JP2004119177A

JP2004119177A - Pressure heater and its temperature adjusting method

Info

Publication number: JP2004119177A
Application number: JP2002280343A
Authority: JP
Inventors: Masao Yoshida; 吉田　政生
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2022-09-26
Also published as: JP3847240B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pressure heater capable of improving the yield by efficiently joining an electrode of a semiconductor bear chip to a wiring conductor of a wiring board in a short period of time by enabling the rapid rising of temperature and by reducing the variation of temperature distribution of a processing surface of the semiconductor bear chip. <P>SOLUTION: This pressure heater comprises with a ceramic heater for pushing and heating an object to be heated, an adiabator for mounting the ceramic heater and a base integrating these members and combining them with other members. A plurality of protruded parts are formed on the surface of the adiabator, a contact area with the ceramic heater of each protruded part is 0.5%-15% of the area of the lower surface of the ceramic heater, and the total of the areas of the parts of the protruded parts contacting with the ceramic heater is 4%-50% of the area of the lower surface of the ceramic heater. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【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など、被加熱物を押圧加熱する押圧加熱ヒーター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、異方性導電膜などの樹脂系の接着材を使用したＡＣＦ（ＡＣＦ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｆｉｌｍ）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など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半導体チップを載置して、その上面からセラミックヒーターを備えた押圧加熱ヒーターで加熱しながら押圧することによって、両者に備えたハンダバンプなどの接着材によって接合し配線を行うことができる。
【０００４】
ボンディング用ヒーターは、使用する接着材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。しかし、ヒーターの押圧面の温度分布が不均一で、局所的な高温部があると、半導体チップへ過剰な熱を供給し、半導体チップ自身の損傷もしくは、半導体チップ実装後の信頼性を著しく低下させる可能性がある。そのため、ヒーターの押圧面の温度分布が均一であることが重要である。
【０００５】
また、生産効率の点から、所要の温度までの昇温速度が速く、押圧加熱接合後の接着材が固化するまでの温度降下速度が速いことが重要である。さらに半導体ベアチップを押圧加熱する際には、熱とともに圧力も加えるため押圧加熱ヒーターには、機械的強度や耐摩耗性、あるいは靭性が求められる。
【０００６】
かかる押圧加熱ヒーターは、例えば、特許文献１に開示されているように、図５、図６に示すように被加熱物を押圧し、加熱するためのセラミックヒーター１１と、セラミックツール１２とからなり、セラミックヒーター１１から発生した熱がセラミックツール１２以外に伝熱することを防止するための断熱材１３と、これらの部材を統合し他部材に結合するベース１４とから構成されており、前記セラミックヒーター１１は、セラミック体１５中に発熱体１６、および前記発熱体１６の両端に接続されるリードパターン１７を埋設させ、前記リードパターン１７の一部を露出させ電極を取り出すためのリード端子１８とから構成される。
【０００７】
例えば特許文献１に示されている例では、セラミックヒーター１１として熱伝導率１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の炭化珪素を用い、セラミックツール１２に熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化アルミニウム材料を用いることによって、セラミックヒーター１１で発熱した熱を、セラミックツール１２側に効率的に供給している。さらに、ここで断熱材１３の熱伝導率を５Ｗ／ｍ・Ｋの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とによって、セラミックヒーター１１からベース１４への伝熱を断熱材１３によって効果的に遮断し、急速昇温を可能としている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−３３２５８９号公報（第３−５頁、第１図）
【特許文献２】
特開２００１−９３６５５号公報（第３−４頁、第１図、符号Ａ）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
近年、生産効率の向上のため、押圧加熱ヒーターの加熱速度、温度分布の向上および被加熱物の大型化に伴う押圧加熱ヒーターの大型化が要求されており、加熱速度においては、従来は約１ｋＷの電力を印加して１００〜３００℃間を４秒程度で昇温させていたのに対し、現在は約２．５ｋＷの電力を印加して１００〜５００℃まで５秒以下で急速昇温させることが要求されている。
【００１０】
また、温度分布についても、従来の加熱領域が２０ｍｍ×２０ｍｍの領域で３００℃時に許容される表面温度ばらつきが±５℃以下であったのに対し、現在は装置の大型化のため、加熱領域が３０ｍｍ×４５０ｍｍと広範囲の領域で３００℃時において表面温度ばらつきを±５℃に抑えることが要求されている。
【００１１】
しかしながら、特許文献１に開示されているような従来の押圧加熱ヒーターに用いられるセラミックヒーター１１は、下面の全面が断熱材１３に載置されているために、断熱材１３の熱伝導率が低くても、セラミックヒーター１１から断熱材１３を通して、熱がベース１４に逃げてしまう。その結果、十分な加熱速度を得ることができず、現在要求されているような急速昇温に対する要求に対して応えることができないという欠点を有していた。
【００１２】
これに対して、例えば、特許文献２では、セラミックヒーターが載置されるホルダの領域の一部に凹部を設け、相互の接触面積を２０％〜５０％とすることによって、セラミックヒーターからホルダへの熱の流出を抑え、急速昇温を可能にした例が開示されている。しかしながら、この場合、接触面が凹部の縁部に集中するために接触した箇所から熱が流出することと、セラミックヒーターが載置されるホルダの材質として、熱伝導率が高い高強度高靭性の窒化珪素質焼結体を用いたこと、の２つの理由から、セラミックヒーターとホルダが接触した箇所からの熱流出が大きくなり、現在要求されているような大面積下での表面温度分布の均一化を達成することができないという欠点を有していた。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の欠点に鑑み案出されたもので、その目的は、急速昇温を可能として短時間で半導体ベアチップの電極を配線基板の配線導体に効率よく接合させ、かつ半導体ベアチップの処理面の温度分布を均一にすることが可能とし歩留まりを向上させることができる押圧加熱ヒーターを提供することにある。
【００１４】
本発明の押圧加熱ヒーターは、被加熱物を押圧し加熱するためのセラミックヒーターと、前記セラミックヒーターを載置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ベースとからなる押圧加熱ヒーターにおいて、前記断熱材の表面に複数の凸部を設け、該凸部上に前記セラミックヒーターを載置したことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の押圧加熱ヒーターは、前記凸部１つ当たりの前記セラミックヒーターとの接触面積が、前記セラミックヒーター下面の面積に対して０．５％〜１５％であり、かつ、前記凸部と前記セラミックヒーターとの接触している部分の面積の総和が、前記セラミックヒーター下面の面積に対して４％〜５０％であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の押圧加熱ヒーターは、前記セラミックヒーターの下面において、前記凸部と前記セラミックヒーターとの、単位面積当たりでの接触比率が、前記セラミックヒーターの外周部から内側部に向けて小さくなっていることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の押圧加熱ヒーターは、前記セラミックヒーターを単独で通電加熱させたときの表面温度が、外周部は高く、内側部に向けて低くなるような分布をもつことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の押圧加熱ヒーターは、前記断熱材の熱伝導率が３５Ｗ／ｍｋ以下であることを特徴とする。
【００１９】
さらに、本発明の押圧加熱ヒーターの温度調整方法は、前記断熱材上の少なくとも前記セラミックヒーターが載置される部分に、あらかじめ複数の切り込みを入れて凸部群を設けておき、前記セラミックヒーターを前記断熱材の前記凸部群上に載置し、通電加熱して、前記セラミックヒーターの表面の温度分布が均一となるように前記凸部群の一部を除去することにより、前記凸部を形成したことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
本発明の押圧加熱ヒーターは、図１の斜視図のように、被加熱物を押圧し、加熱するためのセラミックヒーター１と、セラミックヒーター１から発生した熱が被加熱物以外に伝熱することを防止するための断熱材２と、これらの部材を統合し他部材に結合するためのベース３から構成される。
【００２２】
前記断熱材２の上面にセラミックヒーター１が載置され、該セラミックヒーター１は半導体ベアチップを配線基板上に低融点ロウ材を介して実装する際に、前記低融点ロウ材を溶融させるに必要な熱を発生する作用をなす。
【００２３】
前記セラミックヒーター１は、図２に示すようにセラミック体５に発熱体６を埋設した発熱部７と、前記発熱体６から引き出されたリードパターン４を内蔵したリード部８からなり、前記リードパターン４の一部を露出させ電極を取り出すためのリード端子９とから構成される。前記セラミックヒーター１は断熱材２を介して、係合部材１０によりベース３に固定されている。
【００２４】
さらに、図３に示すように、断熱材２はセラミックヒーター１が載置される領域に複数の凸部２ａを有し、この上にセラミックヒーター１を載置するようになっている。これにより、セラミックヒーター１から断熱材２の凸部２ａを経由してベース３へ流出する熱を制御することができ、セラミックヒーター１の表面温度分布を均一にすることが可能となる。
【００２５】
セラミックヒーター１から断熱材２の凸部２ａを経由して流出する熱を制御するためには、接触面積が大きい箇所からは、流出する熱量が多く、接触面積が小さい箇所からは流出する熱量が少ないという現象を利用すればよい。すなわち、セラミックヒーター１の表面温度が高い部分は、凸部２ａとの接触面積が大きくなるように、逆にセラミックヒーター１の表面温度が低い部分は、凸部２ａとの接触面積が小さくなるように、凸部２ａのサイズを適切に配合させてやることによって、セラミックヒーター１の表面温度分布を均一にすることができる。
【００２６】
ここで、断熱材２上に形成した凸部２ａ１つ当たりのセラミックヒーター１との接触面積をセラミックヒーター１下面の面積に対し、０．５％〜１５％の範囲内とすることが好ましく、１％〜９％とすることがより好ましい。その理由は、前記凸部２ａ１つ当たりの接触面積が０．５％未満のときは、セラミックヒーター１によって、被加熱物を押圧したときに、応力が凸部２ａに集中するため、セラミックヒーター１が破損しやすいという問題があり、逆に、１５％を超えると、該凸部２ａから断熱材２を介してベース３に逃げる熱量が大きくなり過ぎ、セラミックヒーター１の温度分布を細かく制御することが難しくなるという問題があるからである。
【００２７】
また、断熱材２の凸部２ａとセラミックヒーター１と接触している部分の面積の総和が、セラミックヒーター１下面の面積に対して４％〜５０％とするのが好ましく、１２％〜２７％とするのがより好ましい。その理由は、面積の総和が４％未満のときは、セラミックヒーター１によって被加熱物を押圧したときに、セラミックヒーター１に局所的に大きな圧力がかかるため、セラミックヒーター１がたわんで、破損してしまうという問題があり、逆に５０％を超えると、セラミックヒーター１から発生した熱が断熱材２を介してベース３に逃げる量が大きくなるために、急速に昇温することが難しくなるからである。
【００２８】
また、セラミックヒーター１の下面において、前記断熱材２上の凸部２ａと前記セラミックヒーター１との、単位面積当たりでの接触比率が、前記セラミックヒーター１の外周部から内側部に向けて小さくなっていることが好ましい。
【００２９】
その理由として、セラミックヒーター１を断熱材２上の凸部２ａで安定に載置させるためには、セラミックヒーター１の外周部に近い領域で本体を支えることが必要だからである。逆に、セラミックヒーター１の内側に近い領域で本体を支えているときには、被加熱物を押圧したときに、本体の外周部でがたつきが生じ、精度よく被加熱物を処理することができなくなる。
【００３０】
また、特に前記の断熱材２の凸部２ａとの単位面積当たりの接触比率が外周部で大きくなっているタイプの押圧加熱ヒーターについては、セラミックヒーター１を単独で通電加熱させたときの表面温度が、ヒーター外周部は高く、内側部に向けて低くなるような分布をもつことが望ましい。
【００３１】
この理由としては、上で述べたように、接触面積が大きい箇所からは、流出する熱量が多く、接触面積が小さい箇所からは流出する熱量が少ないため、広い範囲で均一な温度分布を得るためには、接触面積が大きい箇所ほどヒーターの発熱量を多く、逆に接触面積が小さい箇所ほどヒーターの発熱量を少なくしてやる必要があるからである。
【００３２】
なお、このように外周部で表面温度が高く、内側に向けて低くなるような分布を有する特性を持つヒーターを作製するためには、セラミックヒーター１に埋設される発熱体６の断面積を外周部で小さく、内側に向けて大きく分布するようにすればよい。
【００３３】
また、断熱材２については、熱伝導率が３５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の範囲にあることが望ましい。熱伝導率が３５Ｗ／ｍ・Ｋを超えると、セラミックヒーター１と接触している凸部２ａから断熱材２を介してベース３に逃げる熱量が大きくなり過ぎ、セラミックヒーター１の温度分布を細かく制御することが難しくなるからである。なお、熱伝導率の下限としては、１Ｗ／ｍ・Ｋよりも大きいことが望ましい。これよりも小さいと、セラミックヒーター１と接触している凸部２ａからの熱流出が非常に少なくなるため、セラミックヒーター１の表面温度分布の調節が難しくなる恐れがあるからである。
【００３４】
熱伝導率を３５Ｗ／ｍ・Ｋ以下とするためには、断熱材２の材料として、アルミナやコージェライト、あるいはマセライトが好適に用いられる。また、同じアルミナ系焼結体でも、焼成前の成形体密度や焼成条件を変えることによって、焼結体の気孔率を制御し、熱伝導率をコントロールすることが可能である。
【００３５】
また、本発明の押圧加熱ヒーターによれば、前記断熱材２の凸部２ａのセラミックヒーター１が載置される面、もしくは前記セラミックヒーター１の前記凸部２ａと接触する面の平坦度を０．０３ｍｍ以下とすることによって、凸部２ａと前記セラミックヒーター１との間で熱の流出が良好に行われ、セラミックヒーター１を所定温度まで均一な温度分布で急速昇温することが可能となる。
【００３６】
なお、平坦度０．０３ｍｍの面とは、０．０３ｍｍ間隔の２枚の理想平行面におさまる平面を指す。平坦度の悪い面同士を接触させようとすると、実際に接触する凸部と接触しない凸部が発生し、表面温度分布の制御が難しくなる。
【００３７】
ここで、凸部２ａの高さは、０．５ｍｍ〜５ｍｍに調整されることが望ましい。この理由として、高さが０．５ｍｍ未満であるとセラミックヒーター１からの輻射熱などの熱伝達が大きいため、十分な断熱性が得られず、５ｍｍを越えると凸部２ａの強度が不足し、被加熱物を押圧する際に破損してしまう恐れがあるからである。
【００３８】
前記セラミックヒーター１は、高温強度が高く、高靭性である窒化珪素質焼結体から成るセラミック体５にタングステンやモリブデンなどの高融点金属からなる発熱体６を埋設して形成されており、前記セラミック体５は例えば、主成分としての窒化珪素に焼結助剤としての希土類元素酸化物、酸化アルミニウム、酸化珪素を添加混合して原料粉末を調整し、しかる後、前記原料粉末をプレス成形法などにより所定形状に成形するとともに約１６５０℃〜１８００℃の温度で焼結することによって製作されている。
【００３９】
また、前記発熱体６はタングステンやモリブデンなど、あるいはこれらの炭化物、窒化物などに適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して発熱体ペーストを作り、これを焼成によってセラミック体５となる成形体にあらかじめスクリーン印刷法などにより所定パターンに被着させておくことによって一体的に形成される。前記発熱体６は、それが有する電気抵抗により電力が印加される際にジュール発熱を起こし、半導体ベアチップをハンダや低融点ロウ剤を介して配線基板上に実装するときに、ハンダや低融点ロウ剤を溶融させるために必要な温度に発熱する。
【００４０】
なお、前記セラミック体５は、窒化珪素９０〜９２モル％、希土類元素酸化物２〜１０モル％とし、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２は窒化珪素と希土類元素酸化物の総量に対して外添加で各々０．２〜２．０重量％と１〜５重量％添加して形成すると、窒化珪素質焼結体が緻密化し、使用中に発熱体６付近まで空気中の酸素が拡散し、発熱体６が酸化して断線するのを有効に防止することができ、常温及び高温強度が極めて高いものとなる。したがって前記セラミック体５として、窒化珪素を主成分としたセラミックを用いるときには、窒化珪素９０〜９２モル％、希土類元素酸化物２〜１０モル％とし、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２は窒化珪素と希土類元素酸化物の総量に対して外添加で各々０．２〜２．０重量％と１〜５重量％添加しておくことが好ましい。
【００４１】
また前記セラミックヒーター１は、セラミック体５の熱伝導率を常温での熱伝導率を５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものにしておくと、発熱体６が発した熱はセラミック体５の全体に短時間に広がってセラミックヒーター１を短時間に昇温して、かつ温度むらの発生をほとんどない状態で所望する温度に昇温することができる。したがって、昇温速度をより速く、かつ温度むらの発生を少なくするためにはセラミックヒーター１のセラミック体５の熱伝導率を５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上としておくことが好ましい。
【００４２】
さらに前記セラミックヒーター１はその厚みを１ｍｍ〜２ｍｍの範囲としておくとセラミックヒーター１の機械的強度を高いものに維持しつつ、熱容量を小さくし、昇温速度をより速いものとなすことができる。これによって半導体ベアチップを押圧加熱して配線基板に実装する際、セラミックヒーター１に割れなどの破損を発生させることなく短時間に実装可能となる。したがって、前記セラミックヒーター１は、その厚みを１ｍｍ〜２ｍｍの範囲としておくことが好ましい。
【００４３】
また、前記セラミックヒーター１は断熱材２を介して該ベース３に取着されている係合部材１０とで挟持されてベース３上に固定されている。セラミックヒーター１および断熱材２はベース３上に載置されているだけであるため、セラミックヒーター１と断熱材２とベース３との熱膨張係数が各々異なるとしても、相互の熱膨張係数の差に起因する大きな熱応力は発生することはない。その結果、セラミックヒーター１や断熱材２やベース３にクラックや割れが発生することが少ない。
【００４４】
前記セラミックヒーター１をベース３上に固定する係合部材１０はステンレスや、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｆｅの合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏの合金などの耐熱性金属やセラミックスからなり、一端はベース３上にネジ止めされており、他端はセラミックヒーター１の表面を押圧する。
【００４５】
前記断熱材２上の凸部２ａは、例えば、断熱材２がセラミック材料であるとき、周知の研削加工法により加工することによって所定形状に形成される。この凸部２ａの加工は、次のような方法によって行う。
【００４６】
まず、前記断熱材２上の少なくとも前記セラミックヒーター１が載置される部分に、図４（ａ）に示すように、あらかじめ複数の切り込みを入れて凸部群３１を設けておく。切り込みを入れる方法としては、例えば、万能研削盤やレーザー加工機、あるいは超音波加工機を用いることができるが、切り込み形状による応力集中を避けるために、万能研削盤を用いることがより望ましい。
【００４７】
前記セラミックヒーター１と接触する前記凸部群３１を構成する各凸部の上面は、上述のような理由から、前記セラミックヒーター１下面の面積に対し０．５％〜１５％、好ましくは１％〜９％となるように加工する。このとき、前記各凸部のサイズを全て略同一にしても良いが、上記指定のサイズの範囲内でばらつかせても良い。その場合、後で説明する前記セラミックヒーター１の表面温度分布を均一にするための工程で、凸部群３１の中から凸部の一部を除去するときに、より細かい調節が可能となるという利点がある。
【００４８】
次に、本発明の押圧加熱ヒーターにおける表面温度分布の調節方法について説明する。
【００４９】
まず、前記セラミックヒーター１を前記断熱材２の前記凸部群３１上に載置し、通電加熱を行う。ここで、赤外線温度計などを用いてセラミックヒーター１の押圧面の表面温度分布を測定し、目的とする温度分布になるように、凸部群３１の中から凸部を選択し、ＮＣ旋盤を用いて加工除去し、図４（ｂ）のように凸部が除去された部分３２を得る。
【００５０】
具体的には、周囲の温度よりも高い領域は凸部を残し、周囲の温度よりも低い領域は凸部を除去する。これによって、温度が高い領域は断熱材２の凸部２ａが接することにより、熱が凸部を介してベース３に流出するため温度が下がるが、逆に温度が低い領域は、断熱材２の凸部が除去されることにより、セラミックヒーター１に断熱材２が接しなくなるため、温度が下がりにくくなる。この通電加熱−表面温度分布測定−凸部除去の操作を繰り返すことによって、セラミックヒーター１の表面温度を、例えば設定温度３００℃のときに、±２℃程度にまで均一な分布にすることができる。
【００５１】
なお、この温度調整を行うときのセラミックヒーター１の設定温度は、実際の工程で使用される温度を元に決定され、通常３００℃〜５００℃程度である。
【００５２】
このように、上述の押圧加熱ヒーターによれば、配線基板上に間に低融点ロウ材を介して半導体ベアチップを載置させるとともに、半導体ベアチップの上面にセラミックヒーター１を当接させ、次にベース３を介してセラミックヒーター１を半導体ベアチップ側に一定の圧力で押圧させるとともに発熱体６に電力を印加して所定温度に発熱させ、この発熱で前記低融点ロウ材を溶融させることによって半導体ベアチップの実装に用いることができる。
【００５３】
なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【００５４】
例えばセラミックヒーター１の上面に荷重５００ｇでのビッカース硬度が１０ＧＰａ以上の高硬度の材料からなる平坦な表面を有するツールを配置しておいても良い。半導体ベアチップを配線基板に繰り返し実装したとしても押圧加熱ヒーターのセラミックヒーター１が、ツールにより補強されるため長期間の使用に耐え得ることが可能となる。
【００５５】
また、前記ベース３及びセラミックヒーター１が、かどばった角部を有する場合、その角部を、例えば０．２ｍｍ以上のＣ面加工あるいは半径０．２ｍｍ以上のＲ面加工を施しておくと、ベース３及びセラミックヒーター１に応力が作用した際、その応力を有効に分散させてベース３及びセラミックヒーター１にクラックや割れなどが発生するのを防止することができる。
【００５６】
上述の実施例では、半導体ベアチップを実装する際に使用する押圧加熱ヒーターを例に挙げて本発明の押圧加熱ヒーターを説明したが、これに限定されるものではなく被加熱物を短時間で加熱する応力加熱装置、具体的にはＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｐｒｉｎｔ　Ｃａｂｌｅ）などの半田接続、半導体パッケージキャップのシール、レーザーヘッドなどの光学系ヘッドのキャンシール、チップ接続のリワークなどに用いられる押圧加熱ヒーターにも適用可能である。
【００５７】
【実施例】
次に本発明の実施例を説明する。
【００５８】
図２に示すような押圧加熱ヒーター用のセラミックヒーター１を作製した。
【００５９】
まず、主成分として９０〜９２モル％の窒化珪素に焼結助剤として希土類元素酸化物を２〜１０モル％、酸化アルミニウム、酸化珪素を窒化珪素と希土類元素酸化物の総量に対して各々０．２〜２．０重量％と１〜５重量％添加混合して原料粉末を調整した。その後、原料粉末をプレス成形法などにより３０ｍｍ×１５０ｍｍの成形体を得、該成形体の上面にタングステンに適当な有機溶剤、溶媒を添加混合した発熱体ペーストを作り、これを発熱部７およびリード部８の導体形状にスクリーン印刷法などによりプリントした。さらに、上記二つの成形体の間に、貫通孔を形成しこの中にタングステンを主成分とする導電性ペーストを充填した成形体を挟み込んで密着させ、約１６５０〜１８００℃の温度でホットプレス焼成した。その後、導体部の一部を露出させ、電極取り出し部を形成し、Ａｇ−Ｃｕを含有したペーストを塗布し、真空中で焼成してメタライズ層を形成、Ｎｉからなるメッキ層を施した後、係合部材１０でセラミックヒーター１、断熱材２、ベース３を組み付けた。
【００６０】
セラミックヒーター１の加工は平面研削盤、および超音波加工機を用いて、２５ｍｍ×１４０ｍｍの発熱部主面を持つセラミック体５を形成した。また、セラミックヒーター１の発熱部７の厚みは２ｍｍとした。
【００６１】
断熱材２としては、セラミックヒーター１の面積と略同一の面積を持つアルミナ製のブロック体を加工して用いた。このブロック体の高さは３０ｍｍであった。断熱材２への凸部群３１の加工は、万能研削盤を用いた。これにより、図４に示すような複数箇所に深さ１ｍｍの切り込みを入れ、凸部群３１を構成する凸部の上部面積の総和がセラミックヒーター１の発熱部面積に対して７０％〜９０％の範囲となるように加工した試料を得た。なお、各凸部の高さは１ｍｍであり、上部面積は０．４％〜１６％の範囲で略同一となるようにした。
【００６２】
また、断熱材２は、上記範囲内および範囲外にてセラミックヒーター１との接触面積および凸部２ａ１つ当たりの接触面積を様々に変えて、複数の試料を得た。さらに、上記で利用した断熱材ブロックと同一形状で気孔率を変えたアルミナ系セラミックスのブロックを用いて、断熱材２の形状に加工し、熱伝導率が異なる複数の試料を得た。
【００６３】
上記で作製したセラミックヒーター１については、すべて各試料における断熱材２の凸部群３１上に載置し、設定温度を３００℃として通電加熱を行った。ここで、赤外線温度計を用いてセラミックヒーター１の押圧面の表面温度分布を測定し、表面温度のばらつきが最小となるよう、凸部群３１の中から凸部を選択し、ＮＣ旋盤によって加工除去を行い、凸部２ａの形成処理を行った。
【００６４】
また、本発明の実施例の一例として、セラミックヒーター１を作製する際に、発熱体６の断面積を内側に比べて外周部の方を細くして、セラミックヒーター１の外周部の発熱量が内側よりも高くなるように形成したほかは、すべて上記と同様の方法で前記凸部２ａまで形成を行った。このセラミックヒーター１を用いて、表面温度分布が均一となるように形成した前記凸部２ａは、前記セラミックヒーター１との単位面積当たりでの接触比率が、前記外周部から内側に向けて小さくなっていた。
【００６５】
なお、今回作製したセラミックヒーター１の凸部２ａとの接触面および、凸部２ａ上のセラミックヒーター１を載置する面はすべて、平坦度が０．０３ｍｍ以下であった。
【００６６】
従来構造の試料としては、図５に示す構造の押圧加熱ヒーターを作製した。セラミックヒーター１１は、実施例と同様に窒化珪素質のセラミック焼結体を作製した後、２５ｍｍ×１４０ｍｍの発熱部と、長さ２０〜５０ｍｍのリード部を形成し、Ａｇ−Ｃｕを含有したメタライズ層を形成しＡｇ−Ｃｕでリード端子１８をロウ付けするとともにリード線を接続して、外寸３０ｍｍ×１５０ｍｍの試料を得た。
【００６７】
次に、各押圧加熱ヒーター用のセラミックヒーターの発熱体に２．５ｋＷの電力を印加して発熱体をジュール発熱させ、セラミックヒーターが１００℃から５００℃に加熱するまでに要する時間（昇温時間）を調べた。
【００６８】
また、各押圧加熱ヒーター用のセラミックヒーターの表面温度が３００℃に到達後、１０秒後のセラミックヒーターの表面温度を赤外線温度計にて測定した。
【００６９】
さらに、配線基板上に間に低融点ロウ材を介して半導体ベアチップを載置させるとともに、半導体ベアチップの上面に各押圧加熱ヒーターを当接させ、半導体ベアチップ側に５ＭＰａの圧力で押圧させるとともに電力を印加して３００℃に発熱させ、この発熱で前記低融点ロウ材を溶融させることによって半導体ベアチップの実装テストを行い、搭載された前記半導体ベアチップの搭載精度の評価を行った。
【００７０】
表１に実験の条件について示す。また、表２に結果を示す。
【００７１】
なお、昇温時間については１００℃から５００℃まで昇温させるのに要した時間で評価し、５秒未満のものを○、５秒以上６秒以下のものを△、６秒を超えるものを×とした。また、ヒーター表面温度分布については、設定温度を３００℃としたときに表面の温度分布が±４℃未満のものを○、±４℃以上±５℃以下のものを△、±５℃を超えるものを×とした。搭載テスト時のチップ精度については、押圧加熱前後でのチップの位置ずれの大きさで判断し、位置ずれが認められないものを○、位置ずれはあるが後工程に影響のない程度の微小なものを△、後工程に影響が出る可能性があるものを×とした。
【００７２】
さらに総合判定として、上記の３つの評価項目に対して、○が３つのものを◎（大変良い）、○が２つのものを○（良い）、○が１つのものを△（許容範囲内）、○がないものを×（不可）とした。
【００７３】
【表１】

【００７４】
【表２】

【００７５】
表１および表２に示した結果より、本発明の範囲内であるＮｏ．１〜２２の試料については、昇温速度、ヒーターの表面温度分布、実装時のチップ精度の評価項目すべてにおいて、許容範囲内の結果を得ることができた。しかしながら、試料Ｎｏ．２３に示した本発明の範囲外である従来構造の押圧加熱ヒーターは、昇温速度、表面温度分布、実装時のチップ精度の全項目にわたって良好な結果を得ることができなかった。
【００７６】
本発明の範囲内の試料の中でも、Ｎｏ．１〜５の試料については、凸部１つ当たりの前記セラミックヒーターとの接触面積が、前記セラミックヒーター下面の面積に対して０．５％〜１５％であり、セラミックヒーターの表面温度分布のばらつきは±２℃以下の良好な結果が得られた。それに対して、上記接触面積が１５％を超えた試料であるＮｏ．６は、セラミックヒーターの表面温度分布のばらつきは±４℃以上となり、許容範囲内ではあるが、やや悪い傾向であった。また、上記接触面積が０．５％よりも小さい試料であるＮｏ．７は、押圧加熱試験を繰り返したときに、断熱材の凸部に応力がかかって先端の一部に欠けが発生し、わずかではあるが、表面温度の分布が変動する傾向があった。
【００７７】
また、本発明の範囲内の試料の中でもＮｏ．８〜１３の試料については、前記凸部と前記セラミックヒーターとの接触している部分の面積の総和が、前記セラミックヒーター下面の面積に対して４％〜５０％であり、セラミックヒーターの表面温度分布のばらつきは±４℃以下の良好な結果が得られた。それに対して、上記接触面積の総和が５０％を超えた試料であるＮｏ．１４は、セラミックヒーターが５００℃までの昇温時間がやや遅く、許容範囲ではあるが、５秒を超えてしまった。また、上記接触面積の総和が４％よりも小さい試料であるＮｏ．１５は、押圧加熱時にセラミックヒーターとの接触部に応力がかかってセラミックヒーターがたわんだために、許容範囲内ではあるが、チップの実装試験時の精度が悪くなる傾向があった。
【００７８】
また、本発明の範囲の一形態である、断熱材の凸部とセラミックヒーターとの単位面積当たりでの接触比率が、前記外周部から内側に向けて小さくなっている試料Ｎｏ．１６については、昇温速度、表面温度分布、チップの実装精度とも良い結果が得られた。特に、セラミックヒーターの外周部近傍でヒーターが断熱材の凸部に安定して支えられているために、良好な結果が得られたと考えられる。
【００７９】
さらに、本発明の範囲内の試料の中でも、Ｎｏ．１７〜２１の試料については、断熱材の熱伝導率が３５Ｗ／ｍｋ以下であり、セラミックヒーターの表面温度分布のばらつきは±４℃以下の良好な結果が得られた。それに対して、断熱材の熱伝導率が３５Ｗ／ｍｋより大きい試料であるＮｏ．２２は、セラミックヒーターの表面温度分布のばらつきが、許容範囲内ではあるが、±５℃と悪くなる傾向にあった。
【００８０】
【発明の効果】
本発明の押圧加熱ヒーターは、被加熱物を押圧し加熱するためのセラミックヒーターと、前記セラミックヒーターを載置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ベースとからなる押圧加熱ヒーターにおいて、前記断熱材の表面に複数の凸部を設け、該凸部上に前記セラミックヒーターを載置し、さらに、前記凸部１つ当たりの前記セラミックヒーターとの接触面積が、前記セラミックヒーター下面の面積に対して０．５％〜１５％であり、かつ、前記凸部と前記セラミックヒーターとの接触している部分の面積の総和が、前記セラミックヒーター下面の面積に対して４％〜５０％であるようにしたことから、前記セラミックヒーターに通電した際、前記セラミックヒーターから発生した熱が前記ベースに流出するのが有効に抑止され、かつ、前記セラミックヒーターと前記断熱材との接触状態が、前記セラミックヒーターの表面温度分布が均一になるように、最適に調節されていることから、前記セラミックヒーターを所定温度に均一な状態で急速に昇温することができる。
【００８１】
また、本発明の押圧加熱ヒーターは、前記セラミックヒーターの下面において、前記凸部と前記セラミックヒーターとの、単位面積当たりでの接触比率が、前記セラミックヒーターの外周部から内側部に向けて小さくなるときに、最も均一な表面温度分布となるようになっていることから、前記セラミックヒーターの外周部に近い領域で本体を支えることができ、被加熱物を押圧したときに、安定に精度よく被加熱物を処理することができる。
【００８２】
また、本発明の押圧加熱ヒーターは、前記断熱材の熱伝導率が３５Ｗ／ｍｋ以下であるため、前記断熱材を介して前記ベースに逃げる熱量を小さく抑えることができ、前記セラミックヒーターの温度分布を細かく制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の押圧加熱ヒーターの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の押圧加熱ヒーターに用いられるセラミックヒーターの分解斜視図である。
【図３】本発明の押圧加熱ヒーターに用いられる断熱材の斜視図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は本発明の押圧加熱ヒーターに用いられる断熱材の加工方法を示す平面図である。
【図５】従来の押圧加熱ヒーターを示す斜視図である。
【図６】従来の押圧加熱ヒーターに用いられるセラミックヒーターの分解斜視図である。
【符号の説明】
１：セラミックヒーター
２：断熱材
２ａ：断熱材上に形成された凸部
３：ベース
４：リードパターン
５：セラミック体
６：発熱体
７：発熱部
８：リード部
９：リード端子
１０：係合部材
３１：凸部群
３２：凸部が除去された部分[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a pressing heater for pressing and heating an object to be heated, such as a die bonding heater used when mounting a semiconductor bare chip on a substrate.
[0002]
[Prior art]
As a method of mounting a semiconductor bare chip on a substrate, an ACF (Anisotropic Conductive Film) connection method using a resin-based adhesive such as an anisotropic conductive film, or Au-Si or Au used in a multi-chip module is used. A flip chip connection method using a low melting point brazing material such as -Sn has been performed.
[0003]
For example, in the flip-chip connection method, a semiconductor chip is mounted on a multilayer package substrate, and pressed from the upper surface while being heated by a pressing heater equipped with a ceramic heater, so that an adhesive material such as a solder bump provided on both is provided. And wiring can be performed.
[0004]
The bonding heater needs to efficiently transmit the heat required to soften or melt the adhesive used to the adhesive represented by the solder bump via the semiconductor chip. However, if the temperature distribution on the heater pressing surface is uneven and there is a local high temperature, excessive heat is supplied to the semiconductor chip, and the semiconductor chip itself is damaged or the reliability after mounting the semiconductor chip is significantly reduced. There is a possibility. Therefore, it is important that the temperature distribution on the pressing surface of the heater is uniform.
[0005]
Further, from the viewpoint of production efficiency, it is important that the rate of temperature rise to a required temperature is high, and that the rate of temperature drop until the adhesive is solidified after the press-heating bonding is fast. Further, when pressing and heating the semiconductor bare chip, pressure is applied together with heat, so that the pressing and heating heater is required to have mechanical strength, wear resistance, or toughness.
[0006]
Such a pressure heater includes, for example, a ceramic heater 11 for pressing and heating an object to be heated and a ceramic tool 12 as shown in FIGS. And a heat insulating material 13 for preventing heat generated from the ceramic heater 11 from being transmitted to a portion other than the ceramic tool 12, and a base 14 for integrating these members and connecting them to other members. The heater 11 embeds a heating element 16 and lead patterns 17 connected to both ends of the heating element 16 in a ceramic body 15, and exposes a part of the lead pattern 17 to form a lead terminal 18 for taking out an electrode. Consists of
[0007]
For example, in an example shown in Patent Document 1, silicon carbide having a thermal conductivity of 10 W / m · K or more is used as the ceramic heater 11, and an aluminum nitride material having a thermal conductivity of 100 W / m · K or more is used for the ceramic tool 12. Thus, the heat generated by the ceramic heater 11 is efficiently supplied to the ceramic tool 12 side. Further, the thermal conductivity of the heat insulating material 13 is 5 W / m · K. By using mullite ceramics or mullite-cordierite ceramics having a porosity of about 5 to 30%, the heat transfer from the ceramic heater 11 to the base 14 is performed. The heat is effectively blocked by the heat insulating material 13 to enable rapid temperature rise.
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2001-332589 A (Page 3-5, FIG. 1)
[Patent Document 2]
JP-A-2001-93655 (page 3-4, FIG. 1, reference symbol A)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, in order to improve the production efficiency, it has been required to improve the heating speed and temperature distribution of the press heater and to increase the size of the press heater in accordance with the increase in the size of the object to be heated. Power was applied to raise the temperature between 100 and 300 ° C. in about 4 seconds, but now about 2.5 kW of power is applied to rapidly raise the temperature to 100 to 500 ° C. in 5 seconds or less. Is required.
[0010]
Regarding the temperature distribution, the allowable surface temperature variation at 300 ° C. in a conventional heating area of 20 mm × 20 mm at 300 ° C. was ± 5 ° C. or less. Is required to suppress surface temperature variation to ± 5 ° C. at 300 ° C. in a wide area of 30 mm × 450 mm.
[0011]
However, the ceramic heater 11 used in the conventional press heater as disclosed in Patent Document 1 has a low thermal conductivity because the entire lower surface is placed on the heat insulating material 13. Even so, heat escapes from the ceramic heater 11 to the base 14 through the heat insulating material 13. As a result, there was a drawback that a sufficient heating rate could not be obtained, and it was not possible to meet the demand for rapid temperature rise as currently required.
[0012]
On the other hand, for example, in Patent Literature 2, a recess is provided in a part of a region of a holder on which a ceramic heater is mounted, and a contact area between the ceramic heater and the holder is set to 20% to 50%. An example is disclosed in which the outflow of heat is suppressed to enable rapid temperature rise. However, in this case, the contact surface is concentrated on the edge of the concave portion, so that heat flows out from the contacted portion, and the material of the holder on which the ceramic heater is mounted has high thermal conductivity, high strength and high toughness. Due to the use of the silicon nitride-based sintered body, the heat flow from the place where the ceramic heater and the holder are in contact with each other increases, and the uniform surface temperature distribution under a large area as required at present. However, there was a drawback that the conversion could not be achieved.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned drawbacks, and has as its object to enable a rapid temperature rise to efficiently bond a semiconductor bare chip electrode to a wiring conductor of a wiring board in a short time, and to process the semiconductor bare chip. It is an object of the present invention to provide a pressing heater capable of making the temperature distribution on the surface uniform and improving the yield.
[0014]
The press heater of the present invention comprises a ceramic heater for pressing and heating an object to be heated, a heat insulating material for mounting the ceramic heater, and a base for integrating these members and connecting them to other members. In the pressure heater, a plurality of protrusions are provided on the surface of the heat insulating material, and the ceramic heater is mounted on the protrusions.
[0015]
Further, in the pressing heater according to the present invention, a contact area of the one convex portion with the ceramic heater is 0.5% to 15% with respect to an area of a lower surface of the ceramic heater, and the convex portion is provided. The sum of the areas of the portions in contact with the ceramic heater is 4% to 50% of the area of the lower surface of the ceramic heater.
[0016]
Further, in the pressing heater according to the present invention, on the lower surface of the ceramic heater, the contact ratio per unit area between the convex portion and the ceramic heater decreases from the outer peripheral portion to the inner portion of the ceramic heater. It is characterized by having.
[0017]
Further, the pressing heater according to the present invention is characterized in that the surface temperature when the ceramic heater is energized and heated independently is such that the surface temperature is high at the outer peripheral portion and becomes lower toward the inner side.
[0018]
Further, the press heater of the present invention is characterized in that the thermal conductivity of the heat insulating material is 35 W / mk or less.
[0019]
Further, in the method of adjusting the temperature of the press heater according to the present invention, a plurality of cuts are made in advance in at least a portion on the heat insulating material where the ceramic heater is mounted, and a group of convex portions is provided. The convex portion is placed on the convex portion group of the heat insulating material, and is electrically heated to remove a part of the convex portion group so that the temperature distribution on the surface of the ceramic heater becomes uniform. It is characterized by having been formed.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0021]
As shown in the perspective view of FIG. 1, the press heater of the present invention presses and heats an object to be heated, and heat generated from the ceramic heater 1 is transferred to other than the object to be heated. And a base 3 for integrating these members and connecting them to other members.
[0022]
A ceramic heater 1 is mounted on the upper surface of the heat insulating material 2. The ceramic heater 1 is necessary for melting the low melting point brazing material when a semiconductor bare chip is mounted on a wiring board via a low melting point brazing material. It acts to generate heat.
[0023]
As shown in FIG. 2, the ceramic heater 1 includes a heating section 7 having a heating element 6 embedded in a ceramic body 5 and a lead section 8 having a built-in lead pattern 4 drawn from the heating element 6. And a lead terminal 9 for exposing a part of the electrode 4 to take out an electrode. The ceramic heater 1 is fixed to the base 3 by an engaging member 10 via a heat insulating material 2.
[0024]
Further, as shown in FIG. 3, the heat insulating material 2 has a plurality of convex portions 2a in a region where the ceramic heater 1 is mounted, and the ceramic heater 1 is mounted thereon. This makes it possible to control the heat flowing out of the ceramic heater 1 to the base 3 via the protrusions 2a of the heat insulating material 2, and to make the surface temperature distribution of the ceramic heater 1 uniform.
[0025]
In order to control the heat flowing out from the ceramic heater 1 via the convex portion 2a of the heat insulating material 2, a large amount of heat flows out from a portion having a large contact area, and a large amount of heat flows out from a portion having a small contact area. What is necessary is just to use the phenomenon of being small. That is, a portion where the surface temperature of the ceramic heater 1 is high has a large contact area with the convex portion 2a, and conversely, a portion where the surface temperature of the ceramic heater 1 is low has a small contact area with the convex portion 2a. By appropriately mixing the size of the projections 2a, the surface temperature distribution of the ceramic heater 1 can be made uniform.
[0026]
Here, it is preferable that the contact area of one convex portion 2a formed on the heat insulating material 2 with the ceramic heater 1 be in the range of 0.5% to 15% with respect to the area of the lower surface of the ceramic heater 1. % To 9%. The reason is that, when the contact area per one convex portion 2a is less than 0.5%, when the object to be heated is pressed by the ceramic heater 1, the stress concentrates on the convex portion 2a. On the contrary, if it exceeds 15%, the amount of heat escaping from the convex portion 2a to the base 3 via the heat insulating material 2 becomes too large, and the temperature distribution of the ceramic heater 1 is finely controlled. Is difficult.
[0027]
Further, the sum of the areas of the protrusions 2a of the heat insulating material 2 and the portion in contact with the ceramic heater 1 is preferably 4% to 50%, more preferably 12% to 27% with respect to the area of the lower surface of the ceramic heater 1. More preferably, The reason is that when the total area is less than 4%, when the object to be heated is pressed by the ceramic heater 1, a large pressure is locally applied to the ceramic heater 1, so that the ceramic heater 1 bends and breaks. On the other hand, if it exceeds 50%, the amount of heat generated from the ceramic heater 1 that escapes to the base 3 via the heat insulating material 2 increases, making it difficult to rapidly raise the temperature. It is.
[0028]
Further, on the lower surface of the ceramic heater 1, the contact ratio per unit area between the convex portion 2a on the heat insulating material 2 and the ceramic heater 1 decreases from the outer peripheral portion to the inner portion of the ceramic heater 1. Is preferred.
[0029]
The reason is that it is necessary to support the main body in a region close to the outer peripheral portion of the ceramic heater 1 in order to stably mount the ceramic heater 1 on the protrusion 2a on the heat insulating material 2. Conversely, when the main body is supported in a region near the inside of the ceramic heater 1, when the object to be heated is pressed, rattling occurs at the outer peripheral portion of the main body, and the object to be heated can be processed with high accuracy. Disappears.
[0030]
In particular, for a pressing heater of the type in which the contact ratio per unit area with the convex portion 2a of the heat insulating material 2 is large at the outer peripheral portion, the surface temperature when the ceramic heater 1 is independently heated by energization is heated. However, it is desirable that the distribution be such that the outer peripheral portion of the heater is high and decreases toward the inner side.
[0031]
The reason for this is that, as described above, since a large amount of heat flows out from a place where the contact area is large, and a small amount of heat flows out from a place where the contact area is small, it is necessary to obtain a uniform temperature distribution over a wide range. This is because the larger the contact area, the larger the heat value of the heater, and the smaller the contact area, the smaller the heat value of the heater.
[0032]
In order to manufacture a heater having such a characteristic that the surface temperature is high at the outer peripheral portion and becomes lower toward the inner side, the cross-sectional area of the heating element 6 embedded in the ceramic heater 1 needs to be increased. What is necessary is just to make it small in a part and to distribute widely toward the inside.
[0033]
Further, the thermal conductivity of the heat insulating material 2 is desirably in the range of 35 W / m · K or less. When the thermal conductivity exceeds 35 W / m · K, the amount of heat escaping from the convex portion 2 a in contact with the ceramic heater 1 to the base 3 via the heat insulating material 2 becomes too large, and the temperature distribution of the ceramic heater 1 is finely controlled. It is difficult to do that. Note that the lower limit of the thermal conductivity is desirably greater than 1 W / m · K. If the diameter is smaller than this, the heat outflow from the convex portion 2a in contact with the ceramic heater 1 becomes extremely small, so that it may be difficult to adjust the surface temperature distribution of the ceramic heater 1.
[0034]
In order to make the thermal conductivity 35 W / m · K or less, alumina, cordierite, or macerite is suitably used as a material of the heat insulating material 2. Further, even with the same alumina-based sintered body, it is possible to control the porosity of the sintered body and control the thermal conductivity by changing the density of the compact before firing and the firing conditions.
[0035]
Further, according to the pressing heater of the present invention, the flatness of the surface of the convex portion 2a of the heat insulating material 2 on which the ceramic heater 1 is mounted or the surface of the ceramic heater 1 which is in contact with the convex portion 2a is reduced to 0. By setting the thickness to 0.03 mm or less, the heat can be satisfactorily discharged between the convex portion 2a and the ceramic heater 1, and the ceramic heater 1 can be rapidly heated to a predetermined temperature with a uniform temperature distribution. .
[0036]
The plane having a flatness of 0.03 mm refers to a plane that fits between two ideal parallel planes spaced at 0.03 mm. If surfaces having poor flatness are to be brought into contact with each other, a convex portion that does not contact with a convex portion that actually contacts occurs, and it becomes difficult to control the surface temperature distribution.
[0037]
Here, it is desirable that the height of the convex portion 2a is adjusted to 0.5 mm to 5 mm. The reason for this is that if the height is less than 0.5 mm, heat transfer such as radiant heat from the ceramic heater 1 is large, so that sufficient heat insulating properties cannot be obtained. If the height exceeds 5 mm, the strength of the convex portion 2a is insufficient, This is because the object to be heated may be damaged when pressed.
[0038]
The ceramic heater 1 is formed by burying a heating element 6 made of a high melting point metal such as tungsten or molybdenum in a ceramic body 5 made of a silicon nitride sintered body having high strength at high temperature and high toughness. The ceramic body 5 is prepared, for example, by adding and mixing a rare earth element oxide, aluminum oxide, and silicon oxide as sintering aids with silicon nitride as a main component and adjusting the raw material powder. It is manufactured by forming into a predetermined shape by sintering and sintering at a temperature of about 1650 ° C. to 1800 ° C.
[0039]
Further, the heating element 6 is prepared by adding and mixing an appropriate organic solvent and a solvent to tungsten, molybdenum, or the like, or a carbide or nitride thereof, and forming a heating element paste. It is integrally formed by previously applying a predetermined pattern by a screen printing method or the like. The heating element 6 generates Joule heat when electric power is applied due to its electric resistance, and when the semiconductor bare chip is mounted on a wiring board via a solder or a low-melting solder, the solder or the low-melting solder is used. It exotherms to the temperature required to melt the agent.
[0040]
The ceramic body 5 is composed of 90 to 92 mol% of silicon nitride and 2 to 10 mol% of a rare-earth element oxide. ₂ O ₃ , SiO ₂ Is formed by adding 0.2 to 2.0% by weight and 1 to 5% by weight to the total amount of silicon nitride and the rare earth element oxide, respectively. Oxygen in the air diffuses to the vicinity of the heating element 6, and the heating element 6 can be effectively prevented from being oxidized and disconnected, and the strength at room temperature and high temperature becomes extremely high. Therefore, when a ceramic containing silicon nitride as a main component is used as the ceramic body 5, 90 to 92 mol% of silicon nitride and 2 to 10 mol% of rare earth oxide are used. ₂ O ₃ , SiO ₂ It is preferable that 0.2 to 2.0% by weight and 1 to 5% by weight are added to the total amount of silicon nitride and the rare earth element oxide by external addition.
[0041]
In the ceramic heater 1, if the thermal conductivity of the ceramic body 5 at room temperature is 50 W / m · K or more, the heat generated by the heating body 6 is short to the entire ceramic body 5. The temperature of the ceramic heater 1 can be raised in a short period of time over a short period of time, and the temperature can be raised to a desired temperature in a state where there is almost no temperature unevenness. Therefore, it is preferable to set the thermal conductivity of the ceramic body 5 of the ceramic heater 1 to 50 W / m · K or more in order to increase the temperature rising speed and reduce the occurrence of temperature unevenness.
[0042]
Further, when the thickness of the ceramic heater 1 is in the range of 1 mm to 2 mm, the heat capacity can be reduced and the temperature rising rate can be further increased while maintaining the mechanical strength of the ceramic heater 1 high. Thus, when the semiconductor bare chip is pressed and heated to be mounted on the wiring board, it can be mounted in a short time without causing breakage such as cracking in the ceramic heater 1. Therefore, it is preferable that the thickness of the ceramic heater 1 be in the range of 1 mm to 2 mm.
[0043]
Further, the ceramic heater 1 is fixed on the base 3 by being sandwiched by an engaging member 10 attached to the base 3 via a heat insulating material 2. Since the ceramic heater 1 and the heat insulating material 2 are merely placed on the base 3, even if the ceramic heater 1, the heat insulating material 2 and the base 3 have different thermal expansion coefficients, the difference in the mutual thermal expansion coefficient is different. No large thermal stress is generated due to the above. As a result, cracks and cracks are less likely to occur in the ceramic heater 1, the heat insulating material 2, and the base 3.
[0044]
An engaging member 10 for fixing the ceramic heater 1 on the base 3 is made of a heat-resistant metal or ceramic such as stainless steel, an alloy of Ni—Mn—Fe, or an alloy of Fe—Ni—Co. The other end presses the surface of the ceramic heater 1 with a screw.
[0045]
For example, when the heat insulating material 2 is a ceramic material, the convex portion 2a on the heat insulating material 2 is formed into a predetermined shape by processing by a known grinding method. The processing of the convex portion 2a is performed by the following method.
[0046]
First, as shown in FIG. 4A, a plurality of cuts are made in advance in at least a portion on the heat insulating material 2 where the ceramic heater 1 is to be mounted, and a projection group 31 is provided. As a method for making the cut, for example, a universal grinder, a laser beam machine, or an ultrasonic machine can be used, but it is more preferable to use a universal grinder in order to avoid stress concentration due to the cut shape.
[0047]
The upper surface of each convex portion constituting the convex portion group 31 that is in contact with the ceramic heater 1 is 0.5% to 15%, preferably 1% with respect to the area of the lower surface of the ceramic heater 1 for the reason described above. Process so as to be ９9%. At this time, the size of each of the convex portions may be substantially the same, but may be varied within the range of the specified size. In that case, in a process for making the surface temperature distribution of the ceramic heater 1 described later uniform, it is possible to perform finer adjustment when removing a part of the protrusions from the protrusion group 31. There are advantages.
[0048]
Next, a method for adjusting the surface temperature distribution in the press heater according to the present invention will be described.
[0049]
First, the ceramic heater 1 is placed on the group of protrusions 31 of the heat insulating material 2 and is subjected to electric heating. Here, the surface temperature distribution of the pressing surface of the ceramic heater 1 is measured using an infrared thermometer or the like, and a convex portion is selected from the convex portion group 31 so that the target temperature distribution is obtained. 4A to obtain a portion 32 from which the convex portion has been removed as shown in FIG.
[0050]
Specifically, a region higher than the surrounding temperature leaves the protrusion, and a region lower than the surrounding temperature removes the protrusion. As a result, in the region where the temperature is high, the heat is discharged to the base 3 through the protrusion due to the contact of the convex portion 2a of the heat insulating material 2, so that the temperature is lowered. Since the heat insulating material 2 does not come into contact with the ceramic heater 1 by removing the convex portions, the temperature does not easily decrease. By repeating the operation of the energization heating, the surface temperature distribution measurement, and the protrusion removal, the surface temperature of the ceramic heater 1 can be made uniform to about ± 2 ° C. when the set temperature is 300 ° C., for example. .
[0051]
In addition, the set temperature of the ceramic heater 1 at the time of performing this temperature adjustment is determined based on the temperature used in an actual process, and is usually about 300 ° C. to 500 ° C.
[0052]
As described above, according to the above-described pressing and heating heater, the semiconductor bare chip is placed on the wiring substrate with the low melting point brazing material interposed therebetween, and the ceramic heater 1 is brought into contact with the upper surface of the semiconductor bare chip. 3, the ceramic heater 1 is pressed against the semiconductor bare chip side at a constant pressure, and electric power is applied to the heating element 6 to generate heat to a predetermined temperature. Can be used for implementation.
[0053]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0054]
For example, a tool having a flat surface made of a material having a high Vickers hardness of 10 GPa or more at a load of 500 g may be arranged on the upper surface of the ceramic heater 1. Even if the semiconductor bare chip is repeatedly mounted on the wiring board, the ceramic heater 1 of the pressing heater is reinforced by the tool, so that it can withstand long-term use.
[0055]
When the base 3 and the ceramic heater 1 have round corners, the corners may be subjected to, for example, a C-plane processing of 0.2 mm or more or a R-plane processing of a radius of 0.2 mm or more, so that When a stress acts on the ceramic heater 3 and the ceramic heater 1, the stress can be effectively dispersed to prevent cracks and cracks from occurring in the base 3 and the ceramic heater 1.
[0056]
In the above-described embodiment, the pressing heater according to the present invention has been described by taking the pressing heater used when mounting the semiconductor bare chip as an example.However, the present invention is not limited to this. Pressure heaters used for soldering such as FPC (Flexible Print Table), sealing semiconductor package caps, can sealing optical heads such as laser heads, and reworking chip connections. Applicable.
[0057]
【Example】
Next, examples of the present invention will be described.
[0058]
A ceramic heater 1 for a press heater as shown in FIG. 2 was produced.
[0059]
First, 2 to 10 mol% of a rare earth element oxide is used as a sintering aid in 90 to 92 mol% of silicon nitride as a main component, and aluminum oxide and silicon oxide are added in an amount of 0 to the total amount of silicon nitride and the rare earth element oxide. The raw material powder was prepared by adding and mixing 0.2 to 2.0% by weight and 1 to 5% by weight. Thereafter, a compact of 30 mm × 150 mm is obtained from the raw material powder by a press molding method or the like. The conductor shape of the portion 8 was printed by a screen printing method or the like. Further, a through-hole is formed between the two molded bodies, and a molded body filled with a conductive paste containing tungsten as a main component is sandwiched and adhered to the through-hole. did. After that, a part of the conductor is exposed, an electrode take-out part is formed, a paste containing Ag-Cu is applied, baked in vacuum to form a metallized layer, and a plated layer made of Ni is applied. The ceramic heater 1, the heat insulating material 2, and the base 3 were assembled with the engaging member 10.
[0060]
The ceramic heater 1 was processed using a surface grinder and an ultrasonic machine to form a ceramic body 5 having a heat-generating main surface of 25 mm × 140 mm. The thickness of the heating part 7 of the ceramic heater 1 was 2 mm.
[0061]
As the heat insulating material 2, an alumina block having an area approximately equal to the area of the ceramic heater 1 was processed and used. The height of this block was 30 mm. The processing of the convex group 31 on the heat insulating material 2 was performed using a universal grinder. As a result, cuts having a depth of 1 mm are made in a plurality of locations as shown in FIG. 4, and the sum of the upper areas of the projections constituting the projection group 31 is 70% to 90% of the area of the heating section of the ceramic heater 1. A sample processed so as to fall within the range was obtained. The height of each convex portion was 1 mm, and the upper area was set to be substantially the same in the range of 0.4% to 16%.
[0062]
In addition, a plurality of samples of the heat insulating material 2 were obtained by variously changing the contact area with the ceramic heater 1 and the contact area per one protrusion 2a within and outside the above range. Further, a block of alumina-based ceramics having the same shape as the above-described heat-insulating material block and having a different porosity was used, and processed into the shape of the heat-insulating material 2 to obtain a plurality of samples having different thermal conductivity.
[0063]
All of the ceramic heaters 1 produced above were placed on the convex group 31 of the heat insulating material 2 in each sample, and the set temperature was set to 300 ° C., and heating was performed. Here, the surface temperature distribution of the pressing surface of the ceramic heater 1 is measured using an infrared thermometer, and a convex portion is selected from the convex portion group 31 so as to minimize the variation in the surface temperature, and is processed by an NC lathe. The removal was performed, and the forming process of the protrusion 2a was performed.
[0064]
Further, as an example of the embodiment of the present invention, when manufacturing the ceramic heater 1, the cross-sectional area of the heating element 6 is made smaller at the outer peripheral portion than at the inner side, and the amount of heat generated at the outer peripheral portion of the ceramic heater 1 is reduced. Except that the projections were formed so as to be higher than the inside, the projections 2a were formed in the same manner as described above. The convex portion 2a formed by using the ceramic heater 1 so as to have a uniform surface temperature distribution has a contact ratio per unit area with the ceramic heater 1 that decreases inward from the outer peripheral portion. I was
[0065]
The contact surface of the ceramic heater 1 manufactured this time with the convex portion 2a and the surface on which the ceramic heater 1 was placed on the convex portion 2a all had a flatness of 0.03 mm or less.
[0066]
As a sample having the conventional structure, a press heater having the structure shown in FIG. 5 was prepared. The ceramic heater 11 forms a silicon nitride-based ceramic sintered body in the same manner as in the example, and then forms a heating part having a size of 25 mm × 140 mm and a lead part having a length of 20 to 50 mm. The layer was formed, the lead terminals 18 were brazed with Ag-Cu, and the lead wires were connected to obtain a sample having an outer size of 30 mm x 150 mm.
[0067]
Next, a power of 2.5 kW is applied to the heating element of the ceramic heater for each pressure heating heater to cause the heating element to generate Joule heat, and the time required for the ceramic heater to heat from 100 ° C. to 500 ° C. (heating time ).
[0068]
After the surface temperature of the ceramic heater for each press heater reached 300 ° C., 10 seconds later, the surface temperature of the ceramic heater was measured with an infrared thermometer.
[0069]
Further, a semiconductor bare chip is placed on the wiring board with a low melting point brazing material interposed therebetween, and each pressing heater is brought into contact with the upper surface of the semiconductor bare chip so that the semiconductor bare chip is pressed at a pressure of 5 MPa and power is applied. Heat was applied to generate heat at 300 ° C., and the heat was used to melt the low-melting brazing material. A mounting test of the semiconductor bare chip was performed, and the mounting accuracy of the mounted semiconductor bare chip was evaluated.
[0070]
Table 1 shows the conditions of the experiment. Table 2 shows the results.
[0071]
The heating time was evaluated based on the time required to raise the temperature from 100 ° C. to 500 ° C., and was evaluated as follows: 未満 for less than 5 seconds, Δ for 5 to 6 seconds, and 超える for more than 6 seconds. X. Further, regarding the heater surface temperature distribution, when the set temperature is 300 ° C., when the temperature distribution on the surface is less than ± 4 ° C., ○ when the temperature is ± 4 ° C. or more and ± 5 ° C. or less, Δ exceeds ± 5 ° C. Those were marked as x. The chip accuracy during the mounting test was judged by the size of the chip displacement before and after pressing and heating. The sample was rated as Δ, and the sample that might affect the subsequent process was rated as ×.
[0072]
In addition, as a comprehensive judgment, for the above three evaluation items, ○ indicates three (very good), two (○) (good), and one (△) (within the allowable range). And those without ○ were evaluated as × (impossible).
[0073]
[Table 1]

[0074]
[Table 2]

[0075]
From the results shown in Tables 1 and 2, No. 1 within the scope of the present invention was obtained. With respect to the samples Nos. 1 to 22, the results within the allowable range were obtained in all of the evaluation items of the heating rate, the surface temperature distribution of the heater, and the chip accuracy during mounting. However, sample no. In the case of the press heater having the conventional structure shown in FIG. 23, which is out of the range of the present invention, good results could not be obtained in all items of the heating rate, the surface temperature distribution, and the chip accuracy at the time of mounting.
[0076]
Among the samples within the scope of the present invention, no. Regarding the samples Nos. 1 to 5, the contact area with the ceramic heater per convex portion was 0.5% to 15% with respect to the area of the lower surface of the ceramic heater, and the surface temperature distribution of the ceramic heater varied. As a result, good results of ± 2 ° C. or less were obtained. On the other hand, in the case of the sample No. having the contact area exceeding 15%. In No. 6, the variation in the surface temperature distribution of the ceramic heater was ± 4 ° C. or more, which was within the allowable range, but tended to be somewhat poor. In addition, in the sample No. having the contact area smaller than 0.5%. In No. 7, when the pressing and heating test was repeated, a stress was applied to the convex portion of the heat insulating material, causing a chip at a part of the tip, and the distribution of the surface temperature tended to vary, albeit slightly.
[0077]
Also, among the samples within the scope of the present invention, No. Regarding the samples Nos. 8 to 13, the sum of the areas of the contact portions between the protrusions and the ceramic heater is 4% to 50% with respect to the area of the lower surface of the ceramic heater, and the surface temperature of the ceramic heater is Good results were obtained with a distribution variation of ± 4 ° C. or less. On the other hand, in the case of the sample of which the sum of the contact areas exceeded 50%, In No. 14, the temperature rise time of the ceramic heater up to 500 ° C. was slightly slow, and although it was within an allowable range, it exceeded 5 seconds. In addition, the sample of which the total sum of the contact areas was smaller than 4% was No. In No. 15, the stress in the contact portion with the ceramic heater at the time of pressurizing heating caused the ceramic heater to bend, and thus, although within the allowable range, the precision in the chip mounting test tended to be poor.
[0078]
Sample No. 1 in which the contact ratio per unit area between the convex portion of the heat insulating material and the ceramic heater decreases inward from the outer peripheral portion, which is one mode of the scope of the present invention. With regard to No. 16, good results were obtained with respect to the rate of temperature rise, surface temperature distribution, and chip mounting accuracy. In particular, it is considered that good results were obtained because the heater was stably supported by the protrusions of the heat insulating material near the outer periphery of the ceramic heater.
[0079]
Furthermore, among the samples within the scope of the present invention, No. With respect to the samples Nos. 17 to 21, the thermal conductivity of the heat insulating material was 35 W / mk or less, and the variation in the surface temperature distribution of the ceramic heater was ± 4 ° C. or less. On the other hand, the sample No. is a sample in which the thermal conductivity of the heat insulating material is larger than 35 W / mk. In No. 22, the variation in the surface temperature distribution of the ceramic heater was within the allowable range, but tended to be as poor as ± 5 ° C.
[0080]
【The invention's effect】
The press heater of the present invention comprises a ceramic heater for pressing and heating an object to be heated, a heat insulating material for mounting the ceramic heater, and a base for integrating these members and connecting them to other members. In the pressure heating heater, a plurality of protrusions are provided on the surface of the heat insulating material, and the ceramic heater is mounted on the protrusions.Furthermore, the contact area with the ceramic heater per one protrusion, It is 0.5% to 15% with respect to the area of the ceramic heater lower surface, and the sum of the areas of the contact portions between the protrusions and the ceramic heater is 4% with respect to the area of the ceramic heater lower surface. % To 50%, the heat generated from the ceramic heater may flow out to the base when the ceramic heater is energized. And the contact state between the ceramic heater and the heat insulating material is optimally adjusted so that the surface temperature distribution of the ceramic heater becomes uniform. The temperature can be raised rapidly in a suitable state.
[0081]
Further, in the pressing heater according to the present invention, on the lower surface of the ceramic heater, the contact ratio per unit area between the convex portion and the ceramic heater decreases from the outer peripheral portion to the inner portion of the ceramic heater. Sometimes, since the most uniform surface temperature distribution is achieved, the main body can be supported in a region near the outer peripheral portion of the ceramic heater, and when the object to be heated is pressed, the body is stably and accurately covered. The heated object can be processed.
[0082]
Further, in the press heater of the present invention, since the thermal conductivity of the heat insulating material is 35 W / mk or less, the amount of heat escaping to the base via the heat insulating material can be suppressed to be small, and the temperature distribution of the ceramic heater can be reduced. Can be finely controlled.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a press heater according to the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view of a ceramic heater used for the press heater of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view of a heat insulating material used for the press heater of the present invention.
FIGS. 4A and 4B are plan views showing a method of processing a heat insulating material used in the press heater of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view showing a conventional press heater.
FIG. 6 is an exploded perspective view of a ceramic heater used for a conventional press heater.
[Explanation of symbols]
1: Ceramic heater
2: Insulation material
2a: convex portion formed on heat insulating material
3: Base
4: Lead pattern
5: Ceramic body
6: Heating element
7: Heating part
8: Lead part
9: Lead terminal
10: engagement member
31: convex group
32: part where the convex part is removed

Claims

In a press heater comprising a ceramic heater for pressing and heating an object to be heated and a heat insulating material for mounting the ceramic heater, and a base for integrating these members and joining them to other members, the heat insulating material A plurality of convex portions are provided on the surface of the substrate, and the ceramic heater is mounted on the convex portions.

The contact area of the protrusion with respect to the ceramic heater is 0.5% to 15% with respect to the area of the lower surface of the ceramic heater, and the protrusion is in contact with the ceramic heater. The press heater according to claim 1, wherein the sum of the areas of the portions is 4% to 50% with respect to the area of the lower surface of the ceramic heater.

2. The ceramic heater according to claim 1, wherein a contact ratio per unit area between the convex portion and the ceramic heater on the lower surface of the ceramic heater decreases from an outer peripheral portion to an inner portion of the ceramic heater. Or the press heater according to 2.

4. The press heater according to claim 3, wherein the ceramic heater has a distribution such that the surface temperature when energized and heated by itself is higher in the outer peripheral portion and lower toward the inner side.

The heating heater according to any one of claims 1 to 4, wherein the thermal conductivity of the heat insulating material is 35 W / m · K or less.

At least a portion on which the ceramic heater is mounted on the heat insulating material, a plurality of cuts are provided in advance to provide a group of convex portions, and the ceramic heater is mounted on the group of convex portions of the heat insulating material. The convex portion is formed by applying a current to heat and removing a part of the convex portion group so that the temperature distribution on the surface of the ceramic heater becomes uniform. A method for adjusting the temperature of a press heater described in Crab.