JP3730899B2

JP3730899B2 - 押圧加熱ヒーター

Info

Publication number: JP3730899B2
Application number: JP2001333278A
Authority: JP
Inventors: 尚文鶴丸
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2021-10-30
Also published as: JP2003142508A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体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（ＡＣＦ）等の樹脂系の接着材を使用したＡＣＦ接続方法、またはマルチチップモジュールに用いるようなＡｕ−Ｓｉ、Ａｕ−Ｓｎ等の低融点ロウ材を使用したフリップチップ接続法が行われている。
【０００３】
例えば、フリップチップ接続法は、多層パッケージ基板上に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、接合を行っており、この時、両者に備えたハンダバンプ等の接着剤によって接合するとともに、ワイヤリングを行うことができる。
【０００４】
ボンディング用ヒーターに求められる特性としては、まず使用する接着材を軟化もしくは溶融するために必要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、必要な熱としては、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、部分的に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ため、ヒーターにはその発熱部の均熱性が最も重要である。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剤が固化するまでの温度降下速度が速いことが重要である。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、機械的強度や耐磨耗性、あるいは靭性が求められる。
【０００５】
このため押圧加熱型ヒーターとしては、熱伝導率の高い窒化アルミニウム質セラミックスを用いた物や機械的強度の優れる窒化珪素質セラミックス質セラミックスを用いたものがある。窒化アルミニウム質セラミックス用いた押圧加熱ヒーターは、窒化アルミニウム質セラミックスを方形体に形成し、押圧加熱面の逆面もしくは内部にＡｇ−Ｐｄ、Ｐｔ−Ｐｄ等の発熱体を厚膜印刷し、焼き付けた後、ガラスカバーペースト等で覆ったものである。
【０００６】
しかし、窒化アルミニウム質セラミックス押圧加熱ヒーターは、窒化アルミニウム質セラミックス表面に発熱体を厚膜印刷するため、発熱体と窒化アルミニウム質セラミックスとの密着性が悪く、しかも窒化アルミニウム質セラミックスと厚膜印刷された発熱体との熱膨張差が大きいことから、昇温、降温の熱サイクルを繰り返すうちに発熱体がセラミックスから剥がれ、頻繁に断線を生じるという問題があった。
【０００７】
そこで、急速な昇温、降温を行う押圧加熱ヒーターとしては、機械的強度の高い窒化珪素質質セラミックスが使用されることが特開２０００−１７３７４７号公報に開示されている。窒化珪素質質セラミックスを用いた押圧加熱ヒーターは、窒化珪素質セラミックスを板状に成形し、その上にW、Ｍｏ等の高融点金属もしくはその炭化物、珪化物、窒化物により発熱体およびリード部を形成し、もう一枚の板状に成形した窒化珪素質セラミックスを重ねて焼成し、窒化珪素質セラミックスの内部に発熱体、リード部を埋設したものであり、図３に示すようにヒーターへ通電させるためにリード部１２の端部に電極取出用のメタライズ部１３を有している。この窒化珪素質セラミックスヒーターに用いられる電極部の電極取出用のメタライズ層は耐熱温度が低いために、リード部に冷却フィン１４を設けると同時に、ホルダー１５の下部に多孔質体を設けリード部を冷却するものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年、半導体ベアチップの実装後の信頼性向上が望まれ、Ａｕ−Ａｕ接合等のより高温での実装が要求されている。従来のＡＣＦを用いた実装は、４００℃以下で押圧加熱ヒーターを用いるが、Ａｕ―Ａｕ接合では、５５０℃以上の温度が求められる。このため、ヒーターを５５０℃〜６００℃で使用する場合、冷却フィンでの放熱のみでは、電極部の温度を十分低下させることができない事が判った。
【０００９】
また、リード部の温度が変化すると局部的に高温部の高い部分が発生し、均熱性が悪くなり良好なボンディングができなくなるという課題があった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記問題点に鑑み、鋭意研究の結果、半導体ベアチップの高信頼性を実現するより高温でのＡｕ−Ａｕ接合を可能とする窒化珪素質セラミックスヒーターを考案した。
【００１１】
すなわち、本発明は、被加熱物を押圧するためのセラミックス製のツールと、該ツールを加熱するためのセラミックスヒーターと、該セラミックスヒーターを保持し、該セラミックスヒーターから発生した熱を主に上記ツール側に伝達させるための断熱材と、これらの部材を統合し他部材に結合する為のベースとからなる押圧加熱ヒーターにおいて、前記セラミックスヒーターは、端部に電極部を備えたリード部を有し、前記断熱材は、その内部に冷却ガス通路を有するとともに前記セラミックスヒーターの電極部まで延長され、前記冷却ガス通路は、その先端に前記セラミックスヒーターの電極部を冷却するための冷却孔を有していることを特徴とするものである。
【００１２】
また、前記断熱材が、その発熱部側の電極部近傍でのみ前記リード部に接触し、且つ前記電極部は非接触部とし、前記電極部に対向する部分に冷却孔を設けたことを特徴とするものである。
さらに、前記押圧加熱ヒーターのリード部を冷却する気体の流量が１〜５リットル／分以下であることを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１、２を用いて説明する。図１は全体の斜視図、図2は分解斜視図である。
【００１４】
本発明の押圧加熱ヒーターは、発熱体を埋設した窒化珪素質セラミックスヒーター２は、発熱部５と発熱部５から突出した端部に電極部６ａをもつリード部６からなり、発熱部５の両側で低熱伝導率セラミックスからなる断熱材３にネジ等で保持し、さらに断熱材３をベース４にネジで保持したものであり、断熱材３は、セラミックスヒーター２の発熱部５から突出したリード部６に合わせるようにリード部６側に同様に突出部３ａを形成し、その内部に冷却ガス通路８を形成し、電極部７まで延長され、冷却ガス通路８の先端に電極部６ａを冷却するための冷却孔９を形成したものである。
【００１５】
前記断熱材３の突出部３ａには突起部３ｂを備え、セラミックスヒーター２のリード部６における電極部６ａの発熱部５側でのみ接触しており、電極部６ａでは非接触となっている。また、断熱材３に設けられた冷却ガス通路８は、リード部６と接触する突起部３ｂよりも端部側に冷却孔９を設ける。このため、冷却孔９から噴出したガスは、断熱材３の突起部３ｂにより、電極部６ａのみに流れて選択的に冷却し、リード部６および発熱部５に冷却ガスが当たらない構造となっており、発熱部５からリード部６への熱引きを極めて小さくすることができる。
【００１６】
また、電極部６ａは、セラミックスヒーター２の発熱部５の均熱性を確保するため、８ｍｍ以上離して設置することが望ましい。
【００１７】
また、セラミックスヒーター２の発熱抵抗体は、リード部６への熱引きを考慮して、リード部６のとの境界付近の発熱量が大きくなるように設計されている。このためリード部６の温度により熱引きがばらつき、急昇温させた際に前記境界付近に局所的な高温部が発生しやすくなる。本発明のように、電極部６ａのみを冷却する構造にすれば、発熱部５に必要以上の局所的な高温部の発生をなくすことができる。
【００１８】
電極部６ａを冷却するガスの量としては、少なすぎると電極部６ａの温度を十分低下させることができず、多すぎるとセラミックスヒーター２の発熱部５からの熱引けが多大となり、発熱部５に局所的な高温部が発生する。このため、電極部６ａを冷却するガスの量としては１〜５リットル／分が望ましい。
【００１９】
被加熱物と押圧するためのツール１としては、炭化珪素、窒化アルミニウムなどを主成分とする焼結体を用いる。たとえば焼結助剤としてＡｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃などを焼結助剤として含有させた窒化アルミニウム焼結体を使用することが好ましい。窒化アルミニウムセラミックス製のツール１は、窒化アルミニウム粉末とＡｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃などの所望の焼結助剤粉末を所望の組成になるように調整して、メタノール、ＩＰＡなどの非水系溶媒と混合効率を上げるためのＡｌ₂Ｏ₃製又はＳｉ₃Ｎ₄製のメディアとともにボールミル、振動ミルといった方法で混合し、得られた窒化アルミニウムスラリーを２００メッシュ程度のメッシュに通して、メディアからの混入、ボールミル、振動ミルのライニングからの混入を取り去った後に防爆式の乾燥機を用いて１２０℃程度で２４時間程度乾燥し、４０メッシュ程度のメッシュに通す。ここで得られた、窒化アルミニウムと所望の焼結助剤の混合された粉末に、さらに、所望の有機バインダーを所望量混合し、スプレードライ法、乾式造粒法、湿式造粒法などの方法により造粒したのち、プレス成形またはＣＩＰ成形により所望の形状に加工し、５００〜７００℃程度の温度で脱脂することにより有機バインダーを飛散させ、得られた成形体を窒素中にて１８００℃〜２０００℃程度の温度で焼結させた。あるいは直接カーボン型中で成形と焼結を同時に行うホットプレスで焼結させても良い。
【００２０】
また、炭化珪素質焼結体を用いる場合、例えば炭化珪素に対し０．２〜４．０重量％の炭化硼素や必要に応じて０．５〜５重量％の希土類元素酸化物を添加して、１９００〜２１００℃の真空中で焼成する。
【００２１】
これらの窒化アルミニウム質焼結体や炭化珪素質焼結体は、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、熱膨張率が６×１０^-6／℃以下とすることができる。
【００２２】
また、セラミックスヒーター２は、窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウムなどを主成分とするセラミックス中に発熱抵抗体を埋設したものを用いることが好ましい。
【００２３】
たとえば焼結助剤として、Ｙ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃などを焼結助剤として含有した窒化珪素を用いた。セラミックスヒーター２は、窒化珪素粉末とＡｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃などの所望の焼結助剤粉末を所望の組成になるように調整するか、又は炭化珪素粉末とＢ、Ｃなどの所望の焼結助剤粉末を所望の組成になるように調整して、メタノール、ＩＰＡなどの非水系溶媒と混合効率を上げるためのＡｌ₂Ｏ₃製又はＳｉ₃Ｎ₄製のメディアとともにボールミル、振動ミルといった方法で混合し、得られたスラリーを２００メッシュ程度のメッシュに通して、メディアからの混入、ボールミル、振動ミルのライニングからの混入を取り去った後、防爆式の乾燥機を用いて１２０℃程度で２４時間程度乾燥した後に４０メッシュ程度のメッシュに通す。ここで得られた、混合粉末に、スプレードライ法、乾式造粒法、湿式造粒法などの方法により所望の有機バインダーを所望の量だけ混合して、プレス成形、ＣＩＰ成形して所望の形状を得た後、脱脂工程を５００〜７００℃程度の温度で行い、有機バインダーを飛散させて得られた成形体を窒素中にて１８００℃〜２０００℃程度の温度で焼結させることにより窒化珪素製の板を得る。あるいは直接カーボン型中で成形と焼結を同時に行うホットプレスでも窒化珪素製の板を得ても良い。
【００２４】
ここで得られた窒化珪素製の板をセラミックスヒーターとする方法を以下に説明する。窒化珪素をセラミックスヒーター２として使用する場合には、その絶縁性から直接窒化珪素に電流を通電するのではなく、窒化珪素の表面または内部に導電性セラミックスあるいは金属からなるＷ、Ｍｏ、ＷＣなどの発熱抵抗体を印刷するなどの方法で形成して、還元雰囲気中などでその発熱体を窒化珪素に後付又は窒化珪素の焼結と同時に焼き付け一体化することにより、セラミックスヒーター２として使用する。この窒化珪素の表面または内部に一体形成された導電性セラミックスあるいは金属からなる発熱抵抗体に電流を通電することにより加熱するには、リード部６の端部で、埋設された発熱抵抗体を露出させ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉあるいはガラス成分にＮｉを添加したペーストを塗布し、真空中または、還元雰囲気中で焼付け、電極部６ａを形成する。この電極部６ａに金属リード線をＡｇ−Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｕなどのロウ材を用いて真空中又は非酸化性雰囲気中にてロウ付けを行い、このロウ付けされた金属リード線に通電すると良い。
【００２５】
このようにして熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、熱膨張率が６×１０^-6／℃以下のセラミックヒーター２を得ることができる。
【００２６】
断熱材３としては、気孔率３０％以下のセラミックスが望ましく、５〜３０％程度の気孔率を有するムライトセラミックスやムライト−コージェライトセラミックスを用いる。上記気孔率を持った断熱材３は、樹脂性のビーズを生成形体中に分散させて焼成すれば、強度と断熱性を同時に満足する焼結体を得ることができる。また、単に多孔質焼結体とするだけであれば、焼結温度より低い温度で焼成するか、粒径の粗い原料を用いて焼成することにより、多孔質な断熱材とすることができる。気孔率０％の緻密体質のセラミックスとしては、熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以下と極めて小さいフッソ金雲母系のセラミックスが望ましい。断熱材３は、研削加工で所望の形状とし、冷却用通路は、超音波加工機で加工を行う。
【００２７】
このようにして熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり、熱膨張率が６×１０^-6／℃以下の断熱材３を得ることができる。セラミックヒーター２と断熱材３は、ネジ等で機械的に固定、保持する。用いられるネジは、熱膨張率がセラミックヒーター２より大きく断熱材３より小さいことが望ましい。
【００２８】
上記セラミックス製のツール１を除く、各部品を統合し他部材に結合する為のベース４としては、例えばＮｉの添加量を調整することによって熱膨張係数を６×１０^-6／℃以下としたノビナイト鋳鉄を使用すれば良い。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００３０】
（実施例１）
まず、本発明の実施の形態で示した方法に従って作製した図１、２に示す本発明のセラミックスヒーター２を用いた接触加熱装置と、図３に示す従来のボンディング用ヒーターの作製方法を説明する。
【００３１】
Ｙｂ₂Ｏ₃を焼結助剤とする窒化ケイ素粉末をバインダーと混合後にプレス成形し５０ｍｍ角の窒化珪素成形体を得た後に発熱体としてＷＣインクを印刷し、もう一つの５０ｍｍ角の窒化珪素でＷＣインクを挟み込み、１７００〜１８００℃でホットプレスを行うことにより、ＷＣを発熱抵抗体として内蔵する窒化珪素質焼結体を得た。これを平面研削盤、超音波加工機を用いて、発熱部は２４ｍｍ×２４ｍｍ×２ｍｍｔとし、ボルト締め用の穴を両サイドに形成した。さらに電極引き出し用のリード部、真空吸着穴、真空吸着溝を形成して、セラミックスヒーター２とした。
【００３２】
断熱材３は熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以下であるフッソ金雲母系セラミックスを用い、平面研削盤、超音波加工機で加工する。従来の押圧加熱ヒーターの断熱材は、セラミックヒーター２の発熱部５に合わせる形状とし、本発明での断熱材３は、セラミックヒーター２のリード部６の方向に電極部６ａに対向する位置まで延長した突出部３ａを形成し、突出部３ａの内部に冷却ガス通路８を設けた。さらに、突出部３ａでは、セラミックヒーター2の発熱部５から伸びたリード部６には非接触とし、電極部６ａの発熱部５側で接触する突起部３ｂを設け、電極部６ａに対向する位置で非接触とし、冷却孔９を設けた。
【００３３】
ベース４としてはＮｉを多く含有した鋳鉄を断熱材３と寸法をあわせるように平面研削盤、超音波加工機で加工して作製した。
【００３４】
そして、セラミックヒーター２の発熱部温度を５５０℃、６００℃に設定し、その時の電極部温度とセラミックヒーター２の発熱部５の温度分布（最大温度―最小温度）および最大温度を測定した。
【００３５】
結果を表１に示す。
【００３６】
【表１】

【００３７】
本発明の実施例を表１のＮｏ．３、Ｎｏ．６に示す。Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．４、Ｎｏ．５は比較のための従来例である。
【００３８】
表１からも明らかなように、セラミックヒーター２の発熱部５を５５０℃、６００℃に設定すると従来の冷却フィンと多孔質体から電極部６ａを冷却する方法では、リード部６の熱引けが過大となるため、セラミックヒーター２の発熱部５の温度分布が劣化し、局所的な高温部が発生した。
【００３９】
これに対し、本発明の押圧加熱ヒーターは、セラミックヒーター２の発熱部５を５５０℃および６００℃に設定しても、セラミックヒーター２の発熱部５の温度分布の劣化もなく、且つ、電極部６ａの温度も２８０℃以下とすることができた。
【００４０】
（実施例２）
本発明の実施例を表１のＮｏ．２、Ｎｏ．３、Ｎｏ．６、Ｎｏ．７に示す。Ｎｏ．１、Ｎｏ．４、Ｎｏ．５、Ｎｏ．８は比較のための従来例である。本実施例では、セラミックヒーター２の発熱部温度を５５０℃、６００℃に設定し、電極部６ａを冷却する冷却ガスの流量について、その時の電極部温度とセラミックヒーター２の発熱部５の温度分布（最大温度―最小温度）および最大温度を測定した。結果を表２に示す。
【００４１】
【表２】

【００４２】
表２からも明らかなように、冷却ガスの流量が１リットル／分未満では、冷却効果がなく、電極部６ａの温度が２８０℃を超えた。また、５リットル／分を越える流量では、冷却効果が過大となりセラミックヒーター２の発熱部５の温度分布が劣化し、局所的な高温部が発生しするので好ましくない。
【００４３】
これに対し、冷却ガスの流量を１〜５リットル／分にしたＮｏ．２、３、６、７は、良好な温度分布を示した。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、被加熱物を押圧するためのセラミックス製のツールと、該ツールを加熱するためのセラミックスヒーターと、該セラミックスヒーターを保持し、該セラミックスヒーターから発生した熱を主に上記ツール側に伝達させるための断熱材と、これらの部材を統合し他部材に結合する為のベースとからなる押圧加熱ヒーターにおいて、セラミックスヒーターは、端部に電極部を備えたリード部を有し、断熱材は、その内部に冷却ガス通路を有するとともにセラミックスヒーターの電極部まで延長され、冷却ガス通路は、その先端に前記セラミックスヒーターの電極部を冷却するための冷却孔を有している押圧加熱装置とすることにより、５５０℃を超える温度においてもセラミックヒーターの温度分布が良好で且つ電極部温度の上昇を防止することができる。
【００４５】
また、冷却ガスの流量は、１〜５リットル／分とすることで、さらに冷却効率を高めることができる。
【００４６】
これらにより、高温でより信頼性の高い半導体チップの実装が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の押圧加熱ヒーターの斜視図である。
【図２】本発明の押圧加熱ヒーターの分解斜視図である。
【図３】従来の押圧加熱ヒーターの斜視図である。
【符号の説明】
１ツール
２セラミックヒーター
３断熱材
４ベース
５発熱部
６リード部
６ａ電極部
８冷却ガス通路
９冷却孔
１１発熱部
１２リード部
１３メタライズ層
１４冷却フィン
１５ホルダー

Claims

被加熱物を押圧するためのセラミックス製のツールと、該ツールを加熱するためのセラミックスヒーターと、該セラミックスヒーターを保持し、該セラミックスヒーターから発生した熱を主に上記ツール側に伝達させるための断熱材と、これらの部材を統合し他部材に結合する為のベースとからなる押圧加熱ヒーターにおいて、前記セラミックスヒーターは、端部に電極部を備えたリード部を有し、前記断熱材は、その内部に冷却ガス通路を有するとともに前記セラミックスヒーターの電極部まで延長され、前記冷却ガス通路は、その先端に前記セラミックスヒーターの電極部を冷却するための冷却孔を有していることを特徴とする押圧加熱ヒーター。
前記断熱材が、前記セラミックスヒーターの電極部近傍の発熱部側でのみ前記リード部に接触し、前記電極部に対向する部分に冷却孔を設けたことを特徴とする請求項１記載の押圧加熱ヒーター。
前記電極部を冷却するガスの流量が１〜５リットル／分であることを特徴とする請求項１記載の押圧加熱ヒーター。