JP3710690B2 - ＳｉＣヒータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、急速な昇温と降温が可能なＳｉＣヒータに関するものであり、特に半導体の組立工程において使用される半導体チップボンディング用ヒータとして好適に使用される。
【０００２】
【従来の技術】
現在、パソコンや携帯電話が急速に普及し、小型化、薄型化、軽量化、高性能化への要求が高まり続けている中、半導体の組立工程において、半導体チップ実装ボードを製造するために種々のヒータが用いられている。
特に、ＩＣチップ内の配線部と基板との間にハンダバンプや金バンプ等の導電性ボンディング材を置き、この導電性ボンディング材をヒータにより加熱溶融してＩＣチップと基板とを接合するフリップチップボンディング法においては、バンプが存在するボンディング部分全体を加熱することにより、例えば常温（ 25 ℃) から 450℃まで 2秒間で昇温する等のように、急速に昇温して導電性ボンディング材を熱溶融させ、そして直ちに、ボンディング部分を冷却することにより、例えば 450℃から 100℃まで 10 秒で降温する等のように、急速に降温して導電性ボンディング材を固化させることが可能となるヒ−タを必要としている。
この要求に答えるため、従来よりモリブデンやチタン、ニッケルクロム合金、窒化アルミニウムに白金パラジウム膜を焼き付けたもの等の金属製のヒータまたは炭化珪素を用いたヒータが用いられてきた。
【０００３】
〔問題点〕
しかしながら、モリブデンやチタンを発熱体として用いたヒ−タにあっては、電気比抵抗が非常に低いために急速昇温時に大電流を必要とし、そのために誘導磁場が発生し、正確な位置合わせを必要とするヒータの位置を狂わせてしまう虞があった。また、ヒータ部分は約 450℃まで加熱されるために酸化されやすく、耐久性がなく、更に金属製であるため高温での塑性変形が大きく、数μｍ程度の表面精度を確保できない。
【０００４】
また、ニッケルクロム合金を用いたヒータにあっては、モリプデンやチタンを用いたヒータと比較すると、耐酸化性は若干良くなるものの、熱伝導率が低いために均熱性が非常に悪く、ボンディングの接続不良が起こりやすく、製品としての歩留まりが上がらない。更に、熱伝導率が低いため、急速昇温時に必要な最大投入電力が大きく、また降温に要する時間がかかり、１回のボンディング処理に多くの時間を要し、コストパフォ−マンスが低下する他、金属製であるため高温での塑性変形が大きく、数μｍ程度の表面精度を確保できない。
【０００５】
また、窒化アルミニウムに白金パラジウム膜を焼き付けてなるヒータにあっては、白金パラジウム薄膜の電気抵抗を大きくするために膜厚を薄くしてあり、そのために昇温時に断線が起こりやすく、均熱性も非常に悪くボンディング部分に接続不良が起こりやすく、製品としての歩留まりが上がらないうえ、断線がいつ発生するか予測できず、製造工程中で使用されるヒータとしての信頼性がきわめて低い。
【０００６】
また、炭化珪素よりなる発熱体を使用したヒータでは、耐酸化性、消費電力の低下、急速昇温・降温といった要求特性をある程度満たしているが、近年、更に急速な昇温・降温（例えば 450℃から 100℃まで 5秒以内で降温）が要求されており、従来のヒータでは、これに対応することができなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の技術における前記問題点に鑑みて成されたものであり、その解決のため具体的に設定した課題は、要求される急速な昇降温が可能であり、正確な位置で接合でき、ヒータ断線の虞がなく、十分な表面精度を有し、ボンディング部分の接続不良がなく、コストパフォーマンスにも優れたＳｉＣヒータを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を効果的に解決できるよう具体的に構成された手段としての、本発明における請求項１に係るＳｉＣヒータは、炭化珪素焼結体の薄板からなり、その外縁部から内部に向かって伸びた表裏に貫通したスリットを有する発熱体と、この発熱体に通電して発熱体を昇温させるための電極と、前記発熱体に一面側を当接して前記発熱体からの熱を断熱するヒータベースとを備えたＳｉＣヒータであって、前記ヒータベースには、前記発熱体との当接面側の断熱が必要な部分以外すなわち断熱が必要でない部分に前記発熱体と接触しないようにするための隙間を形成するザグリ部を刻設し、このザグリ部に連通した冷却気体供給用の貫通孔を穿設し、前記発熱体には、ヒータベース当接面と反対側の面に、常温で電気比抵抗が109Ω・ｃｍ以上、熱膨張率が2〜6×10-6／Ｋで、ＳｉＯ２をマトリックスとし、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３のうち少なくとも１種類を1〜30重量％含み、さらにＢａＯを35重量％以下含んだ硼珪酸ガラスまたはアルミノ珪酸ガラスの少なくとも１つにより絶縁被膜を形成してなることを特徴とするものである。
また、請求項２に係るＳｉＣヒータは、前記発熱体が、略正方形または略長方形であって、互いに対向する２辺からそれぞれ反対側の辺に向けて切り込んだ２つのスリットにより略Ｓ字状に形成され、この略Ｓ字状の両端部に前記電極を取り付けたことを特徴とする。
また、請求項３に係るＳｉＣヒータは、前記貫通孔が前記スリットと連通してなることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に係るＳｉＣヒータは、前記炭化珪素焼結体が、焼結体密度が2.5ｇ／ｃｍ３以上で、室温における電気比抵抗が0.1〜100Ω・ｃｍであることを特徴とする。
また、請求項５に係るＳｉＣヒータは、前記炭化珪素焼結体が、平均粒径0.1〜10μｍの第１の炭化珪素粉末と0.1μｍ以下の第２の炭化珪素粉末とを混合し焼結して得られたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を具体的に説明する。
ただし、この実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるため具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、発明内容を限定するものではない。
【００１１】
〔発熱体〕
この実施の形態における発熱体としては、例えば粒界に不純物の少ない微細で均一な組織を有する高導電性の炭化珪素焼結体が好適に使用できる。そして、この炭化珪素焼結体の外縁部から内部に向かって切り込みを設けることにより、温度変化による熱膨張、熱収縮の影響を吸収し、これにより熱応力に強くなるため、発熱体としての炭化珪素焼結体を薄く形成でき、熱容量を小さくできるようになる。さらに、略Ｓ字状にすることにより電流がその経路を流れ発熱体の均熱性が向上する。
【００１２】
この発熱体は、炭化珪素、特に焼結体密度が 2.5ｇ／ｃｍ3 以上、室温（ 25 ℃）における電気比抵抗が 0.1〜100 Ω・ｃｍである炭化珪素焼結体により構成させる。焼結体密度が 2.5ｇ／ｃｍ3 以上であれば炭化珪素粒子間の結合力が充分であり、高温での機械強度も高いことから、ボンディング時の荷重により発熱体が破損する虞がなく、高温時の塑性変形がなく、数μｍの表面精度が容易に得られる。なお、炭化珪素の理論密度は 3.21 ｇ／ｃｍ3 である。
【００１３】
また、このような電気比抵抗であれば、金属ヒータの場合のような大電流が流れないので、リード線に電磁誘導からくる応力が働いてヒータヘッドの位置が狂う虞もなくなる。これに対して、室温での電気比抵抗が 0.1Ω・ｃｍ未満であると、急速昇温するために大電力を投入することが必要となり、大電流が流れてリード線に電磁誘導からくる応力が働きヒータヘッドの位置が狂う虞がある他、大電流が発熱体に集中してヒータが破損し、また所定の抵抗値とするためには発熱体を薄肉化しなければならず、ボンディング時の圧力（通常 50 ｋｇ／ｃｍ2 程度）により破損する虞がある。一方、室温での電気比抵抗が 100Ω・ｃｍを超えると大電圧を投入しなければならず、特別の電源が必要となる。
【００１４】
また、発熱体を形成する炭化珪素焼結体は室温での熱伝導率が 100Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。上述したように発熱体を形成する炭化珪素焼結体の焼結密度は 2.5ｇ／ｃｍ3 以上と緻密質であり、しかも後述するように焼結助剤無添加で焼結できるので、粒界に存在する不純物が少なく、微細で均一な組織が得られ、よって 100Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い熱伝導率が得られる。従って、この炭化珪素焼結体から成る発熱体を備えると、均熱性に優れたものとなり、ボンディング部分の接続不良がなく製品歩留まりが高くなり、更に冷却に要する時間が短く１回のボンディング処理時間が短縮されコストパフォーマンスが高くなる他、急速昇温時又は急速降温時においても熱衝撃で破損する虞がない。
【００１５】
この発熱体の形状は、図１に示すように、炭化珪素焼結体を外形が２２ｍｍの四角形で厚みが１ｍｍの薄板に加工し、四隅の対向する２つの角部を電極取付可能に形成するとともに各電極取付位置の間には各種用途の貫通孔を略均等に穿設し、加熱状態を均一化するように形成する。
この発熱体１は、外形が略四角形で略Ｓ字状薄板に形成され、この薄板材の互いに対向する二辺から各辺の長さの 1／3 の長さの位置で、反対側の辺に向けて切り込んだ２つのスリット２，３により均等幅の略Ｓ字状板材に形成する。
【００１６】
この略Ｓ字状板材には、各先端部に穿設した電極取付用の貫通孔４，５と、中央部に穿設したチップ吸着用の気体通路を形成する貫通孔６と、各先端部に対向する角部の外縁寄りの位置にそれぞれ穿設した伝熱板吸着用の気体通路を形成する貫通孔７，８と、チップ吸着側の面に刻設して貫通孔７，８にそれぞれ連通するとともに外縁に沿って略Ｌ字状に延設した伝熱板吸着用の気体通路を形成する溝９，１０と、前記電極取付用の貫通孔４，５と前記伝熱板吸着用の貫通孔７，８との中間位置に穿設して不活性ガス雰囲気で加熱する場合に供給する窒素ガス等の各種ガスの通路を形成する貫通孔１１，１２とを少なくとも設ける。これらの貫通孔の孔径はそれぞれの用途に応じて適宜選択して穿設すれば良い。
この他に、外縁に沿って形成された溝９，１０と中央部に穿設された貫通孔６との間の溝９，１０側に寄った位置に、ヒータ本体側への取付用ねじを挿通するための貫通孔１３，１４を穿設する。
そして、電極取付用の貫通孔４，５およびヒータ本体側への取付用として穿設された貫通孔１３，１４のチップ吸着側の面には、皿頭が埋没する深さの皿ざぐりを施して、伝熱板吸着時に発熱体取付用の皿小ねじ（図示せず）の皿形のねじ頭が邪魔にならないようにする。
【００１７】
〔発熱体の製造方法〕
焼結体密度 2.5ｇ／ｃｍ3 以上で電気比抵抗 0.1〜100 Ω・ｃｍである炭化珪素焼結体は、平均粒径 0.1〜 10 μｍの第１の炭化珪素粉末と 0.1μｍ以下の第２の炭化珪素粉末とを混合し、これを焼結する方法により得られる。この方法によれば、 0.1〜100 Ω・ｃｍの範囲の電気比抵抗を示す炭化珪素を得ることが容易である。このような炭化珪素焼結体の製造方法は、特開平４ー６５３６１号公報に開示されているが、この実施の形態においては電気比抵抗が 0.1〜100 Ω・ｃｍと大きいものを用いることが望ましい。
【００１８】
前記特性を有する炭化珪素焼結体を製造するために、平均粒径が 0.1〜 10 μｍの第１の炭化珪素粉末と、平均粒径が 0.1μｍ以下の第２の炭化珪素微粉末とを用意する。
第１の炭化珪素粉末としては、一般に使用されているものでよく、例えばシリカ還元法、アチソン法等の方法によって製造されたものが用いられ、その結晶相としては非晶質、α型、β型のいずれであってもよいが、電気比抵抗値を 0.1〜100 Ω・ｃｍに調整する容易さからはα型のものが好適である。
第２の炭化珪素粉末としては、非酸化性雰囲気のプラズマ中にシラン化合物またはハロゲン化珪素と炭化水素とからなる原料ガスを導入し、反応系の圧力を１気圧未満から 0.1ｔｏｒｒの範囲で制御しつつ気相反応させることによって得られたものを使用する。結晶相としては非晶質、α型、β型のいずれであってもよい。このようにして得られた第２の炭化珪素粉末は焼結性が非常に優れているために、上記第１の炭化珪素粉末と混合するのみで、焼結助剤を添加することなく高純度かつ緻密質の炭化珪素焼結体を得ることができるようになる。
【００１９】
次に、上記第１の炭化珪素粉末と第２の炭化珪素粉末とを混合して混合物とする。混合比率は所定の電気比低抗値（ 0.1〜100 Ω・ｃｍ）となるよう予め予備実験で求めておく。その後、上記混合物を所望の形状に成形し、得られた成形体を 1800 〜 2400 ℃の温度で焼結して焼結体を得て、これを発熱体とする。焼結方法、焼結時の雰囲気はいずれも制限されない。
【００２０】
〔ＳｉＣヒータ〕
この発熱体１を取り付けたＳｉＣヒータ１００は、第２〜５図に示すように、発熱体１のチップ吸着側の面（溝刻設側の面）を先端（下端）に向け、貫通孔１３，１４にそれぞれ挿通する皿小ねじ１５，１５を用いて発熱体１を固着した、断熱性が高く耐熱衝撃性に優れた絶縁体セラミックス製のヒータベース２１と、ヒータベース２１を介して発熱体１を螺着する金属製の冷却系接続部材２２とからなり、複数のボルト２３，２３によりヒータベース２１と冷却系接続部材２２とを固定し、発熱体１の電極接続部（２ヶ所、図示せず）は、貫通孔４，５にそれぞれ挿通したボルト１６，１６とナット（図示せず）によりリード線２４，２４の端部に設けられた電極（図示せず）を接続し、冷却系接続部材２２にはヒータベース２１を装着する面と反対側の面には、フリップチップボンダ等のボンディング装置側に形成されたヒータ取付部（図示せず）に取付可能な平面を形成するとともに、ガス吸引と冷却ガス供給とを行うための接続部を中心線上まで延設するための溝２６，２７を刻設し、冷却系接続部材２２の四隅に貫通孔２８，…，２８を穿設してヒータ取付部にねじ止めできるようにする。
ヒータベース２１の発熱体１と接する側の面には、断熱が必要な部分以外は発熱体１と接触しないようにザグリして、そのザグリ部２１ａが形成する隙間を冷却気体の通路として利用する。
【００２１】
そして、この冷却系接続部材２２にヒータベース２１を固着し、そのヒータベース２１に発熱体１を固着したＳｉＣヒータ１００では、図６〜８に示すように、チップ吸着用の貫通孔６と同心的にヒータベース２１および冷却系接続部材２２を貫通した（チップ吸着用）貫通孔３１を穿設し、貫通孔１１，１２と同心的にヒータベース２１および冷却系接続部材２２を貫通して不活性ガス雰囲気で加熱する場合に供給する窒素ガス等の各種ガスの通路を形成する（各種ガス供給用）貫通孔３２，３３を穿設し、溝９，１０に連通した貫通孔７，８と同心的にヒータベース２１および冷却系接続部材２２を貫通した伝熱板吸着用の気体通路を形成する（溝側の伝熱板吸着用）貫通孔３５，３６を穿設し、さらに、発熱体１を急速に冷却する冷却気体をザグリ部２１ａに供給する給気路を形成する（冷却気体供給用）貫通孔３７，３８をヒータベース２１および冷却系接続部材２２を貫通して穿設する。
【００２２】
これにより、貫通孔３７，３８より供給された冷却気体は、冷却孔としての貫通孔３７，３８からヒータベース２１に形成されたザグリ部２１ａを通り、発熱体１の裏面に接触して冷却した後、ヒータベース２１の横面より外部へ抜けていく。また、貫通孔３７，３８より供給された冷却気体は、ザグリ部２１ａを介してスリット２，３を通り、発熱体１を冷却したのち発熱体１の横面から抜けていく。
このようにヒータベース２１の発熱体１側に、ザグリ部２１ａを形成して発熱体１とヒータベース２１の間に隙間を設けるとともに発熱体１にスリット２，３を形成したことにより、冷却気体で冷却を行なうにあたって、ザグリ部２１ａによって発熱体１とヒータベース２１との間隙が冷却気体と接する面積を大きくして冷却効率を上げ、しかも、発熱体１のスリット２，３がザグリ部２１ａと連通していることにより、スリット２，３にも冷却気体が通過して冷却速度を高めることができて、急速冷却が可能となる。
【００２３】
また、スリット２，３が発熱体１に形成されていることにより、昇温、降温を繰り返した時の熱による膨張、収縮を吸収することができ、熱応力に強くなるため、発熱体１の厚みを薄くすることができ、これにより発熱体１の熱容量が小さくなるため、冷却速度を増すことができ、従来よりも急速な冷却を行なうことができる。さらに、発熱体１が電極を略Ｓ字状板材の両端部にそれぞれ設けたことにより、スリット２，３があるため電流が発熱体１の略Ｓ字形状に沿って電極間を流れるため、発熱体１の全体が均一に発熱するとともに、発熱体１自身が熱衝撃により破損する虞がなくなり、さらにボンディング部分に接続不良が起こりにくく、半導体チップの歩留まりおよび信頼性を向上することができる。
【００２４】
この実施の形態のＳｉＣヒータでは、断熱性と電気絶縁性とを有するヒータベース２１により発熱体１を保持する。
このヒータベース２１はセラミックスから構成されることが望ましい。セラミックスとして、窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）、カルシウムシリケート（ＣａＯ・ＳｉＯ2 ）、サイアロン等を例示することができる。
ヒータベース２１を発熱体１の片面側に設ければ、発熱体１の昇温時における熱逃げが少なく、小さな投入電力での急速昇温が可能となり、またヒータベース２１を取り付けた冷却系接続部材２２への熱逃げも少なくなるために、冷却系接続部材２２の熱膨張によるヒータの位置ずれも少ない。また、発熱体１が機械的に補強され、ボンディング時の荷重により破損することがない。
【００２５】
また、電極は形成されるスリットに応じて、スリットで区切られる面を電流が全範囲にわたって流れる位置に作成することが好ましい。例えば、図３に示すように、電極をヒータベース２１に穿設される電極取付孔２９，２９の位置に設けると、電流はスリット２，３で区切られた面に沿って略Ｓ字状に流れるため、発熱体１の全体が均一に発熱する。
【００２６】
さらに、発熱体１として導電性のＳｉＣ発熱体を使用しているため、導通部の発熱体がむき出しになっており、ＳｉＣ発熱体がヒータベース２１に接する面と反対の面および側面に絶縁性の膜を被覆することが、安全上好ましい。
ただし、この実施の形態のＳｉＣヒータの場合、急速昇降温を何度も繰り返すため、温度の急激な変化のもたらす熱履歴により剥離することがなく、ボンディング時、半導体チップをボンディング材に押し付けるため、この際の塑性変形や摩耗がなく、かつ高温においても絶縁性の高い被膜でなければならない。また、被膜でなく絶縁用のカバーをかぶせようとすると、ヒータとしての熱容量が大きくなり、冷却速度が遅くなってしまう。このため、前記条件を満足する絶縁皮膜が必要となる。
【００２７】
そこで、この実施の形態においては、常温での電気比抵抗が 109Ω・ｃｍ以上で熱膨張率が 2〜6 ×10-6／Ｋの硼珪酸ガラスまたはアルミノ珪酸ガラスの少なくとも１つからなる絶縁膜を形成する。
また、前記硼珪酸ガラスまたはアルミノ珪酸ガラスとしては、ＳｉＯ2 をマトリックスとし、Ｂ2 Ｏ3 またはＡｌ2 Ｏ3 を少なくとも１種類、 1〜 30 重量％含有し、さらにＢａＯを 35 重量％以下含むものがよい。Ｂ2 Ｏ3 またはＡｌ2 Ｏ3 の少なくとも１種類が 1重量％未満では耐熱衝撃性と耐摩耗性の向上がみられず、 30 重量％を超えると、もろくなってしまうためである。また、ＢａＯは前記硼珪酸ガラスまたはアルミノ珪酸ガラスの熱膨張率をＳｉＣに合わせるために含有させるもので、硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラスの耐熱衝撃性、耐摩耗性を損なわないで熱膨張率を上げることができる。ＢａＯの含有率が 35 ｗｔ％を超えると、熱膨張率が 6×10-6／Ｋより大きくなってしまい好ましくない。
【００２８】
〔半導体チップのボンディング方法〕
このようなＳｉＣヒータ１００は、例えば図９に示すようなフリップチップボンダ２００の可動台２１０の下端部に取り付けて半導体実装ボードの製造のために使用される。
ＳｉＣヒータ１００を取り付けたフリップチップボンダ２００では、図６〜８に示すように、伝熱板吸着用の各貫通孔７，８から空気を吸引して発熱体１の表面に伝熱板３０を吸着し、それから、図９に示す複数の半導体チップ４０が置かれているトレイ２２０を載置したオートローダ２３０の位置まで、可動台２１０を移動し、貫通孔６から空気を吸引してトレイ２２０から１つの半導体チップ４０を吸着し、次に、可動台２１０を基板５０が用意されている位置まで移動して、図６〜８に示す基板５０上に予め載置された導電性ボンディング材６０の上に半導体チップ４０を載せ、可動台２１０により下方に加圧力を加えつつ、ＳｉＣヒータ１００に通電して発熱体１を発熱させ、伝熱板３０を介して半導体チップ４０、導電性ボンディング材６０、基板５０を略均等に昇温することにより、導電性ボンディング材６０を数秒で溶融し、溶融した導電性ボンディング材６０により基板５０と半導体チップ４０とを接合する。
この接合時に、不活性ガス雰囲気中でボンディングを行う場合には、予め伝熱板３０を、貫通孔３２，３３に対応した位置に貫通孔（図示せず）を穿設した不活性ガス雰囲気ボンディング用の伝熱板（図示せず）に交換しておき、貫通孔３２，３３から供給された不活性ガスを伝熱板を介して導電性ボンディング材の配設側に吹き出しながら接合する。
この接合方法では、発熱体１からの熱により半導体チップ４０、導電性ボンディング材６０、基板５０を加熱加圧して導電性ボンディング材６０を数秒で溶融する、急速加熱のため、半導体チップ４０と基板５０の過熱を防止できる。
【００２９】
そして、導電性ボンディング材６０が溶解して基板５０と半導体チップ４０とが接合された後、すみやかに圧縮空気を冷却系接続部材２２およびヒータベース２１に穿設された貫通孔３７，３８を介してザグリ部２１ａに供給し、発熱体１の背面（伝熱板吸着面とは反対側の面）側からスリット２，３を介してＳｉＣヒータ１００の外部に流出させながら発熱体１を急速に冷却し、導電性ボンディング材６０が冷却されて固化してから、半導体チップ４０の吸着を解除し、可動台２１０を上方に移動する。
この圧縮空気等の高圧の圧縮ガスを供給する冷却は、発熱体１を数秒で急速冷却するから、半導体チップ４０、基板５０は過熱から保護されるとともに１サイクルのボンディング処理時間を短縮できる。
そしてまた、オートローダ２３０の位置まで可動台２１０を移動して新たに半導体チップ４０を吸着し、次の基板５０に対するフリップチップボンディングを行う。
【００３０】
この半導体チップ実装ボードの製造に使用される伝熱板３０は、発熱体１の熱を半導体チップ４０、導電性ボンディング材６０、基板５０に対して均一に伝熱するために用いられるものであるから、伝熱性、耐熱性、熱衝撃性に優れていることが必要であり、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミック製であることが好ましい。
導電性ボンディング材６０としては、ハンダバンプ、金バンプ等が挙げられる。このようなボンディング材は加熱によって溶融し、冷却によって固化する性質を持っている。
発熱体１は、急速昇降温させるため、熱容量の小さいものが好ましい。
従って、発熱体１としての機械的強度を維持しながら熱容量を小さくするためには、発熱体１のヒータ面の厚みが約 0.5〜1.5 ｍｍであることが好ましく、 0.8〜1.2 ｍｍであることがより好ましい。
【００３１】
【実施例】
以下、実施例について詳述する。
〔実施例１〕
ＳｉＣヒータの発熱体を次のようにして製造した。
四塩化珪素とエチレンとを原料ガスとし、プラズマＣＶＤ法により、平均粒径 0.01 μｍ、ＢＥＴ比表面積 96 ｍ2 ／ｇの非晶質炭化珪素超微粉末を得た。
この炭化珪素超微粉末 5重量％と市販のα型炭化珪素粉末（平均粒径 0.7μｍ、ＢＥＴ比表面積 13 ｍ2 ／ｇ） 95 重量％とを、メタノール中に分散させ、さらにボールミルで 12 時間混合した。次いで、この混合物を乾燥し、成形、ホットプレス焼結した。
焼結条件は、アルゴン雰囲気下で、焼結温度 2200 ℃、プレス圧 39.23ＭＰａ（ 400ｋｇｆ／ｃｍ2 ）で、 90 分間であった。焼結体の密度は 3.1×103 ｋｇ／ｍ3 、室温での電気比抵抗は、0.3 Ω・ｃｍ（４端子法）、室温での熱伝導率が 230Ｗ／ｍＫ（レーザーフラッシュ法）の焼結体を得た。
【００３２】
次に、前記炭化珪素焼結体を加工することにより、図１に示すような、直径２ｍｍの半導体チップ吸着用の貫通孔６と、伝熱板吸着用の貫通孔７，８と、外縁部から内部にのびた幅 1ｍｍのスリット２，３とを有し、炭化珪素焼結体からなる発熱体１を得た。
さらに、この発熱体１は、ヒータベース２１にねじ止めするための貫通孔１３，１４と電極取付用の貫通孔４，５とが形成されている。
なお、半導体チップ吸着用の貫通孔６、伝熱板吸着用の貫通孔７，８および伝熱板分離用の貫通孔１１，１２は、ヒータベース２１に穿設されている貫通孔３１，３２，３３，３５，３６とそれぞれ同軸的に穿設される。
発熱体１のヒータ面の大きさは 22 × 22 ｍｍであり、その厚みｔは 1.0ｍｍであった。
【００３３】
図６〜８に示すように、前記発熱体１の上面に、ヒータベース２１として断熱性が高く、耐熱衝撃に優れた窒化珪素焼結体を重ねた。なお、ヒータベース２１は発熱体１を冷却するための貫通孔３７，３８を備えたものである。
そして、締結用の貫通孔１３，１４にＭ1.4 のボルトを挿通して、ヒータベース２１と発熱体１とをねじ止めした。また、電極取付孔２９にＭ1.4 の皿小ねじを挿通し、そのねじの先端付近にリード線の端部をナットにより固定することによって電極を形成し、その結果として、ＳｉＣヒータが得られた。
【００３４】
このＳｉＣヒータの性能を、急速昇温試験、ヒータ面の均熱性試験、急速冷却試験により試験した。
これらの試験は、 1φ、ＡＣ 100Ｖ、 50 Ｈｚ（位相制御型）の電源に、ＳｉＣヒータを接続し、ヒータ面に取り付けたＫ熱電対で測定した温度で制御して行った。
【００３５】
（急速昇温試験）
実施例のＳｉＣヒータにつき 8.3Ａ、52.0Ｖを印加したところ 2秒間で 50 ℃から 450℃まで昇温できることが確認された。
【００３６】
（急速降温試験）
実施例のＳｉＣヒータにつき 2秒間で 50 ℃から 450℃まで昇温し（ 200℃／秒）、 450℃で 10 秒間保持した後、ＳｉＣヒータ内部からのみ冷却空気を圧力 0.49 ＭＰａ（ 5ｋｇｆ／ｃｍ2 ）で吹き付けた場合の 450℃から 100℃までの冷却時間を測定した。
また、比較のために炭化珪素を発熱体として使用した従来のＳｉＣヒータ（比較例１）、窒化アルミニウムの裏面にメタライズされた白金パラジウムを発熱体として使用した従来のＳｉＣヒータ（比較例２）およびステンレス鋼を発熱体として使用した従来のＳｉＣヒータ（比較例３）についても同様の試験をおこなった。その結果を表１に示す。
【００３７】
（ヒータ面の均熱性試験）
常温から 450℃までヒータ面を昇温させ、 450℃に 10 秒間保持した時のヒータ面における８点での温度分布をサーモビュアにより測定した。
また、比較のため、炭化珪素を発熱体として使用した従来のＳｉＣヒータ（比較例１）、窒化アルミニウムの裏面にメタライズされた白金パラジウムを発熱体として使用した従来のＳｉＣヒータ（比較例２）およびステンレス鋼を発熱体として使用した従来のＳｉＣヒータ（比較例３）の温度分布を同様に測定した。
ヒータ面の８点の温度測定位置（ａ）〜（ｈ）を図１０に示し、その測定温度の最高値と最低値との差の 1／2 を均熱性として表１に示す。
【００３８】
〔実施例２〕
実施例１において得られた加工後の炭化珪素焼結体を発熱体として、ヒータに組み込む前に表面に絶縁処理を施した。
具体的には、加工した炭化珪素焼結体の表面をアセトンで超音波洗浄した後自然乾燥させ、その後、酸化炉に温度 1000 ℃で 70 時間熱処理して十分な酸化膜を生成させる。次に、絶縁用のガラスとして、ＳｉＯ2 ： 49 重量％、Ａｌ2 Ｏ3 ： 10 重量％、ＢａＯ： 25 重量％、Ｂ2 Ｏ3 ：15重量％の硼珪酸ガラス粉末とスクリーンオイルを 3：2 の割合でメノウ乳鉢に入れてよく混合し、スラリーを作成する。
【００３９】
次に、炭化珪素焼結体のヒータベースと接する面と反対の面および側面にスラリー状のガラスを均一に約 200μｍの厚みで塗布し、乾燥器にて温度 100℃で 1時間乾燥させた後、酸化炉にて、温度 950℃で 20 分間加熱してガラスを炭化珪素焼結体に溶着させた。
最後に、ガラス表面を研削して発熱体の平行度を 3μｍ以下に仕上げた。こうして得られた表面に絶縁性の被膜を有した炭化珪素発熱体を用いて、実施例１と同様にＳｉＣヒータを組み立てた。
このようにして得られたＳｉＣヒータを用いて実施例１と同様に、急速降温試験とヒータ面の均熱性試験を行なったところ、実施例１と同様の結果が得られた。さらに、ヒータの伝熱板と接する面をアースに接地したリード線の端子部を接触させながら、ＳｉＣヒータを昇降温させてアースに接地したリード線への漏れ電流を測定したところ、 1μＡ以下となり、絶縁耐圧性に問題がないことが確認された。
【００４０】
【表１】
【００４１】
表１に示すように、実施例のＳｉＣヒータは、 450℃から 100℃への降温時間が内部冷却のみで 4.6秒と従来品の 9.0秒に対して約 50 ％に短縮された。また、均熱性も従来の±7.4 ℃から±4.6 ℃へと向上している。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１に係るＳｉＣヒータでは、発熱体は炭化珪素よりなるとともにその外縁部から内部に向かって伸びた表裏に貫通したスリットを有しているため、発熱体に電極を介して通電すると、熱伝導率が非常に良く熱応答性が早く、短時間に熱的平衡に達するという炭化珪素としての優れた特性に加え、スリット部が熱による膨張、収縮を吸収するため、ヒータ断線の虞がなく、十分な表面精度を有し、正確な位置で接合でき、熱応力に強く、従来の炭化珪素発熱体よりも薄くでき、そのため、発熱体の熱容量が小さくなり、特に急速昇降温が可能となる。
また、発熱体に形成されたスリットの効果により、従来品に比べて優れた均熱性が得られる。このため、ボンディングによる接続不良が大幅に低減され、結果的にコストパフォーマンスに非常に優れる。また、容易に急速昇降温が可能なので、半導体チップを基板にボンディングさせるためのヒータとして好適である。
発熱体のヒータベース当接面と反対側の面には絶縁被膜を設けたことにより、急速昇降温を繰り返しても剥離、塑性変形または摩耗をなくすことができて、耐熱衝撃性および耐摩耗性を向上するとともに熱膨張率を炭化珪素の熱膨張率に合わせることができ、耐久性を向上することができる。
また、請求項２に係るＳｉＣヒータでは、形成された形状に従って略Ｓ字状に電流が流れて発熱状態を均等にし、均熱性を向上することができる。
また、請求項３に係るＳｉＣヒータでは、冷却気体を貫通孔から発熱体のスリットを介して外部に流出させることによって冷却速度を速くすることができる。
【００４３】
また、請求項４に係るＳｉＣヒータでは、炭化珪素粒子間の結合力が充分であり、高温で機械強度が高く、ボンディング時の荷重により発熱体が破損する恐れがなくなるとともに、大電流を流す必要がなく、ヒータヘッドの位置狂いが防止でき、また、大電圧も必要がなく電源を特別に設けることも必要なく、電力消費量が削減できる。
また、請求項５に係るＳｉＣヒータでは、0.1〜100Ω・ｃｍの範囲の電気比抵抗を示す炭化珪素を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるＳｉＣヒータの発熱体を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるＳｉＣヒータを示す正面図である。
【図３】同上ＳｉＣヒータを示す下平面図である。
【図４】同上ＳｉＣヒータを示す上平面図である。
【図５】同上ＳｉＣヒータを示す側面図である。
【図６】同上ＳｉＣヒータを用いて半導体チップを接合する状態を示す正面断面図（図３で示すＡ−Ａ矢視図）である。
【図７】同上ＳｉＣヒータを用いて半導体チップを接合する状態を示す側面断面図（図３で示すＢ−Ｂ矢視図）である。
【図８】同上ＳｉＣヒータを用いて半導体チップを接合する状態を示す斜め方向から見た側面断面図（図３で示すＣ−Ｃ矢視図）である。
【図９】同上ＳｉＣヒータを用いてフリップチップボンダによる製造状態を示す斜視図である。
【図１０】本発明の実施例におけるヒータ面の温度測定位置を示す平面説明図である。
【符号の説明】
１ 発熱体
２，３ スリット
４，５ （電極取付用）貫通孔
６ （チップ吸着用）貫通孔
７，８ （伝熱板吸着用）貫通孔
９，１０ （伝熱板吸着用）溝
１１，１２ （各種ガス供給用）貫通孔
１３，１４ （取付ねじ挿通用）貫通孔
１５ 皿小ねじ
２１ ヒータベース
２１ａ ザグリ部
２２ 冷却系接続部材
２４ リード線（配線）
２６，２７ 溝
２８ 貫通孔
２９ 電極取付孔
３０ 伝熱板
３１ （チップ吸着用）貫通孔
３２，３３ （各種ガス供給用）貫通孔
３５，３６ （溝側の伝熱板吸着用）貫通孔
３７，３８ （冷却気体供給用）貫通孔
４０ 半導体チップ
５０ 基板
６０ 導電性ボンディング材
１００ ＳｉＣヒータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、急速な昇温と降温が可能なＳｉＣヒータに関するものであり、特に半導体の組立工程において使用される半導体チップボンディング用ヒータとして好適に使用される。
【０００２】
【従来の技術】
現在、パソコンや携帯電話が急速に普及し、小型化、薄型化、軽量化、高性能化への要求が高まり続けている中、半導体の組立工程において、半導体チップ実装ボードを製造するために種々のヒータが用いられている。
特に、ＩＣチップ内の配線部と基板との間にハンダバンプや金バンプ等の導電性ボンディング材を置き、この導電性ボンディング材をヒータにより加熱溶融してＩＣチップと基板とを接合するフリップチップボンディング法においては、バンプが存在するボンディング部分全体を加熱することにより、例えば常温（ 25 ℃) から 450℃まで 2秒間で昇温する等のように、急速に昇温して導電性ボンディング材を熱溶融させ、そして直ちに、ボンディング部分を冷却することにより、例えば 450℃から 100℃まで 10 秒で降温する等のように、急速に降温して導電性ボンディング材を固化させることが可能となるヒ−タを必要としている。
この要求に答えるため、従来よりモリブデンやチタン、ニッケルクロム合金、窒化アルミニウムに白金パラジウム膜を焼き付けたもの等の金属製のヒータまたは炭化珪素を用いたヒータが用いられてきた。
【０００３】
〔問題点〕
しかしながら、モリブデンやチタンを発熱体として用いたヒ−タにあっては、電気比抵抗が非常に低いために急速昇温時に大電流を必要とし、そのために誘導磁場が発生し、正確な位置合わせを必要とするヒータの位置を狂わせてしまう虞があった。また、ヒータ部分は約 450℃まで加熱されるために酸化されやすく、耐久性がなく、更に金属製であるため高温での塑性変形が大きく、数μｍ程度の表面精度を確保できない。
【０００４】
また、ニッケルクロム合金を用いたヒータにあっては、モリプデンやチタンを用いたヒータと比較すると、耐酸化性は若干良くなるものの、熱伝導率が低いために均熱性が非常に悪く、ボンディングの接続不良が起こりやすく、製品としての歩留まりが上がらない。更に、熱伝導率が低いため、急速昇温時に必要な最大投入電力が大きく、また降温に要する時間がかかり、１回のボンディング処理に多くの時間を要し、コストパフォ−マンスが低下する他、金属製であるため高温での塑性変形が大きく、数μｍ程度の表面精度を確保できない。
【０００５】
また、窒化アルミニウムに白金パラジウム膜を焼き付けてなるヒータにあっては、白金パラジウム薄膜の電気抵抗を大きくするために膜厚を薄くしてあり、そのために昇温時に断線が起こりやすく、均熱性も非常に悪くボンディング部分に接続不良が起こりやすく、製品としての歩留まりが上がらないうえ、断線がいつ発生するか予測できず、製造工程中で使用されるヒータとしての信頼性がきわめて低い。
【０００６】
また、炭化珪素よりなる発熱体を使用したヒータでは、耐酸化性、消費電力の低下、急速昇温・降温といった要求特性をある程度満たしているが、近年、更に急速な昇温・降温（例えば 450℃から 100℃まで 5秒以内で降温）が要求されており、従来のヒータでは、これに対応することができなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の技術における前記問題点に鑑みて成されたものであり、その解決のため具体的に設定した課題は、要求される急速な昇降温が可能であり、正確な位置で接合でき、ヒータ断線の虞がなく、十分な表面精度を有し、ボンディング部分の接続不良がなく、コストパフォーマンスにも優れたＳｉＣヒータを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を効果的に解決できるよう具体的に構成された手段としての、本発明における請求項１に係るＳｉＣヒータは、炭化珪素焼結体の薄板からなり、その外縁部から内部に向かって伸びた表裏に貫通したスリットを有する発熱体と、この発熱体に通電して発熱体を昇温させるための電極と、前記発熱体に一面側を当接して前記発熱体からの熱を断熱するヒータベースとを備えたＳｉＣヒータであって、前記ヒータベースには、前記発熱体との当接面側の断熱が必要な部分以外すなわち断熱が必要でない部分に前記発熱体と接触しないようにするための隙間を形成するザグリ部を刻設し、このザグリ部に連通した冷却気体供給用の貫通孔を穿設し、前記発熱体には、ヒータベース当接面と反対側の面に、常温で電気比抵抗が109Ω・ｃｍ以上、熱膨張率が2〜6×10-6／Ｋで、ＳｉＯ２をマトリックスとし、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３のうち少なくとも１種類を1〜30重量％含み、さらにＢａＯを35重量％以下含んだ硼珪酸ガラスまたはアルミノ珪酸ガラスの少なくとも１つにより絶縁被膜を形成してなることを特徴とするものである。
また、請求項２に係るＳｉＣヒータは、前記発熱体が、略正方形または略長方形であって、互いに対向する２辺からそれぞれ反対側の辺に向けて切り込んだ２つのスリットにより略Ｓ字状に形成され、この略Ｓ字状の両端部に前記電極を取り付けたことを特徴とする。
また、請求項３に係るＳｉＣヒータは、前記貫通孔が前記スリットと連通してなることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に係るＳｉＣヒータは、前記炭化珪素焼結体が、焼結体密度が2.5ｇ／ｃｍ３以上で、室温における電気比抵抗が0.1〜100Ω・ｃｍであることを特徴とする。
また、請求項５に係るＳｉＣヒータは、前記炭化珪素焼結体が、平均粒径0.1〜10μｍの第１の炭化珪素粉末と0.1μｍ以下の第２の炭化珪素粉末とを混合し焼結して得られたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を具体的に説明する。
ただし、この実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるため具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、発明内容を限定するものではない。
【００１１】
〔発熱体〕
この実施の形態における発熱体としては、例えば粒界に不純物の少ない微細で均一な組織を有する高導電性の炭化珪素焼結体が好適に使用できる。そして、この炭化珪素焼結体の外縁部から内部に向かって切り込みを設けることにより、温度変化による熱膨張、熱収縮の影響を吸収し、これにより熱応力に強くなるため、発熱体としての炭化珪素焼結体を薄く形成でき、熱容量を小さくできるようになる。さらに、略Ｓ字状にすることにより電流がその経路を流れ発熱体の均熱性が向上する。
【００１２】
この発熱体は、炭化珪素、特に焼結体密度が 2.5ｇ／ｃｍ3 以上、室温（ 25 ℃）における電気比抵抗が 0.1〜100 Ω・ｃｍである炭化珪素焼結体により構成させる。焼結体密度が 2.5ｇ／ｃｍ3 以上であれば炭化珪素粒子間の結合力が充分であり、高温での機械強度も高いことから、ボンディング時の荷重により発熱体が破損する虞がなく、高温時の塑性変形がなく、数μｍの表面精度が容易に得られる。なお、炭化珪素の理論密度は 3.21 ｇ／ｃｍ3 である。
【００１３】
また、このような電気比抵抗であれば、金属ヒータの場合のような大電流が流れないので、リード線に電磁誘導からくる応力が働いてヒータヘッドの位置が狂う虞もなくなる。これに対して、室温での電気比抵抗が 0.1Ω・ｃｍ未満であると、急速昇温するために大電力を投入することが必要となり、大電流が流れてリード線に電磁誘導からくる応力が働きヒータヘッドの位置が狂う虞がある他、大電流が発熱体に集中してヒータが破損し、また所定の抵抗値とするためには発熱体を薄肉化しなければならず、ボンディング時の圧力（通常 50 ｋｇ／ｃｍ2 程度）により破損する虞がある。一方、室温での電気比抵抗が 100Ω・ｃｍを超えると大電圧を投入しなければならず、特別の電源が必要となる。
【００１４】
また、発熱体を形成する炭化珪素焼結体は室温での熱伝導率が 100Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。上述したように発熱体を形成する炭化珪素焼結体の焼結密度は 2.5ｇ／ｃｍ3 以上と緻密質であり、しかも後述するように焼結助剤無添加で焼結できるので、粒界に存在する不純物が少なく、微細で均一な組織が得られ、よって 100Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い熱伝導率が得られる。従って、この炭化珪素焼結体から成る発熱体を備えると、均熱性に優れたものとなり、ボンディング部分の接続不良がなく製品歩留まりが高くなり、更に冷却に要する時間が短く１回のボンディング処理時間が短縮されコストパフォーマンスが高くなる他、急速昇温時又は急速降温時においても熱衝撃で破損する虞がない。
【００１５】
この発熱体の形状は、図１に示すように、炭化珪素焼結体を外形が２２ｍｍの四角形で厚みが１ｍｍの薄板に加工し、四隅の対向する２つの角部を電極取付可能に形成するとともに各電極取付位置の間には各種用途の貫通孔を略均等に穿設し、加熱状態を均一化するように形成する。
この発熱体１は、外形が略四角形で略Ｓ字状薄板に形成され、この薄板材の互いに対向する二辺から各辺の長さの 1／3 の長さの位置で、反対側の辺に向けて切り込んだ２つのスリット２，３により均等幅の略Ｓ字状板材に形成する。
【００１６】
この略Ｓ字状板材には、各先端部に穿設した電極取付用の貫通孔４，５と、中央部に穿設したチップ吸着用の気体通路を形成する貫通孔６と、各先端部に対向する角部の外縁寄りの位置にそれぞれ穿設した伝熱板吸着用の気体通路を形成する貫通孔７，８と、チップ吸着側の面に刻設して貫通孔７，８にそれぞれ連通するとともに外縁に沿って略Ｌ字状に延設した伝熱板吸着用の気体通路を形成する溝９，１０と、前記電極取付用の貫通孔４，５と前記伝熱板吸着用の貫通孔７，８との中間位置に穿設して不活性ガス雰囲気で加熱する場合に供給する窒素ガス等の各種ガスの通路を形成する貫通孔１１，１２とを少なくとも設ける。これらの貫通孔の孔径はそれぞれの用途に応じて適宜選択して穿設すれば良い。
この他に、外縁に沿って形成された溝９，１０と中央部に穿設された貫通孔６との間の溝９，１０側に寄った位置に、ヒータ本体側への取付用ねじを挿通するための貫通孔１３，１４を穿設する。
そして、電極取付用の貫通孔４，５およびヒータ本体側への取付用として穿設された貫通孔１３，１４のチップ吸着側の面には、皿頭が埋没する深さの皿ざぐりを施して、伝熱板吸着時に発熱体取付用の皿小ねじ（図示せず）の皿形のねじ頭が邪魔にならないようにする。
【００１７】
〔発熱体の製造方法〕
焼結体密度 2.5ｇ／ｃｍ3 以上で電気比抵抗 0.1〜100 Ω・ｃｍである炭化珪素焼結体は、平均粒径 0.1〜 10 μｍの第１の炭化珪素粉末と 0.1μｍ以下の第２の炭化珪素粉末とを混合し、これを焼結する方法により得られる。この方法によれば、 0.1〜100 Ω・ｃｍの範囲の電気比抵抗を示す炭化珪素を得ることが容易である。このような炭化珪素焼結体の製造方法は、特開平４ー６５３６１号公報に開示されているが、この実施の形態においては電気比抵抗が 0.1〜100 Ω・ｃｍと大きいものを用いることが望ましい。
【００１８】
前記特性を有する炭化珪素焼結体を製造するために、平均粒径が 0.1〜 10 μｍの第１の炭化珪素粉末と、平均粒径が 0.1μｍ以下の第２の炭化珪素微粉末とを用意する。
第１の炭化珪素粉末としては、一般に使用されているものでよく、例えばシリカ還元法、アチソン法等の方法によって製造されたものが用いられ、その結晶相としては非晶質、α型、β型のいずれであってもよいが、電気比抵抗値を 0.1〜100 Ω・ｃｍに調整する容易さからはα型のものが好適である。
第２の炭化珪素粉末としては、非酸化性雰囲気のプラズマ中にシラン化合物またはハロゲン化珪素と炭化水素とからなる原料ガスを導入し、反応系の圧力を１気圧未満から 0.1ｔｏｒｒの範囲で制御しつつ気相反応させることによって得られたものを使用する。結晶相としては非晶質、α型、β型のいずれであってもよい。このようにして得られた第２の炭化珪素粉末は焼結性が非常に優れているために、上記第１の炭化珪素粉末と混合するのみで、焼結助剤を添加することなく高純度かつ緻密質の炭化珪素焼結体を得ることができるようになる。
【００１９】
次に、上記第１の炭化珪素粉末と第２の炭化珪素粉末とを混合して混合物とする。混合比率は所定の電気比低抗値（ 0.1〜100 Ω・ｃｍ）となるよう予め予備実験で求めておく。その後、上記混合物を所望の形状に成形し、得られた成形体を 1800 〜 2400 ℃の温度で焼結して焼結体を得て、これを発熱体とする。焼結方法、焼結時の雰囲気はいずれも制限されない。
【００２０】
〔ＳｉＣヒータ〕
この発熱体１を取り付けたＳｉＣヒータ１００は、第２〜５図に示すように、発熱体１のチップ吸着側の面（溝刻設側の面）を先端（下端）に向け、貫通孔１３，１４にそれぞれ挿通する皿小ねじ１５，１５を用いて発熱体１を固着した、断熱性が高く耐熱衝撃性に優れた絶縁体セラミックス製のヒータベース２１と、ヒータベース２１を介して発熱体１を螺着する金属製の冷却系接続部材２２とからなり、複数のボルト２３，２３によりヒータベース２１と冷却系接続部材２２とを固定し、発熱体１の電極接続部（２ヶ所、図示せず）は、貫通孔４，５にそれぞれ挿通したボルト１６，１６とナット（図示せず）によりリード線２４，２４の端部に設けられた電極（図示せず）を接続し、冷却系接続部材２２にはヒータベース２１を装着する面と反対側の面には、フリップチップボンダ等のボンディング装置側に形成されたヒータ取付部（図示せず）に取付可能な平面を形成するとともに、ガス吸引と冷却ガス供給とを行うための接続部を中心線上まで延設するための溝２６，２７を刻設し、冷却系接続部材２２の四隅に貫通孔２８，…，２８を穿設してヒータ取付部にねじ止めできるようにする。
ヒータベース２１の発熱体１と接する側の面には、断熱が必要な部分以外は発熱体１と接触しないようにザグリして、そのザグリ部２１ａが形成する隙間を冷却気体の通路として利用する。
【００２１】
そして、この冷却系接続部材２２にヒータベース２１を固着し、そのヒータベース２１に発熱体１を固着したＳｉＣヒータ１００では、図６〜８に示すように、チップ吸着用の貫通孔６と同心的にヒータベース２１および冷却系接続部材２２を貫通した（チップ吸着用）貫通孔３１を穿設し、貫通孔１１，１２と同心的にヒータベース２１および冷却系接続部材２２を貫通して不活性ガス雰囲気で加熱する場合に供給する窒素ガス等の各種ガスの通路を形成する（各種ガス供給用）貫通孔３２，３３を穿設し、溝９，１０に連通した貫通孔７，８と同心的にヒータベース２１および冷却系接続部材２２を貫通した伝熱板吸着用の気体通路を形成する（溝側の伝熱板吸着用）貫通孔３５，３６を穿設し、さらに、発熱体１を急速に冷却する冷却気体をザグリ部２１ａに供給する給気路を形成する（冷却気体供給用）貫通孔３７，３８をヒータベース２１および冷却系接続部材２２を貫通して穿設する。
【００２２】
これにより、貫通孔３７，３８より供給された冷却気体は、冷却孔としての貫通孔３７，３８からヒータベース２１に形成されたザグリ部２１ａを通り、発熱体１の裏面に接触して冷却した後、ヒータベース２１の横面より外部へ抜けていく。また、貫通孔３７，３８より供給された冷却気体は、ザグリ部２１ａを介してスリット２，３を通り、発熱体１を冷却したのち発熱体１の横面から抜けていく。
このようにヒータベース２１の発熱体１側に、ザグリ部２１ａを形成して発熱体１とヒータベース２１の間に隙間を設けるとともに発熱体１にスリット２，３を形成したことにより、冷却気体で冷却を行なうにあたって、ザグリ部２１ａによって発熱体１とヒータベース２１との間隙が冷却気体と接する面積を大きくして冷却効率を上げ、しかも、発熱体１のスリット２，３がザグリ部２１ａと連通していることにより、スリット２，３にも冷却気体が通過して冷却速度を高めることができて、急速冷却が可能となる。
【００２３】
また、スリット２，３が発熱体１に形成されていることにより、昇温、降温を繰り返した時の熱による膨張、収縮を吸収することができ、熱応力に強くなるため、発熱体１の厚みを薄くすることができ、これにより発熱体１の熱容量が小さくなるため、冷却速度を増すことができ、従来よりも急速な冷却を行なうことができる。さらに、発熱体１が電極を略Ｓ字状板材の両端部にそれぞれ設けたことにより、スリット２，３があるため電流が発熱体１の略Ｓ字形状に沿って電極間を流れるため、発熱体１の全体が均一に発熱するとともに、発熱体１自身が熱衝撃により破損する虞がなくなり、さらにボンディング部分に接続不良が起こりにくく、半導体チップの歩留まりおよび信頼性を向上することができる。
【００２４】
この実施の形態のＳｉＣヒータでは、断熱性と電気絶縁性とを有するヒータベース２１により発熱体１を保持する。
このヒータベース２１はセラミックスから構成されることが望ましい。セラミックスとして、窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）、カルシウムシリケート（ＣａＯ・ＳｉＯ2 ）、サイアロン等を例示することができる。
ヒータベース２１を発熱体１の片面側に設ければ、発熱体１の昇温時における熱逃げが少なく、小さな投入電力での急速昇温が可能となり、またヒータベース２１を取り付けた冷却系接続部材２２への熱逃げも少なくなるために、冷却系接続部材２２の熱膨張によるヒータの位置ずれも少ない。また、発熱体１が機械的に補強され、ボンディング時の荷重により破損することがない。
【００２５】
また、電極は形成されるスリットに応じて、スリットで区切られる面を電流が全範囲にわたって流れる位置に作成することが好ましい。例えば、図３に示すように、電極をヒータベース２１に穿設される電極取付孔２９，２９の位置に設けると、電流はスリット２，３で区切られた面に沿って略Ｓ字状に流れるため、発熱体１の全体が均一に発熱する。
【００２６】
さらに、発熱体１として導電性のＳｉＣ発熱体を使用しているため、導通部の発熱体がむき出しになっており、ＳｉＣ発熱体がヒータベース２１に接する面と反対の面および側面に絶縁性の膜を被覆することが、安全上好ましい。
ただし、この実施の形態のＳｉＣヒータの場合、急速昇降温を何度も繰り返すため、温度の急激な変化のもたらす熱履歴により剥離することがなく、ボンディング時、半導体チップをボンディング材に押し付けるため、この際の塑性変形や摩耗がなく、かつ高温においても絶縁性の高い被膜でなければならない。また、被膜でなく絶縁用のカバーをかぶせようとすると、ヒータとしての熱容量が大きくなり、冷却速度が遅くなってしまう。このため、前記条件を満足する絶縁皮膜が必要となる。
【００２７】
そこで、この実施の形態においては、常温での電気比抵抗が 109Ω・ｃｍ以上で熱膨張率が 2〜6 ×10-6／Ｋの硼珪酸ガラスまたはアルミノ珪酸ガラスの少なくとも１つからなる絶縁膜を形成する。
また、前記硼珪酸ガラスまたはアルミノ珪酸ガラスとしては、ＳｉＯ2 をマトリックスとし、Ｂ2 Ｏ3 またはＡｌ2 Ｏ3 を少なくとも１種類、 1〜 30 重量％含有し、さらにＢａＯを 35 重量％以下含むものがよい。Ｂ2 Ｏ3 またはＡｌ2 Ｏ3 の少なくとも１種類が 1重量％未満では耐熱衝撃性と耐摩耗性の向上がみられず、 30 重量％を超えると、もろくなってしまうためである。また、ＢａＯは前記硼珪酸ガラスまたはアルミノ珪酸ガラスの熱膨張率をＳｉＣに合わせるために含有させるもので、硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラスの耐熱衝撃性、耐摩耗性を損なわないで熱膨張率を上げることができる。ＢａＯの含有率が 35 ｗｔ％を超えると、熱膨張率が 6×10-6／Ｋより大きくなってしまい好ましくない。
【００２８】
〔半導体チップのボンディング方法〕
このようなＳｉＣヒータ１００は、例えば図９に示すようなフリップチップボンダ２００の可動台２１０の下端部に取り付けて半導体実装ボードの製造のために使用される。
ＳｉＣヒータ１００を取り付けたフリップチップボンダ２００では、図６〜８に示すように、伝熱板吸着用の各貫通孔７，８から空気を吸引して発熱体１の表面に伝熱板３０を吸着し、それから、図９に示す複数の半導体チップ４０が置かれているトレイ２２０を載置したオートローダ２３０の位置まで、可動台２１０を移動し、貫通孔６から空気を吸引してトレイ２２０から１つの半導体チップ４０を吸着し、次に、可動台２１０を基板５０が用意されている位置まで移動して、図６〜８に示す基板５０上に予め載置された導電性ボンディング材６０の上に半導体チップ４０を載せ、可動台２１０により下方に加圧力を加えつつ、ＳｉＣヒータ１００に通電して発熱体１を発熱させ、伝熱板３０を介して半導体チップ４０、導電性ボンディング材６０、基板５０を略均等に昇温することにより、導電性ボンディング材６０を数秒で溶融し、溶融した導電性ボンディング材６０により基板５０と半導体チップ４０とを接合する。
この接合時に、不活性ガス雰囲気中でボンディングを行う場合には、予め伝熱板３０を、貫通孔３２，３３に対応した位置に貫通孔（図示せず）を穿設した不活性ガス雰囲気ボンディング用の伝熱板（図示せず）に交換しておき、貫通孔３２，３３から供給された不活性ガスを伝熱板を介して導電性ボンディング材の配設側に吹き出しながら接合する。
この接合方法では、発熱体１からの熱により半導体チップ４０、導電性ボンディング材６０、基板５０を加熱加圧して導電性ボンディング材６０を数秒で溶融する、急速加熱のため、半導体チップ４０と基板５０の過熱を防止できる。
【００２９】
そして、導電性ボンディング材６０が溶解して基板５０と半導体チップ４０とが接合された後、すみやかに圧縮空気を冷却系接続部材２２およびヒータベース２１に穿設された貫通孔３７，３８を介してザグリ部２１ａに供給し、発熱体１の背面（伝熱板吸着面とは反対側の面）側からスリット２，３を介してＳｉＣヒータ１００の外部に流出させながら発熱体１を急速に冷却し、導電性ボンディング材６０が冷却されて固化してから、半導体チップ４０の吸着を解除し、可動台２１０を上方に移動する。
この圧縮空気等の高圧の圧縮ガスを供給する冷却は、発熱体１を数秒で急速冷却するから、半導体チップ４０、基板５０は過熱から保護されるとともに１サイクルのボンディング処理時間を短縮できる。
そしてまた、オートローダ２３０の位置まで可動台２１０を移動して新たに半導体チップ４０を吸着し、次の基板５０に対するフリップチップボンディングを行う。
【００３０】
この半導体チップ実装ボードの製造に使用される伝熱板３０は、発熱体１の熱を半導体チップ４０、導電性ボンディング材６０、基板５０に対して均一に伝熱するために用いられるものであるから、伝熱性、耐熱性、熱衝撃性に優れていることが必要であり、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミック製であることが好ましい。
導電性ボンディング材６０としては、ハンダバンプ、金バンプ等が挙げられる。このようなボンディング材は加熱によって溶融し、冷却によって固化する性質を持っている。
発熱体１は、急速昇降温させるため、熱容量の小さいものが好ましい。
従って、発熱体１としての機械的強度を維持しながら熱容量を小さくするためには、発熱体１のヒータ面の厚みが約 0.5〜1.5 ｍｍであることが好ましく、 0.8〜1.2 ｍｍであることがより好ましい。
【００３１】
【実施例】
以下、実施例について詳述する。
〔実施例１〕
ＳｉＣヒータの発熱体を次のようにして製造した。
四塩化珪素とエチレンとを原料ガスとし、プラズマＣＶＤ法により、平均粒径 0.01 μｍ、ＢＥＴ比表面積 96 ｍ2 ／ｇの非晶質炭化珪素超微粉末を得た。
この炭化珪素超微粉末 5重量％と市販のα型炭化珪素粉末（平均粒径 0.7μｍ、ＢＥＴ比表面積 13 ｍ2 ／ｇ） 95 重量％とを、メタノール中に分散させ、さらにボールミルで 12 時間混合した。次いで、この混合物を乾燥し、成形、ホットプレス焼結した。
焼結条件は、アルゴン雰囲気下で、焼結温度 2200 ℃、プレス圧 39.23ＭＰａ（ 400ｋｇｆ／ｃｍ2 ）で、 90 分間であった。焼結体の密度は 3.1×103 ｋｇ／ｍ3 、室温での電気比抵抗は、0.3 Ω・ｃｍ（４端子法）、室温での熱伝導率が 230Ｗ／ｍＫ（レーザーフラッシュ法）の焼結体を得た。
【００３２】
次に、前記炭化珪素焼結体を加工することにより、図１に示すような、直径２ｍｍの半導体チップ吸着用の貫通孔６と、伝熱板吸着用の貫通孔７，８と、外縁部から内部にのびた幅 1ｍｍのスリット２，３とを有し、炭化珪素焼結体からなる発熱体１を得た。
さらに、この発熱体１は、ヒータベース２１にねじ止めするための貫通孔１３，１４と電極取付用の貫通孔４，５とが形成されている。
なお、半導体チップ吸着用の貫通孔６、伝熱板吸着用の貫通孔７，８および伝熱板分離用の貫通孔１１，１２は、ヒータベース２１に穿設されている貫通孔３１，３２，３３，３５，３６とそれぞれ同軸的に穿設される。
発熱体１のヒータ面の大きさは 22 × 22 ｍｍであり、その厚みｔは 1.0ｍｍであった。
【００３３】
図６〜８に示すように、前記発熱体１の上面に、ヒータベース２１として断熱性が高く、耐熱衝撃に優れた窒化珪素焼結体を重ねた。なお、ヒータベース２１は発熱体１を冷却するための貫通孔３７，３８を備えたものである。
そして、締結用の貫通孔１３，１４にＭ1.4 のボルトを挿通して、ヒータベース２１と発熱体１とをねじ止めした。また、電極取付孔２９にＭ1.4 の皿小ねじを挿通し、そのねじの先端付近にリード線の端部をナットにより固定することによって電極を形成し、その結果として、ＳｉＣヒータが得られた。
【００３４】
このＳｉＣヒータの性能を、急速昇温試験、ヒータ面の均熱性試験、急速冷却試験により試験した。
これらの試験は、 1φ、ＡＣ 100Ｖ、 50 Ｈｚ（位相制御型）の電源に、ＳｉＣヒータを接続し、ヒータ面に取り付けたＫ熱電対で測定した温度で制御して行った。
【００３５】
（急速昇温試験）
実施例のＳｉＣヒータにつき 8.3Ａ、52.0Ｖを印加したところ 2秒間で 50 ℃から 450℃まで昇温できることが確認された。
【００３６】
（急速降温試験）
実施例のＳｉＣヒータにつき 2秒間で 50 ℃から 450℃まで昇温し（ 200℃／秒）、 450℃で 10 秒間保持した後、ＳｉＣヒータ内部からのみ冷却空気を圧力 0.49 ＭＰａ（ 5ｋｇｆ／ｃｍ2 ）で吹き付けた場合の 450℃から 100℃までの冷却時間を測定した。
また、比較のために炭化珪素を発熱体として使用した従来のＳｉＣヒータ（比較例１）、窒化アルミニウムの裏面にメタライズされた白金パラジウムを発熱体として使用した従来のＳｉＣヒータ（比較例２）およびステンレス鋼を発熱体として使用した従来のＳｉＣヒータ（比較例３）についても同様の試験をおこなった。その結果を表１に示す。
【００３７】
（ヒータ面の均熱性試験）
常温から 450℃までヒータ面を昇温させ、 450℃に 10 秒間保持した時のヒータ面における８点での温度分布をサーモビュアにより測定した。
また、比較のため、炭化珪素を発熱体として使用した従来のＳｉＣヒータ（比較例１）、窒化アルミニウムの裏面にメタライズされた白金パラジウムを発熱体として使用した従来のＳｉＣヒータ（比較例２）およびステンレス鋼を発熱体として使用した従来のＳｉＣヒータ（比較例３）の温度分布を同様に測定した。
ヒータ面の８点の温度測定位置（ａ）〜（ｈ）を図１０に示し、その測定温度の最高値と最低値との差の 1／2 を均熱性として表１に示す。
【００３８】
〔実施例２〕
実施例１において得られた加工後の炭化珪素焼結体を発熱体として、ヒータに組み込む前に表面に絶縁処理を施した。
具体的には、加工した炭化珪素焼結体の表面をアセトンで超音波洗浄した後自然乾燥させ、その後、酸化炉に温度 1000 ℃で 70 時間熱処理して十分な酸化膜を生成させる。次に、絶縁用のガラスとして、ＳｉＯ2 ： 49 重量％、Ａｌ2 Ｏ3 ： 10 重量％、ＢａＯ： 25 重量％、Ｂ2 Ｏ3 ：15重量％の硼珪酸ガラス粉末とスクリーンオイルを 3：2 の割合でメノウ乳鉢に入れてよく混合し、スラリーを作成する。
【００３９】
次に、炭化珪素焼結体のヒータベースと接する面と反対の面および側面にスラリー状のガラスを均一に約 200μｍの厚みで塗布し、乾燥器にて温度 100℃で 1時間乾燥させた後、酸化炉にて、温度 950℃で 20 分間加熱してガラスを炭化珪素焼結体に溶着させた。
最後に、ガラス表面を研削して発熱体の平行度を 3μｍ以下に仕上げた。こうして得られた表面に絶縁性の被膜を有した炭化珪素発熱体を用いて、実施例１と同様にＳｉＣヒータを組み立てた。
このようにして得られたＳｉＣヒータを用いて実施例１と同様に、急速降温試験とヒータ面の均熱性試験を行なったところ、実施例１と同様の結果が得られた。さらに、ヒータの伝熱板と接する面をアースに接地したリード線の端子部を接触させながら、ＳｉＣヒータを昇降温させてアースに接地したリード線への漏れ電流を測定したところ、 1μＡ以下となり、絶縁耐圧性に問題がないことが確認された。
【００４０】
【表１】
表１に示すように、実施例のＳｉＣヒータは、 450℃から 100℃への降温時間が内部冷却のみで 4.6秒と従来品の 9.0秒に対して約 50 ％に短縮された。また、均熱性も従来の±7.4 ℃から±4.6 ℃へと向上している。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１に係るＳｉＣヒータでは、発熱体は炭化珪素よりなるとともにその外縁部から内部に向かって伸びた表裏に貫通したスリットを有しているため、発熱体に電極を介して通電すると、熱伝導率が非常に良く熱応答性が早く、短時間に熱的平衡に達するという炭化珪素としての優れた特性に加え、スリット部が熱による膨張、収縮を吸収するため、ヒータ断線の虞がなく、十分な表面精度を有し、正確な位置で接合でき、熱応力に強く、従来の炭化珪素発熱体よりも薄くでき、そのため、発熱体の熱容量が小さくなり、特に急速昇降温が可能となる。
また、発熱体に形成されたスリットの効果により、従来品に比べて優れた均熱性が得られる。このため、ボンディングによる接続不良が大幅に低減され、結果的にコストパフォーマンスに非常に優れる。また、容易に急速昇降温が可能なので、半導体チップを基板にボンディングさせるためのヒータとして好適である。
発熱体のヒータベース当接面と反対側の面には絶縁被膜を設けたことにより、急速昇降温を繰り返しても剥離、塑性変形または摩耗をなくすことができて、耐熱衝撃性および耐摩耗性を向上するとともに熱膨張率を炭化珪素の熱膨張率に合わせることができ、耐久性を向上することができる。
また、請求項２に係るＳｉＣヒータでは、形成された形状に従って略Ｓ字状に電流が流れて発熱状態を均等にし、均熱性を向上することができる。
また、請求項３に係るＳｉＣヒータでは、冷却気体を貫通孔から発熱体のスリットを介して外部に流出させることによって冷却速度を速くすることができる。
【００４３】
また、請求項４に係るＳｉＣヒータでは、炭化珪素粒子間の結合力が充分であり、高温で機械強度が高く、ボンディング時の荷重により発熱体が破損する恐れがなくなるとともに、大電流を流す必要がなく、ヒータヘッドの位置狂いが防止でき、また、大電圧も必要がなく電源を特別に設けることも必要なく、電力消費量が削減できる。
また、請求項５に係るＳｉＣヒータでは、0.1〜100Ω・ｃｍの範囲の電気比抵抗を示す炭化珪素を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるＳｉＣヒータの発熱体を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるＳｉＣヒータを示す正面図である。
【図３】同上ＳｉＣヒータを示す下平面図である。
【図４】同上ＳｉＣヒータを示す上平面図である。
【図５】同上ＳｉＣヒータを示す側面図である。
【図６】同上ＳｉＣヒータを用いて半導体チップを接合する状態を示す正面断面図（図３で示すＡ−Ａ矢視図）である。
【図７】同上ＳｉＣヒータを用いて半導体チップを接合する状態を示す側面断面図（図３で示すＢ−Ｂ矢視図）である。
【図８】同上ＳｉＣヒータを用いて半導体チップを接合する状態を示す斜め方向から見た側面断面図（図３で示すＣ−Ｃ矢視図）である。
【図９】同上ＳｉＣヒータを用いてフリップチップボンダによる製造状態を示す斜視図である。
【図１０】本発明の実施例におけるヒータ面の温度測定位置を示す平面説明図である。
【符号の説明】
１ 発熱体
２，３ スリット
４，５ （電極取付用）貫通孔
６ （チップ吸着用）貫通孔
７，８ （伝熱板吸着用）貫通孔
９，１０ （伝熱板吸着用）溝
１１，１２ （各種ガス供給用）貫通孔
１３，１４ （取付ねじ挿通用）貫通孔
１５ 皿小ねじ
２１ ヒータベース
２１ａ ザグリ部
２２ 冷却系接続部材
２４ リード線（配線）
２６，２７ 溝
２８ 貫通孔
２９ 電極取付孔
３０ 伝熱板
３１ （チップ吸着用）貫通孔
３２，３３ （各種ガス供給用）貫通孔
３５，３６ （溝側の伝熱板吸着用）貫通孔
３７，３８ （冷却気体供給用）貫通孔
４０ 半導体チップ
５０ 基板
６０ 導電性ボンディング材
１００ ＳｉＣヒータ
Claims (5)
- 炭化珪素焼結体の薄板からなり、その外縁部から内部に向かって伸びた表裏に貫通したスリットを有する発熱体と、この発熱体に通電して発熱体を昇温させるための電極と、前記発熱体に一面側を当接して前記発熱体からの熱を断熱するためのヒータベースとを備えたＳｉＣヒータであって、
前記ヒータベースには、前記発熱体との当接面側の断熱が必要でない部分に前記発熱体と接触しないようにするための隙間を形成するザグリ部を刻設し、このザグリ部に連通した冷却気体供給用の貫通孔を穿設し、
前記発熱体には、ヒータベース当接面と反対側の面に、常温で電気比抵抗が 10 9 Ω・ｃｍ以上、熱膨張率が 2 〜 6 × 10 -6 ／Ｋで、ＳｉＯ ２ をマトリックスとし、Ｂ ２ Ｏ ３ 、Ａｌ ２ Ｏ ３ のうち少なくとも１種類を 1 〜 30 重量％含み、さらにＢａＯを 35 重量％以下含んだ硼珪酸ガラスまたはアルミノ珪酸ガラスの少なくとも１つにより絶縁被膜を形成してなる
ことを特徴とするＳｉＣヒータ。 - 前記発熱体が、略正方形または略長方形であって、互いに対向する２辺からそれぞれ反対側の辺に向けて切り込んだ２つのスリットにより略Ｓ字状に形成され、この略Ｓ字状の両端部に前記電極を取り付けたことを特徴とする請求項１記載のＳｉＣヒータ。
- 前記貫通孔が前記スリットと連通してなることを特徴とする請求項２記載のＳｉＣヒータ。
- 前記炭化珪素焼結体が、焼結体密度が2.5ｇ／ｃｍ３以上で、室温における電気比抵抗が0.1〜100Ω・ｃｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のＳｉＣヒータ。
- 前記炭化珪素焼結体が、平均粒径0.1〜10μｍの第１の炭化珪素粉末と0.1μｍ以下の第２の炭化珪素粉末とを混合し焼結して得られたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＳｉＣヒータ。
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