JP3872229B2 - 押圧加熱型セラミックヒータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ベアチップを基板上にダイレクトボンドする際に用いるボンデイング用ヒータヘッド等、被加熱物に押圧加熱するようにしたヒータ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ダイレクトボンドする方法として、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、Pb−Sn等の低融点ロウを使用したフリップチップ接続法等が行われている。
【0003】
例えば、フリップチップ接続法は、図13に示すように、配線層を有する多層パッケージの基板20上に、下面に電極を有する半導体チップ21を載置して、その上面からボンディング用ヒータ10のヘッド11で加熱しながら押圧することによって、接合している。この時、両者に備えた半田バンプ22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】
このようなボンディング用ヒータ10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の熱を半導体チップ21を介して半田バンプ22まで効率よく伝える必要がある。
【0005】
そこで、ボンデイング用ヒータ10として、熱伝導性の高い窒化アルミニウム質セラミックスを用いたものも用いられていた。これは、ボンデイング用ヒータを窒化アルミニウム質セラミックスからなる方形体に形成し、その先端側を半導体チップと当接させるセラミックブロック体とし、後端側を他部材と結合するホルダとし、側面もしくは内部にAg−Pd、Pt−Pd等の発熱体を厚膜印刷の手法で印刷し焼き付けた後、カバーガラスペースト等で覆ったものである(厚膜式セラミックブロック体)。このようなボンデイング用ヒータに求められる特性としては、まず半導体ベアチップを多層パッケージの基板上に固着させるための接着材を軟化もしくは溶融するための熱を半導体ベアチップを介して接着材まで効率良く伝える必要がある。
【0006】
また、生産効率の点から、所要温度までの昇温時間が短く、しかもボンデイング終了後の接着材が固化するまでの温度降下時間が短いことも重要である。さらに、半導体ベアチップを接合する際には、熱と同時に圧力も加えるため、ボンデイング用ヒータのセラミックブロック体には機械的強度や耐摩耗性、あるいは靭性が要求される。
【0007】
しかし、上記厚膜式セラミックブロック体の場合、熱伝導性の良い窒化アルミニウム質セラミックスを用いているため、発熱体の熱がホルダ側に逃げやすく、セラミックブロック体側の加熱効率が悪いと言う問題があった。さらに、厚膜式であるため発熱体とセラミックスとの密着性が悪く、しかも熱膨張差があることから、昇温、降温の熱サイクルを繰り返すうちに発熱抵抗体がセラミックスから剥がれたり、頻繁に断線を生じる等の不都合があった。
【0008】
そこで、近年、図14に示すように、ホルダ3を低熱伝導セラミックスで構成し、他方、発熱抵抗体2aを内部に設けたセラミックヒータ2からなる加熱部に高熱伝導セラミックスからなるヘッド1を接合してセラミックブロック体9となし、このセラミックブロック体9を上記ホルダ3の凹部に固定した押圧加熱型セラミックヒータが開発された。
【0009】
この押圧加熱型セラミックヒータを使用する場合は、発熱抵抗体2aに通電発熱した状態で、セラミックブロック体9のヘッド1の当接面1aを加熱したまま半導体ベアチップに押し当てて、基板上に半田バンプで接合するようにしたものである。このヒータは加熱部は高熱伝導セラミックスで、ホルダ部は低熱伝導セラミックスでそれぞれ構成し、加熱効率を向上せしめるよう意図したものであった。
【0010】
また、図14に示す従来の押圧加熱型セラミックヒータでは、セラミックヒータ2に内装された発熱抵抗体2aと同一平面内にリード引出部24を備え、この端部に電極取出部25を形成し、この上にメタライズを施して、外部リードをロウ付けするようになっている。
【0011】
ところで、上記ボンディング用ヒータは、その作業タクトを短くすることが重要であり、昇温降温速度を速くすることが求められている。また、ボンディング用ヒータは、温度調節のためヒータ温度を測温するための熱電対4を設けてある。従来は、図10〜12に示すようにヘッド1又はセラミックヒータ2にあらかじめ熱電対4挿入用の穴4aを開け、その中に熱電対4の先端部を挿入したのちセラミックセメント5等で固定していた。
【0012】
具体的に説明すると、図10はヘッド1とセラミックヒータ2がホルダ3の凹部3aに保持されている構造で、ヘッド1の側面に穴4aが形成されており、該穴4aに熱電対4が挿入されアルミナセメント5で固定されている例である。また、図11と図12は、ホルダ3上にセラミックヒータ2とヘッド1が順に積層された構造のボンディング用ヒータの例で、図11はヘッド1に穴4aが形成されており、図12はセラミックヒータ2の側面に穴4aが形成され、それぞれ穴4aに熱電対4が挿入されアルミナセメント5で固定されている例を示した。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図14に示す構造の押圧加熱型ヒータでは、発熱抵抗体2aからの熱伝導によって電極取出部25が高温になりメタライズを劣化させる恐れがあることから、リード引出部24を長く形成しておく必要があった。そのため、図14(a)に示すように、セラミックヒータ2が横方向に大きく張り出した構造となっていた。
【0014】
一方、近年、部品の小型化が求められる中で半導体パッケージの高密度実装が必要となり、それに伴い、ベアチップとベアチップ間の狭いスペースでのベアチップ実装が必要となっている。
【0015】
しかし、図14に示す従来の押圧加熱型セラミックヒータでは、上述したようにセラミックヒータ2のリード引出部24を形成した部分が大きく横に張り出した形状であるため、この部分が邪魔になるという第1の課題があった。
【0016】
また、電極取出部25は十分に発熱抵抗体2aから離してあるが、それでもこの部分が高温になることを避けられず、メタライズの劣化を防止するために電極取出部25を冷却しなければならず、空冷又は水冷等の冷却機構を備えなければならないという問題があった。
【0017】
さらに、図10〜12に示すような押圧加熱型ヒータでは、熱電対4の引き回し部分が剥き出しの構造であり、かつ元々アルミナセメント5による接着強度が低いため、使用中に物当たりや引っ張りの力がかかった場合、熱電対4が外れ易いという第2の課題があった。
【0018】
また、熱電対4の取り付け方や、熱電対4の種類選定が悪いとヒータ表面の真の温度を測温できないばかりか、熱電対4が外れてしまうとヒータが過昇温し、半導体チップを破損したりヒータが断線したり、最悪の場合火災に発展する可能性もあった。
【0019】
さらに、このボンディング用ヒータは、タクトアップのため数秒の間に300℃程度まで急速に昇温したあと数秒間で急冷されるような工程を繰り返すため、熱電対4の取り付け部にも熱応力が加わり、長期使用中に熱電対4の脱落や浮き等の問題が発生した。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本発明の押圧加熱型セラミックヒータは、配線層を有する基板上に、下面に電極を備えた半導体ベアチップを載置し、該半導体ベアチップを上面側から押圧加熱して前記基板に接続するための押圧加熱型セラミックヒータにおいて、2つの主面を有し、一方の主面が被加熱物に当接させる当接面であるセラミックブロック体と、該セラミックブロック体の内部に埋設され、前記押圧方向とほぼ垂直な平面状の発熱体と、該発熱体から前記セラミックブロック体の他方の主面側に向かい、かつ、発熱体平面にほぼ垂直な方向に向かって前記セラミックブロック体の前記他方の主面にまで達するように前記セラミックブロック体に設けられた孔部に、前記発熱体に接続された導電材を配置して形成されたリード引出部と、該リード引出部における前記押圧方向の両端部のうち、発熱体側とは反対側の端部で、かつ、前記セラミックブロック体の前記他方の主面に設けられた電極取出部と、該電極取出部に接触する主面を有し、該主面が前記セラミックブロック体の他方の主面に当接するホルダと、を備えていることを特徴とする。
【0021】
即ち、垂直にリード引出部を備えて、ホルダの裏面側に電極取出部を備えれば、この部分は他部材に接合するため、他部材側に熱が逃げることによって放熱性に優れ、発熱体からの距離を小さくしても十分に電極取出部の温度を低くできる。そのため、従来例のようなセラミックヒータの張出部をなくして小型化することができるのである。これにより、ベアチップ間の狭いスペースでのベアチップ実装を可能とし、また冷却装置をなくすことができる。
【0022】
また、本発明者等は、鋭意検討した結果、前記第2の課題を解決するために、上記セラミックブロック体に発熱体を内蔵するとともに、制御用熱電対を上記セラミック体の裏側もしくは側面から挿入し、発熱体近傍にて測温すればよいことを見出した。
【0023】
即ち、本発明によれば、制御用熱電対をセラミックブロック体の裏側もしくは側面から挿入し、発熱体中央部近傍で測温することにより物当たり等による熱電対の外れを防止できる。なお、熱電対取り付け部を従来の穴形式から、溝形式に変えることにより、熱電対の取り付け状況を目で確認しながら熱電対を確実に取り付けることも可能となる。
【0024】
さらに、従来方式に比べ熱電対を発熱部、あるいは使用部位(ヘッド)に近づけることができるので、急速昇温時ヘッド表面温度と熱電対による測温温度の差異を小さくすることが可能となる。
【0025】
また本発明は、上記の押圧加熱型ヒータであって、線径0.2mm以下の熱電対を備えたことを特徴とする。即ち、本発明によれば、ヒータ又はヘッドに熱容量の小さい細い径の熱電対を用いることにより、ヒータの急速昇温に追随できるようにしたものである。
さらに、本発明は、上記の押圧加熱型ヒータであって、ヒータ又はヘッドの熱電対取り付け部にあらかじめ金属を埋め込んでおき、直接熱電対を溶接することによって、熱電対の取り付け強度、急速昇温追従性を向上させようとするものである。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態をボンディング用ヒータを例にとって説明する。
【0027】
図1のボンディング用ヒータは、低熱伝導セラミックスからなるホルダ3に凹部3aを形成し、一方、加熱部を成すセラミックヒータ2に高熱伝導セラミックスからなるヘッド1を接合してセラミックブロック体9を構成し、このセラミックブロック体9を上記ホルダ3の凹部3aに保持したものである。
【0028】
このボンディング用ヒータを使用する場合は、ホルダ3のヘッド1と反対側の下面3bを他部材に当接させて保持し、セラミックヒータ2中に埋設した発熱抵抗体2aに通電発熱した状態で、ヘッド1上面の当接面1aを半導体ベアチップに押し当てて、加熱しながら応力を加え、基板上に半田バンプで接合する。
【0029】
このとき、ヘッド1は高熱伝導セラミックスからなるため、セラミックヒータ2の熱を良好に伝えることができ、急速昇温が可能となる。またヘッド1の当接面1aがセラミックスからなるため、耐摩耗性に優れ、摩耗や変形することなく長期間使用することができる。しかも、ホルダ3は低熱伝導セラミックスからなるため、セラミックヒータ2の熱がホルダ3側から逃げることを防止し、加熱効率を向上できる。
【0030】
また、加熱時には、ホルダ3に圧縮応力が加わるが、セラミックスからなるために弾性変形することなく確実に応力を伝達することができる。しかも、ホルダ3の下面3bとヘッド1の当接面1aの間は優れた平行度とする必要があるが、全ての部材がセラミックスからなるため、高い平行度を維持することができる。
【0031】
さらに、図1(b)に示すように、セラミックヒータ2は、二つの成形体2b、2c間に発熱抵抗体2aを挟み込んで一体焼成したものであり、しかもセラミックヒータ2がヘッド1とホルダ3間に挟み込まれていることから、昇温、降温を繰り返して熱サイクルが加わっても、発熱抵抗体2aが剥離したり断線することを防止できる。
【0032】
また、この発熱抵抗体2aに通電するためのリード引出部24は、セラミックヒータ2を成す一方の成形体2bに貫通孔(孔部)2dを形成し、この中に導電ペーストを充填して形成したものである。そのため、蛇行状に形成された発熱抵抗体2aは、押圧方向に対してほぼ垂直な平面状に形成され、この発熱抵抗体2aの成す平面に対してほぼ垂直に、即ち押圧加熱方向とほぼ平行にリード引出部24が形成されることになる。
【0033】
そして、上記リード引出部24の端部に電極取出部25を備えれば、この電極取出部27はホルダ3の下面3b側に存在するので、使用時には下面3bが他部材と接触して良好に熱を逃がすことにより、電極取出部25近傍が高温となることを防止できる。
【0034】
ここでヘッド1を成す高熱伝導セラミックスとは、ホルダ3よりも熱伝導率の高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以上のものを用いる。なお、本発明における熱伝導率は、レーザーフラッシュ法により常温で求めたものである。
【0035】
また、ヘッド1の当接面1aは半導体ベアチップ等の被加熱物と接触することから、耐摩耗を高めるために、ヘッド1の材質として荷重500gでのビッカース硬度が10GPa以上のセラミックスを用いることが好ましい。さらに、当接面の欠けを防止するためには、JISに規定する3点曲げ強度が300MPa以上、圧痕法で測定した靱性値(K1C)が4MPa・m1/2 以上のセラミックスを用いることが好ましい。
【0036】
これらを満足するセラミックスとしては、表1に示すような高熱伝導窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素等のセラミックスがある。高熱伝導窒化珪素質セラミックスは、窒化珪素(Si3 N4 )を主成分とし、周期律表第3a族元素(RE)を酸化物(RE2 O3 )換算で3〜5モル%、アルミニウムが酸化物換算で0.2重量%以下の組成からなり、窒化珪素結晶の平均粒径を5μm以上と大きくするとともに、粒界に周期律表第3a族元素、珪素、及び酸素を含む結晶相を形成することにより、熱伝導率を50W/m・K以上としたものである。
【0037】
また、窒化アルミニウム質セラミックスは、窒化アルミニウム(AlN)を主成分とし、焼結助剤として希土類元素酸化物等を含有するものである。さらに炭化珪素質セラミックスは、炭化珪素(SiC)を主成分とし、B、C又はAl2 O3 、Y2 O3 等の焼結助剤を含有するものである。
【0038】
これらの高熱伝導セラミックスの中でも、特にビッカース硬度が10GPa以上、曲げ強度が300MPa以上、破壊靱性値が4MPam1/2 上のものを用いれば、当接面の欠け等を防止する効果を高くでき、具体的には高熱伝導窒化珪素質セラミックスが最適である。
【0039】
また、これまでの説明で、セラミックヒータ2とホルダ3を別々に形成するとしたが、これらを一体的に形成しても構わない。あるいはヘッド1の部分は高熱伝導性セラミックスで構成するのが好ましいが、これらも含めて全て一体となるよう同時焼成しても構わない。これらについても、本発明の範疇から外れるものではない。
【0040】
【表1】
【0041】
また、ヘッド1の当接面1aは被加熱物と密着し均一に熱を加えるために平坦な面とする必要がある。具体的には、当接面1aは、表面粗さ(中心線平均粗さ:Ra)0.5μm以下、平坦度1〜5μmとし、ホルダ3下面との間の平行度を2〜5μmとすることが好ましい。
【0042】
さらに、ヘッド1の厚みtは0.5〜5mmとすることが好ましい。これは、厚みtが5mmを越えると熱容量が大きくなりすぎて昇温特性が悪くなり、一方0.5mm未満であると均熱性が維持しにくくなるためである。
【0043】
次に、ホルダ3を成す低熱伝導セラミックスとは、ヘッド1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。
【0044】
具体的には、表2に示すような低熱伝導窒化珪素、アルミナ、ジルコニア等を用いることができ、その他さまざまなセラミックスを用いることができる。
【0045】
低熱伝導窒化珪素質セラミックスは、窒化珪素(Si3 N4 )を主成分とし、Al2 O3 、Y2 O3 等を焼結助剤として含有するものである。またアルミナセラミックスは、Al2 O3 を主成分とし、SiO2 、MgO、CaO等を焼結助剤として含有するものである。さらにジルコニアセラミックスは、ZrO2 を主成分とし、Y2 O3 、MgO、CaO、CeO2 等を安定化剤として含有するものである。また、ジルコニアセラミックについては、強度及び靱性を考慮し、TZP等の部分安定化ジルコニアを使用するとよい。
【0046】
【表2】
【0047】
次に、セラミックヒータ2は、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム等のセラミックスの成形体2cに、タングステン(W)モリブデン(Mo)等の高融点金属の単体あるいは炭化物、窒化物等からなるペーストをスクリーン印刷法等を用いて印刷し発熱抵抗体2aを形成する。
【0048】
リード引出部24は、別途用意した成形体2bにφ1mm程度の貫通孔2dを少なくとも1個以上形成し、タングステン(W)モリブデン(Mo)等の高融点金属の単体あるいは炭化物、窒化物等からなるペーストを前記貫通通孔2dに充填し発熱抵抗体2aと電気的接続させる為のリード引出部24を形成する。
【0049】
発熱抵抗体2aを印刷した成形体2cとリード引出部24を形成した成形体2bを積み重ねてホットプレス焼成を行いセラミックヒータ2を得る。
【0050】
ここで、成形体2b、2cはプレス成形以外に、テープ成形等の手法を用いて形成しても問題なく、その場合、発熱体を印刷したテープとリード部を形成したテープを加圧密着させたのち焼成してセラミックヒータ2を得ることも可能である。
【0051】
これらヘッド1、セラミックヒータ2、ホルダ3のそれぞれの接合構造としては、接着剤等を用いた接合、機械的な接合、焼成収縮を利用した接合等さまざまな手段をとることができる。
【0052】
例えば、セラミックヒータ2とヘッド1の間は、接着剤を用いて接合している。この接着剤としては、ガラス成分を用いることが好ましい。具体的には、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ、酸化珪素、ジルコニア、アルカリ土類酸化物、希土類酸化物のいずれかの組合せからなる組成で、融点が1500〜1800℃の高融点ガラスを用いる。
【0053】
例えばY2 O3 −Al2 O3 系として、Y2 O3 :Al2 O3 =60:40(重量%)で融点が1760℃のガラス成分を用いる。あるいは、Si3 N4 −Y2 O3 −Al2 O3 系として、上記Y2 O3 −Al2 O3 の組成にSi3 N4 を5モル%加えることによって、融点を下げた組成のガラス成分を用いることもできる。さらに、Si3 N4 −SiO2 −RE2 O3 (REは希土類元素)系として、Si3 N4 :(SiO2 +Y2 O3 )=5:95(モル%)でSiO2 :Y2 O3 =2:1(モル%)となるように調合したガラス成分を用いることもできる。
【0054】
さらに、これらのガラス成分からなる接着剤を接合部分に塗布後両者を密着し熱処理する事によりヘッド1とセラミックヒータ2を一体化する。この際、温度及び時間等の調整により、ガラス成分をセラミックス中に拡散させることによって、より接合強度を高めることができる。
【0055】
また、上記ガラス成分からなる接着剤中に、AlN等の高融点で熱伝導率の高い粒子を混入させることもできる。このようにすれば、AlN等の粒子がセラミックヒータ2とヘッド1間に存在して、両者間の熱伝導性を向上させるとともに、熱膨張差による界面応力はガラス成分で緩和することができる。
【0056】
また、接着剤として金属アルミニウムを用いることもできる。例えば、アルミニウム箔を挟んで熱処理すれば、ヘッド1又はセラミックヒータ2を構成するSi3 N4 、あるいは雰囲気の窒素ガスと反応してAlN系サイアロンを形成することにより、接合することも可能である。
【0057】
なお、以上のような接着剤の厚みは1〜200μmの範囲とすることが好ましい。
【0058】
また、ホルダ3とセラミックヒータ2の間は、焼成収縮を利用した接合としてある。具体的には、セラミックヒータ2及びヘッド1側を通常焼成した後熱間静水圧加圧(HIP)処理しておき、常圧焼成した後のホルダ3の凹部に上記のセラミックヒータ2とヘッド1を配置し、全体をHIP処理すれば、ホルダ3側が収縮してセラミックヒータ2とヘッド1を挟み込んで強固に保持することができる。
【0059】
この場合、セラミックヒータ2とヘッド1を挟まずにホルダ3のHIP処理を施した場合の凹部の幅と、セラミックヒータ2及びヘッド1の幅との差が、HIP収縮による挟み代となるが、この挟み代が200μm以下となるように設定しておくことが好ましい。より好適には、ホルダ1側のHIP処理時の収縮量を95〜99.8%とし、上記挟み代が10〜50μmとなるように設定しておくことが最適である。
【0060】
以上の実施形態では、半導体ベアチップの接合に用いるボンディング用ヒータを例にとって説明したが、本発明の押圧加熱型セラミックヒータはこの用途に限るものではない。即ち、被加熱物に接触し加熱するようなヒータであればさまざまな用途に適用することができ、具体的にはFPC(Flexible Print Cable)等の半田接続、半導体パッケージキャップのシール、レーザーヘッド等の光学系ヘッドのキャンシール、チップ接続のリワーク等に用いることができる。
【0061】
次に、本発明の他の実施形態をボンディング用ヒータを例にとり図2を用いて説明する。ボンディング用ヒータ10は、低熱伝導セラミックス等の熱伝導率の低い材質からなるホルダ3に凹部3aを形成し、一方、発熱抵抗体2aを埋設したセラミックヒータ2に高熱伝導セラミックスからなるヘッド1を接合しておいて、これらのセラミックヒータ2及びヘッド1からなるセラミックブロック体9を上記ホルダ3の凹部3aに保持したものである。
【0062】
そして、図2に示すように熱電対4をホルダ3後部より導入し、ホルダ3を貫通し裏面に穴4aをあけて内部に熱電対4を挿入し、アルミナセメント5で接着固定するようにしており、物当たりや引っ張りの力がかからなくなるため、熱電対4の固定の信頼性を上げることが可能となった。
【0063】
また、図3、4に示すように、ホルダ3に形成する穴4aに連続して溝4bを形成し、この溝4bに熱電対4を保持することもできる。
【0064】
あるいは、図5、6のようにヘッド1が分離するタイプでは、セラミックヒータ2に熱電対4を取り付けてもよい。
【0065】
このような熱電対4の取付方式により、従来ヒータ2の発熱部の外周部に設けていた熱電対4取り付け用の穴4aを、ヒータ2の当接中心部の直近に設置することが可能となり、熱電対4取り付け部となる穴4aとヘッド1の当接面1aの中心部の温度差を小さくすることが可能となり、正確な制御が可能となる。しかも、熱電対4の保持の信頼性が向上するので、熱電対4のずれや外れによるセラミックヒータ2の昇温途中の突発的な過昇温を防止することができる。
【0066】
また、熱電対4の素材において、従来は図7に示すような外径1.3mmのシース型熱電対6、もしくは図8に示すような線径が0.5mm程度の熱電対素線8からなる熱電対4をヘッド1もしくはヒータ2に設けた穴4aに挿入固定していたが、急速昇温用のセラミックヒータ2においては熱電対4自身の熱容量が大きすぎて、セラミックヒータ2の昇温に対する応答性が悪かった。
【0067】
そこで、本発明では、前記熱電対4として、ガラス編組の熱電対4で線径0.2mm以下の熱容量の小さいものを用いることにより急速なヒーターの昇温速度に追従出来るようにした。
【0068】
また、本発明の他の実施形態として、図9に示すように、熱電対4の取り付け強度、温度追従性を高めるために、セラミックヒータ2及び/又はヘッド1に熱伝導性の良い金属材12をあらかじめ内蔵させて、その金属材12に直接熱電対4をスポット溶接することもできる。例えば、ヘッド1の製造工程で、焼成前に熱電対4の取り付け部に、プレスまたは切削加工により熱電対4の取り付け部となる穴を設け、その中にタングステン等の高融点金属を主成分とするメタライズペーストを印刷、埋め込み等の手法で充填し、その後一体焼成することによって、金属材12を内蔵したヘッド1を得ることができる。
【0069】
また、同材質の金属材12を埋め込み、一体焼成することにより金属材12を形成しても良い。なお、別製法として焼成後のヘッド1に、切削加工で熱電対4の取り付け部となる穴4aを設け、その中に熱伝導に優れた金属材12を、活性金属法によりロウ付けしたものを用いてもよい。
【0070】
そして、前述の方法でヘッド1に設置された伝導性に優れた金属材12にスポット溶接等の方法により、直接熱電対4を取り付けることにより、取り付け強度と熱追従性を向上させることが可能となる。なお、金属材12の取り付け部は、ヘッド1に限らず、同様の製法によりセラミックヒータ2に設けても良い。
【0071】
また、図2〜9に示すボンディングヒータにおいても、ホルダ1、セラミックヒータ2、ヘッド3、接合用ガラス、セラミックヒータ2の発熱抵抗体2a等の材質は、図1に示す実施形態と同様である。
【0072】
このボンディング用ヒータ10を使用する場合は、ホルダ3の凹部3aを不図示の他部材に当接させて保持し、発熱抵抗体2aに通電発熱した状態で、図13に示すようにヘッド1先端の当接面1aの中心を半導体チップ21に押し当てて、加熱しながら応力を加え、基板20上に半田バンプ22で接合する。
【0073】
【実施例】
実施例 1
本発明の実施例として、図1に示すボンディング用ヒータを試作した。ヘッド1の材質として表1の高熱伝導窒化珪素3を用い、焼成後HIP処理を行い、幅24mm、長さ24mm、厚さ3mmとした。また、ホルダ3の材質として表2の低熱伝導窒化珪素1を用い、幅24mm、長さ34mmとした。
【0074】
さらにセラミックヒータ2として、窒化珪素質セラミックスからなる成形体2cに、WCを主成分とするペーストを用いて、スクリーン印刷法により発熱抵抗体2aを形成し、また、リード引出部24としてφ1mmの貫通孔2dを陽極陰極側それぞれに各1ケづつ形成し、WCを主成分とするペーストを充填したものを組み合わせホットプレス法にて焼結させ、HIP処理後、幅24mm、長さ24mm、に研削加工した。
【0075】
セラミックヒータ2の厚みは、リード引出部24の長さが20、15、10、5mmになるように研削加工をした。リード引出部24の長さは、図1に示す2bの成形体の厚みに相当する。これらを上述したように接合して本発明の実施例のボンディング用ヒータを得た。
【0076】
また、比較評価のため、図14に示す従来のボンディング用ヒータを作製した。
【0077】
ヘッド3の材質として表1の高熱伝導窒化珪素3を用い、焼成後HIP処理を行い、幅24mm、長さ24mm、厚さ3mmとした。また、ホルダ1の材質として表2の低熱伝導窒化珪素1を用い、幅24mm、長さ34mmとした。さらにセラミックヒータ2として、窒化珪素質セラミックスからなる成形体2b、2dに、WCを主成分とするペーストを用いてスクリーン印刷法により発熱抵抗体2a及びリード引出部24を形成したものを内挿し、ホットプレス法にて焼結させHIP処理後、幅24mm、厚み2mmに研削加工したものを用意した。ヒータ長さは、リード引出部24の長さが20、15、10、5mmになるように研削加工した。
【0078】
これらを上述したように接合して本発明及び比較例のボンディング用ヒータを得た。そして、ヘッド1の当接面1aが500℃付近で飽和するような電力をセラミックヒータ2に印加し、電極取出部25の温度の測定を行った。
【0079】
結果は表3に示した。表3から判るように、比較例に比べ、本発明実施例は、空冷等の冷却手段をとらなくても電極取出部25の温度を低くできることが判る。また、本発明実施例において、リード引出し部5の長さを10mm以上としておけば、電極取出部25の温度を十分に低くできることが判る。
【0080】
【表3】
【0081】
実施例 2
本発明実施例として、図3のようにホルダ3の後部からヘッド1の裏面まで貫通するφ2mmの穴4aを設け、その穴4aを通し熱電対4の先端部を、実際に半導体チップ21が当たるヘッド1の当接面中心部1aに設置したものと、従来例として、図10に示すようにヘッド側面に直径が1mmで深さ3mmの熱電対4の取り付け部となる穴を設け、その穴4aに熱電対4を設置したものを用い、それぞれヘッド1の当接面1aと熱電対4の昇温速度測定結果を図15に示す。なお、熱電対4はいずれも0.2mmΦのものを使用している。
【0082】
結果は、図15(a)に示すように、従来例では、熱電対4の測温が遅れてしまうために、急速昇温時にヘッド1の表面温度がオーバーシュート現象を起こしていることが判る。このためチップに過剰な温度負荷が掛かって半導体チップ21を損傷する危険性、およびヒータ2の過昇温を招きヒータ2の寿命を短くする危険性がある。これに対し、本発明実施例では、図15(b)に示したように、ヘッド1の表面温度と穴4aに設置した熱電対4の温度の差異が従来例に比べ小さく抑えられていることがわかる。
【0083】
本発明の方式では、熱電対4による測温温度とヘッド1の表面温度に大きな差異が生じないので、半導体チップ21のボンディングに要求される正確な温度制御が可能となった。
【0084】
実施例 3
また、熱電対4の選定実施例として、従来のタイプとして、図7に示す1.3mmΦのステンレス保護管内に熱電対4の素線を配し隙間にマグネシア等を充填して絶縁した構造のシース型熱電対6と、図8に示す0.5mmΦの素線にガラス編組被覆層を設けた熱電対4の2種類と、本発明実施例として、0.2mmΦと0.1mmΦの素線にガラス編組被覆層を設けた熱電対4の合計4種類の熱電対4を用いて、図4に示す熱電対4の取り付け部となる穴4aに設置し、ヘッド1の当接面1aとともに各々の熱電対4の昇温速度を測定比較した。
【0085】
結果は図16(a)および(b)に示すように、シース型熱電対6と0.5mmΦの素線にガラス網組被覆層を設けた熱電対4を使用したものは、熱電対4の昇温が遅れてしまうために、急速昇温時にヘッド1の表面温度がオーバーシュート現象を起こしていることが判った。このためヘッド1が過昇温することにより半導体チップ21を損傷したり、ヒータ2の寿命を短くする危険性がある。
【0086】
これに比べ、本発明による0.2mmΦ又はび0.1mmΦの熱電対4を使用したものは、図16(c)に示すように、急速昇温課程においてもヘッド1の表面温度と穴4aに設置された熱電対4の測定温度の差異が小さく抑えられていることが判った。
【0087】
以上の結果から、温度測定用の熱電対4の素線の径を0.2mmΦ以下にすることにより、熱電対4の取り付け部となる穴4aに設置された熱電対4の測定温度とヘッド1の表面温度に大きな差異がないためチップボンディングに要求される正確な温度制御が可能となった。
【0088】
実施例 4
次に、図9に示すようにヘッド1に金属材12を備え、熱電対4を直接スポット溶接したものの取付強度および昇温追従性を、従来のものと比較した。全体厚みが5mmのヘッド1側面部位に、成形時に幅2mm、高さ1mm、深さ0.5mmの凹部をあらかじめ設けておき、その部分にタングステン、タングステンカーバイド、モリブデン、またはそれらの合金からなるペーストを焼成前に印刷もしくは充填することによって、金属材12を備えた。金属材12には、さらに表面にニッケルメッキを施した。その後、φ0.2mmのガラス編組熱電対4を、上記金属層12表面にスポット溶接して固着させたものを試験に供した。
【0089】
試験方法は、温度コントロール設定温度を300℃としたときの、ヘッド1の当接面1aの中心部の温度、および金属材12に接合した熱電対4による測定温度の昇温特性を測定して、従来方式との比較を行った。
【0090】
結果は図17(a)に示すように、従来のタイプは熱電対4の昇温が遅れてしまうために、急速昇温時にヘッド1の表面温度がオーバーシュート現象を起こしていることが判る。このためチップ1が過昇温することにより半導体チップ21を損傷したり、ヒータ2の寿命を短くする危険性がある。これに対し、本発明による金属材12にスポット溶接したφ0.2mmの熱電対4では、図17(b)のように、急速昇温課程においても、ヘッド1の表面温度と金属材12に接合された熱電対4の測定温度の差異が、従来例に比べ小さく抑えられていることが判る。
【0091】
上記の結果から、本発明の方式では、熱電対4の測定温度とヘッド1の表面温度に大きな差異がないためチップボンディングに要求される正確な温度制御が可能となった。
【0092】
【発明の効果】
本発明によれば、2つの主面を有し、一方の主面が被加熱物に当接させる当接面であるセラミックブロック体と、該セラミックブロック体の内部に埋設され、前記押圧方向とほぼ垂直な平面状の発熱体と、該発熱体から前記セラミックブロック体の他方の主面側に向かい、かつ、発熱体平面にほぼ垂直な方向に向かって前記セラミックブロック体に設けられた孔部に、前記発熱体に接続された導電材を配置して形成されたリード引出部と、該リード引出部における前記押圧方向の両端部のうち、発熱体側とは反対側の端部に設けられた電極取出部と、該電極取出部に接触する主面を有し、該主面が前記セラミックブロック体の他方の主面に当接するホルダと、を備えていることにより、ベアチップ間の小スペースでのベアチップ実装が可能となり、半導体パッケージの更なる高密度実装が可能となる。また、電極取出部の温度上昇を防ぐことが冷却構造なしに可能となるので、電極取出部の信頼を向上させることができる。
【0093】
また、本発明は、半導体ベアチップ等を基板上にダイレクトボンドするための押圧加熱型ヒータであって、上記セラミックブロック体に発熱体を内蔵するとともに、制御用熱電対を上記セラミックブロック体の裏側もしくは側面から挿入し、発熱体近傍にて測温することによって、ヒータ加熱によるヘッド部分の温度変化を応答性良く検知し、作動中の温度サイクルや物当たりなどの応力に対する熱電対の外れを防止できる。また、これにより、ヒータ部の過昇温による半導体チップの破損やヒータの断線を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明の押圧加熱型セラミックヒータを示す斜視図、(b)は(a)中のセラミックヒータのみの分解斜視図である。
【図2】本発明の押圧加熱型セラミックヒータの熱電対取り付け構造を示す断面図である。
【図3】本発明の押圧加熱型セラミックヒータの熱電対取り付け構造を示す別の断面図である。
【図4】本発明の押圧加熱型セラミックヒータの熱電対取り付け構造を示す別の断面図である。
【図5】本発明の押圧加熱型セラミックヒータの熱電対取り付け構造を示す別の断面図である。
【図6】本発明の押圧加熱型セラミックヒータの熱電対取り付け構造を示す別の断面図である。
【図7】シース型熱電対を示すの断面図である。
【図8】ガラス網組被覆熱電対を示す斜視図である。
【図9】本発明の押圧加熱型セラミックヒータの熱電対取り付け構造を示す別の断面図である。
【図10】従来の押圧加熱型セラミックヒータの熱電対取り付け構造を示す断面図である。
【図11】従来の押圧加熱型セラミックヒータの熱電対取り付け構造を示す別の断面図である。
【図12】従来の押圧加熱型セラミックヒータの熱電対取り付け構造を示す別の断面図である。
【図13】押圧加熱型セラミックヒータの使用状態を示す図である。
【図14】(a)は、従来の押圧加熱型セラミックヒータを示す斜視図、(b)は(a)中のセラミックヒータの分解斜視図である。
【図15】(a)(b)は、本発明実施例および比較例の立上り時の温度変化を示すグラフである。
【図16】(a)(b)(c)は、本発明実施例および比較例の立上り時の温度変化を示すグラフである。
【図17】(a)(b)は、本発明実施例および比較例の立上り時の温度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
1:ヘッド
1a:当接面
2:セラミックヒータ
2a:発熱抵抗体
2b:成形体
2c:成形体
2d:貫通孔
3:ホルダ
4:熱電対
4a:穴
5:セラミックセメント
6:シース型熱電対
7:マグネシア充填物
8:熱電対素線
9:セラミックブロック体
10:ボンディング用ヒータ
12:金属材
20:基板
21:半導体チップ
22:半田バンプ
24:リード引出部
25:電極取り出し部
Claims (4)
- 配線層を有する基板上に、下面に電極を備えた半導体ベアチップを載置し、該半導体ベアチップを上面側から押圧加熱して前記基板に接続するための押圧加熱型セラミックヒータにおいて、
2つの主面を有し、一方の主面が被加熱物に当接させる当接面であるセラミックブロック体と、
該セラミックブロック体の内部に埋設され、前記押圧方向とほぼ垂直な平面状の発熱体と、
該発熱体から前記セラミックブロック体の他方の主面側に向かい、かつ、発熱体平面にほぼ垂直な方向に向かって前記セラミックブロック体の前記他方の主面にまで達するように前記セラミックブロック体に設けられた孔部に、前記発熱体に接続された導電材を配置して形成されたリード引出部と、
該リード引出部における前記押圧方向の両端部のうち、発熱体側とは反対側の端部で、かつ、前記セラミックブロック体の前記他方の主面に設けられた電極取出部と、
該電極取出部に接触する主面を有し、該主面が前記セラミックブロック体の他方の主面に当接するホルダと、を備えていることを特徴とする押圧加熱型セラミックヒータ。 - 前記セラミックブロック体の裏側もしくは側面から挿入され、発熱体近傍にて測温するようにした制御用熱電対を備えた請求項1記載の押圧加熱型セラミックヒータ。
- 前記制御用熱電対の線径が0.2mm以下である請求項2記載の押圧加熱型セラミックヒータ。
- 前記セラミックブロック体の熱電対取り付け部に金属材を埋め込み、この金属材に熱電対を溶接した請求項3記載の押圧加熱型セラミックヒータ。
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