JP5534611B2 - ヒータ - Google Patents

Description

本発明は、ヒータに関し、特に、バンプ溶着等のための半導体チップボンディング用のヒータに関する。

特許文献１には、急速な昇降温下でも、正確な位置で接合でき、十分な表面精度を有し、ボンディング部分の接続不良がないセラミック（ＳｉＣ）ヒータが開示されている。

この種のヒータは、既知のように、発熱体と、発熱体を降温させるための冷却孔と、半導体チップをヒータに吸着するための吸着孔とを備えている。この種のヒータは、所要のタイミングで、吸着孔を通じた半導体チップの吸引とその解除との切り替えと、発熱体のオン／オフとの切り替えと、冷却孔を通じた冷却エアの吹出しとその解除との切り替えとが行われる。

具体的には、特許文献１に示すようなヒータは、吸着孔を通じて半導体チップを吸引した状態で発熱体をオンし、その後に、冷却孔を通じて冷却エアの吹出しが行われる。この際、半導体チップの吸引力が、冷却エアの吹出しによって弱まることを回避するために、吸着孔と冷却孔とが別個独立に形成されている。

特開２００２−２５７５１号公報

しかし、特許文献１に示すようなヒータは、ヒータ構成各部の熱膨張率が異なるため、冷却時に各部間に僅かながら隙間が生じる。この結果、冷却孔からの冷却エアが、この隙間を通じて吸着孔にも流れ込み、半導体チップの取付対象である基板上の半田を部分的に押し下げることがある。この結果、半田間がショートして、半導体製品に欠陥が生じることがある。

特に、冷却エアの吹き出し直後は、ヒータが半導体チップを瞬間的に数十μｍ程度押すことがある。係る場合には、半導体チップと基板との間に傾きが生じ、半田を部分的に押し下げることがある。この結果、半田間がショートして、半導体製品に欠陥が生じることがある。

そこで、本発明は、上記不都合を回避すべく、ヒータ構成各部間に隙間が生じないようにすることを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明のヒータは、
半導体チップと基板とを導電性ボンディング材を通じて接続するためのヒータにおいて、
前記半導体チップを吸着する吸着エア用の第１流路と、
前記導電性ボンディング材を溶着するための発熱体と、
前記発熱体を挟み込む各部を接続する締付具と、
前記発熱体によって加熱された導電性ボンディグ材を冷却する冷却エア用の第２流路とを備え、
前記締付具は中空構造とされていて、当該中空部分が前記第１流路を構成している。

また、前記締付具は、前記第１流路が形成されているボルトを含み、当該ボルトには、その外部を前記冷却エアが抜けることを防止する円環を取り付けるとよい。

そして、前記締付具は、熱膨張係数が３．０×１０^−６〜１０．０×１０^−６の中から選択するとよい。

さらに、前記冷却エアの流路であってヒータ本体を構成する各部間には、当該冷却エアの漏れを防止するワッシャを設けるとよい。

本実施形態のヒータを示す模式図である。 図１のＡ部分の拡大図である。 図１に示すヒータについての各種測定結果を示す図である。 比較例のヒータについての各種測定結果を示す図である。

１０ 取付台座
２０ 断熱台座
３０ スペーサ
４０ ヒータ板
５０ ワッシャ
６０ ナット
７０ 円環
８０ 中空ボルト
９０ 調整板

発明の実施の形態

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態のヒータを示す模式図である。図１では、Ａ部分につき、一部を切り抜いて示している。図２は、図１のＡ部分の拡大図である。

図１，図２には、以下説明する、取付台座１０と、断熱台座２０と、スペーサ３０と、ヒータ板４０と、電極４５と、ワッシャ５０と、リード線５５と、ナット６０と、抑え金具６５と、円環７０と、中空ボルト８０と、調整板９０と、ネジ部Ｂとを示している。

取付台座１０は、チップボンダの可動台に対して、ヒータ本体を取り付けるものである。取付台座１０は、例えば、ステンレス製（ＳＵＳ３０３，３０４，３１６等）とすることができる。一例を挙げると、取付台座１０は、３２ｍｍ×４９ｍｍ×２２ｍｍというサイズとすることができる。

断熱台座２０は、発熱体からの熱を遮断するものである。断熱台座２０は、例えば、アドセラム製、ムライト製、マセライト製とすることができる。一例を挙げると、断熱台座２０は、３６ｍｍ×４９ｍｍ×１４ｍｍというサイズとすることができる。断熱台座２０には、図示しない、冷却エアの流路が形成されている。

スペーサ３０は、ヒータ板４０に形成されているプリントタイプの発熱体を保護するものである。スペーサ３０は、例えば、窒化アルミニウム製、窒化珪素製、アルミナ製とすることができる。一例を挙げると、スペーサ３０は、３２ｍｍ×３２ｍｍ×０．４ｍｍというサイズとすることができる。スペーサ３０の断熱台座２０側の面には、例えば渦巻状又は蛇行状の溝が形成されていて、断熱台座２０に形成されている冷却エアの流路と接続されている。当該溝を冷却エアが通ることで、スペーサ３０を通じてヒータ板４０が冷却され、接合部が冷却固化される。なお、上記溝は、スペーサ３０に形成するのではなく、断熱台座２０に形成してもよい。

ヒータ板４０は、所望の形態で、発熱体がプリントされており、発熱体からの熱を金属バンプ又は半田バンプなどの導電性ボンディング材、基板に対して均一に伝熱するためのものである。ヒータ板４０は、例えば、窒化アルミニウム製、窒化珪素製、アルミナ製、炭化珪素製とすることができる。一例を挙げると、スペーサ３０は、３２ｍｍ×３２ｍｍ×１．５ｍｍというサイズとすることができる。

また、ヒータ板４０には、中空ボルト８０が配置される孔が形成されている。この孔は、中空ボルト８０の中空部を通じて半導体チップを吸着する吸着エア用の第１流路に接続されている。したがって、ヒータ板４０に対して、選択的にアタッチメントツールを介して、半導体チップを位置合わせした状態でエア吸着をすれば、ヒータによって半導体チップを搬送することが可能となる。

なお、ヒータ板４０にプリントタイプの発熱体を形成するのではなく、発熱体自体を備えるようにしてもよい。係る場合には、スペーサ３０を設けなくても済むようになる。

ワッシャ５０は、発熱体をオンすることによって、取付台座１０と断熱台座２０との熱膨張係数の相違によって発生した空隙への冷却エアのリークを防止するものである。ワッシャ５０は、例えばシリコン製、テフロン製、ポリイミド製とすることができる。一例を挙げると、ワッシャ５０は、φ６×１．０ｍｍ又はφ３×１．０ｍｍというサイズとすることができる。

ナット６０は、中空ボルト８０とともに、断熱台座２０とヒータ板４０とを接続するものである。ナット６０は、例えば、ステンレス製（ＳＵＳ３１４，３１６等）とすることができる。一例を挙げると、ナット６０は、φ１．４×１．０ｍｍというサイズとすることができる。

円環７０は、中空ボルト８０と断熱台座２０との間に吸着エアが漏れることを防止するものである。円環７０は、例えば、ステンレス製（ＳＵＳ３１４，３１６等）とすることができる。一例を挙げると、円環７０は、φ４×２．５ｍｍというサイズとすることができる。

中空ボルト８０（締付具）は、ナット６０とともに、断熱台座２０とヒータ板４０とを接続するものである。中空ボルト８０は、例えば、チタン製、コバール製、モリブテン製、タングステン製、クロム製といった、熱膨張係数が小さい値のもの（おおよそ、３．０×１０^−６〜１０．０×１０^−６）とすることができる。一例を挙げると、中空ボルト８０は、φ１．４×１０ｍｍというサイズとすることができる。中空ボルト８０は、その軸心周辺が貫通した中空構造とされており、そこを吸着エアが通るように構成されている。なお、中空部分は、０．４φ〜０．５φ程度とすることができる。

調整板９０は、ヒータに対して着脱可能であり、スペーサ３０に形成された溝を通過した冷却エアの向きを規定するものである。調整板９０をヒータに対して取り付けていない場合には、冷却エアは、スペーサ３０の面方向に進行することになる。一方、調整板９０をヒータに対して取り付けている場合には、スペーサ３０の面方向に進行した後に、調整板９０のエア受け面で受けられ、その角度に応じた方向に進行することになる。

電極４５は、発熱体を通電によってオンさせるもの、すなわち、発熱体を昇温させるものである。リード線５５は、電極４５と発熱体とを接続するものである。抑え金具６５は、リード線５５の位置を規定するためのものである。ネジ部Ｂは、各部材を留めるためのものである。

なお、上記の各部のサイズは、一例として挙げていることからも明らかなように、ヒータ全体のサイズに応じて適宜変更されるものである。

つぎに、本実施形態のヒータの加熱／冷却の手法について説明する。まず、ヒータの加熱工程では、フリップチップボンダの可動台に取り付けられたヒータは、吸着エアによって半導体チップを吸着する。具体的には、吸着エアは、中空ボルト８０の中空部分、断熱台座２０のザグリ部分、ワッシャ５０の貫通孔、及び、取付台座１０の開口部を通じて、図示しない吸着ポンプによって引かれる。

この点は、本実施形態のヒータの特徴の一つであり、吸着エアが中空ボルト８０の貫通部分を通り、かつ、冷却エアが吸着エアと混在することがなくなる。

半導体チップは、ヒータによって吸着された状態で、その取付対象である基板に向けて搬送される。基板には、既知のように、導電性ボンディング材が形成されており、その基板に対して位置合わせされる。

それから、電極４５及びリード線５５によってヒータの発熱体がオンされ、例えば、発熱体は４００℃〜４５０℃程度まで昇温される。以上のヒータの加熱工程は、既知の手法である。

ここで、本実施形態のヒータは、中空ボルト８０の材料として熱膨張係数が小さい値のものを採用していることから、取付台座１０、断熱台座２０、スペーサ３０、及び、ヒータ板４０との熱膨張係数差は相対的に小さい。このため、ヒータの加熱工程及び冷却工程においても、従来から存在しているヒータに比して、各部間に空隙は発生しにくい。

そうはいっても、各部ともに、加熱によって多少の差をもって膨張する。しかし、円環７０は、他部分よりも大きく熱膨張するため、円環７０と中空ボルト８０との頭部とによって、断熱台座２０とスペーサ３０とが締め付けられ、その間で空隙が生じにくい。このため、冷却エアが、断熱台座２０とスペーサ３０との間を通り、更に、中空ボルト８０の軸周辺を通り、半導体チップに到達することを回避できる。また、中空ボルト８０の軸周辺と断熱台座２０との間も、円環７０によって塞ぐことができる。

つぎに、ヒータの冷却工程について説明する。上記加熱工程によって金属バンプ等が溶解された後には、吸着エアによって半導体チップを吸着した状態で、冷却エアが供給される。

その後、冷却エアは、断熱台座２０に形成されている冷却エアの流路を通じ、断熱台座２０等に形成されている渦巻状等の溝に到達し、スペーサ３０、ヒータ板４０を通じて半導体チップ、導電性ボンディング材及び基板を冷却することになる。

図３は、図１に示すヒータについての各種測定結果を示す図である。図３には、ヒータ板４０の表面温度と、冷却エアの流量と、第１流路へのリーク流量と、ヒータ自体の熱膨張変位とを示している。なお、ここでは、冷却エアの流量を１００ＮＬ／ｍｉｎとしている。

まず、発熱体をオンすると、僅か数秒のうちに、ヒータ温度は約４５０℃に到達する。それから、約１０秒間、発熱体のオン状態を維持する。そうすると、発熱体をオンにより、ヒータ自体は、熱膨張によって変位し始めて、図３に示す測定結果の場合には、当該変位量は１０μｍ程度である。

その後に、発熱体をオフするとともに、冷却エアの吹出しを開始する。この結果、冷却エアの流量が約１００ＮＬ／ｍｉｎまで増加し、その状態が保持される。また、冷却エアにより、ヒータ板４０の表面温度が低下するとともに、これに応じて、ヒータ板４０の熱膨張変位量が少なくなる。

ここで、本実施形態のヒータの場合、図３に示すように、リーク流量は、発熱体をオンしてから、ヒータ板４０の表面温度が低下するまで、ゼロのまま推移して行く。

これに対して、従来型のヒータの測定結果と対比してみる。

図４は、比較例のヒータについての各種測定結果を示す図である。図４にも、図３と同様に、ヒータ板４０の表面温度と、冷却エアの流量と、第１流路へのリーク流量と、ヒータ自体の熱膨張変位とを示している。なお、ここでも、冷却エアの流量を１００ＮＬ／ｍｉｎとしている。

まず、発熱体をオンすると、僅か数秒のうちに、ヒータ温度は約４５０℃に到達する。それから、約１０秒間、発熱体のオン状態を維持する。そうすると、発熱体をオンにより、ヒータ自体は、熱膨張によって変位し始めて、図４に示す測定結果の場合には、当該変位量は１０μｍ程度である。ここで、１４秒の地点での熱膨張変位量は、図３の場合と同様である点に留意されたい。

その後に、発熱体をオフするとともに、冷却エアの吹出しを開始する。この結果、冷却エアの流量が約１００ＮＬ／ｍｉｎまで増加し、その状態が保持される。この点も図３の場合と同様である。

しかし、冷却エアにより、ヒータ板４０の表面温度が低下するものの、これに応じて、ヒータ板の変位量が増加する。これは、リーク流量に比例するものである。つまり、リークした冷却エアが、スペーサ３０にあたり、スペーサ３０及びヒータ板４０を押すことになり、この結果、ヒータ板４０の変位量が増大するのである。

その後、ヒータ板４０の温度が低下し、これに応じて、ヒータ板４０の熱膨張変位量も減少してくると、断熱台座２０とスペーサ３０との空隙が減少して行くことになるから、リーク流量も減少する。

ここで、今一度、図３を見てみると、図４の場合に見られる１４秒〜１５秒の僅か１秒の間に、５μｍものヒータ板４０の変位は見られないし、リーク流量の増加も見られない。以上の測定結果からも明らかなように、本実施形態のヒータは、従来のもののように、ヒータ構成各部間に隙間が生じないようにすることができるため、冷却エアのリークが発生せず、したがって、冷却エアのリークに基づくヒータ自体の変位がない。このため、半導体チップの取付対象である基板上の半田を部分的に押し下げることが回避でき、これによる半田間ショートで半導体製品に欠陥が生じることもなくなるといった効果が得られる。

Claims (3)

1. 基板に対して接続材を通じて接続対象を接続するためのヒータにおいて、
   前記接続対象を吸着する吸着エア用の第１流路と、
   前記接続材を溶着するための発熱体と、
   前記発熱体よりも薄いスペーサと、
   前記スペーサを介して前記発熱体と当該発熱体からの熱を遮断する台座とを接続する締付具と、
   前記台座に設けられていて前記発熱体によって加熱された接続材を冷却する冷却エア用の第２流路とを備え、
   前記締付具は中空構造とされていて、当該中空部分が前記第１流路を構成しているヒータ。
   
2. 前記締付具は、前記第１流路が形成されているボルトを含み、
   当該ボルトには、その外部を前記冷却エアが抜けることを防止する円環が取り付けられている、請求項１記載のヒータ。
3. 前記冷却エアの流路であってヒータ本体を構成する各部間には、当該冷却エアの漏れを防止するワッシャが設けられている、請求項１記載のヒータ。

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