JP3898630B2

JP3898630B2 - 押圧加熱装置

Info

Publication number: JP3898630B2
Application number: JP2002346576A
Authority: JP
Inventors: 尚文鶴丸
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2002-11-28
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2022-11-28
Also published as: JP2004179558A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体プロセスに用いられ、例えば、半導体チップ等の被加熱物を回路基板上にフリップチップ実装する際に用いるダイボンディングセラミックスヒータ等として利用される押圧加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体チップを回路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実装する場合、例えば裏面側に当接する半田等のバンプを配した半導体チップを押圧加熱装置で吸着し、基板の所望の位置に搭載する。その後、半導体チップの表面を押圧加熱することで基板に半田バンプが溶融し接合することができる。
【０００４】
ここでフリップチップ接続用の押圧加熱装置に求められる特性としては、まず使用する接着剤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。また、生産効率の点から、予め定められた規定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り、また、実装後の半導体チップの信頼性から、半導体チップの表面である加熱面の全領域の温度分布が均熱である必要がある。
【０００５】
従って、このために半導体チップの押圧加熱は、直接ヒータで行うのではなく、高熱伝導率のツールによりヒータ面に真空吸着し、ツール面において急速昇温、降温を行いながら均熱性を確保したのち、半導体チップを基板上に押圧加熱実装される。
【０００６】
そこで、急速な昇温、降温を行うフリップチップ接続用パルス型ヒータとしての押圧加熱装置が特許文献（例えば特開２００１−３３２５８９号公報）に開示されている。
図４に示すように、押圧加熱装置Ｙは、不図示の基板に搭載した半導体チップの表面に当接するセラミック製のツール１１とその下面全域に当接するセラミックスヒータ１２と、その下面に配した断熱材１３及びベース１４とから構成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年の技術進歩に伴って装置の高機能化となってきているが、実装される半導体チップのサイズもさまざまなものが利用されるようになり、半導体チップのサイズに併せて高熱伝導性のツールもさまざまなサイズのものが使用する必要が生じている。
【０００８】
従って、半導体チップを加熱するツール１１も半導体チップのサイズが変わる毎にツール１１の均熱化のために半導体チップのサイズに合ったツール１１に変更しなければならず、このツール１１の交換も頻繁になってきた。但し、ツール１１の変更時に、ツール１１の全領域の温度分布が均一となるためにはツール１１とセラミックヒータ１２との位置関係を正確に行う必要があり、ツール１１の交換毎にＣＣＤカメラ等でツール１１自身の位置関係を調整する必要があった。
【０００９】
また、ツール１１の交換時には、ツール１１の真空吸着を止めるために、不慮の落下によるツール１１が破損する等の問題があった。
【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、ツール交換時にツール自身の位置確認が不要であり、さらに、ツール交換時の真空吸着を止めた場合のツールの不慮の落下による破損を防止することのできる押圧加熱装置を見いだした。
【００１１】
すなわち、本発明の押圧加熱装置は、ベース上に備えた断熱材と、該断熱材上に備えた吸引手段を有する板状のセラミックヒータと、該セラミックヒータの熱を被加熱物に伝導させる高熱伝導性のツールとからなり、前記セラミックヒータの吸引手段により前記ツールを吸引保持してなり、前記ツールは、前記セラミックヒータに当接する板状の第１部材と、該第１部材上に形成され、前記被加熱物に当接する第２部材とからなり、前記セラミックヒータの側面と前記第１部材の側面とが同一平面となるように、前記各側面に当接する１つ又は複数の位置決め部材を備え、前記位置決め部材の少なくとも１つは、前記第１部材の側面から主面にかけて当接していることを特徴とする。
【００１２】
前記第１部材の側面から主面にかけて当接している前記位置決め部材が複数設けられ、これらのうちの少なくとも２つの位置決め部材が前記ツールを介して対向する位置に配設されているのが好ましい。また、前記第１部材の側面から主面にかけて当接している前記位置決め部材は、前記第１部材の前記主面に当接している箇所の厚みが前記第２部材の厚みよりも薄いことがより好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図１〜図３を用いて説明する。図１は、本発明の押圧加熱装置の全体を示す斜視図、図２は分解斜視図、図３はツールの交換を行う際の交換方法を説明するための図である。
【００１４】
本発明の押圧加熱装置Ｘは、図１、図２に示すように、吸引孔８を有するベース４の一方主面に真空吸着用の第１吸引孔８ａを有する断熱材３と、断熱材３上に第１吸引孔８ａと連通した第２吸引孔８ｂ（吸引手段）を有した板状のセラミックヒータ２と、セラミックヒータ２の熱を被加熱物に伝導する高熱伝導性のツール１とからなり、セラミックヒータ２の第２吸引孔８ｂでツール１を吸引保持している。
【００１５】
ベース４としては、ツール１を除く各部品を統合し他部材に結合する為に用いられ、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が通常使用されている。
【００１６】
断熱材３は、ベース４上に設置される平板状の設置基板３０と、セラミックヒータ２の熱を遮断する四角柱状の冷却部３１とからなり、いずれも吸引孔８から連通した第１吸引孔８ａが中央に形成され、吸引孔８ａの両端には冷却用のガスが通過する溝部３２を有する。冷却部３１は低熱伝導性のセラミック、例えば、気孔率３０％以下のセラミックスが用いられ、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ことが好ましい。この低熱伝導性のセラミックスを用いる理由は、セラミックヒータ２からベース４側への熱伝導を極力抑えることにより、ベース４側が膨張してボンディングの位置精度が低下することを防止することができるとともに、セラミックヒータ２の熱を主としてツール１側に伝熱させて伝達効率を向上させることができるからである。
【００１７】
上記気孔率を持ったホルダ３の製法としては、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。また、ホルダ３として気孔率０％の緻密体質のセラミックスを用いる場合、熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以下と極めて小さいフッソ金雲母系からなるマシナブルセラミックスを用いることが望ましい。このマシナブルセラミックスは、一般のセラミックスに比較して、容易に切削加工することができる。一般には、断熱材３は、研削加工で所望の形状とし、冷却用連通穴８、９は、超音波加工機で加工する。
【００１８】
セラミックスヒータ２は、板状に形成された概略四角形の平面形状となっており、その中央に第１の吸引孔８ａに連通した吸引手段である第２の吸引孔８ｂを有し、内部に不図示の発熱体が埋設された加熱部２ａ、その発熱体に電力を供給するリード部２ｂ、ネジにより断熱材３と連結する連結部２ｃとからなる。
この加熱部２ａ、リード部２ｂ、連結部２ｃは、ともに一体的に形成したセラミックス材料より構成されており、セラミックスとして、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く、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ても良い。
【００１９】
セラミックスヒータ２の製造例として、窒化珪素の粉末と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、スラリーを作製する。そして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時間乾燥し、その後に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に形成し、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。
【００２０】
ツール１は、セラミックヒータ２に吸着保持され、セラミックヒータ２から着脱可能に構成されている。具体的には、ツール１はセラミックヒータ２に当接する板状の第１部材１ａと、この第１部材１ａ上に一体的に接合して形成され不図示の被加熱物に当接する第２部材１ｂとからなる。第１部材１ａは第２部材１ｂに比べて平面の面積が大きくなるように形成され、少なくとも第１部材１ａの一側面がセラミックヒータ２の一側面と同一平面Ｚになるようにツール１、セラミックヒータ２の各側面に当接する位置決め部材５を設けている。
【００２１】
なお、本発明では上述のようにツール１の一側面とセラミックヒータ２の一側面とに位置決め部材５が当接するように構成しても良いが、図１に示すようにセラミックヒータ２と互いに交わる２つの平面についても同一平面Ｚとできる複数の位置決め部材５、５を互いに直交する方向に少なくとも３カ所設けた３点支持としても良い。いずれにしても、セラミックヒータ２に吸引保持されるツール１を装着した際に位置決め部材５により簡単で、かつ、正確に位置決めさせることができる。
【００２２】
さらに、図１に示すように断熱材３の冷却部３１についても位置決め部材５により同一平面となるように形成しても良い。これにより製造工程が簡略化させることができる。
【００２３】
この位置決め部材５は、ステンレスや鋼材等からなるものを使用しても良く、又は窒化珪素や窒化アルミニウム、アルミナ等のセラミックスからなるものを使用しても構わない。しかしながら、この位置決め部材５への熱伝導を考えると、比較的比熱が小さなセラミックスからなるものを使用した方が、温度分布を考慮すると有利になる。
【００２４】
さらに、複数の位置決め部材５のうち、ツール１の対向する２辺にはツール１の交換時にツール１を保持するための真空吸着を止めた場合、もしくは装置の誤動作等によりツール１の真空吸着が機能しなくなった場合等に備えて、ツール１が落下することを防ぐための落下防止機能を有する位置決め部材６も形成されている。
【００２５】
この落下防止機能を有する位置決め部材６は、ツール１の第１部材１ａの側面から平面（主面）にかけて当接するカギ状に形成され、ツール１の対向する２辺に設けることでツール１の落下を防止する。その場合、半導体チップ実装時に邪魔とならないように、落下防止機能部分である平面にかけて当接する箇所６ａの厚みは、第２部材１ｂの厚みより薄く形成すると良い。また、平面にかけて当接する部位のエッジは面取りされて第２部材１ｂの接触による破損を防止している。
【００２６】
なお、８ｃは被加熱物を吸着するための吸引孔であり吸引孔８から第１の吸引孔８ａ、第２の吸引孔８ｂを通じて連通して形成されている。
【００２７】
ツール１は被加熱物と当接して押圧するため、高熱電導性のセラミックスが用いられる。例えば、炭化珪素、窒化アルミニウムなどを主成分とする焼結体があげられる。また、このセラミックスの焼成に際して、焼結助剤としてＡｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃などを焼結助剤として含有させることが好ましい。
【００２８】
窒化アルミニウム質焼結体のツール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、上述した、セラミックスヒータ２と同じ製造方法により形成される。
【００２９】
さらに、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。
【００３０】
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、熱伝導性が良い高熱伝導性のもので、熱膨張率が低いもの、例えば、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、熱膨張率が６×１０^-6／℃以下のものが用いられる。または、セラミックスに限定されず熱伝導率が高く、比熱の小さい金属アルミニウムを用いても良い。この場合アルミニウム表面の硬度を上げるために、アルマイト処理等の表面処理をすることが望ましい。
【００３１】
次に、位置決め部材５および落下防止機能を有した位置決め部材６の機能について説明する。位置決め部材５，６は、図１に示すようにツール１の装着時にツール１とセラミックスヒータ２の位置決めを行うためのものであって、断熱材３及びセラミックヒータ２の両同一側面に当接して接合されている。そして、これらの位置決め部材５，６は、図３に示すように配置されており、矢印の方からツール１が挿入される。そのとき、落下防止機能付きの位置決め部材６とその隣りの位置決め部材５とがガイドとなってこれらに摺擦しながらツール１が嵌り込んでいき、このツール１が位置決め部材５に当接して設置が完了する。
【００３２】
かくして、本発明によれば、実装される半導体チップの大きさに関係なく、ツール１の交換時の位置決めが容易となり、さらにツール１の落下を防止することができる。
【００３３】
【実施例】
まず、本発明の実施の形態で示した方法に従って、図１、２に示す構造の押圧加熱装置Ｘを作製した。
【００３４】
なお、高熱伝導のツール１としては、窒化アルミニウム製のものを用いた。ツール１のセラミックスヒータ２に当接する第１の部分１ａは、２４ｍｍ×２４ｍｍ×０．５ｍｍとし、半導体チップに当接する第２の部分１ｂは１２ｍｍ×１２ｍｍ×１．５ｍｍとなるように平面研削盤により加工した。また、半導体チップを吸着する吸引孔８ｃは、超音波加工機により加工した。
【００３５】
位置決め部材５は、ツール１の２４ｍｍ×２４ｍｍの外縁部に当接する位置に１個目を設け、それに直交する外縁に２個目以降を設けた。落下防止機能付き位置決め部６は、ツール１の２４ｍｍ×２４ｍｍの対向する２辺の位置に設け、ツール１の第１部材１ａの幅０．５ｍｍ部分に引っ掛けを設ける形で配置した。
【００３６】
落下防止機能付き位置決め部６は、第２部材１ｂとは接触させず、０．０５ｍｍ程度の隙間を設けた。さらに、ツール１装着時にツール１が落下防止機能部６ａに接触し、ツール１に欠け等の発生がないように落下防止部品６の落下防止機能部６ａは面取りを施した。
【００３７】
位置決め部材５、６の材料としては、耐熱性のあるＳＵＳ３０４を用い、落下防止機能を有する位置決め部材６の落下防止機能部は、ワイヤーカット等にて加工を施し、最後に面取りを行った。
【００３８】
また、セラミックスヒータ２は、Ｙｂ₂Ｏ₃を焼結助剤とする窒化珪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抵抗体としてＷＣインクを印刷し、その上にもう一つの５０ｍｍ角の窒化珪素を重ねて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、加熱部２０はツール１の大きさに合わせて２４ｍｍ×２４ｍｍ×２ｔとし、接合部２１を両サイドに形成した。
【００３９】
さらに電極引き出し用のリード部、真空吸着穴を形成して、セラミックスヒータ２とした。
【００４０】
断熱材３としては、気孔率３０％以下のセラミックスを用いた。ベース４としてはＮｉを多く含有した鋳鉄を冷却部材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。
【００４１】
以上の押圧加熱装置は、ツール１を５回交換した際の位置精度を±３０μｍ以下にすることができ、停電等の不慮の事態においても、ツール１が落下して破損するといった問題を防止できることがわかった。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、ベース上に備えた断熱材と、該断熱材上に備えた吸引手段を有する板状のセラミックヒータと、該セラミックヒータの熱を被加熱物に伝導させる高熱伝導性のツールとからなり、前記セラミックヒータの吸引手段により前記ツールを吸引保持してなる押圧加熱装置において、前記ツールは、前記セラミックヒータに当接する板状の第１部材と、該第１部材上に形成され、前記被加熱物に当接する第２部材とからなり、前記セラミックヒータの側面と前記第１部材の側面とが同一平面上で当接して位置決めされる位置決め部材を備えたために、前記ツールを交換した際のツール設置の位置精度を簡単な方法で向上させることができ、位置調整のための時間を短縮することができる。
【００４３】
また、前記位置決め部材は、前記第１部材の側面から平面にかけて当接することにより前記ツールの落下防止機能を備えたことにより、ツール保持用の真空ポンプが故障するといった不慮の事態に対して、ツールが落下して破損することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の押圧加熱装置の全体を示す斜視図である。
【図２】図１の分解斜視図である。
【図３】ツールの交換を行う際の交換方法を説明するための図である。
【図４】従来の押圧加熱装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ツール
２セラミックスヒータ
３断熱材
４ベース
５位置決め部材
６落下防止機能が付いた位置決め部材

Claims

ベース上に備えた断熱材と、該断熱材上に備えた吸引手段を有する板状のセラミックヒータと、該セラミックヒータの熱を被加熱物に伝導させる高熱伝導性のツールとからなり、前記セラミックヒータの吸引手段により前記ツールを吸引保持してなる押圧加熱装置において、
前記ツールは、前記セラミックヒータに当接する板状の第１部材と、該第１部材上に形成され、前記被加熱物に当接する第２部材とからなり、前記セラミックヒータの側面と前記第１部材の側面とが同一平面となるように、前記各側面に当接する１つ又は複数の位置決め部材を備え、前記位置決め部材の少なくとも１つは、前記第１部材の側面から主面にかけて当接していることを特徴とする押圧加熱装置。
前記第１部材の側面から主面にかけて当接している前記位置決め部材が複数設けられ、これらのうちの少なくとも２つの位置決め部材が前記ツールを介して対向する位置に配設されている請求項１に記載の押圧加熱装置。
前記第１部材の側面から主面にかけて当接している前記位置決め部材は、前記第１部材の前記主面に当接している箇所の厚みが前記第２部材の厚みよりも薄い請求項１又は２に記載の押圧加熱装置。