JP3924425B2

JP3924425B2 - 押圧加熱型ヒーター

Info

Publication number: JP3924425B2
Application number: JP2000360148A
Authority: JP
Inventors: 尚文鶴丸
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-11-27
Filing date: 2000-11-27
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2020-11-27
Also published as: JP2002164151A

Description

【０００１】
【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、被加熱物に接触して加熱、加圧する押圧加熱型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６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、その上面から押圧加熱型ヒーター３０のヘッド３１で加熱しながら押圧することによって、両者に備えた半田バンプ２２を溶融させボンディングしている。
【０００４】
このような押圧加熱型ヒーター３０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に効率よく伝える必要がある。
【０００５】
そこで、押圧加熱型ヒーター３０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が用いられていた。これは、押圧加熱型ヒーター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ーとし、側面もしくは内部にＡｇ−Ｐｄ、Ｐｔ−Ｐｄ等からなる発熱抵抗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）。このような押圧加熱型ヒーター３０に求められる特性としては、まず半導体ベアチップ２１を多層パッケージ基板２０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２１を介して半田バンプ２２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、押圧加熱型ヒーター３０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】
しかしながら、上記の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、ヒーターの熱がホルダー側に逃げやすく、セラミックブロック体側の加熱効率が悪いという問題があった。さらに、厚膜式であるため発熱抵抗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７に示すように、ホルダー４３を低熱伝導セラミックスで構成し、他方、発熱抵抗体４２ａを内部に設けたセラミックヒーター４２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４１を接合してセラミックブロック体となし、このセラミックブロック体を上記ホルダー４３の凹部４３ｂに固定した押圧加熱型ヒーター４０が開発された。
【０００９】
この押圧加熱型セラミックヒーター４０を使用する場合は、発熱抵抗体４２ａに通電発熱した状態で、セラミックブロック体のヘッド４１の当接面４１ａを加熱したまま半導体ベアチップ２１に押し当てて、基板２０上に半田バンプ２２で接合するようにしたものである。この押圧加熱型ヒーター４０はヘッド４１を高熱伝導セラミックスで、ホルダー４３を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】
最近は、さらにホルダー４３側への熱の逃げによるホルダー４３側の他部材の熱膨張収縮により歪が発生し、正確なボンディング作業ができないという課題が発生した。この問題への対策として、特開平１１−１０２９３５号公報には、図８に示すようにセラミックホルダー５３とセラミックヒーター５２とセラミック圧子（ヘッド）５１とを一体化させ、セラミックホルダーに冷却用のスリット５４を設けた押圧加熱型ヒーター５０が提案されている。この押圧加熱型ヒーター５０は、ツール５５に固定されたセラミックホルダー５３にスリット５４を形成することにより、セラミックヒーター５２からセラミックホルダー５３側に移動する熱量を抑制して、効率的にセラミックヘッド５１側を加熱しようとするものであった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この押圧加熱型ヒーター５０においては、セラミックホルダー５３に冷却用のスリット５４を設けているが、このスリット５４の長手方向が、図８に示されているように加圧方向に対して直交している為、加圧の荷重によりセラミックホルダー５３が撓み、加熱加圧時にセラミックヘッド５１に位置ずれが発生するため、高精度の半導体ベアチップ２１のボンディングを困難なものとしていた。
【００１２】
さらに、セラミックヘッド５１、セラミックヒーター５２、セラミックホルダー５３に熱伝導率の差がない為、半導体ベアチップ２１への熱供給量とほぼ同量の熱量がセラミックホルダー５３側に伝熱してしまい、押圧加熱型ヒーター５０の急速昇温を困難にしていた。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被加熱物に接触させるセラミックヘッドと、これを加熱するセラミックヒーターと、これらを保持するセラミックホルダーとを有する押圧加熱型ヒーターにおいて、前記セラミックホルダーに複数の空隙を形成するとともに、該空隙の断面の縦方向長さｐと前記空隙の断面の横方向長さｑの比ｐ／ｑが０．５〜２であり、前記縦方向長さｐと前記空隙の縦方向間隔ｒとの比ｐ／ｒが０．５〜２であり、かつ、前記横方向長さｑと前記空隙の横方向間隔ｓとの比ｑ／ｓが０．５〜２であることを特徴とする。
【００１４】
また、前記空隙の断面の縦方向長さｐと横方向長さｑが略等しいことが好ましい。
【００１５】
また、前記空隙を、規則的に配列させることが好ましい。
【００１６】
また、セラミックヘッドの熱伝導率をλ１、セラミックヒーターの熱伝導率をλ２、セラミックホルダーの熱伝導率をλ３としたとき、λ１＞λ２＞λ３であることが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜５を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
図１は本発明の押圧加熱型ヒーターの斜視図であり、図２（ａ）はそのＸ−Ｘ線断面図であり、図２（ｂ）は、セラミックヒーター２の平面図である。図１に示すように、本発明の押圧加熱型ヒーターは、セラミックホルダー１に形成された凹部１ａにセラミックヒーター２とセラミックヘッド３とを順に重ねて一体的に固定したものである。そして、セラミックヒーター２に通電し発熱させながら、セラミックヘッド３を半導体チップに接触させ、押圧することでボンディングすることができる。
【００２０】
セラミックホルダー１には、複数の空隙４が形成されており、その空隙４は、縦方向長さｐと横方向長さｑの比ｐ／ｑが０．５〜２のとなるように調整されている。そして、ｐ／ｑが０．５より小さいか、もしくはｐ／ｑが２より大きいと、例えば半導体ベアチップを多層パッケージの基板とボンディングする際の応力により撓みが発生しやすくなるので好ましくない。
【００２１】
また、空隙４は、縦方向および横方向に等間隔に規則的に配列させることが好ましい。この規則的な配列は、横方向には２個以上設けることが望ましく、縦方向には２列以上設けることが望ましい。
【００２２】
また、空隙４の縦方向長さｐと配列される空隙４の縦方向配列間隔ｒの比ｐ／ｒが０．５〜２とすることが望ましく、また、配列される空隙４の横方向の配列においても同様に、空隙４の横方向長さｑと空隙４の横方向の配列間隔ｓの比ｑ／ｓが０．５〜２とすることが望ましい。なお、ここで縦方向とはボンディング時の加圧方向（図１の上下方向）であり、横方向とはこれと垂直な方向のことである。
【００２３】
空隙４をこのように規則的に配列させることにより、熱がホルダー１側へ逃げることを防止するとともに、ボンディング時の加圧荷重による撓みをセラミックホルダー１全体で分散させることが可能となり、熱圧着時のセラミックヘッド３の撓みを防止し、高精度のボンディングが可能となる。
【００２４】
また、実際のボンディング時には、セラミックヒーター２の温度は５００℃を越え、さらに、加圧による荷重が加わる。この為に、セラミックホルダー１が加圧荷重に対して、均等に荷重を受けないと撓みが発生する。
【００２５】
上記のセラミックホルダー１、セラミックヒーター２、セラミックヘッド３を固定する方法としては、ガラス等の接着剤を用いてこれらを接合したり、冶具を用いてこれらを把持するようにしても構わない。ガラス等の接着剤を用いる場合、熱伝導の信頼性を向上させることが可能となる。また、把持する手法の場合、セラミックヒーター２を急速昇温させた場合に発生する温度差に起因する熱応力を緩和し、押圧加熱型ヒーターの耐久性を向上させることができる。
【００２６】
また、セラミックホルダー１に設ける空隙４の断面形状としては、図３に示すように円形としたり、図４に示すように矩形とすることが可能であり、矩形の場合、応力集中による破壊を防止するため、コーナー部４ａの曲率半径を０．０５ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００２７】
また、セラミックヘッド３の熱伝導率をλ１、セラミックヒーター２の熱伝導率をλ２、セラミックホルダー１の熱伝導率をλ３としたとき、λ１＞λ２＞λ３となるようにすることにより、セラミックヒーター２からの熱をセラミックホルダー１側より、セラミックヘッド３側の方へより効率的に伝熱させることが可能となる。
【００２８】
セラミックス焼結体の熱伝導率については、主たる基材の材質や焼結助剤に用いられる焼結助剤の添加量、種類を調整することにより、所望の熱伝導率を得ることができる。
【００２９】
以下、本発明の押圧加熱型ヒーターについて、さらに詳細に説明する。
【００３０】
まず、セラミックホルダー１は、その熱伝導率λ３を２５W／ｍ・K以下とすることが好ましい。具体的には、窒化珪素、アルミナ、ムライト、コージェライト等の材料からなるものを使用することができる。例えば窒化珪素からなるセラミックホルダー１を作製する場合は、窒化珪素原料にＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、希土類元素酸化物等の焼結助剤とバインダーを適宜添加して混合したのち、プレス成形により直方体形状の成形体を作製し、図１に示すようにセラミックホルダー１に空隙４および段差部を切削加工し、脱脂工程によりバインダー成分を除去したのち１８００〜１９００℃の窒素雰囲気中にて焼成し、得られた焼結体にさらに平面研削盤により機械加工を施すことにより作製する。空隙４の断面形状は、図１に示すように円形に近いものでも良く、図４に示すように矩形に近いものでも良い。
【００３１】
次に、セラミックヒーター２は、耐熱性に優れ高靭性高強度を有する窒化珪素からなるものとすることが好ましい。具体的には、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、希土類元素酸化物等の焼結助剤を適宜添加した窒化珪素粉末をバインダーと混合したのち、プレス成形を施すことにより例えば２６ｍｍ×２４ｍｍ×５ｍｍ厚の成形体とし、ＷＣインクを用いて発熱抵抗体とリード部を印刷し、２６ｍｍ×２４ｍｍ×５ｍｍ厚の別の成形体を重ねて発熱抵抗体とリード部を挟み込み、１７００〜１８００℃でホットプレスを焼成することにより、ＷＣからなる発熱抵抗体を内蔵する窒化珪素質焼結体を得ることができる。また、熱伝導率λ２を３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とするためには、Ａｌ₂Ｏ₃の添加量を1重量％以下とし、窒化珪素の粒界に形成されるガラス層の量を低減することが好ましい。
【００３２】
さらに、これを平面研削盤を用いて図２（ｂ）に示すようにＴ字型形状に加工し、例えば６ｍｍ×２４ｍｍの発熱部２ａと６ｍｍ×２０ｍｍ程度の電極引出部２ｂを形成する。この時、電極引出部２ｂにリード部の一部を電極取出部２ｃとして露出させる。
【００３３】
セラミックヘッド３は、高熱伝導性の窒化珪素もしくは窒化アルミニウムからなるものを使用して、熱伝導率λ３を６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることが好ましい。高熱伝導性の窒化珪素は、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｌｕ₂Ｏ₃等の希土類元素酸化物とＳｉＯ₂からなる焼結助剤と窒化珪素粉末をバインダーと混合したのちプレス成形し、脱脂後、窒素雰囲気中にて１９００℃で焼成し、得られた焼結体を平面研削盤にて機械加工することにより作製する。ここで、熱伝導率を向上させるためには、Ａｌ₂Ｏ₃の含有量を極力減少させすることにより粒界に生成するガラス層の量を低減し、尚且つ結晶粒径を１０μｍ以上と大きくすることが好ましい。また、セラミックヘッド３として高熱伝導性の窒化アルミニウムを用いることも可能である。この場合は、窒化アルミニウムに焼結助剤として２〜８重量％の希土類元素酸化物、０．００１〜０．５重量％のＣａＯ等を添加したものを用いて、窒素もしくはＨｅ等の不活性ガス中１８００〜２０００℃で焼成することにより焼結体を得ることができる。
【００３４】
このようにして作製されたセラミックホルダー１、セラミックヒーター２とセラミックヘッド３を、図１に示すように組み立て、その当接面にＹ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｌｕ₂Ｏ₃等に代表される希土類元素酸化物の少なくとも１種類以上やＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂を含むガラスをペースト状にして塗布し、窒素雰囲気中、２０００気圧程度において、１５００℃〜１６００℃にて熱処理することにより一体化することができる。
【００３５】
その後、セラミックヒーター２の電極引出部２ｂの電極取出部２ｃに、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ、Ａｇ−Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｕ等を主成分とするロー材を用いて、真空中または非酸化雰囲気中で金属リード線２ｅと保持用金具２ｄをロー付けする。
【００３６】
このような工程を経ることにより、本発明の押圧加熱型セラミックヒーターを得ることができる。
【００３７】
【実施例】
以下本発明の実施例を説明する。
【００３８】
実施例１
ここでは、空隙４の断面形状と、半導体チップの実装精度の関係を調査した。
【００３９】
セラミックホルダー１は、窒化珪素原料にＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、希土類元素酸化物等の焼結助剤とバインダを適宜添加して混合したのち、プレス成形により直方体形状の成形体を作製し、段差部およびそれぞれ断面形状を変更した空隙４を切削加工し、脱脂工程によりバインダー成分を除去したのち１８００〜１９００℃の窒素雰囲気中にて焼成し、得られた焼結体にさらに平面研削盤により機械加工を施すことにより作製した。
【００４０】
セラミックホルダー１の空隙４の断面形状については、本発明実施例として図３に示すように断面形状が円形の空隙４を縦２段、横４列配置したもの、図４に示すように断面形状が矩形の空隙４を縦２段横４列配置したもの、および比較例として図５に示すように断面形状がスリット形状の空隙４を縦３段横２列配置したものを作製した。
【００４１】
また、セラミックヒーター２は、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、希土類元素酸化物等の焼結助剤を適宜添加した窒化珪素粉末をバインダーと混合したのち、プレス成形を施すことにより所定の形状の成形体とし、ＷＣインクを用いて発熱抵抗体とリード部を印刷し、同一形状の別の成形体を重ねて発熱抵抗体とリード部を挟み込み、１７００〜１８００℃でホットプレスを焼成することにより、ＷＣからなる発熱抵抗体を内蔵する窒化珪素質焼結体とし、さらに、これを平面研削盤を用いて図２（ｂ）に示すようにＴ字型形状に加工し、所定寸法の発熱部２ａと所定寸法の電極引出部２ｂを形成した。この時、電極引出部２ｂにリード部の一部を電極取出部２ｃとして露出させた。
【００４２】
次に、セラミックヘッド３は、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｌｕ₂Ｏ₃等の希土類元素酸化物とＳｉＯ₂からなる焼結助剤と窒化珪素粉末をバインダーと混合したのちプレス成形し、脱脂後、窒素雰囲気中にて１９００℃で焼成し、得られた焼結体を平面研削盤にて機械加工することにより作製した。
【００４３】
その後、セラミックホルダー１の凹部１ａにセラミックヒーター２とセラミックヘッド３を図１に示すように順に組み立て、その当接面にはＹｂ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂を含むガラスをペースト状にして塗布し、窒素雰囲気中、２０００気圧程度において、１５００℃〜１６００℃にて熱処理することにより一体化した。
【００４４】
その後、セラミックヒーター２の電極引出部２ｂの電極取出部２ｃに、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉを主成分とするロー材を用いて、真空中で金属リード線２ｅと保持用金具２ｄをロー付けして、押圧加熱型セラミックヒーターを得た。
【００４５】
このようにして準備したサンプル３種類について、多層パッケージ基板に半導体チップをセラミックヒーター２の温度５００℃で実装し、その実装精度を比較した。
【００４６】
実装精度は、レーザー干渉法にて測定した。結果を表１に示した。
【００４７】
【表１】

【００４８】
表１に示すように、従来のスリット形状の空隙４を設けた比較例および空隙４の寸法の縦横比ｐ／ｑが０．５より小さいか、もしくは２より大きいＮｏ．１、５は、実装精度が８μm以上となったのに対し、前記縦横比ｐ／ｑが本発明の請求範囲内であるＮｏ．２〜４、６、７は、実装精度が4μｍ以下と良好な値を示した。
【００４９】
実施例２
ここでは、空隙４の縦方向長さｐと空隙４の縦方向間隔ｒの比ｐ／ｒ、および、空隙４の横方向長さｑと空隙４の横方向間隔ｓの比ｑ／ｓを表２に示したように変更したサンプルを実施例１と同様の方法で加工し、多層パッケージ基板に半田チップを実装し、その実装精度を実施例１と同様にして測定した。
【００５０】
結果を表２に示した。
【００５１】
【表２】

【００５２】
表２に示すように、従来のスリット形状の空隙４を設けた比較例および空隙４の縦方向長さｐと空隙４の縦方向間隔ｒの比ｐ／ｒが０．５より小さいか、もしくは２より大きく、または、空隙４の横方向長さｑと空隙４の横方向間隔ｓの比ｑ／ｓが０．５より小さいか、もしくは２より大きいＮｏ．１〜３、７〜９は実装精度が６μｍ以上となったのに対し、上記の配列比率ｐ／ｒ、ｑ／ｓが本発明の請求範囲内であるＮｏ．４〜６、１０、１１は実装精度が４μｍ以下と良好な値を示した。
【００５３】
実施例３
セラミックホルダー１の熱伝導率λ３が２２Ｗ／ｍ・Ｋ程度、セラミックヒーターの熱伝導率λ２が３３Ｗ／ｍ・Ｋ程度、セラミックヘッドの熱伝導率λ１が７０Ｗ／ｍ・Ｋ程度となるようにして、図３、４に示す押圧加熱ヒータを作製した（表３中Ｎｏ．１、２）。比較のためにセラミックホルダー、セラミックヒーター、セラミックヘッドともに熱伝導率が２８Ｗ／ｍ・Ｋ程度となるようにして図５に示す押圧加熱ヒータを作製し（表３中Ｎｏ．３）、昇温速度を比較した。
【００５４】
評価は、１００℃から５００℃までの昇温時間を測定した。
【００５５】
結果を表３に示した。
【００５６】
【表３】

【００５７】
表３に示すように従来技術では、１００℃から５００℃までの昇温時間が約６秒程度であったのに対し本発明の実施例では４秒以下とすることができた。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、セラミックホルダーに複数の空隙を形成するとともに、空隙の断面の縦方向長さｐと空隙の断面の横方向長さｑの比ｐ／ｑが０．５〜２であり、空隙の縦方向長さｐと空隙の縦方向間隔ｒとの比ｐ／ｒが０．５〜２であり、かつ、空隙の横方向長さｑと空隙の横方向間隔ｓとの比ｑ／ｓが０．５〜２であることにより、位置精度の高いボンディングが可能となった。
【００５９】
また、空隙の断面の縦方向長さｐと横方向長さｑが略等しいときには、より位置精度の高いボンディングが可能となる。
【００６０】
また、空隙が、規則的に配列しているときには、応力と熱伝導を均一に調整することができる。
【００６１】
また、セラミックヘッドの熱伝導率をλ１、セラミックヒーターの熱伝導率をλ２、セラミックホルダーの熱伝導率をλ３とした場合、λ１＞λ２＞λ３であるときには、押圧加熱型ヒーターの急速昇温が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の押圧加熱型ヒーターを示す斜視図である。
【図２】（ａ）は図１に示した押圧加熱型ヒーターのＸ−Ｘ断面図であり、（ｂ）はそのセラミックヒーターの平面図である。
【図３】本発明の押圧加熱型ヒーターの実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明の押圧加熱型ヒーターの他の実施形態を示す断面図である。
【図５】従来の押圧加熱型ヒーターをの断面図である。
【図６】従来の押圧加熱型ヒーターを示す断面図である。
【図７】従来の押圧加熱型ヒーターを示す断面図である。
【図８】従来の押圧加熱型ヒーターを示す断面図である。
【符号の説明】
１：ホルダー
２：セラミックヒーター
２ａ：発熱部
２ｂ：リード引出部
２ｃ：電極取出部
２ｄ：電極保持金具
２ｅ：金属リード線
３：セラミックヘッド
４：空隙
ｐ：空隙の縦方向長さ
ｑ：空隙の横方向長さ
ｒ：空隙の縦方向間隔
ｓ：空隙の横方向間隔

Claims

被加熱物に接触させるセラミックヘッドと、これを加熱するセラミックヒーターと、これらを保持するセラミックホルダーとを有する押圧加熱型ヒーターにおいて、上記セラミックホルダーに複数の空隙を形成するとともに、該空隙の断面の縦方向長さｐと前記空隙の断面の横方向長さｑの比ｐ／ｑが０．５〜２であり、前記縦方向長さｐと前記空隙の縦方向間隔ｒとの比ｐ／ｒが０．５〜２であり、かつ、前記横方向長さｑと前記空隙の横方向間隔ｓとの比ｑ／ｓが０．５〜２であることを特徴とする押圧加熱型ヒーター。
前記空隙の断面の縦方向長さｐと横方向長さｑが略等しいことを特徴とする請求項１に記載の押圧加熱型ヒーター。
前記空隙が、規則的に配列していることを特徴とする請求項１又は２に記載の押圧加熱型ヒーター。
セラミックヘッドの熱伝導率をλ１、セラミックヒーターの熱伝導率をλ２、セラミックホルダーの熱伝導率をλ３としたとき、λ１＞λ２＞λ３であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の押圧加熱型ヒーター。