JP4726837B2

JP4726837B2 - ヒータ装置

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Publication number: JP4726837B2
Application number: JP2007072746A
Authority: JP
Inventors: 純弘脇田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2019-09-24
Also published as: JP2007194222A

Description

本発明は、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。

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。

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。

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。
特開平１０−２７５８３３号公報特開平１０−１３４９３８号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、前記ホルダに取着され前記セラミックヒータを前記ホルダに固定する固定用部材とを備えるヒータ装置であって、前記ホルダの上面は、前記セラミックヒータが載置される複数の載置領域と、前記ホルダと前記セラミックヒータとが接触しない凹部とを備えており、前記セラミックヒータは、前記固定用部材により、前記凹部の上方に位置する、前記セラミックヒータの表面を、前記複数の載置領域に押圧することによって前記ホルダに固定されていることを特徴とするものである。

また、上記発明において、前記固定用部材は、一端が前記ホルダにネジ止めされるとともに、他端が前記セラミックヒータの表面を押圧していることを特徴とするものである。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、ホルダ１は窒化珪素質焼結体で形成することが好ましい。

なお、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 とＳｉＯ₂ とを窒化珪素と希土類酸化物との総量に対して外添加で各々０．５〜５重量％と１〜５重量％とで添加することが好ましい。

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。

さらに、前記ホルダ１はセラミックヒータ２が設置さ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。

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。

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の下面の面積に対して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％を超えると、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のに時間を要してしまう（昇温時間が長い）。

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の下面面積に対して２０〜５０％の範囲とすることが好ましい。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

次に、本発明の作用効果について下記の実験例に基づき説明する。

［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。

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。

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。

次に、各ヒータ装置試料の発熱体に２．５ｋＷの電力を印加して発熱体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。

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。

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にセラミックヒータ２を、ガラスを介して接合固定したものである。

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。

また、セラミックヒータ２とホルダ１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％を超えると、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。

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。

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。

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１（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。（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

Claims

ホルダと、該ホルダ上に載置されるセラミックヒータと、前記ホルダに取着され前記セラミックヒータを前記ホルダに固定する固定用部材とを備えるヒータ装置であって、前記ホルダの上面は、前記セラミックヒータが載置される複数の載置領域と、前記ホルダと前記セラミックヒータとが接触しない凹部とを備えており、前記セラミックヒータは、前記固定用部材により、前記凹部の上方に位置する、前記セラミックヒータの表面を、前記複数の載置領域に押圧することによって前記ホルダに固定されていることを特徴とするヒータ装置。
前記固定用部材は、一端が前記ホルダにネジ止めされるとともに、他端が前記セラミックヒータの表面を押圧していることを特徴とする請求項１に記載のヒータ装置。
前記固定用部材は、耐熱性金属又はセラミックからなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒータ装置。