JP3749654B2 - セラミックヒータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリップチップボンディング(FCB)又は成膜プロセスに好適に用いることができるセラミックヒータに関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体デバイスの高速・多ピン化に伴い、狭ピッチ・高精度の半導体実装技術がますます重要になりつつある。
特に、液晶パネル実装におけるCOG,コンピュータや携帯電話におけるMCM実装などで、すでに実用化されているフリップチップボンディング(FCB)は、図6(a)に示すように、半導体デバイスのSiチップ50と基板60上の電極62を接合する際、直接半田やAuロウ等の接合端子(バンプ)52で熱圧着により接合する方法である。
このフリップチップボンディング(FCB)は、図6(b)(c)に示すような従来のリード線54,56を介して接合を行うワイヤボンディング(WB)やテープキャリア(TC)と比較して、デバイスの更なるコンパクト・小形化および高速化が可能となるため、今後ワイヤボンディング(WB)にかわりフリップチップボンディング(FCB)が主流になると予想されている。
【0003】
このフリップチップボンディング(FCB)に用いる装置の一例を図5に示す。
実際にフリップチップボンディング(FCB)を行う場合、Siチップ50のサイズに対応したツールヘッド20を選択し、ツールヘッド20を真空吸着によりヒータ1に固定した後、Siチップ50を真空吸着によりツールヘッド20に装着させる。
ここで、ヒータ1は、Siチップ50を強制冷却するために、ジャケット30にネジ止めされている。
そして、Siチップ50と接合するための電極62が配設された基板60を、基板用基台40に真空吸着により固定させる。
【0004】
次に、ツールヘッド20を基板用基台40の位置決めされた方向に垂直に降下させて、Siチップ50上の接合端子52と基板60上の電極62を接触させた後、所定の荷重(最大約490N[50kgf]程度)を掛けると同時に、Siチップ50を所定の温度(450〜500℃程度)に急速昇温(50℃から450〜500℃まで5秒程度)させ、一定時間(3〜5秒程度)保持することにより、Siチップ50上の接合端子(バンプ)52と基板60上の電極62を熱圧着する。
そして、速やかにヒータ1の電源を切断し、ジャケット30で強制冷却(水冷又は空冷)を行い、ツールヘッド20に装着されたSiチップ50を急速降温(450〜500℃から100℃まで20秒程度)させることにより、Siチップ50上の接合端子(バンプ)52と基板60上の電極62が接合され、フリップチップボンディング(FCB)は完了する。
【0005】
このとき、Siチップ50の接合端子(バンプ)52の広がりを防止すると同時に、Siチップ50に対する熱的なダメージを少なくするため、急速昇降温(昇温:5秒以下、降温:20秒以下)することが、フリップチップボンディング(FCB)を確実に行う上で必要不可欠である。
【0006】
上記の要件を満たすために、最近では、熱伝導性、均熱性、放熱性及び熱衝撃性に優れた窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素等のセラミックスを用いたセラミックヒータ1が主に用いられている。
【0007】
上記セラミックヒータ1は、図2に示すように、Siチップ50を加熱面17の全面に直接接触させて加熱することが主に行われていたが、ホルダー部15と電極端子8近傍部での熱の逃げが大きいため、加熱面17の温度分布が不均一になってしまうという問題点があった。
これを解消するため、上記セラミックヒータ1は発熱体のパターンの最適化が行われているが、これを行う度に印刷型やコイル成形型を作り直さなければならないため、コストがかさむという問題点があった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、急速昇降温時における被加熱体の温度分布を均一にすることができるとともに、コストの低減に寄与することができるセラミックヒータを提供するものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明によれば、発熱体が埋設されたヒータ部と、該ヒータ部に一体的に結合して該ヒータ部を固定するホルダー部とを備えたセラミック基材からなるセラミックヒータであって、該ヒータ部の加熱面の中央部に凹部を設けることにより、該ヒータ部の加熱面に被加熱体を接触させ、該被加熱体を該凹部の非接触面から間接伝熱し、該被加熱体の温度分布における温度差を、20℃以内にするとともに、該凹部の深さtが10μm〜(加熱面から発熱体までの距離L−0.5)mmであり、且つ該ヒータ部の加熱面の電極端子近傍部が、該ヒータ部の加熱面の外縁部より、該被加熱体との接触面積を大きくしたセラミックヒータが提供される。
【0010】
また、本発明では、加熱面から発熱体までの距離Lが、1mm≦L≦(セラミックヒータの厚さの2/3)であることが好ましく、1mm≦L≦4mmであることが特に好ましい。
【0011】
更に、本発明では、セラミック基材の熱伝導率が、少なくとも30W/m・K以上であることが好ましく、ヒータ部とホルダー部とが、単一材料で、かつ窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素のいずれかで形成されていることが好ましい。
【0012】
尚、本発明では、セラミックヒータが、フリップチップボンディング用ヒータ又は成膜プロセス用ヒータであることが好ましい。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミックヒータは、ヒータ部の加熱面の中央部に凹部を設けることにより、ヒータ部の加熱面に被加熱体を接触させ、被加熱体を凹部の非接触面から間接伝熱し、被加熱体の温度分布における温度差を、20℃以内にするとともに、凹部の深さtが10μm〜(加熱面から発熱体までの距離L−0.5)mmであり、且つヒータ部の加熱面の電極端子近傍部が、ヒータ部の加熱面の外縁部より、被加熱体との接触面積を大きくしたものである。
これにより、本発明のセラミックヒータは、急速昇降温時における被加熱体の温度分布を均一にすることができるとともに、コストの低減に寄与することができる。尚、被加熱体の温度分布における温度差は、20℃以内(より好ましくは10℃以内)であることが、フリップチップボンディング用ヒータ又は成膜プロセス用ヒータとして実使用する上で好ましい。
【0014】
以下、図面に基づき本発明を詳細に説明する。
図1は、本発明のセラミックヒータの一例を示すものであり、(a)は正面図、(b)は(a)のA−A断面図である。
ここで、本発明のヒータの主な特徴は、図1に示すように、ヒータ部15の加熱面の中央部に凹部13を設けることにある。即ち、図1に示すように、ヒータ部15の加熱面の中央部に設けられた凹部13は、ヒータ部15に被加熱体50を接触させる際、ヒータ部15と被加熱体50との間に空間70を設けるものである。
【0015】
これにより、外縁部14と被加熱体50との接触面積及び凹部の深さtを適宜調整することができるため、急速昇降温時における被加熱体50の温度分布を均一にすることができる。
また、本発明のヒータは、従来のヒータ(図2参照)を、発熱体形状を固定したまま、図1(a)(b)に示す形状に加工するだけで、被加熱体50の温度分布を均一にすることができるため、製造コストを低減することができる。尚、ヒータ部15の加熱面の電極端子近傍部19(図1(a)の交差斜線部参照)は、ヒータ部15の加熱面の外縁部14(図1(a)の斜線部参照)より、被加熱体50との接触面積を大きくすることが好ましい。これにより、本発明のヒータは、従来のセラミックヒータ(図2参照)と比較して、電極端子近傍部19での熱の逃げを抑制することができるため、ヒータ部15の加熱面に接触する被加熱体50の温度分布を均一にすることができる。
更に、図1(a)に示すヒータは、凹部の外縁部14が閉じているため、被加熱体50の真空吸着時における吸着力を損なうことがなく、被加熱体50とヒータ部15との接触面積が少ないため、被加熱体50の真空吸着時における脱着応答性も向上させることができる。
【0016】
また、本発明では、凹部の深さtが10μm〜(加熱面から発熱体までの距離L−0.5)mmであることが好ましい(図1(b)参照)。
これは、凹部の深さtが10μmより小さい場合、被加熱体50と接触した時に形成される空間70が小さくなり、狙いとなる効果が得られないからである。
一方、凹部の深さtが(加熱面から発熱体までの距離L−0.5)mmを超過する場合、発熱体上のセラミック基材が薄くなり、強度も低くなるため、クラックが入りやすくなる。
このとき、加熱面から発熱体までの距離Lは、1mm≦L≦(セラミックヒータの厚さの2/3)であることが好ましく、1mm≦L≦4mmであることが特に好ましい。
尚、使用温度(T)が500℃以上のヒータの場合、t(mm)/T(℃)<0.02では、ほとんど温度差を得ることができなかった。
【0017】
ここで、本発明のヒータは、温度が低くなる外縁部14及び電極端子8a,b近傍部に被加熱体50を接触させて、熱伝導により大量の熱を与えるとともに、温度が高くなるヒータ部15の中央に凹部13を形成し、被加熱体50を輻射熱及び僅かなガスによる自然対流熱伝達による間接伝熱が行われている。
【0018】
また、本発明のヒータは、図1に示すように、発熱体12が埋設されたヒータ部15と、ヒータ部15に一体的に結合してヒータ部15を固定するホルダー部16とを備えたセラミック基材2からなることが好ましい。
これは、ヒータ部とホルダー部が分割されたヒータと比較して、接触熱抵抗を小さくすることができるため、降温速度を高速化することができるとともに、局所的な温度分布による応力集中が発生しないため、強度信頼性が高く、且つ剛性もあるため、熱変形しにくく、平面度を良好にすることができるからである。
【0019】
尚、本発明で用いるセラミック基材2は、熱伝導率が少なくとも30W/m・K以上であるとともに、抗折強度が300MPa以上、破壊靭性が2MPa・m1/2以上、熱衝撃性がΔT500℃以上であることが好ましい。
このため、セラミック基材2は、単一材料で、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素のいずれかで形成されていることが好ましく、特に、ジャケット30(図5参照)で強制冷却を行う場合、より抗折強度、破壊靱性及び熱衝撃性に優れた窒化珪素で形成されていることが好ましい。
【0020】
【実施例】
本発明を実施例に基づいて、更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。
(実施例、比較例)
窒化珪素造粒顆粒を金型プレス(成形圧:200kg/cm2)で成形を行い、プレス成形体Aを作製した。
【0021】
99wt%のタングステン粉末(平均粒径:1.1μm)にバインダーとしてポリビニルブチラールを加え、ブチルカルビト−ルで粘調した粉末ペーストを調製した。
この粉末ペーストを用い、プレス成形体Aの上面に図2(a)に示すように、スクリーン印刷を施し、発熱体12のパターンを形成させた。
【0022】
スクリーン印刷されたプレス成形体Aの上に窒化珪素造粒顆粒を金型内で積層させた後、金型プレス(成形圧:200kg/cm2)で成形を行い、プレス成形体Bを作製した。
上記プレス成形体Bを7tの加圧でコールドアイソスタティックプレス(CIP)による成形と白加工することにより、プレス成形体Cを作製した。
【0023】
上記プレス成形体Cをバインダー等の樹脂抜くために、窒素ガス雰囲気下、500℃×2hrで仮焼した後、更に窒素ガス雰囲気下、1870℃×3hrで焼成を行うことにより、発熱体12が埋設され、ヒータ部15とホルダー部16が一体となったセラミック基材2(50mm×50mm×10mmt)を作製した(図2参照)。
【0024】
得られたセラミック基材2をマシニングセンターで研削加工及び平面研磨機にて研磨した後、電極端子8a,bを所定の位置に取り付けることにより、図1(実施例[凹部13の深さt:50μm])及び図2(比較例)に示すセラミックヒータ1をそれぞれ作製した。
このとき、図1に示すセラミックヒータ(実施例)の凹部13は、ビードブラスト(砥粒を含んだ溶液を被加工面にノズルから高速に吹き付ける方法)にて加工を行った。
先ず、被加工面の凸部にしたい部分が削れないようにフィルムを貼った後、被加工面に、粒径:0.1mmの砥粒を3kg/cm2の圧力で60分間吹き付けた。
【0025】
次に、それぞれ得られたセラミックヒータ1(実施例、比較例)を、図5に示すフリップチップボンディング(FCB)に用いる装置に適用し、Siチップ50(30mm×30mm)を500℃に急速昇温(50℃から500℃まで5秒以下)した。
このとき、Siチップ50の温度分布をそれぞれ測定した。その結果を図3(実施例)及び図4(比較例)に示す。
尚、電極端子への給電量は、200V、max:30Aであり、またSiチップの吸着力は、2.0×104Pa(150Torr)であった。
【0026】
(考察:実施例、比較例)
図3〜4の結果から、実施例(図3参照)は、比較例(図4参照)と比較して、Siチップの加熱面における温度差を10℃程度と大幅に抑制することができるため、均熱スペック(加熱面内で20℃以内)を十分満たすことができた。
【0027】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のセラミックヒータは、急速昇降温時における被加熱体の温度分布を均一にすることができるとともに、コストの低減に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のセラミックヒータの一例を示すものであり、(a)は正面図、(b)は(a)のA−A断面図である。
【図2】 従来のセラミックヒータの一例を示すものであり、(a)は正面透視図、(b)は側面図である。
【図3】 急速昇温時におけるSiチップの温度分布を示すイメージ図(実施例)である。
【図4】 急速昇温時におけるSiチップの温度分布を示すイメージ図(比較例)である。
【図5】 フリップチップボンディング(FCB)に用いる装置の一例を示した概略説明図である。
【図6】 半導体実装技術の主要な方法を示したものであり、(a)はフリップチップボンディング(FCB)、(b)はワイヤボンディング(WB)、(c)はテープキャリア(TC)である。
【符号の説明】
1…セラミックヒータ、2…セラミック基材(ヒータ部+ホルダー部)、4…Siチップ真空吸着孔、8…電極端子、10…固定用ねじ孔、11…固定用ねじ、12…発熱体、13…凹部、14…外縁部、15…ヒータ部、16…ホルダー部、17…加熱面、18…冷却面、19…電極端子近傍部、20…ツールヘッド、30…ジャケット、40…基板用基台、50…被加熱体(Siチップ)、52…接合端子、54…リード線(接続細線)、56…リード線(接続テープ)、60…基板、62…電極、70…空間。
Claims (5)
- 発熱体が埋設されたヒータ部と、該ヒータ部に一体的に結合して該ヒータ部を固定するホルダー部とを備えたセラミック基材からなるセラミックヒータであって、
該ヒータ部の加熱面の中央部に凹部を設けることにより、該ヒータ部の加熱面に被加熱体を接触させ、該被加熱体を該凹部の非接触面から間接伝熱し、該被加熱体の温度分布における温度差を、20℃以内にするとともに、該凹部の深さtが10μm〜(加熱面から発熱体までの距離L−0.5)mmであり、且つ該ヒータ部の加熱面の電極端子近傍部が、該ヒータ部の加熱面の外縁部より、該被加熱体との接触面積を大きくしたセラミックヒータ。 - 加熱面から発熱体までの距離Lが、1mm≦L≦(セラミックヒータの厚さの2/3)である請求項1に記載のセラミックヒータ。
- 加熱面から発熱体までの距離Lが、1mm≦L≦4mmである請求項2に記載のセラミックヒータ。
- セラミック基材の熱伝導率が、少なくとも30W/m・K以上である請求項1〜3のいずれか1項に記載のセラミックヒータ。
- セラミック基材が、単一材料で、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素のいずれかで形成されている請求項1〜4のいずれか1項に記載のセラミックヒータ。
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