JP3628305B2 - 接触加熱装置 - Google Patents
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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、異方性導電膜等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内蔵した接触加熱装置で加熱しながら、押圧することによって接合を行っており、この時、両者に備えたハンダ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。
【０００４】
かかる接触加熱装置は、図４、図５（ａ）、（ｂ）に示すように被加熱物を押圧するためのセラミックツール２１と、該セラミックツール２１を加熱するためのセラミックヒーター２２と、セラミックヒーター２２から発生した熱がセラミックツール２１以外に伝熱することを防止するための断熱材２３と、これらの部材を統合し他部材に結合するホルダー２４とから構成されており、前記セラミックヒーター２２は、セラミック体２５中に発熱体２６を埋設した発熱部３１と、該発熱部３１に一体的に接合され、帯状のセラミック体に前記発熱体２６の両端に接続されるリードパターン２７を埋設させた一対のリード部２８と、前記リードパターン２７の一部を各リード部２８の側面より露出させた電極取り出し部２９と、該電極取り出し部２９に接続されるリード端子３０とから構成される（特開２００１−３３２５８９号公報参照）。
【０００５】
また、前記リード端子３０は、Ｌ字状或いは板状の電極金具３０ａに、リード線３０ｂが取着されており、前記電極金具３０ａは電極取り出し部２９を覆うようにロウ付けされており、このロウ材にはビッカース硬度２．２ＧＰａのＡｕ−Ｎｉ（組成比８２重量％：１８重量％）等が用いられ、そのロウ付け面積は１５ｍｍ２程度であった。
【０００６】
【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、接触加熱装置の加熱温度、温度分布の向上が要求されており、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℃間を５秒以下で急速昇温させることが要求されている。
【０００７】
しかしながら、従来の接触加熱装置に用いられるセラミックヒーター２２は、電極取り出し部２９に接合されるリード端子３０が、リード部２８の一部を覆うようにロウ付けされており、より高温で繰り返し使用される場合電極取り出し部２９の温度も高温となり熱膨張の小さいセラミックヒーターと熱膨張の大きい電極金具３０ａとの熱膨張率の差により、接触加熱装置の作動時にロウ付け部に応力が発生し、ロウ付け部の周辺にクラックが入りやすくヒーター寿命が低下するという欠点を有していた。
【０００８】
また、従来の接触加熱装置に用いられる前記セラミックヒーター２２は、電極取り出し部２９の温度を下げるため、リード部２８が大きく突き出た構造となっていたため、実作業において邪魔な構造となっていた。
【０００９】
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、高温での繰り返し使用において、セラミックヒーター２２の電極取り出し部２９の温度上昇を防止し、小スペースで作業性の高いコンパクトで高寿命な接触加熱装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
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ツールと、該セラミックツールを加熱するためのセラミックヒーターと、セラミックヒーターから発生した熱がセラミックツール以外に伝熱することを防止するための断熱材と、これらの部材を他部材に結合するホルダーとから構成された接触加熱装置であって、前記セラミックヒーターは、発熱抵抗体を内蔵した１〜４ｍｍの厚みの発熱部と、前記発熱抵抗体に接続しセラミックヒーターの主面に略垂直に延びる導体部を内蔵した１〜５ｍｍの厚みのリード部と、該リード部から略垂直に引き出された導体部を内蔵する電極取り出し部と、前記発熱部とリード部で囲まれる深さ５〜５０ｍｍの凹部を有し、該凹部に断熱材が充填されるとともに前記セラミックヒーターの電極取り出し部を断熱材を介してホルダーに固定したことを特徴とする。
【００１３】
また、前記電極取り出し部にテーパー部を有する孔を備え、上記テーパー部に導体部の一部を露出させるとともに、この露出部にメタライズ部を形成し、該メタライズ部と接触するように係合部材を備えて電極部を形成したことを特徴とする。
【００１４】
前記凹部に断熱材が充填されており、前記凹部の深さが２〜５０ｍｍであることを特徴とする。
【００１５】
さらに、本発明は前記電極取り出し部が断熱材と接触するように形成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は前記電極取り出し部にテーパー部を有する凹部が形成され、該テーパー部に導体部の一部が露出し、この露出部にメタライズ部を形成し、該メタライズ部が係合部材と接触するように電極部が形成されていることを特徴とする。
【００１７】
【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。
【００１８】
本発明の接触加熱装置は、図１の斜視図のように、被加熱物を押圧するためのセラミックツール１と、セラミックツール１を加熱するためのセラミックヒーター２と、セラミックヒーター２から発生した熱が前記セラミックツール１以外に伝熱することを防止するための断熱材３と、これらの部材を統合し他部材に結合するためのホルダー４から構成される。
【００１９】
前記セラミックツール１は、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体等からなり、その上面に半導体チップを真空吸着するための真空引き穴１ａが形成されており、その下面に配置されるセラミックヒーター２、断熱材３およびホルダー４にも同様な真空引き穴が設けられており、これら真空引き穴は全て貫通しているため、これらを介して真空引きすることによってセラミックツール１の上面の半導体チップを真空吸着する仕組みである。
【００２０】
また、前記セラミックツール１は、その熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、セラミックツール１の周囲部分の温度が低下するのを防止するとともに、セラミックヒーター２の熱をセラミックツール１側に効率的に供給し、その上面に載置された半導体チップの温度分布を一定に保ちハンダチップのボンディングにバラツキが発生するのを有効に防止することができる。
【００２１】
さらに、前記セラミックツール１の下面にはセラミックヒーター２が形成され、セラミックツール１の上面に載置された半導体チップを加熱する作用をなす。
【００２２】
前記セラミックヒーター２は、図２（ａ）、（ｂ）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からセラミックヒーター２の発熱部７側の主面にほぼ垂直な方向に引き出された導体部８ａを内蔵したリード部８と、該リード部８からほぼ垂直に引き出された導体部９ａを有する電極取り出し部９からなり、前記発熱部７とリード部８で囲まれた凹部１０を有し、前記セラミックヒーター２の電極取り出し部９は断熱材３を介してホルダー４に固定されている。
【００２３】
前記凹部１０はセラミックヒーター２の熱容量を抑え急速昇温、急速高温を可能にするとともに、電極取り出し部９をセラミックヒーター２の発熱部７の主面と異なる面に配置できるため、電極取り出し部９の温度上昇を防止できる非常にシンプルな構造とすることができる。
【００２４】
ここで、前記発熱部７とリード部８で囲まれた凹部１０の深さＤは好ましくは５〜５０ｍｍに調整され、さらに該凹部１０には断熱材３が充填されている。これは深さＤが２ｍｍ未満であると発熱部７の熱引きにより電極取り出し部９の温度が高くなり過ぎ、また５０ｍｍを越えると電極取り出し部９の温度低減効果は十分でありまた製造コストが高くなり過ぎるためである。前記凹部１０の深さＤは、さらに好ましくは５〜５０ｍｍとすることが良い。
【００２５】
前記セラミックヒーター２の発熱部７の厚みは１〜４ｍｍ、リード部８の厚みは１〜５ｍｍ、電極取り出し部９の厚みは１〜１０ｍｍが好ましく、上記凹部１０を形成すると同様、ヒーターの熱容量を適正とすることでヒーター温度の急速昇降温性能が得られる。さらに好ましくは、リード部８の厚みは２〜４ｍｍとするのが良い。
【００２６】
前記発熱部７の厚みを１ｍｍ未満にすると、セラミックツール１を半導体チップに押圧した際に発熱部７が変形し、半導体チップへのハンダ付けがばらついてしまうからである。また、前記リード部８の厚みを１ｍｍ未満にした場合も同様である。また、前記発熱部７を４ｍｍを越える厚みにすると、発熱部７の熱容量が大きくなり過ぎて冷却時の冷却速度が遅くなってしまうので好ましくない。また、前記リード部８の厚みが５ｍｍを越えると、リード部８を介する熱伝導が大きくなり、電極取り出し部９の温度が上昇してしまって電極取り出し部９にクラックが発生するようになるので、好ましくない。
【００２７】
また、電極取り出し部９の厚みを１ｍｍ未満にすると、接触加熱装置を固定するための応力が前記電極取り出し部９に掛かり、しかも昇降温の熱サイクルが加算されるので、電極取り出し部９が破損しやすくなるので好ましくない。また、電極取り出し部９の厚みを１０ｍｍを越える厚みにすると、凹部１０を形成する加工費が高くなるので好ましくない。加工費を考えると、電極取り出し部９の厚みは、２〜５ｍｍにするのが良い。
【００２８】
このようなセラミックヒーター２の製造方法としては、先ず、例えば主成分として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％、１〜５重量％添加混合して原料粉末を調整した後、原料粉末をプレス成形法等によって所定形状に成形し成形体を得、該成形体にタングステンやモリブデン、レニウム等、或いはこれらの炭化物、窒化物等に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して導電性ペーストを作り、これを発熱体６および電極取り出し部９の導体形状にスクリーン印刷法等によりそれぞれプリントする。さらに、図２（ｃ）のように、上記二つの成形体の間に、貫通孔を形成しこの中に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するか、もしくは、１０気圧以上の窒素雰囲気中にて約１７００〜１８５０℃で焼成する。
【００２９】
得られた焼結体を所定の形状に研削加工した後、電極取り出し部９に一対の電極引き出し孔１１を研削加工し、電極取り出し部９の導体部９ａの一部を電極引き出し孔１１より露出させ図３に示すように前記電極引き出し孔１１の表面に、主成分としてＡｕ−Ｎｉ、またはＡｇ−Ｃｕを含有したペーストを塗布し、真空中にて焼成してメタライズ層１２を形成し、該メタライズ層１２の上にＡｕ、Ｐｔ、Ａｇ、またはＮｉからなるメッキ層１３を施した後、係合部材１４でセラミックヒーター２、断熱材３を固定するとともに、前記係合部材１４と前記メタライズ層１２が接触することで電極取り出し部９が形成される。
【００３０】
前記メタライズ層１２は耐酸化性の高い金属成分を主成分し、またその表面に耐酸化性の高いメッキ層１３を形成していることから、電極取り出し部９の耐熱性を高めることができ、また係合部材１４と接触させて電極取り出し部９を形成していることから、高温で使用時に該電極引き出し部９に大きな応力が発生することが少なく、クラック等の不具合の発生を防止することができる。
【００３１】
また、前記係合部材１４は、熱膨張率が前記セラミックヒーター２の熱膨張率と前記断熱材３の熱膨張率の中間となるものを用いれば、温度上昇時の熱膨張差により各部材のゆるみ、または電気導通の不具合等を防止することができる。
【００３２】
前記係合部材１４としては熱膨張率が５×１０−６／℃のＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製であることが好ましい。
【００３３】
さらに、前記係合部材１４は皿ねじとナットから形成されることで各部材の固定と電極取り出し部９の電気導通を安価で確実に行うことができる。
【００３４】
また、電極取り出し部９の構造として、これまで接触タイプの取り出し構造を説明したが、金具をロウ付けするような構造としても構わない。
【００３５】
また、前記セラミック体５は、窒化珪素質焼結体で形成することが好ましく、セラミック体５に発熱体６及び導体ペーストを埋設させることによって動作時に発熱体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とともに、高温強度を極めて高いものとし、電気的な絶縁性、耐久性を保持する。
【００３６】
さらに、前記セラミック体５の熱伝導率を常温で５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上としておくと、発熱体６の熱をセラミック体５全体に短時間で伝達し、温度むらを防止することができ、好ましくはその厚みを１〜２ｍｍの範囲としておくと、セラミックヒーター２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、昇温速度を速くすることができるため、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２に割れ等の破損を発生させることなく短時間に実装可能となる。
【００３７】
前記セラミックヒーター２の下面に備えられた断熱材３は、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からなり、セラミックヒーター２の熱をセラミックツール１側に有効に伝達させる作用をなす。
【００３８】
断熱材３の構造としては、前記凹部１０を完全に充填するようにしても構わないし、真空引き穴の周囲だけセラミックヒーター２に接するようにしても構わない。真空引き穴の周囲をセラミックヒーター２に接するようにするのは、真空引きを良好にするためである。
【００３９】
また、前記断熱材３の下面には、セラミックツール１を除く各部品を統合し、他部材に結合するためのホルダー４が形成されている。該ホルダー４は金属、またはセラミック製部材等から成るが、好ましくは低熱伝導性を有するセラミックスから成り、前記セラミックヒーター２を形成するセラミック体５と同程度、もしくはそれよりも熱伝導率の低いセラミックスであれば良く、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、ジルコニア等のセラミックスから成る。また、金属製のホルダーの場合その内部にエアー冷却等の冷却機構を備えたものが好ましい。
【００４０】
上述のような接触加熱装置は、セラミックヒーター２の発熱体６の電気抵抗により電力が印加される際、ジュール発熱を起こし、セラミックツール１の上面に載置された半導体ベアチップを低融点ロウ材を介して配線基板上に実装する際、前記低融点ロウ材を溶融させるために必要な温度に発熱する仕組みである。
【００４１】
なお、本発明は上述の実施形態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。
【００４２】
【実施例】
次に本発明の実施例を説明する。
【００４３】
図２に示すような接触加熱装置用のセラミックヒーター２を作製し、その特性を測定した。
【００４４】
先ず、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後、原料粉末をプレス成形法等により３０ｍｍ×５０ｍｍ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および電極取り出し部９の導体形状にスクリーン印刷法等によりプリントする。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後、発熱部７とリード部８で囲まれた凹部１０を有する所定の形状に研削加工し、別途一対の電極引き出し孔１１を研削加工し、導体部の一部を電極引き出し孔１１より露出させ、電極取り出し部９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１２を形成、Ｎｉからなるメッキ層１３を施した後、係合部材でセラミックヒーター２、断熱材３、ホルダー４を組み付け、その際電極取り出し部９が断熱材３に接触する形状とした。
【００４５】
セラミックヒーター２の加工は平面研削盤、および超音波加工機を用いて、２４ｍｍ×２４ｍｍ発熱部主面を持つセラミック体５とネジ部直径が３ｍｍでテーパー部を有する電極引き出し孔１１を形成した。また、セラミックヒーター２の発熱部７の厚みは２ｍｍ、リード部８および電極取り出し部９の厚みが３ｍｍとし、発熱部７とリード部８で囲まれる凹部１０の深さＤを表１に示すように１〜５０ｍｍとした試料を得た。
【００４６】
また、図５に示す従来構造のセラミックヒーター２２は同様にセラミック焼結体を作製した後、２４ｍｍ×２４ｍｍの発熱部３１と、長さ２０〜５０ｍｍのリード部２８を形成し、Ａｇ−Ｃｕを含有したメタライズ層を形成しＡｇ−Ｃｕで電極金具３０ａをろう付けするとともにリード線３０ｂを接続して試料を得た。
【００４７】
電極部の温度は熱電対を取り付け測定し、発熱部温度が５００℃付近で飽和するような電力をセラミックヒーター２、２２に印加して電極取り出し部９の温度を測定するとともに、電極取り出し部９のクラックの有無をセラミックヒーター２、２２の常温抵抗値の変化と外観の双眼のチェックで確認した。
【００４８】
その結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
表１の結果より、発熱部７とリード部８で囲まれる凹部１０の深さＤが１ｍｍであるＮｏ．１は、電極取出し部９の温度が４００℃以上となり、電極取り出し部９にクラックが発生した。これに対し、発熱部７とリード部８で囲まれる深さＤが２ｍｍ以上の凹部１０を形成したＮｏ．２〜９は電極取り出し部９にクラックが発生しなかった。特に凹部１０の深さＤが３ｍｍ以上の場合セラミックヒーターの温度が５００℃という高温の場合でも電極取り出し部９の温度を３５０℃以下にできることが判った。また、前記凹部１０の深さＤを５ｍｍ以上にすれば、電極取り出し部９の温度を３００℃以下にできることがわかった。
【００５１】
【発明の効果】
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ツールと、該セラミックツールを加熱するためのセラミックヒーターと、セラミックヒーターから発生した熱がセラミックツール以外に伝熱することを防止するための断熱材と、これらの部材を他部材に結合するホルダーとから構成された接触加熱装置であって、前記セラミックヒーターは、発熱抵抗体を内蔵した発熱部と、前記発熱抵抗体に接続しセラミックヒーターの主面に略垂直に延びる導体部を内蔵したリード部と、該リード部から略垂直に引き出された導体部を内蔵する電極取り出し部と、前記発熱部とリード部で囲まれる凹部を有し、前記セラミックヒーターの電極取り出し部を断熱材を介してホルダーに固定されていることから、高温での繰り返し使用において、セラミックヒーターの電極取り出し部の温度上昇を防止し、小さな占有体積で作業性の高いコンパクトで高寿命な接触加熱装置が得られるようになった。
【００５２】
また、本発明は前記電極取り出し部にテーパー部を有する凹部が形成され、該テーパー部に導体部の一部が露出し、この露出部にメタライズ部を形成し、該メタライズ部が係合部材と接触するように電極部が形成されていることから、高温において電極部の耐熱性が高く電極引き出し部のクラックを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の接触加熱装置の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は本発明の接触加熱装置に用いられるセラミックヒーターの斜視図であり、（ｂ）は同図（ａ）の断面図、（ｃ）は外形加工前の分解斜視図である。
【図３】本発明の接触加熱装置のセラミックヒーター電極取り出し部の断面図である。
【図４】従来の接触加熱装置を示す斜視図である。
【図５】（ａ）は従来の接触加熱装置に用いられるセラミックヒーターを示す斜視図であり、（ｂ）は同じく分解斜視図である。
【符号の説明】
１：セラミックツール
２：セラミックヒーター
３：断熱材
４：ホルダー
５：セラミック体
６：発熱体
７：発熱部
８：リード部
９：電極取り出し部
１０：凹部
１１：電極引き出し孔
１２：メタライズ層
１３：メッキ層
１４：係合部材
【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、異方性導電膜等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内蔵した接触加熱装置で加熱しながら、押圧することによって接合を行っており、この時、両者に備えたハンダ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。
【０００４】
かかる接触加熱装置は、図４、図５（ａ）、（ｂ）に示すように被加熱物を押圧するためのセラミックツール２１と、該セラミックツール２１を加熱するためのセラミックヒーター２２と、セラミックヒーター２２から発生した熱がセラミックツール２１以外に伝熱することを防止するための断熱材２３と、これらの部材を統合し他部材に結合するホルダー２４とから構成されており、前記セラミックヒーター２２は、セラミック体２５中に発熱体２６を埋設した発熱部３１と、該発熱部３１に一体的に接合され、帯状のセラミック体に前記発熱体２６の両端に接続されるリードパターン２７を埋設させた一対のリード部２８と、前記リードパターン２７の一部を各リード部２８の側面より露出させた電極取り出し部２９と、該電極取り出し部２９に接続されるリード端子３０とから構成される（特開２００１−３３２５８９号公報参照）。
【０００５】
また、前記リード端子３０は、Ｌ字状或いは板状の電極金具３０ａに、リード線３０ｂが取着されており、前記電極金具３０ａは電極取り出し部２９を覆うようにロウ付けされており、このロウ材にはビッカース硬度２．２ＧＰａのＡｕ−Ｎｉ（組成比８２重量％：１８重量％）等が用いられ、そのロウ付け面積は１５ｍｍ２程度であった。
【０００６】
【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、接触加熱装置の加熱温度、温度分布の向上が要求されており、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℃間を５秒以下で急速昇温させることが要求されている。
【０００７】
しかしながら、従来の接触加熱装置に用いられるセラミックヒーター２２は、電極取り出し部２９に接合されるリード端子３０が、リード部２８の一部を覆うようにロウ付けされており、より高温で繰り返し使用される場合電極取り出し部２９の温度も高温となり熱膨張の小さいセラミックヒーターと熱膨張の大きい電極金具３０ａとの熱膨張率の差により、接触加熱装置の作動時にロウ付け部に応力が発生し、ロウ付け部の周辺にクラックが入りやすくヒーター寿命が低下するという欠点を有していた。
【０００８】
また、従来の接触加熱装置に用いられる前記セラミックヒーター２２は、電極取り出し部２９の温度を下げるため、リード部２８が大きく突き出た構造となっていたため、実作業において邪魔な構造となっていた。
【０００９】
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、高温での繰り返し使用において、セラミックヒーター２２の電極取り出し部２９の温度上昇を防止し、小スペースで作業性の高いコンパクトで高寿命な接触加熱装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
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ツールと、該セラミックツールを加熱するためのセラミックヒーターと、セラミックヒーターから発生した熱がセラミックツール以外に伝熱することを防止するための断熱材と、これらの部材を他部材に結合するホルダーとから構成された接触加熱装置であって、前記セラミックヒーターは、発熱抵抗体を内蔵した１〜４ｍｍの厚みの発熱部と、前記発熱抵抗体に接続しセラミックヒーターの主面に略垂直に延びる導体部を内蔵した１〜５ｍｍの厚みのリード部と、該リード部から略垂直に引き出された導体部を内蔵する電極取り出し部と、前記発熱部とリード部で囲まれる深さ５〜５０ｍｍの凹部を有し、該凹部に断熱材が充填されるとともに前記セラミックヒーターの電極取り出し部を断熱材を介してホルダーに固定したことを特徴とする。
【００１３】
また、前記電極取り出し部にテーパー部を有する孔を備え、上記テーパー部に導体部の一部を露出させるとともに、この露出部にメタライズ部を形成し、該メタライズ部と接触するように係合部材を備えて電極部を形成したことを特徴とする。
【００１４】
前記凹部に断熱材が充填されており、前記凹部の深さが２〜５０ｍｍであることを特徴とする。
【００１５】
さらに、本発明は前記電極取り出し部が断熱材と接触するように形成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は前記電極取り出し部にテーパー部を有する凹部が形成され、該テーパー部に導体部の一部が露出し、この露出部にメタライズ部を形成し、該メタライズ部が係合部材と接触するように電極部が形成されていることを特徴とする。
【００１７】
【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。
【００１８】
本発明の接触加熱装置は、図１の斜視図のように、被加熱物を押圧するためのセラミックツール１と、セラミックツール１を加熱するためのセラミックヒーター２と、セラミックヒーター２から発生した熱が前記セラミックツール１以外に伝熱することを防止するための断熱材３と、これらの部材を統合し他部材に結合するためのホルダー４から構成される。
【００１９】
前記セラミックツール１は、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体等からなり、その上面に半導体チップを真空吸着するための真空引き穴１ａが形成されており、その下面に配置されるセラミックヒーター２、断熱材３およびホルダー４にも同様な真空引き穴が設けられており、これら真空引き穴は全て貫通しているため、これらを介して真空引きすることによってセラミックツール１の上面の半導体チップを真空吸着する仕組みである。
【００２０】
また、前記セラミックツール１は、その熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、セラミックツール１の周囲部分の温度が低下するのを防止するとともに、セラミックヒーター２の熱をセラミックツール１側に効率的に供給し、その上面に載置された半導体チップの温度分布を一定に保ちハンダチップのボンディングにバラツキが発生するのを有効に防止することができる。
【００２１】
さらに、前記セラミックツール１の下面にはセラミックヒーター２が形成され、セラミックツール１の上面に載置された半導体チップを加熱する作用をなす。
【００２２】
前記セラミックヒーター２は、図２（ａ）、（ｂ）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からセラミックヒーター２の発熱部７側の主面にほぼ垂直な方向に引き出された導体部８ａを内蔵したリード部８と、該リード部８からほぼ垂直に引き出された導体部９ａを有する電極取り出し部９からなり、前記発熱部７とリード部８で囲まれた凹部１０を有し、前記セラミックヒーター２の電極取り出し部９は断熱材３を介してホルダー４に固定されている。
【００２３】
前記凹部１０はセラミックヒーター２の熱容量を抑え急速昇温、急速高温を可能にするとともに、電極取り出し部９をセラミックヒーター２の発熱部７の主面と異なる面に配置できるため、電極取り出し部９の温度上昇を防止できる非常にシンプルな構造とすることができる。
【００２４】
ここで、前記発熱部７とリード部８で囲まれた凹部１０の深さＤは好ましくは５〜５０ｍｍに調整され、さらに該凹部１０には断熱材３が充填されている。これは深さＤが２ｍｍ未満であると発熱部７の熱引きにより電極取り出し部９の温度が高くなり過ぎ、また５０ｍｍを越えると電極取り出し部９の温度低減効果は十分でありまた製造コストが高くなり過ぎるためである。前記凹部１０の深さＤは、さらに好ましくは５〜５０ｍｍとすることが良い。
【００２５】
前記セラミックヒーター２の発熱部７の厚みは１〜４ｍｍ、リード部８の厚みは１〜５ｍｍ、電極取り出し部９の厚みは１〜１０ｍｍが好ましく、上記凹部１０を形成すると同様、ヒーターの熱容量を適正とすることでヒーター温度の急速昇降温性能が得られる。さらに好ましくは、リード部８の厚みは２〜４ｍｍとするのが良い。
【００２６】
前記発熱部７の厚みを１ｍｍ未満にすると、セラミックツール１を半導体チップに押圧した際に発熱部７が変形し、半導体チップへのハンダ付けがばらついてしまうからである。また、前記リード部８の厚みを１ｍｍ未満にした場合も同様である。また、前記発熱部７を４ｍｍを越える厚みにすると、発熱部７の熱容量が大きくなり過ぎて冷却時の冷却速度が遅くなってしまうので好ましくない。また、前記リード部８の厚みが５ｍｍを越えると、リード部８を介する熱伝導が大きくなり、電極取り出し部９の温度が上昇してしまって電極取り出し部９にクラックが発生するようになるので、好ましくない。
【００２７】
また、電極取り出し部９の厚みを１ｍｍ未満にすると、接触加熱装置を固定するための応力が前記電極取り出し部９に掛かり、しかも昇降温の熱サイクルが加算されるので、電極取り出し部９が破損しやすくなるので好ましくない。また、電極取り出し部９の厚みを１０ｍｍを越える厚みにすると、凹部１０を形成する加工費が高くなるので好ましくない。加工費を考えると、電極取り出し部９の厚みは、２〜５ｍｍにするのが良い。
【００２８】
このようなセラミックヒーター２の製造方法としては、先ず、例えば主成分として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％、１〜５重量％添加混合して原料粉末を調整した後、原料粉末をプレス成形法等によって所定形状に成形し成形体を得、該成形体にタングステンやモリブデン、レニウム等、或いはこれらの炭化物、窒化物等に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して導電性ペーストを作り、これを発熱体６および電極取り出し部９の導体形状にスクリーン印刷法等によりそれぞれプリントする。さらに、図２（ｃ）のように、上記二つの成形体の間に、貫通孔を形成しこの中に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するか、もしくは、１０気圧以上の窒素雰囲気中にて約１７００〜１８５０℃で焼成する。
【００２９】
得られた焼結体を所定の形状に研削加工した後、電極取り出し部９に一対の電極引き出し孔１１を研削加工し、電極取り出し部９の導体部９ａの一部を電極引き出し孔１１より露出させ図３に示すように前記電極引き出し孔１１の表面に、主成分としてＡｕ−Ｎｉ、またはＡｇ−Ｃｕを含有したペーストを塗布し、真空中にて焼成してメタライズ層１２を形成し、該メタライズ層１２の上にＡｕ、Ｐｔ、Ａｇ、またはＮｉからなるメッキ層１３を施した後、係合部材１４でセラミックヒーター２、断熱材３を固定するとともに、前記係合部材１４と前記メタライズ層１２が接触することで電極取り出し部９が形成される。
【００３０】
前記メタライズ層１２は耐酸化性の高い金属成分を主成分し、またその表面に耐酸化性の高いメッキ層１３を形成していることから、電極取り出し部９の耐熱性を高めることができ、また係合部材１４と接触させて電極取り出し部９を形成していることから、高温で使用時に該電極引き出し部９に大きな応力が発生することが少なく、クラック等の不具合の発生を防止することができる。
【００３１】
また、前記係合部材１４は、熱膨張率が前記セラミックヒーター２の熱膨張率と前記断熱材３の熱膨張率の中間となるものを用いれば、温度上昇時の熱膨張差により各部材のゆるみ、または電気導通の不具合等を防止することができる。
【００３２】
前記係合部材１４としては熱膨張率が５×１０−６／℃のＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製であることが好ましい。
【００３３】
さらに、前記係合部材１４は皿ねじとナットから形成されることで各部材の固定と電極取り出し部９の電気導通を安価で確実に行うことができる。
【００３４】
また、電極取り出し部９の構造として、これまで接触タイプの取り出し構造を説明したが、金具をロウ付けするような構造としても構わない。
【００３５】
また、前記セラミック体５は、窒化珪素質焼結体で形成することが好ましく、セラミック体５に発熱体６及び導体ペーストを埋設させることによって動作時に発熱体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とともに、高温強度を極めて高いものとし、電気的な絶縁性、耐久性を保持する。
【００３６】
さらに、前記セラミック体５の熱伝導率を常温で５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上としておくと、発熱体６の熱をセラミック体５全体に短時間で伝達し、温度むらを防止することができ、好ましくはその厚みを１〜２ｍｍの範囲としておくと、セラミックヒーター２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、昇温速度を速くすることができるため、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２に割れ等の破損を発生させることなく短時間に実装可能となる。
【００３７】
前記セラミックヒーター２の下面に備えられた断熱材３は、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からなり、セラミックヒーター２の熱をセラミックツール１側に有効に伝達させる作用をなす。
【００３８】
断熱材３の構造としては、前記凹部１０を完全に充填するようにしても構わないし、真空引き穴の周囲だけセラミックヒーター２に接するようにしても構わない。真空引き穴の周囲をセラミックヒーター２に接するようにするのは、真空引きを良好にするためである。
【００３９】
また、前記断熱材３の下面には、セラミックツール１を除く各部品を統合し、他部材に結合するためのホルダー４が形成されている。該ホルダー４は金属、またはセラミック製部材等から成るが、好ましくは低熱伝導性を有するセラミックスから成り、前記セラミックヒーター２を形成するセラミック体５と同程度、もしくはそれよりも熱伝導率の低いセラミックスであれば良く、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、ジルコニア等のセラミックスから成る。また、金属製のホルダーの場合その内部にエアー冷却等の冷却機構を備えたものが好ましい。
【００４０】
上述のような接触加熱装置は、セラミックヒーター２の発熱体６の電気抵抗により電力が印加される際、ジュール発熱を起こし、セラミックツール１の上面に載置された半導体ベアチップを低融点ロウ材を介して配線基板上に実装する際、前記低融点ロウ材を溶融させるために必要な温度に発熱する仕組みである。
【００４１】
なお、本発明は上述の実施形態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。
【００４２】
【実施例】
次に本発明の実施例を説明する。
【００４３】
図２に示すような接触加熱装置用のセラミックヒーター２を作製し、その特性を測定した。
【００４４】
先ず、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後、原料粉末をプレス成形法等により３０ｍｍ×５０ｍｍ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および電極取り出し部９の導体形状にスクリーン印刷法等によりプリントする。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後、発熱部７とリード部８で囲まれた凹部１０を有する所定の形状に研削加工し、別途一対の電極引き出し孔１１を研削加工し、導体部の一部を電極引き出し孔１１より露出させ、電極取り出し部９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１２を形成、Ｎｉからなるメッキ層１３を施した後、係合部材でセラミックヒーター２、断熱材３、ホルダー４を組み付け、その際電極取り出し部９が断熱材３に接触する形状とした。
【００４５】
セラミックヒーター２の加工は平面研削盤、および超音波加工機を用いて、２４ｍｍ×２４ｍｍ発熱部主面を持つセラミック体５とネジ部直径が３ｍｍでテーパー部を有する電極引き出し孔１１を形成した。また、セラミックヒーター２の発熱部７の厚みは２ｍｍ、リード部８および電極取り出し部９の厚みが３ｍｍとし、発熱部７とリード部８で囲まれる凹部１０の深さＤを表１に示すように１〜５０ｍｍとした試料を得た。
【００４６】
また、図５に示す従来構造のセラミックヒーター２２は同様にセラミック焼結体を作製した後、２４ｍｍ×２４ｍｍの発熱部３１と、長さ２０〜５０ｍｍのリード部２８を形成し、Ａｇ−Ｃｕを含有したメタライズ層を形成しＡｇ−Ｃｕで電極金具３０ａをろう付けするとともにリード線３０ｂを接続して試料を得た。
【００４７】
電極部の温度は熱電対を取り付け測定し、発熱部温度が５００℃付近で飽和するような電力をセラミックヒーター２、２２に印加して電極取り出し部９の温度を測定するとともに、電極取り出し部９のクラックの有無をセラミックヒーター２、２２の常温抵抗値の変化と外観の双眼のチェックで確認した。
【００４８】
その結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
表１の結果より、発熱部７とリード部８で囲まれる凹部１０の深さＤが１ｍｍであるＮｏ．１は、電極取出し部９の温度が４００℃以上となり、電極取り出し部９にクラックが発生した。これに対し、発熱部７とリード部８で囲まれる深さＤが２ｍｍ以上の凹部１０を形成したＮｏ．２〜９は電極取り出し部９にクラックが発生しなかった。特に凹部１０の深さＤが３ｍｍ以上の場合セラミックヒーターの温度が５００℃という高温の場合でも電極取り出し部９の温度を３５０℃以下にできることが判った。また、前記凹部１０の深さＤを５ｍｍ以上にすれば、電極取り出し部９の温度を３００℃以下にできることがわかった。
【００５１】
【発明の効果】
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ツールと、該セラミックツールを加熱するためのセラミックヒーターと、セラミックヒーターから発生した熱がセラミックツール以外に伝熱することを防止するための断熱材と、これらの部材を他部材に結合するホルダーとから構成された接触加熱装置であって、前記セラミックヒーターは、発熱抵抗体を内蔵した発熱部と、前記発熱抵抗体に接続しセラミックヒーターの主面に略垂直に延びる導体部を内蔵したリード部と、該リード部から略垂直に引き出された導体部を内蔵する電極取り出し部と、前記発熱部とリード部で囲まれる凹部を有し、前記セラミックヒーターの電極取り出し部を断熱材を介してホルダーに固定されていることから、高温での繰り返し使用において、セラミックヒーターの電極取り出し部の温度上昇を防止し、小さな占有体積で作業性の高いコンパクトで高寿命な接触加熱装置が得られるようになった。
【００５２】
また、本発明は前記電極取り出し部にテーパー部を有する凹部が形成され、該テーパー部に導体部の一部が露出し、この露出部にメタライズ部を形成し、該メタライズ部が係合部材と接触するように電極部が形成されていることから、高温において電極部の耐熱性が高く電極引き出し部のクラックを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の接触加熱装置の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は本発明の接触加熱装置に用いられるセラミックヒーターの斜視図であり、（ｂ）は同図（ａ）の断面図、（ｃ）は外形加工前の分解斜視図である。
【図３】本発明の接触加熱装置のセラミックヒーター電極取り出し部の断面図である。
【図４】従来の接触加熱装置を示す斜視図である。
【図５】（ａ）は従来の接触加熱装置に用いられるセラミックヒーターを示す斜視図であり、（ｂ）は同じく分解斜視図である。
【符号の説明】
１：セラミックツール
２：セラミックヒーター
３：断熱材
４：ホルダー
５：セラミック体
６：発熱体
７：発熱部
８：リード部
９：電極取り出し部
１０：凹部
１１：電極引き出し孔
１２：メタライズ層
１３：メッキ層
１４：係合部材
Claims (2)
- 被加熱物を押圧するためのセラミックツールと、該セラミックツールを加熱するためのセラミックヒーターと、セラミックヒーターから発生した熱がセラミックツール以外に伝熱することを防止するための断熱材と、これらの部材を他部材に結合するホルダーとから構成された接触加熱装置であって、前記セラミックヒーターは、発熱抵抗体を内蔵した１〜４ｍｍの厚みの発熱部と、前記発熱抵抗体に接続しセラミックヒーターの主面に略垂直に延びる導体部を内蔵した１〜５ｍｍの厚みのリード部と、該リード部から略垂直に引き出された導体部を内蔵する電極取り出し部と、前記発熱部とリード部で囲まれる深さ５〜５０ｍｍの凹部を有し、該凹部に断熱材が充填されるとともに前記セラミックヒーターの電極取り出し部を断熱材を介してホルダーに固定したことを特徴とする接触加熱装置。
- 前記電極取り出し部にテーパー部を有する孔を備え、上記テーパー部に導体部の一部を露出させるとともに、この露出部にメタライズ部を形成し、該メタライズ部と接触するように係合部材を備えて電極部を形成したことを特徴とする請求項１記載の接触加熱装置。
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