JP3977965B2

JP3977965B2 - Heater device

Info

Publication number: JP3977965B2
Application number: JP27095399A
Authority: JP
Inventors: 純弘脇田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 1999-09-24
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2019-09-24
Also published as: JP2001093655A

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、被加熱物を押圧加熱するためのヒータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ベアチップを配線基板上に実装する方法として、フリップチップ法が一般的に利用されている。
【０００３】
かかるフリップチップ法は配線導体を有する基板上に半導体ベアチップを、該半導体ベアチップの下面に設けた電極が間にＡｕ−Ｓｉ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｐｂ−Ｓｎ等の低融点ロウ材を挟んで配線導体と対向するように載置させ、次に前記半導体ベアチップをその上面からヒータ装置で押圧、加熱し、前記低融点ロウ材を溶融させ、該溶融した低融点ロウ材で配線基板の配線導体と半導体ベアチップの電極とを接合させる方法である。
【０００４】
このフリップチップ法に使用されるヒータ装置としては、低融点ロウ材を短時間で溶融させるために所定温度までの昇温時間が短いこと
、半導体チップを押圧するための機械的強度に優れていることが要求されており、一般的に使用されているヒータ装置としては、図３（ａ）、（ｂ）に示すような、窒化珪素質焼結体や、窒化アルミニウム質焼結体等の厚さ約３．５ｍｍ程度のセラミックブロック体に発熱体１６を厚膜印刷したセラミックヒータ１２を窒化珪素質焼結体や酸化アルミニウム質焼結体、酸化ジルコニウム質焼結体等からなるホルダ１１にガラス等の接着剤によって接合固定し、更にセラミックヒータ１２の表面に窒化珪素質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体等からなるヘッド１３をガラス等の接着剤を用いて接合した構造を有している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、生産効率を上げるため、ヒータ装置の加熱温度、温度分布の向上が求められている。例えば、従来は約１ｋＷを印加し１００℃〜３００℃を４秒程度で昇温させていたが、現在は約２．５ｋＷを印加し１００℃〜５００℃を５秒以下で急速昇温することが求められるようになった。
【０００６】
しかし、図３（ａ）、（ｂ）に示す従来のヒータ装置では、セラミックヒータ２がホルダ１１にガラスの接着剤を介して接合固定されており、該ガラスは熱を伝え難いものであるためセラミックヒータ１２が作動時に発した熱は、セラミックヒータ１２からホルダ１１に大量に伝達されることはない。そのためセラミックヒータ１２の温度はホルダ１１に比して高温となり、セラミックヒータ１２とホルダ１１との間に大きな温度差が生じるとともに、両者間に両者の熱膨張量の相違に伴う大きな熱応力が発生し、該熱応力によってホルダ１１やセラミックヒータ１２にクラックや割れ等を生じさせるという欠点を有していた。
【０００７】
そこで、上記欠点を解消するためにセラミックヒータ１２をホルダ１１上に熱を伝え難いガラスからなる接着剤を介して固定するのに代えて、熱を伝えやすい接着剤を用いて固定する。或いは、ホルダ１１上にセラミックヒータ１２を載置させ、該セラミックヒータ１２をホルダ１１に取着されている固定用部材で押圧することによって固定することが考えられる。
【０００８】
しかしながら、セラミックヒータ１２をホルダ１１上に熱を伝えやすい接着剤を用いて固定した場合、セラミックヒータ１２の発する熱はホルダ１１側に大量に逃げて、セラミックヒータ１２が所定の温度となるのに長時間を要し（昇温時間が長い）、近時の半導体ベアチップを配線基板上に実装する際に使用するヒータ装置には適さないという欠点が誘発される。
【０００９】
また、セラミックヒータ１２とホルダ１１の熱膨張係数が異なる場合、セラミックヒータ１２とホルダ１１との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する熱応力が発生し、該熱応力によってセラミックヒータ１２やホルダ１１にクラックや割れ等が生じるという欠点が誘発される。
【００１０】
セラミックヒータ１２をホルダ１１上に固定用部材を用いて固定する場合も、セラミックヒータ１２の下面全体がホルダ１１上に直接接しているため、セラミックヒータ１２の発した熱はホルダ１１に大量に逃げ、その結果上記熱を伝えやすい接着剤を用いてセラミックヒータ１２を固定した場合と同様の欠点が誘発されてしまう。
【００１１】
本発明は、上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的はセラミックヒータやホルダにクラックや割れが発生するのを有効に防止し、かつ急速昇温を可能として短時間で半導体ベアチップの電極を配線基板の配線導体に効率よく接合させることができるヒータ装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のヒータ装置は、ホルダと、該ホルダ上に載置されるセラミックヒータとを有し、前記ホルダのセラミックヒータが載置される少なくとも４隅に載置領域を有し、前記隅に設けられた２つの載置領域間に凹部を設け、前記凹部上方にて前記セラミックヒータをホルダとで挟持して固定する固定用部材を備え、前記ホルダとセラミックヒータとの接触面積をセラミックヒータ下面の面積に対し２０％〜５０％としたことを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明のヒータ装置は前記セラミックヒータの厚みが１ｍｍ〜２ｍｍであることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明のヒータ装置によれば、セラミックヒータに通電した際、セラミックヒータの熱がホルダに逃げホルダに吸収されるのが有効に防止され、その結果、セラミックヒータを所定温度に急速昇温することができる。
【００１５】
また、本発明のヒータ装置によれば、ホルダ上にセラミックヒータを載置し、ホルダと該ホルダに取着されている固定用部材とでセラミックヒータを挟持し、これによってセラミックヒータをホルダ上に固定していることから、セラミックヒータとホルダとの熱膨張係数が相違するとしてもセラミックヒータはホルダ上に載置されているだけであるため、両者間に両者の熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力は発生することはなく、その結果、ホルダやセラミックヒータにクラックや割れが発生することもほとんどない。
【００１６】
さらに、本発明のヒータ装置によればセラミックヒータの厚みを１ｍｍ〜２ｍｍの範囲としておくとセラミックヒータの機械的強度を強いものに維持しつつ熱容量を小さなものとして所定温度への急速昇温がより可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付図面に示す実施例に基づいて説明する。
【００１８】
図１（ａ）は本発明のヒータ装置の斜視図を示し、図１（ｂ）はその分解斜視図、図２は図１（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【００１９】
本発明のヒータ装置は、ホルダ１上に発熱体６を埋設したセラミックヒータ２を載置するとともに、該セラミックヒータ２を固定用部材５でホルダ１に固定することによって形成されている。
【００２０】
前記ホルダ１は、その上面にセラミックヒータ２が載置される載置領域を有しており、該載置領域にセラミックヒータ２を載置させることによってセラミックヒータ２を支持する支持部材として作用する。
【００２１】
前記ホルダ１は、窒化珪素質焼結体や酸化アルミニウム質焼結体、酸化ジルコニウム質焼結体等から成る。例えば窒化珪素質焼結体から成る場合、主成分としての窒化珪素に焼結助材としての酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）等の希土類元素酸化物や、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化珪素（ＳｉＯ₂）等を添加混合して原料粉末を調整し、しかる後、この原料粉末をホットプレス法により所定形状に成形しつつ約１６５０℃〜１８００℃で焼成することによって製作される。
【００２２】
前記ホルダ１は、これを窒化珪素質焼結体で形成しておくと該窒化珪素質焼結体は、高温強度が高く、高靭性であるためホルダ１の耐久性を高いものとしてヒータ装置を長期間の使用に供することができる。従って前記ホルダ１は窒化珪素質焼結体で形成しておくことが好ましい。
なお、前記ホルダ１は、窒化珪素質焼結体で形成する場合、窒化珪素９０〜９８モル％、希土類元素酸化物２〜１０モル％に、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂を窒化珪素と希土類元素酸化物の総量に対して外添加で各々０．５〜５重量％と１〜５重量％添加して形成すると、該添加材の粒界相が増加しすぎることなく、窒化珪素質焼結体が緻密化して、常温及び高温強度が極めて高いものとなる。従って、ホルダ１を窒化珪素質焼結体で形成する場合には、窒化珪素９０〜９８モル％、希土類元素酸化物２〜１０モル％に、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂を窒化珪素と希土類酸化物の総量に対して外添加で各々０．５〜５重量％と１〜５重量％添加しておくことが好ましい。
【００２３】
また、ホルダ１の熱伝導率を常温での熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下のものとしておくと、後述するセラミックヒータ２の発する熱がホルダ１に大量に逃げることはなく、セラミックヒータ２を短時間で所定温度に昇温することができる。従って、セラミックヒータ２の昇温時間をより短いものとなすにはホルダ１の熱伝導率を常温で５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下としておくことが好ましい。
【００２４】
さらに、前記ホルダ１はセラミックヒータ２が設置去れる領域の一部に凹部Ａを有し、ホルダ１とセラミックヒータ２との接触面積はセラミックヒータ２下面の面積に対し２０％〜５０％となっている。
【００２５】
前記ホルダ１のセラミックヒータ２が載置される領域の一部に凹部Ａを設けるのは、セラミックヒータ２の発した熱がホルダ１に逃げるのを有効に防止するためであり、これによってセラミックヒータ２はその発生した熱がホルダ１に大量に逃げることはなく、短時間で所定の温度に昇温することが可能となる。
【００２６】
なお、前記ホルダ１に形成する凹部Ａは、セラミックヒータ２との接触面積がセラミックヒータ２の下面面積に対し、２０％未満となるとセラミックヒータ２をホルダ１上に強固に載置固定することができなくなり、また５０％を越えるとセラミックヒータ２の発した熱がホルダ１に逃げてセラミックヒータ２の温度を所要温度とするに時間を要してしまう。（昇温時間が遅い）。従って、前記ホルダ１に形成する凹部Ａはセラミックヒータ２の下面面積に対し２０〜５０％の範囲となるものに推定される。
【００２７】
また前記ホルダ１の凹部Ａは、ホルダ１を構成し、例えば窒化珪素質焼結体の上面を従来周知の研削加工法により加工することによって所定形状に形成される。
前記ホルダ１はその上面にセラミックヒータが載置され、該セラミックヒータ２は半導体ベアチップを低融点ロウ材を介して配線基板上に実装する際、前記低融点ロウ材を溶融させるに必要な熱を発生する作用をなす。
【００２８】
前記セラミックヒータ２は、高温強度が高く、高靭性である窒化珪素質焼結体から成る絶縁ボディ７にタングステンやモリブデン等の高融点金属からなる発熱体６を埋設して形成されており、前記絶縁ボディ７は例えば、主成分としての窒化珪素に焼結助剤としての希土類元素酸化物、酸化アルミニウム、酸化珪素を添加混合して原料粉末を調整し、しかる後、前記原料粉末をプレス成形法等により所定形状に成形するとともに約１６５０℃〜１８００℃の温度で焼結することによって製作されている。
【００２９】
また、前記発熱体６はタングステンやモリブデン等、或いはこれらの炭化物、窒化物等に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して発熱体ペーストを作り、これを焼成によって絶縁ボディ７となる成形体に予めスクリーン印刷法等により所定パターンに被着させておくことによって絶縁ボディ７に一体的に形成される。前記発熱体６は、それが有する電気抵抗により電力が印加される際にジュール発熱を起こし、半導体ベアチップを低融点ロウ剤を介して配線基板上に実装するときに、低融点ロウ剤を溶融させるために必要な温度に発熱する。
【００３０】
なお、前記絶縁ボディ７は、窒化珪素９０〜９２モル％、希土類元素酸化物２〜１０モル％とし、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂は窒化珪素と希土類元素酸化物の総量に対して外添加で各々０．２〜２．０重量％と１〜５重量％添加して形成すると、窒化珪素質焼結体が緻密化し、使用中に発熱体６付近まで空気中の酸素が拡散し、発熱体６が酸化して断線するのを有効に防止することができ、常温及び高温強度が極めて高いものとなる。従って前記絶縁ボディ７は、窒化珪素９０〜９２モル％、希土類元素酸化物２〜１０モル％とし、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂は窒化珪素と希土類元素酸化物の総量に対して外添加で各々０．２〜２．０重量％と１〜５重量％添加しておくことが好ましい。
【００３１】
また前記セラミックヒータ２は絶縁ボディ７の熱伝導率を常温での熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものにしておくと、発熱体６が発した熱は絶縁ボディ７の全体に短時間に広がってセラミックヒータ２を短時間にして、かつ温度むらの発生をほとんど無として所望する温度となることができる。従って、昇温速度をより速く、かつ温度むらの発生を無とした時にはセラミックヒータ２の絶縁ボディ７は熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上としておくことが好ましい。
さらに前記セラミックヒ−タ２はその厚みを１ｍｍ〜２ｍｍの範囲としておくとセラミックヒータ２の機械的強度を高いものに維持しつつ熱容量を小さくし、昇温速度をより速いものとなすことができ、これによって半導体ベアチップを押圧加熱して配線基板に実装する際、セラミックヒータ２に割れ等の破損を発生させることなく短時間に実装可能となる。従って、前記セラミックヒ−タ２は、その厚みを１ｍｍ〜２ｍｍの範囲としておくことが好ましい。
【００３２】
また、前記セラミックヒータ２はホルダ１と該ホルダ１に取着されている固定用部材５とで挟持されてホルダ１上に固定されており、セラミックヒータ２はホルダ１上に載置されているだけである。そのためセラミックヒータ２とホルダ１との熱膨張係数が相違するとしてもセラミックヒータ２はホルダ１上に載置されているだけであるため両者間に両者の熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力は発生することはなく、その結果、ホルダ１やセラミックヒ−タ２にクラックや割れが発生することもほとんどない。
【００３３】
前記セラミックヒータ２をホルダ１上に固定する固定用部材５はステンレスや、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｆｅの合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏの合金等の耐熱性金属やセラミックスからなり、一端はホルダ1上にネジ止めされており、他端はセラミックヒータ2の表面を押圧する。
【００３４】
かくして上述のヒータ装置によれば、配線基板上に間に低融点ロウ材を介して半導体ベアチップを載置させるとともに、半導体ベアチップの上面にセラミックヒータ２を当接させ、次にホルダ１を介してセラミックヒータ２を半導体ベアチップ側に一定の圧力で押圧させるとともに発熱体６に電力を印加して所定温度に発熱させ、この発熱で前記低融点ロウ材を溶融させることによって半導体ベアチップの実装に供される。
【００３５】
なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能であり、例えばセラミックヒータ２の上面に荷重５００ｇでのビッカース硬度が１０ＧＰａ以上の高熱伝導性のセラミックスからなるヘッド３を配置しておくと、半導体ベアチップを配線基板に繰り返し実装したとしてもヒータ装置のセラミックヒータ２が、ヘッド３により補強されるため長期間の使用に耐え得ることが可能となる。従って、セラミックヒータ２の上面には、該セラミックヒータ２の補強のために荷重５００ｇでのビッカース硬度１０ＧＰａ以上の高熱伝導性のセラミックスからなるヘッド３を配置しておくことが好ましい。また、前記ホルダ１及びセラミックヒータ２は、角張った角部を有する場合、その角部を例えば０．２ｍｍ以上のＣ面加工あるいは半径０．２ｍｍ以上のＲ面加工を施しておくと、ホルダ１及びセラミックヒータ２に応力が作用した際、その応力を有効に分散させてホルダ１及びセラミックヒータ２にクラックや割れ等が発生するのを防止することができる。従って、前記ホルダ１及びセラミックヒータ２は角張った角部を有する場合、その角部にＣ面加工あるいはＲ面加工を施しておくことが好ましい。
【００３６】
さらに、上述の実施例では、半導体ベアチップを実装する際に使用するヒータ装置を例に挙げて本発明のヒータ装置を説明したが、これに限定されるものではなく被加熱物を短時間で加熱するヒータ装置、具体的にはＦＰＣ（ＦｌｅｘｉｂｌｅＰｒｉｎｔＣａｂｌｅ）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られるヒータ装置に適用可能である。
【００３７】
次に本発明の使用効果について下記の実験例に基づき説明する。
【００３８】
【実施例】
まず、熱伝導率２５．２Ｗ／ｍ・Ｋで長さが４４ｍｍ、幅が２４ｍｍの窒化珪素質焼結体からなる絶縁ボディ７に、タングステンカーバイト（ＷＣ）からなり、発熱量が始動時の突入電力で２ｋＷの発熱体を埋設したセラミックヒータを準備する。
【００３９】
次に前記セラミックヒータ２を熱伝導率２５．２Ｗ／ｍ・Ｋの窒化珪素質焼結体からなるホルダ１上に接触面積を表１に示す値となるように載置させるとともに固定用部材５で固定して複数のヒータ装置試料を得る。
【００４０】
同時にセラミックヒータ２の厚みを表１に示す値となるように種々に変えて複数のヒータ装置試料を得る。
【００４１】
次に各ヒータ装置試料の発熱体に２．５ｋＷの電力を印可して発熱体６をジュール発熱させ、セラミックヒータ２が１００℃から５００℃に加熱するまでに要する時間（昇温時間）を調べた。
【００４２】
またセラミックヒータ２に蛍光性の浸透液を塗布し、ブラックライト下で目視し、セラミックヒータ２にクラックや割れ等が発生しているのを調べた。
【００４３】
なお、試料番号１２、１３は本発明品と比較するための比較試料であり、試料番号１２、１３はホルダ１にセラミックスヒータ２を、ガラスを介して接合固定したものである。
【００４４】
【表１】

【００４５】
表１からわかるように、ホルダ１とセラミックヒータ２をガラスで接合した試料Ｎｏ．１２、Ｎｏ．１３（比較試料）は、セラミックヒータ２とホルダ１の熱膨張量の相違により発生する熱応力によって、セラミックヒータ２にクラックが発生した。
【００４６】
またセラミックヒータ２とホルダ１の接触面積がセラミッックヒータ２の下面面積に対し２０％未満の場合、セラミックヒータ２のホルダ１上での固定が極めて不安定なものとなり、また５０％を越えるとセラミックヒータ２の熱がホルダ１に逃げ、セラミックヒータ２の温度を５００℃とするのに９秒以上要し、昇温時間が長いものとなってしまう。
【００４７】
これに対し本発明のヒータ装置は、セラミックヒータ２の温度を５００℃となるのに要する時間は、５秒以下であり昇温時間が極めて短い。
【００４８】
さらには、セラミックヒータ２等にクラックや割れ等が発生することもない。従って、半導体ベアチップを配線基板上に実装する際等に使用されるヒータ装置として好適に使用に供する。
【００４９】
【発明の効果】
本発明のヒータ装置によれば、セラミックヒータに通電した際、セラミックヒータの熱がホルダに逃げホルダに吸収されるのが有効に防止され、その結果、セラミックヒータを所定温度に急速昇温することができる。
【００５０】
また本発明のヒータ装置によれば、ホルダ上にセラミックヒータを載置し、ホルダと該ホルダに取着されている固定用部材とでセラミックヒータを挟持し、これによってセラミックヒータをホルダ上に固定していることから、セラミックヒータとホルダとの熱膨張係数が相違するとしても、セラミックヒータはホルダ上に載置されているだけであるため両者間に両者の熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力は発生することはなく、その結果、ホルダやセラミックヒータにクラックや割れが発生することもほとんどない。
【００５１】
さらに、本発明のヒータ装置によればセラミックヒータの厚みを１ｍｍ〜２ｍｍの範囲としておくとセラミックヒータの機械的強度を強いものに維持しつつ熱容量を小さなものとして、所定温度への急速昇温がより可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のヒータ装置を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の分解斜視図である。
【図２】図１（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図３】（ａ）は従来のヒータ装置の斜視図、（ｂ）は（ａ）の分解斜視図である。
【符号の説明】
１：ホルダ
２：セラミックヒータ
３：ヘッド
５：固定用部材
６：発熱体
７：絶縁ボディ
Ａ：凹部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heater device for pressing and heating an object to be heated, such as a bonding heater head used when directly bonding a semiconductor bare chip on a substrate.
[0002]
[Prior art]
As a method for mounting a semiconductor bare chip on a wiring board, a flip chip method is generally used.
[0003]
Such a flip chip method uses a semiconductor bare chip on a substrate having a wiring conductor, and an electrode provided on the lower surface of the semiconductor bare chip with a low melting point brazing material such as Au-Si, Au-Sn, Pb-Sn in between. Next, the semiconductor bare chip is pressed and heated from above with a heater device to melt the low-melting-point brazing material, and the melted low-melting-point brazing material and the wiring conductor of the wiring board and the semiconductor This is a method of joining the bare chip electrodes.
[0004]
As a heater device used in this flip chip method, the temperature rise time to a predetermined temperature is short in order to melt the low melting point brazing material in a short time, and the mechanical strength for pressing the semiconductor chip is excellent. As a heater device generally used, the thickness of a silicon nitride sintered body, an aluminum nitride sintered body, or the like as shown in FIGS. A ceramic heater 12 in which a heating element 16 is printed on a ceramic block having a thickness of about 3.5 mm is placed on a holder 11 made of a silicon nitride sintered body, an aluminum oxide sintered body, a zirconium oxide sintered body, or the like. The head 13 made of a silicon nitride sintered body, an aluminum nitride sintered body, a silicon carbide sintered body or the like is attached to the surface of the ceramic heater 12 with an adhesive such as glass. And a joint structure to have.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, in order to increase production efficiency, improvement in the heating temperature and temperature distribution of the heater device has been demanded. For example, in the past, about 1 kW was applied and the temperature was raised from 100 ° C. to 300 ° C. in about 4 seconds, but now about 2.5 kW is applied and the temperature is rapidly raised from 100 ° C. to 500 ° C. in 5 seconds or less. Is now required.
[0006]
However, in the conventional heater device shown in FIGS. 3A and 3B, the ceramic heater 2 is bonded and fixed to the holder 11 via a glass adhesive, and the glass is difficult to transmit heat. A large amount of heat generated when the ceramic heater 12 is activated is not transferred from the ceramic heater 12 to the holder 11. Therefore, the temperature of the ceramic heater 12 becomes higher than that of the holder 11, and a large temperature difference is generated between the ceramic heater 12 and the holder 11, and a large thermal stress is generated between the two due to the difference in thermal expansion amount between the two. However, the thermal stress causes a defect that the holder 11 and the ceramic heater 12 are cracked or broken.
[0007]
Therefore, in order to eliminate the above-described drawbacks, the ceramic heater 12 is fixed on the holder 11 using an adhesive that easily transmits heat, instead of being fixed via an adhesive made of glass that is difficult to transfer heat. Alternatively, it is conceivable to place the ceramic heater 12 on the holder 11 and fix the ceramic heater 12 by pressing it with a fixing member attached to the holder 11.
[0008]
However, when the ceramic heater 12 is fixed on the holder 11 using an adhesive that easily transfers heat, the heat generated by the ceramic heater 12 escapes to the holder 11 in a large amount, and the ceramic heater 12 reaches a predetermined temperature. It takes a long time (the temperature rise time is long), and induces a disadvantage that it is not suitable for a heater device used when mounting a recent semiconductor bare chip on a wiring board.
[0009]
Further, when the thermal expansion coefficients of the ceramic heater 12 and the holder 11 are different, thermal stress is generated between the ceramic heater 12 and the holder 11 due to the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic heater 12 and the holder 11, and the ceramic heater 12 and the holder 11 are caused by the thermal stress. The disadvantage that a crack or a crack occurs in the holder 11 is induced.
[0010]
Even when the ceramic heater 12 is fixed on the holder 11 using a fixing member, since the entire lower surface of the ceramic heater 12 is in direct contact with the holder 11, the heat generated by the ceramic heater 12 escapes to the holder 11 in a large amount. As a result, the same defects as those in the case where the ceramic heater 12 is fixed using an adhesive that easily conducts heat are induced.
[0011]
The present invention has been devised in view of the above-mentioned drawbacks, and its purpose is to effectively prevent cracks and cracks from occurring in ceramic heaters and holders, and to enable rapid temperature rise and to provide electrodes for semiconductor bare chips in a short time. It is an object of the present invention to provide a heater device that can be efficiently bonded to a wiring conductor of a wiring board.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The heater device of the present invention includes a holder, a ceramic heater is placed on the holder, at least 4 placed in the corner areas the ceramic heater is placed in the holder, provided on the corner was a recess provided between the two mounting areas, the said ceramic heater at the recess upwardly provided with a fixing member for fixing by clamping in a holder, the ceramic heater lower surface area of contact between the holder and the ceramic heater It is characterized by being 20% to 50% with respect to the area.
[0013]
In the heater device of the present invention, the thickness of the ceramic heater is 1 mm to 2 mm.
[0014]
According to the heater device of the present invention, when the ceramic heater is energized, it is effectively prevented that the heat of the ceramic heater escapes and is absorbed by the holder, and as a result, the ceramic heater is rapidly heated to a predetermined temperature. Can do.
[0015]
According to the heater device of the present invention, the ceramic heater is placed on the holder, and the ceramic heater is sandwiched between the holder and the fixing member attached to the holder, whereby the ceramic heater is placed on the holder. Since the ceramic heater is only mounted on the holder even if the thermal expansion coefficients of the ceramic heater and the holder are different from each other because of the fixing, it is caused by the difference in the thermal expansion coefficient between them. A large thermal stress is not generated, and as a result, the holder and the ceramic heater are hardly cracked or broken.
[0016]
Further, according to the heater device of the present invention, when the thickness of the ceramic heater is set in the range of 1 mm to 2 mm, the rapid heating up to a predetermined temperature can be achieved with a small heat capacity while maintaining the mechanical strength of the ceramic heater strong. It becomes possible.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the present invention will be described based on embodiments shown in the accompanying drawings.
[0018]
1A is a perspective view of the heater device of the present invention, FIG. 1B is an exploded perspective view thereof, and FIG. 2 is a sectional view taken along line XX of FIG.
[0019]
The heater device of the present invention is formed by mounting a ceramic heater 2 in which a heating element 6 is embedded on a holder 1 and fixing the ceramic heater 2 to the holder 1 with a fixing member 5.
[0020]
The holder 1 has a placement area on which the ceramic heater 2 is placed, and acts as a support member that supports the ceramic heater 2 by placing the ceramic heater 2 on the placement area. .
[0021]
The holder 1 is made of a silicon nitride sintered body, an aluminum oxide sintered body, a zirconium oxide sintered body, or the like. For example, in the case of a silicon nitride sintered body, silicon nitride as a main component, rare earth element oxide such as yttrium oxide (Y ₂ O ₃ ) as a sintering aid, aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ), oxidation The raw material powder is prepared by adding and mixing silicon (SiO ₂ ) or the like, and thereafter, the raw material powder is fired at about 1650 ° C. to 1800 ° C. while being formed into a predetermined shape by a hot press method.
[0022]
When the holder 1 is formed of a silicon nitride sintered body, the silicon nitride sintered body has high temperature strength and high toughness, so that the holder 1 is made to have high durability. Can be used for a long time. Therefore, the holder 1 is preferably formed of a silicon nitride sintered body.
When the holder 1 is formed of a silicon nitride sintered body, silicon nitride 90 to 98 mol%, rare earth element oxide 2 to 10 mol%, Al ₂ O ₃ and SiO ₂ are mixed with silicon nitride and rare earth element. When formed by adding 0.5 to 5% by weight and 1 to 5% by weight, respectively, by external addition to the total amount of oxide, the grain boundary phase of the additive does not increase excessively, and the silicon nitride-based sintered body Becomes dense, and the strength at normal temperature and high temperature is extremely high. Therefore, when the holder 1 is formed of a silicon nitride-based sintered body, silicon nitride 90 to 98 mol%, rare earth element oxide 2 to 10 mol%, Al ₂ O ₃ and SiO ₂ are oxidized with silicon nitride and rare earth oxide. It is preferable to add 0.5 to 5% by weight and 1 to 5% by weight, respectively, by external addition to the total amount of the product.
[0023]
Further, if the thermal conductivity of the holder 1 is set to have a thermal conductivity of 50 W / m · K or less at room temperature, heat generated by the ceramic heater 2 described later does not escape to the holder 1 in large quantities, and the ceramic heater 2 Can be raised to a predetermined temperature in a short time. Therefore, in order to make the temperature rising time of the ceramic heater 2 shorter, it is preferable to set the thermal conductivity of the holder 1 to 50 W / m · K or less at room temperature.
[0024]
Furthermore, the holder 1 has a recess A in a part of the region where the ceramic heater 2 is installed and the contact area between the holder 1 and the ceramic heater 2 is 20% to 50% with respect to the area of the lower surface of the ceramic heater 2. ing.
[0025]
The reason why the concave portion A is provided in a part of the area of the holder 1 where the ceramic heater 2 is placed is to effectively prevent the heat generated by the ceramic heater 2 from escaping to the holder 1, thereby the ceramic heater. In 2, the generated heat does not escape to the holder 1 in large quantities, and the temperature can be raised to a predetermined temperature in a short time.
[0026]
The concave portion A formed in the holder 1 can firmly mount and fix the ceramic heater 2 on the holder 1 when the contact area with the ceramic heater 2 is less than 20% of the lower surface area of the ceramic heater 2. If it becomes impossible and exceeds 50%, the heat generated by the ceramic heater 2 escapes to the holder 1 and it takes time to bring the temperature of the ceramic heater 2 to the required temperature. (The heating time is slow). Therefore, the recess A formed in the holder 1 is estimated to be in the range of 20 to 50% with respect to the lower surface area of the ceramic heater 2.
[0027]
The concave portion A of the holder 1 constitutes the holder 1 and is formed into a predetermined shape by, for example, processing the upper surface of the silicon nitride sintered body by a conventionally known grinding method.
The holder 1 has a ceramic heater mounted on the upper surface thereof, and the ceramic heater 2 generates heat necessary for melting the low melting point brazing material when the semiconductor bare chip is mounted on the wiring board via the low melting point brazing material. Performs actions that occur.
[0028]
The ceramic heater 2 is formed by embedding a heating element 6 made of a refractory metal such as tungsten or molybdenum in an insulating body 7 made of a silicon nitride sintered body having high high-temperature strength and high toughness. For example, the insulating body 7 is prepared by adding and mixing rare earth element oxides, aluminum oxide, and silicon oxide as sintering aids to silicon nitride as a main component, and then adjusting the raw material powder by press molding. It is manufactured by molding into a predetermined shape by, for example, and sintering at a temperature of about 1650 ° C to 1800 ° C.
[0029]
Further, the heating element 6 is made of tungsten, molybdenum or the like, or an appropriate organic solvent or solvent added to these carbides or nitrides to prepare a heating element paste, which is then formed into a molded body that becomes the insulating body 7 by firing. The insulating body 7 is integrally formed by applying a predetermined pattern in advance by a screen printing method or the like. The heating element 6 generates Joule heat when electric power is applied due to its electric resistance, and melts the low melting point solder when the semiconductor bare chip is mounted on the wiring board via the low melting point solder. It generates heat to the necessary temperature.
[0030]
The insulating body 7 is 90 to 92 mol% silicon nitride and 2 to 10 mol% rare earth element oxide, and Al ₂ O ₃ and SiO ₂ are externally added to the total amount of silicon nitride and rare earth element oxide. When formed by adding 0.2 to 2.0% by weight and 1 to 5% by weight respectively, the silicon nitride sintered body becomes dense, and oxygen in the air diffuses to the vicinity of the heating element 6 during use. 6 can be effectively prevented from being oxidized and disconnected, and the room temperature and high temperature strength are extremely high. Therefore, the insulating body 7 is 90 to 92 mol% silicon nitride and 2 to 10 mol% rare earth element oxide, and Al ₂ O ₃ and SiO ₂ are added to the total amount of silicon nitride and rare earth element oxide, respectively. It is preferable to add 0.2 to 2.0% by weight and 1 to 5% by weight.
[0031]
In the ceramic heater 2, if the thermal conductivity of the insulating body 7 is set to a thermal conductivity of 50 W / m · K or more at room temperature, the heat generated by the heating element 6 can be transferred to the entire insulating body 7 for a short time. Thus, the ceramic heater 2 can be shortened to a short time, and the desired temperature can be obtained with almost no occurrence of temperature unevenness. Therefore, it is preferable that the insulating body 7 of the ceramic heater 2 has a thermal conductivity of 50 W / m · K or more when the temperature rising rate is faster and the occurrence of temperature unevenness is eliminated.
Furthermore, if the thickness of the ceramic heater 2 is in the range of 1 mm to 2 mm, the heat capacity can be reduced while maintaining the mechanical strength of the ceramic heater 2 high, and the heating rate can be made faster. As a result, when the semiconductor bare chip is pressed and heated and mounted on the wiring board, the ceramic heater 2 can be mounted in a short time without causing breakage such as cracks. Therefore, it is preferable that the ceramic heater 2 has a thickness in the range of 1 mm to 2 mm.
[0032]
The ceramic heater 2 is sandwiched between a holder 1 and a fixing member 5 attached to the holder 1 and fixed on the holder 1, and the ceramic heater 2 is placed on the holder 1. Only. Therefore, even if the thermal expansion coefficients of the ceramic heater 2 and the holder 1 are different, the ceramic heater 2 is only placed on the holder 1 and therefore a large thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the two is provided. As a result, the holder 1 and the ceramic heater 2 are hardly cracked or broken.
[0033]
The fixing member 5 for fixing the ceramic heater 2 on the holder 1 is made of a heat-resistant metal or ceramics such as stainless steel, an alloy of Ni—Mn—Fe, an alloy of Fe—Ni—Co, and one end is on the holder 1. The other end presses the surface of the ceramic heater 2.
[0034]
Thus, according to the heater device described above, the semiconductor bare chip is placed on the wiring board via the low melting point brazing material, the ceramic heater 2 is brought into contact with the upper surface of the semiconductor bare chip, and then the holder 1 is interposed. The ceramic heater 2 is pressed against the semiconductor bare chip side at a constant pressure, and electric power is applied to the heating element 6 to generate heat to a predetermined temperature. By this heat generation, the low melting point brazing material is melted to be used for mounting the semiconductor bare chip. The
[0035]
In addition, this invention is not limited to the above-mentioned Example, A various change is possible if it is a range which does not deviate from the summary of this invention, for example, the Vickers hardness by the load of 500g is on the upper surface of the ceramic heater 2. If the head 3 made of ceramic with high thermal conductivity of 10 GPa or more is arranged, the ceramic heater 2 of the heater device is reinforced by the head 3 even if the semiconductor bare chip is repeatedly mounted on the wiring board. It becomes possible to endure. Therefore, on the upper surface of the ceramic heater 2, it is preferable to dispose a head 3 made of ceramic with high thermal conductivity having a Vickers hardness of 10 GPa or more at a load of 500 g for reinforcement of the ceramic heater 2. In addition, when the holder 1 and the ceramic heater 2 have an angular corner, the holder 1 can be obtained by subjecting the corner to a C surface machining of 0.2 mm or more or an R surface machining of a radius of 0.2 mm or more. And when a stress acts on the ceramic heater 2, the stress can be effectively dispersed to prevent the holder 1 and the ceramic heater 2 from being cracked or cracked. Therefore, when the holder 1 and the ceramic heater 2 have an angular corner, it is preferable that the corner is subjected to C surface processing or R surface processing.
[0036]
Furthermore, in the above-described embodiment, the heater device of the present invention has been described by taking the heater device used when mounting the semiconductor bare chip as an example. However, the present invention is not limited to this, and the object to be heated is heated in a short time. It is applicable to heater devices used for solder connection such as FPC (Flexible Print Cable), semiconductor package cap seal, optical system head can seal such as laser head, chip connection rework, etc. is there.
[0037]
Next, use effects of the present invention will be described based on the following experimental examples.
[0038]
【Example】
First, an insulating body 7 made of a silicon nitride sintered body having a thermal conductivity of 25.2 W / m · K, a length of 44 mm, and a width of 24 mm is made of tungsten carbide (WC), and the amount of heat generated at the start is A ceramic heater in which a 2 kW heating element is embedded with inrush power is prepared.
[0039]
Next, the ceramic heater 2 is placed on the holder 1 made of a silicon nitride sintered body having a thermal conductivity of 25.2 W / m · K so that the contact area becomes the value shown in Table 1, and the fixing member 5 is mounted. To obtain a plurality of heater device samples.
[0040]
At the same time, the thickness of the ceramic heater 2 is variously changed to the values shown in Table 1 to obtain a plurality of heater device samples.
[0041]
Next, 2.5 kW of electric power is applied to the heating element of each heater device sample to cause the heating element 6 to generate Joule heat, and the time required for the ceramic heater 2 to be heated from 100 ° C. to 500 ° C. (temperature increase time) is examined. It was.
[0042]
Further, a fluorescent penetrating liquid was applied to the ceramic heater 2 and visually observed under a black light, and it was examined that cracks and cracks were generated in the ceramic heater 2.
[0043]

Sample numbers

12 and 13 are comparative samples for comparison with the product of the present invention, and

sample numbers

12 and 13 are obtained by bonding and fixing the ceramic heater 2 to the holder 1 via glass.
[0044]
[Table 1]

[0045]
As can be seen from Table 1, sample No. 1 in which the holder 1 and the ceramic heater 2 are joined with glass. 12, no. In No. 13 (comparative sample), cracks occurred in the ceramic heater 2 due to the thermal stress generated by the difference in thermal expansion between the ceramic heater 2 and the holder 1.
[0046]
If the contact area between the ceramic heater 2 and the holder 1 is less than 20% of the lower surface area of the ceramic heater 2, the fixing of the ceramic heater 2 on the holder 1 becomes extremely unstable and exceeds 50%. The heat of the ceramic heater 2 escapes to the holder 1, and it takes 9 seconds or more to bring the temperature of the ceramic heater 2 to 500 ° C., and the temperature rise time becomes long.
[0047]
On the other hand, in the heater device of the present invention, the time required for the temperature of the ceramic heater 2 to reach 500 ° C. is 5 seconds or less, and the temperature rising time is extremely short.
[0048]
Furthermore, no cracks or cracks occur in the ceramic heater 2 or the like. Therefore, it is suitably used as a heater device used when a semiconductor bare chip is mounted on a wiring board.
[0049]
【The invention's effect】
According to the heater device of the present invention, when the ceramic heater is energized, it is effectively prevented that the heat of the ceramic heater escapes and is absorbed by the holder, and as a result, the ceramic heater is rapidly heated to a predetermined temperature. Can do.
[0050]
According to the heater device of the present invention, the ceramic heater is mounted on the holder, and the ceramic heater is sandwiched between the holder and the fixing member attached to the holder, thereby fixing the ceramic heater on the holder. Therefore, even if the thermal expansion coefficients of the ceramic heater and the holder are different, the ceramic heater is only placed on the holder, so that a large difference is caused by the difference in thermal expansion coefficient between the two. Thermal stress is not generated, and as a result, cracks and cracks are hardly generated in the holder and the ceramic heater.
[0051]
Furthermore, according to the heater device of the present invention, if the thickness of the ceramic heater is set in the range of 1 mm to 2 mm, the heat capacity is kept small while maintaining the mechanical strength of the ceramic heater strong, and rapid heating to a predetermined temperature is achieved. More possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a heater device according to the present invention, in which (a) is a perspective view and (b) is an exploded perspective view of (a).
FIG. 2 is a sectional view taken along line XX of FIG.
3A is a perspective view of a conventional heater device, and FIG. 3B is an exploded perspective view of FIG. 3A.
[Explanation of symbols]
1: Holder 2: Ceramic heater 3: Head 5: Fixing member 6: Heating element 7: Insulating body A: Recess

Claims

It has a holder, a ceramic heater is placed on the holder,
At least 4 placed in the corner areas the ceramic heater of the holder is mounted, the recess provided between the two mounting area provided in the corner,
A fixing member that is attached to the holder and holds and fixes the ceramic heater with the holder above the recess ;
The heater device characterized in that the contact area between the holder and the ceramic heater is 20% to 50% with respect to the area of the lower surface of the ceramic heater.

The heater device according to claim 1, wherein the ceramic heater has a thickness of 1 mm to 2 mm.