１０ｍｍ以下であることが望ましい。溝幅が１０ｍｍを超えるとツール７の表面の均熱性が著しく劣化し、半導体チップ実装後に高信頼性を得ることが困難となる。
【００２８】
ツール７およびセラミックスヒータ２に設ける溝の設置は、折り返しタイプが冷却に効果的であり、折り返し後の溝間隔は、溝幅よりも広いことが望ましい。折り返し後の溝間隔が溝幅より狭いとツール７表面での均熱性が劣化する。
【００２９】
ベース４は、ツール７を除く、各部品を統合し他部材に結合する為に用いられ、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が使用される。
【００３０】
次に、本発明の加熱装置の動作について説明する。まず、予め被加熱物ｔが実装される基板上に印刷等により、半田バンプ等の接着剤を形成する。そして、本発明の加熱装置は、被加熱物ｔを吸着する吸引孔５４で吸着し、被加熱物ｔが、基板上に形成された半田バンプ等の接着剤上へ当接するように移動する。その後、セラミックヒータ２のリード部２２に電力が供給され、発熱部２０、ツール７と熱が伝熱し、被加熱物ｔを加熱する。そして、加熱が終了すると同時にベース４の裏面側から冷却ガスを導入孔５２に導入し、溝５でセラミックヒータ２を冷却するとともにツール７とセラミックヒータ２間に形成された冷却手段ｂに冷却ガスが導入されツール７を冷却するとともに、基板上の被加熱物ｔを冷却し、半田バンプ等の接着剤を冷却固化し、被加熱物ｔの実装が完了する。
【００３１】
したがって、本発明により、被加熱物の冷却時間が著しく短縮され、結果、タクトタイムの大幅な短縮が可能となり、量産性を向上させることができる。
【００３２】
【実施例】
まず、本発明の実施の形態で示した方法に従って、図１、２に示す構造の加熱装置を作製した。
【００３３】
なお、高熱伝導のツール７としては、アルミニウム板の表面に硬質アルマイト処理を施し、表面硬度を上げたものを用いた。ツール７側とセラミックヒータ２との間に設ける冷却手段６と、ベース４、冷却部材３に形成した導入孔５２、溝５吸引孔５４は、超音波加工機により加工した。
【００３４】
セラミックヒータ２は、Ｙｂ_２Ｏ_３を焼結助剤とする窒化ケイ素粉末をバインダーと混合後にプレス成形し５０ｍｍ角の窒化珪素成形体を得た後に発熱体としてＷＣインクを印刷し、もう一つの５０ｍｍ角の窒化珪素で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を発熱体として内蔵する窒化珪素質焼結体を得た。これを平面研削盤、超音波加工機を用いて、加熱部２０は２４ｍｍ×２４ｍｍ×２ｔとし、接合部２１を両サイドに形成した。
【００３５】
さらに電極引き出し用のリード部、真空吸着穴を形成して、セラミックスヒータ２とした。
【００３６】
冷却部材３としては、気孔率３０％以下のセラミックスを用いた。ベース４としてはＮｉを多く含有した鋳鉄を冷却部材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製した。
【００３７】
比較のために、セラミックスヒータ２の裏面のみの冷却を行う溝５のみを形成した加熱装置も同様に作製した。ツール７とセラミックスヒータ２間の冷却構造以外は同寸法とした
本実施例では、セラミックスヒータ２の発熱部温度を５００℃に設定し、その時のツール７の表面温度バラツキと５０℃までの冷却時間を測定した。結果を表１に示す。
【００３８】
【表１】

【００３９】
表１からも明らかなように、従来品では、温度分布は良くても冷却時間が長い。これに対し、高熱伝導性のツール７とセラミックスヒータ２の間に冷却機構を設けた本発明の加熱装置は、冷却時間が大幅に短縮され、半導体チップの信頼性に必要な温度分布バラツキも増大することはない。
【００４０】
冷却溝溝６ａの深さは、高熱伝導ツール７およびセラミックスヒータ２の厚みの２０％〜５０％では、冷却時間が大幅に縮小される。また、冷却溝６ａの深さが高熱伝導ツール７およびセラミックスヒータ２の厚みの５０％より大きいとでは温度バラツキが増大する。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、高熱伝導性のツールと、これを加熱するためのセラミックスヒータと、該セラミックスヒータを保持するための断熱材およびベースからなり、非加熱時に冷却するための冷却構造を有する加熱装置であって、前記冷却構造が高熱伝導ツールとセラミックスヒータとの間に形成することにより、位置精度を満足できる剛性と、タクト時間を短縮する冷却性能を同時に満足できる加熱装置を提供することができる。
【００４２】
また、ツール側もしくは、セラミックスヒータ側の片方もしくは、両面に冷却用の溝を形成し、ツール側に形成された溝深さが、ツール厚みの２０％〜５０％または、セラミックスヒータ側に形成された溝深さがセラミックスヒータ厚みの２０％から５０％とすると、更に温度バラツキが小さく、冷却時間が大幅に縮小可能な加熱装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加熱装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の加熱装置の内部構造を示す分解斜視図である。
【図３】従来の押圧加熱装置を示す中央断面図である。
【符号の説明】
１　　ツール
２　　セラミックスヒータ
３　　冷却部材
４　　ベース
５　　溝
６　　冷却手段
６ａ　冷却溝

Claims

被加熱物を加熱する高熱伝導性のツールと、該ツールに当接したセラミックスヒータと、該セラミックスヒータに当接し、該当接面に冷却ガスが流れる流路を形成した冷却部材とからなる加熱装置において、前記冷却ガスの流路が前記ツールとセラミックスヒータとの間に延出形成されていることを特徴とする加熱装置。
前記冷却部材は低熱伝導性の材料で構成したことを特徴とする請求項１記載の加熱装置。
前記冷却ガス流路は、ツール側又は前記セラミックスヒータ側の一方もしくは、双方の面に形成された溝であることを特徴とする請求項１記載の加熱装置。
前記ツール側に形成された溝の深さｄ１が、ツール厚みｄ２に対し、０．２×ｄ２≦ｄ１≦０．５×ｄ２のとなる範囲に形成されていることを特徴とする請求項１記載の加熱装置。
前記セラミックスヒータ側に形成された溝深さｄ３が、ヒータ厚みｄ４に対し、０．２×ｄ４≦ｄ３≦０．５×ｄ４となる範囲に形成されていることを特徴とする請求項１記載の加熱装置。