JP6047724B2

JP6047724B2 - ボンディング装置用ヒータ、ボンディング装置用ヒータ組立体及びボンディング装置

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Publication number: JP6047724B2
Application number: JP2016065371A
Authority: JP
Inventors: 耕平瀬山; 恭弘千田; 角谷　修; 修角谷
Original assignee: Shinkawa Ltd
Current assignee: Shinkawa Ltd
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2032-07-20
Also published as: JP2016149567A

Description

本発明は、ボンディング装置用ヒータ、ボンディング装置用ヒータ組立体及びボンディング装置の構造及に関する。

半導体チップを基板上に実装する方法として電極にはんだバンプを形成した、はんだバンプ付電子部品を熱圧着によって基板に実装する方法や、電子部品の電極に金バンプを成形し、基板の銅電極の表面に薄いはんだの皮膜を設け、金バンプの金とはんだとを熱溶融接合する金はんだ溶融接合や、熱可塑樹脂や異方性導電膜（ＡＦＣ）等の樹脂系の接着材を使用した接合方法が用いられている。このような接合方法は、いずれも、電子部品を加熱して電極上のはんだや接着剤を溶融させた状態で圧着ツールによって電子部品を基板に押圧した後、はんだや接着材を冷却して固着させて、基板に電子部品を接合するものである。このような接合に用いられる電子部品実装装置では、はんだを溶融状態まで加熱或いは接着剤を軟化状態まで加熱するためのヒータと、接合後にはんだや接着剤を冷却する冷却手段を備え、急加熱、急速冷却を行うことが要求される。

タクトタイムを短くする上では、急加熱よりも、いかに短時間で冷却するかが問題となってくる。このため、板状のセラミックスヒータに重ね合わされる断熱材に空気流路を設け、冷却空気をセラミックスヒータの表面に流してヒータ及びヒータに取り付けられたボンディングツールを冷却する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、パルスヒータとパルスヒータに重ねあわされるベース部材の間に空間を設け、ベース部材に設けた冷却孔から吹き出す空気をパルスヒータの断熱材側の面に吹き付けてパルスヒータを急速冷却する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２―１６０９１号公報特開平１０―２７５８３３号公報

ところで、一般に狭い平行平板間に流体を流した場合、平行平板の表面から冷却媒体への熱伝達は、流れに垂直な方向の熱伝導が支配的で、乱流のような物資移動を伴う熱移動は非常に小さい。このため、平行平板の表面と冷却媒体との間の熱移動量を大きくするためには、平行平板間の距離、すなわち、冷却媒体中での熱伝導の距離を短くすることが重要となってくる。特に、冷却媒体に熱伝導率が小さい空気を使用した場合（例えば、０．１〜０．５Ｍｐａ空気の熱伝導率は０．０２６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、水の０．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）に比べて非常に小さい）には、平行平板間の距離をより狭くすることが必要となってくる。このため、特許文献１に記載された従来技術のように、平行平板間の距離が０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度の矩形流路に空気を流して冷却しても、効果的にヒータを冷却することができないという問題がある。また、特許文献２に記載された従来技術のようにヒータの表面に空気を吹き付けることによってヒータを冷却しようとした場合には、大量の空気をベース部材に吹き付ける必要があるので、吹き出した空気によってボンディング雰囲気が乱されてしまうという問題があった。

本発明は、ボンディング装置用ヒータをより効果的に冷却することを目的とする。

本発明のボンディング装置用ヒータは、冷却空気が供給される冷却空気孔を有する流路形成部材の平面状の合わせ面に取り付けられ、セラミックス製で平板形の形状を有し、電流が流れることで発熱するボンディング装置用ヒータであって、ボンディングツールが取り付けられる第一の面と、第一の面と反対側で流路形成部材の合わせ面に重ね合わされる第二の面とを備え、第二の面は、当該面に沿った方向の幅が０．１ｍｍから０．０２ｍｍの範囲で、且つ、当該面に沿った方向の幅が当該面に垂直方向の深さよりも小さい多数の毛細スリットを有し、多数の毛細スリットは、対向する各側面の間に延び、空気冷却孔から冷却空気が流れることで発熱した当該ボンディング装置用ヒータを直接冷却する毛細冷却流路を構成すること、を特徴とする。また、本発明のボンディング装置用ヒータにおいて、流路形成部材は、中央付近に窪みを有し、第二の面が流路形成部材の合わせ面に重ね合わされると、流路形成部材の窪みは、第二の面との間に冷却空気が流入するキャビティを形成することとしても好適である。

また、本発明のボンディング装置用ヒータにおいて、毛細スリットの前記幅に対する毛細スリットの深さの比率は、３〜１０の範囲であること、としても好適である。

本発明のボンディング装置用ヒータ組立体は、ボンディングツールが取り付けられる第一の面と、第一の面と反対側の第二の面とを備えるセラミックス製で平板形の形状を有し、電流が流れることで発熱するボンディング装置用ヒータと、第二の面に取り付けられる断熱材と、を含むボンディング装置用ヒータ組立体であって、第二の面は、当該面に沿った方向の幅が０．１ｍｍから０．０２ｍｍの範囲で、且つ、当該面に沿った方向の幅が当該面に垂直方向の深さよりも小さい多数の毛細スリットを有し、第二の面と接触する断熱材の合わせ面は、中央付近に窪みが設けられ、窪みは、第二の面との間に冷却空気が流入するキャビティを形成し、多数の毛細スリットは、対向する各側面の間に延び、キャビティに連通して冷却空気が流れることで発熱した当該ボンディング装置用ヒータを直接冷却する毛細冷却流路であること、を特徴とする。

本発明のボンディング装置は、ボンディングツールが取り付けられる第一の面と、第一の面と反対側の第二の面とを備えるセラミックス製で平板形の形状を有し、電流が流れることで発熱するボンディング装置用ヒータと、第二の面に取り付けられる断熱材と、を含むボンディング装置であって、第二の面は、当該面に沿った方向の幅が０．１ｍｍから０．０２ｍｍの範囲で、且つ、当該面に沿った方向の幅が当該面に垂直方向の深さよりも小さい多数の毛細スリットを有し、第二の面と接触する断熱材の合わせ面は、中央付近に窪みが設けられ、窪みは、第二の面との間に冷却空気が流入するキャビティを形成し、多数の毛細スリットは、対向する各側面の間に延び、キャビティに連通して冷却空気が流れることで発熱した当該ボンディング装置用ヒータを直接冷却する毛細冷却流路であること、を特徴とする。

本発明は、ボンディング装置用ヒータをより効果的に冷却することができるという効果奏する。

本発明の実施形態におけるボンディング装置用ヒータの構成を示す説明図である。本発明の実施形態におけるボンディング装置用ヒータの平面図と断面図である。本発明の実施形態におけるボンディング装置用ヒータの毛細スリットの詳細を示す断面図である。本発明の実施形態におけるボンディング装置用ヒータの毛細冷却流路を示す斜視図である。従来技術によるボンディング装置用ヒータの冷却溝の詳細を示す断面図である。本発明の実施形態におけるボンディング装置用ヒータの毛細スリット幅と熱抵抗の関係を示すグラフである。本発明の実施形態におけるボンディング装置用ヒータの毛細冷却流路の長さと空気温度の関係を示すグラフである。本発明の他の実施形態におけるボンディング装置用ヒータの構成を示す説明図である。本発明の他の実施形態におけるボンディング装置用ヒータの平面図と断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態のボンディング装置用ヒータについて説明する。図１に示すように、本実施形態のボンディング装置用ヒータ３０は、平板形の本体３１と、ボンディングツール４０が取り付けられる第一の面である下面３１ｂと、断熱材２０が取り付けられる第二の面である上面３１ａとを備えている。上面３１ａの中央近傍には略直方体の窪み３４が設けられ、本体３１には窪み３４から側面３３に延びる多数の毛細スリット３５が設けられている。この窪み３４と上面３１ａに合わせられる断熱材２０の合わせ面２１とは、冷却空気が流入するキャビティ３６を形成し、多数の毛細スリット３５と上面３１ａに取り付けられる断熱材２０の合わせ面２１とは、キャビティ３６から側面３３に延びる多数の毛細冷却流路３７を形成している。

断熱材２０の上部には、ステンレス製のベース部材１０が取り付けられており、このベース部材１０は、図示しないボンディング装置のボンディングヘッドに取り付けられ、ボンディングヘッドに内蔵されている上下方向の駆動装置によりベース部材１０と断熱材２０とボンディング装置用ヒータ３０とボンディングツール４０とが一体となって上下方向に移動する。

ボンディング装置用ヒータ３０は、例えば、窒化アルミなどのセラミックスの内部に白金あるいはタングステンなどにより構成された発熱抵抗体を埋め込んだものである。また、断熱材２０は、ボンディング装置用ヒータ３０の熱をベース部材１０に伝えないようにするもので、例えば、アドセラム（登録商標）等のセラミックス製である。

図２を参照しながらボンディング装置用ヒータ３０と断熱材２０の構造について詳細に説明する。図２（ａ）は、ボンディング装置用ヒータ３０の上面３１ａを示す平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示すＡ−Ａの断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）に示すＢ−Ｂの断面図である。

図２（ａ）に示すように、ボンディング装置用ヒータ３０の上面３１ａの上下方向の中央部には、２つの窪み３４が設けられており、各窪み３４の上下方向の壁面から各側面３３に向かって本体３１の中に多数の毛細スリット３５が延びている。本実施形態のボンディング装置用ヒータ３０では、各窪み３４の各上下方向の壁から本体３１の上下方向の各側面３３に向かってそれぞれ６３本の毛細スリット３５が延びている。従って、図２（ａ）に示す上面３１ａには、合計６３×２×２＝２５２本の毛細スリット３５が形成されている。また、各毛細スリット３５の長さはＬ_１である。毛細スリット３５は、例えば、ダイシング装置によって切削することによって形成してもよい。

図３に示すように各毛細スリット３５の幅Ｗ_１は０．０５ｍｍ、毛細スリット３５の間の壁３８の厚さＤ_１は０．１ｍｍ、毛細スリット３５の深さＨ_１は、０．３ｍｍである。このように、毛細スリット３５は、幅Ｗ_１が深さＨ_１よりも小さく、本実施形態では、幅Ｗ_１に対する深さＨ_１の比率（深さＨ_１／幅Ｗ_１）＝(０．３／０．０５)＝６．０となっている。また、窪み３４の深さは毛細スリット３５と同様の０．３ｍｍの深さとなっている。

図２（ｂ）、図２（ｃ）に示すように、本体３１の上面３１ａには断熱材２０が重ねあわされている。断熱材２０の合わせ面２１は平面であり、上面３１ａに設けられた窪み３４、毛細スリット３５の周囲の面と密着している。このため、図２（ｂ）に示すように、本体３１の上面３１ａに断熱材２０の合わせ面２１が重ねあわされると、略直方体の窪み３４の上側の解放面及び毛細スリット３５の上側の解放面が閉じられ、各窪み３４と合わせ面２１とは略直方体の各キャビティ３６を形成する。同様に図２（ｃ）に示すように、多数の毛細スリット３５と合わせ面２１は、上下方向に細長い多数の毛細冷却流路３７を形成する。また、図２（ｂ）に示すように、断熱材２０には、各キャビティ３６にそれぞれ連通する２つの冷却空気孔２５が設けられている。そして、各冷却空気孔２５に供給された冷却空気は、図２（ｂ）の下向き矢印で示すように、冷却空気孔２５からキャビティ３６に流入した後、各キャビティ３６から多数の毛細冷却流路３７に流入し、図２（ａ）に示す上下方向の矢印のように、各側面３３側から外部に流出し、ボンディング装置用ヒータ３０を冷却する。

図４に示すように、本実施形態のボンディング装置用ヒータ３０の毛細冷却流路３７は、幅Ｗ_１、深さＨ_１、長さＬ_１の矩形断面の流路であり、冷却空気は、キャビティ３６に連通している入口３７１から流路に入り、側面３３の上にある出口３７２から流出する。毛細冷却流路３７の幅Ｗ_１は０．０５ｍｍと非常に狭くなっている一方、その深さＨ_１は０．３ｍｍと幅Ｗ_１の６倍にもなっていることから、毛細冷却流路３７の中を流れる空気の流れは狭い平行平板間の流れとなり、ボンディング装置用ヒータ３０の本体３１と空気との熱交換は毛細冷却流路３７の両側面３７ａを構成する毛細スリット３５の両側面３５ａが支配的で毛細冷却流路３７の底面３７ｂを構成する毛細スリット３５の底面３５ｂはほとんど熱交換に寄与しなくなる。本実施形態のボンディング装置用ヒータ３０では毛細冷却流路３７の数は２５２であることから、有効熱交換面積は、次のようになる。

有効熱交換面積
＝毛細スリット３５の両側面３５ａの面積＝Ｈ_１×Ｌ_１×２×毛細冷却流路３７の数
＝Ｈ_１×Ｌ_１×５０４
となる。

また、毛細冷却流路３７の全流路断面積は、
全流路断面積
＝Ｗ_１×Ｈ_１×毛細冷却流路３７の数＝Ｗ_１×Ｈ_１×５０４
となる。

一方、図５に示すように、断熱材２０の合わせ面２１に本実施形態の毛細冷却流路３７の全流路断面積と同様の断面積を持つ冷却空気流路２６を形成した場合を考える。図５に示す例では、冷却空気流路２６は、図中の横方向には仕切りが無い流路として形成されている。この場合、２つの毛細冷却流路３７の幅Ｗ_１と壁３８の厚さＤ_１の合計長さ、すなわち毛細冷却流路３７の２ピッチ分の幅Ｗ_２は、（０．０５＋０．１）×２＝０．３ｍｍで毛細冷却流路３７の深さＨ_１と同様であることから、冷却空気流路２６の高さＨ_２を毛細冷却流路３７の幅Ｗ_１の２倍の０．１ｍｍとすれば、両者の流路断面積は同一となる。そして、図５に示す幅Ｗ_２の冷却空気流路２６の有効熱交換領域は冷却空気流路２６の上面３１ａに面する底面２６ｂのみであり、側面２６ａはほとんど熱交換に寄与しないから、有効熱交換面積は、Ｗ_２×Ｌ_１であるのに対し、幅Ｗ_２の部分の毛細冷却流路３７の有効熱交換面積は、Ｈ_１×Ｌ_１×２（両面）×２（２流路）となる。ここで、Ｗ_２＝Ｈ_１であることから、幅Ｗ_２の部分の毛細冷却流路３７の有効熱交換面積は、幅Ｗ_２の冷却空気流路２６の有効熱交換面積の４倍となることとなる。

また、毛細冷却流路３７を構成する毛細スリット３５の両側面３５ａの各表面から冷却空気への熱伝達は、流れに垂直な方向の熱伝導が支配的で、乱流のような物資移動を伴う熱移動は非常に小さくなる。このため、図６に示すように、熱移動の際の熱抵抗は毛細スリット３５の幅Ｗの大きさが大きくなると増大する。

従って、図１から図４を参照して説明した本実施形態のボンディング装置用ヒータ３０の毛細冷却流路３７は、図５を参照して説明した従来技術による冷却空気流路２６の４倍の有効熱交換面積を有し、冷却空気流路２６よりも熱抵抗が少ないことから、より大きな熱交換を行うことができ、より効果的にボンディング装置用ヒータ３０を冷却することができる。

図７に示す様に、本実施形態のボンディング装置用ヒータ３０の毛細冷却流路３７の内部の温度は、毛細冷却流路３７の流れ方向の位置と空気の流量によって変化する。図７（ａ）は、毛細冷却流路３７の幅方向中央の長手方向距離に対する空気温度の変化を示すグラフであり、図７（ｂ）は毛細冷却流路３７中の空気温度が壁面（毛細スリット３５の壁面）の温度Ｔ_２となる位置を示す図である。空気流量が少ない場合には、図７（ａ）の線ａ、図７（ｂ）の線ｐに示す様に、毛細冷却流路３７の入口３７１に温度Ｔ_１で流入した空気の温度は急速に上昇し、流路の前半で毛細冷却流路３７の壁面（毛細スリット３５の壁面）の温度Ｔ２まで上昇してしまい、そのまま出口３７２から流出する。この場合、流路の後半では空気温度が壁面の温度Ｔ_２に達してしまっているので、本体３１から熱を奪うことができなくなってしまい、冷却能力が十分に発揮できていない。

逆に、流量が多い場合には、図７（ａ）の線ｃ、図７（ｂ）の線ｒに示す様に、入口３７１に温度Ｔ_１で流入した空気は、温度が壁面の温度Ｔ_２の半分程度の温度で出口３７２から外部に流出していく。この場合、毛細冷却流路３７の長手方向全般に渡って空気と壁面（毛細スリット３５の壁面）との温度差が大きいので、冷却能力は大きくなるが、冷却空気流量のわりに冷却能力は大きくならない。

そこで、本実施形態のボンディング装置用ヒータ３０では、毛細冷却流路３７の出口３７２から流出する空気の温度が壁面（毛細スリット３５の壁面）の温度Ｔ_２よりも少しだけ、あるいは所定の閾値ΔＴだけ低い温度となるように空気流量を調整する。この流量は、試験などによって予め決めておき、その流量となるように冷却空気孔２５に供給する空気の圧力を調整したり、冷却空気孔２５の入り口側に設けた流量調節弁あるいはレギュレータによって流量を調節したりするようにしてもよい。このように冷却空気流量を調整することによって少ない冷却空気流量で効果的にボンディング装置用ヒータ３０を冷却することができる。

図８から図９を参照して本発明の他の実施形態について説明する。先に図１から図７を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図８に示すように、本実施形態では、断熱材２０の合わせ面２１の中央近傍に第二の窪みである窪み１３４が設けられ、図９（ａ）に示す様に、本体３１に設けられた毛細スリット３５は、一方の側面３３から対抗する他方の側面３３まで延びている。窪み１３４には、冷却空気孔２５が接続されている。毛細スリット３５の本数、幅、深さは先に図１から７を参照して説明した実施形態と同様である。

図８、図９（ｂ）に示す様に、断熱材２０の合わせ面２１を本体３１の上面３１ａに合わせると、断熱材２０の合わせ面２１に設けられた窪み１３４は、本体３１の上面３１ａの毛細スリット３５が設けられていない面に密着し、冷却空気孔２５からの空気が入り込むキャビティ１３６を構成する。図９（ｃ）に示すように、毛細スリット３５と断熱材２０の合わせ面２１とは毛細冷却流路３７を構成する。図９（ａ）に示す様に、毛細冷却流路３７の長さはＬ_１である。また、図９（ｂ）に示す様に、キャビティ１３６の下面は多数の毛細スリット３５の上側の開放端と連通している。そして、冷却空気孔２５からキャビティ１３６に入った空気は、キャビティ１３６から下側の毛細スリット３５に流入した後、図９（ａ）に示すように、毛細冷却流路３７を側面３３に向って流れ、ボンディング装置用ヒータ３０を冷却する。

本実施形態は、先に図１から図７を参照して説明した実施形態と同様の効果に加え、セラミックス製の本体３１の加工が簡単であり、より簡便な構成とすることができるという効果を奏する。

以上説明した実施形態では、毛細スリット３５の幅Ｗ_１は０．０５ｍｍとして説明したが、毛細スリット３５の幅Ｗ_１は０．５ｍｍ〜０．０１ｍｍの範囲であれば自由に選択してもよい。０．１ｍｍ〜０．０２ｍｍの範囲であればより好ましく、０．０５ｍｍ〜０．０２ｍｍの範囲であれば更に好ましい。また、毛細スリット３５の深さＨ_１は、０．３ｍｍ、毛細スリット３５の幅Ｗ_１と毛細スリット３５の深さＨ_１の比率は１：６として説明したが、毛細スリット３５の深さＨ_１は毛細スリット３５の幅Ｗ_１よりも深ければよく、例えば、１．０ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲で自由に選択してもよい。また、毛細スリット３５の幅Ｗ_１と毛細スリット３５の深さＨ_１の比率は１：６に限られず、１：３〜１：１０の範囲であれば自由に選択できる。

１０ベース部材、２０断熱材、２１合わせ面、２５冷却空気孔、２６冷却空気流路、３０ボンディング装置用ヒータ、３１本体、３１ａ上面、３１ｂ下面、３３側面、３４，１３４窪み、３５毛細スリット、３５ａ，３７ａ側面、３５ｂ，３７ｂ底面、３６，１３６キャビティ、３７毛細冷却流路、３８壁、４０ボンディングツール、３７１入口、３７２出口。

Claims

冷却空気が供給される冷却空気孔を有する流路形成部材の平面状の合わせ面に取り付けられ、セラミックス製で平板形の形状を有し、電流が流れることで発熱するボンディング装置用ヒータであって、
ボンディングツールが取り付けられる第一の面と、前記第一の面と反対側で前記流路形成部材の合わせ面に重ね合わされる第二の面とを備え、
前記第二の面は、当該面に沿った方向の幅が０．１ｍｍから０．０２ｍｍの範囲で、且つ、当該面に沿った方向の幅が当該面に垂直方向の深さよりも小さい多数の毛細スリットを有し、
前記多数の毛細スリットは、対向する各側面の間に延び、前記空気冷却孔から冷却空気が流れることで発熱した当該ボンディング装置用ヒータを直接冷却する毛細冷却流路を構成すること、
を特徴とするボンディング装置用ヒータ。
請求項１に記載のボンディング装置用ヒータであって、
前記毛細スリットの前記幅に対する前記毛細スリットの深さの比率は、３〜１０の範囲であること、
を特徴とするボンディング装置用ヒータ。
ボンディングツールが取り付けられる第一の面と、前記第一の面と反対側の第二の面とを備えるセラミックス製で平板形の形状を有し、電流が流れることで発熱するボンディング装置用ヒータと、
前記第二の面に取り付けられる流路形成部材と、を含むボンディング装置用ヒータ組立体であって、
前記第二の面は、当該面に沿った方向の幅が０．１ｍｍから０．０２ｍｍの範囲で、且つ、当該面に沿った方向の幅が当該面に垂直方向の深さよりも小さい多数の毛細スリットを有し、
前記第二の面と接触する前記流路形成部材の合わせ面は、中央付近に窪みが設けられ、前記窪みは、前記第二の面との間に冷却空気が流入するキャビティを形成し、
前記多数の毛細スリットは、対向する各側面の間に延び、前記キャビティに連通して冷却空気が流れることで発熱した当該ボンディング装置用ヒータを直接冷却する毛細冷却流路であること、
を特徴とするボンディング装置用ヒータ組立体。
ボンディングツールが取り付けられる第一の面と、前記第一の面と反対側の第二の面とを備えるセラミックス製で平板形の形状を有し、電流が流れることで発熱するボンディング装置用ヒータと、
前記第二の面に取り付けられる流路形成部材と、を含むボンディング装置であって、
前記第二の面は、当該面に沿った方向の幅が０．１ｍｍから０．０２ｍｍの範囲で、且つ、当該面に沿った方向の幅が当該面に垂直方向の深さよりも小さい多数の毛細スリットを有し、
前記第二の面と接触する前記流路形成部材の合わせ面は、中央付近に窪みが設けられ、前記窪みは、前記第二の面との間に冷却空気が流入するキャビティを形成し、
前記多数の毛細スリットは、対向する各側面の間に延び、前記キャビティに連通して冷却空気が流れることで発熱した当該ボンディング装置用ヒータを直接冷却する毛細冷却流路であること、
を特徴とするボンディング装置。
請求項１に記載のボンディング装置用ヒータであって、
前記流路形成部材は、中央付近に窪みを有し、
前記第二の面が前記流路形成部材の合わせ面に重ね合わされると、前記流路形成部材の前記窪みは、前記第二の面との間に冷却空気が流入するキャビティを形成する、ボンディング装置用ヒータ。