JP6529865B2 - 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、多数の冷却フィンが吸着ツールの板状部の下面に突設された半導体チップボンディング用ヘッドが開示されている。特許文献１に開示された半導体チップボンディング用ヘッドは、吸引孔を有する吸着ツールによって半導体チップを吸着して保持し、ヒータ板によって吸着ツールを介して半導体チップを加熱する。

その後に、加熱された半導体チップが実装基板上の所定実装箇所に押圧され、半導体チップに設けられたバンプと、実装基板に設けられたはんだ層と、が溶融する。次いで、吸着ツールに形成された冷却風通路に冷風が供給され、溶融した半田が冷却され凝固する。

特開２００３−３０３８５６号公報

しかし、この種のヒータは、熱源である発熱体によって直接的に加熱される部位はヒータ板である。したがって、発熱体をオフした後は、ヒータ板のように、伝熱における上流を効果的に冷却することが必要である。それにもかかわらず、特許文献１に開示されたものは冷却対象が半田であり、伝熱における下流を冷却していることになるから、冷却効果は限定的である。

そこで、本発明は、上記不都合を回避すべく、ヒータ板の冷却効果を高め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、
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、
前記接続材を溶着するための発熱体と、
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流路と、
前記冷却エアが通る流路を有する断熱台座と、
前記断熱台座に対向配置されたヒータ板と、を備え、
前記ヒータ板と前記断熱台座との対向面における冷却エアの流路に複数の凹凸部が形成されている。

さらに、前記複数の凹凸部は、所定のパターンに基づいて配置されているとよい。そして、前記複数の凹凸部は、千鳥状に配置されているとよい。

本発明の実施形態のヒータを模式的に示す斜視図である。 図１の分解図である。 図１に表した切断面Ａ−Ａにおける断面図である。 本実施形態のヒータ板の模式的な平面図である。 図１に示すヒータについての測定結果を示す図である。 本発明の実施形態２に係るヒータ板４０の断熱台座２０から見た斜視図である。 図６に示すヒータ板４０のＡ−Ａでの断面図である。 図６に示すヒータ板４０の表面温度の測定結果を示す図である。

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。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１のヒータを模式的に示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態のヒータは、以下説明する、取付台座１０と、断熱台座２０と、ヒータ板４０と、締結部材５０と、中空ボルト８０とに大別される。

取付台座１０は、フリップ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）、チタン製、又は、スーパーインバー製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。

取付台座１０には、図示しない半導体チップ（接続対象）を吸着する吸着エアの流路１１が形成されている。また、取付台座１０には、ヒータ板４０を冷却する冷却エアの流路１３が形成されている。

なお、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ために、これらの間にワッシャを設けてもよい。ワッシャは、例えばシリコン製、テフロン（登録商標）製、ポリイミド製とすることができる。

また、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ために、これらの間に円環を設けてもよい。円環は、例えば、ステンレス製（ＳＵＳ３１４，３１６等）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の内部には、取付台座１０の流路１３に接続される図示しない冷却エアの流路が形成されている。断熱台座２０は、例えばボルトやネジなどの締結部材５０により取付台座１０に固定される。

断熱台座２０のヒータ板４０側の面には、冷却エアの流路を構成する溝２１（図４）が形成されている。溝２１は、断熱台座２０に形成されている冷却エアの流路１３と接続されている。溝２１を冷却エアが通ることで、ヒータ板４０が冷却され、伝熱により以下の導電性ボンディング材と基板との接合部が冷却固化される。

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及び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、ヒータ板４０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が通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の流路１１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、ヒータ板４０に発熱体自体を備えるようにしてもよい。

中空ボルト８０は、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。例えば、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。

なお、本実施形態のヒータでは、中空ボルト８０に代えて、中空構造とされていないボルトを用いることもできる。ヒータは、吸着エアの流路１１に接続された流路を有し、その流路を通じてエア吸着を行い、半導体チップを吸着することができればよい。

本実施形態のヒータは、図示しない、電極と、リード線と、抑え金具と、をさらに備える。電極は、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。リード線は、電極と発熱体とを接続するものである。抑え金具は、リード線の位置を規定するためのものである。

本実施形態のヒータは、図示しない調整板を取り付けることもできる。この調整板は、ヒータに対して着脱可能であり、断熱台座２０に形成された溝２１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、断熱台座２０の面方向に進行することになる。一方、調整板をヒータに対して取り付けている場合には、断熱台座２０の面方向に進行した後に、調整板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。

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。

図２は、図１に示すヒータ板４０の断熱台座２０との対向面の模式図である。図３は、図２のＢ部分の拡大図である。図２及び図３に示すように、ヒータ板４０には凸部４３が設けられている。凸部４３は、ヒータ板４０の冷却効果を高めるものである。

凸部４３は、ヒータ板４０に全面的に設けてもよいが、必ずしもその必要はなく、断熱台座２０との対向面であって、少なくとも断熱台座２０の溝２１に対応する位置にのみ設ければよい。各凸部４３は、冷却エアに渦流或いは乱流を発生させる条件で設けられていればよく、その形状は、例えば半球状、立方体状、直方体状、円筒状、角筒状などとすることができるし、これらを適宜組み合わせたものとすることもできる。

また、本明細書では、ヒータ板４０に凸部４３を形成することには、当該面を梨地状とすることも含まれるものとする。係る場合には、冷却エアに渦流或いは乱流を発生させることができない場合もあろうが、それでも、ヒータ板４０の断熱台座２０との対向面の表面積を増加させることができるので、その分、ヒータ板４０の冷却効率は高まる。

また、各凸部４３は、半球状の物の場合には、最大径を例えばφ０．０５ｍｍ〜φ３．００ｍｍ、高さを０．０２ｍｍ〜φ１．００ｍｍ、隣接する凸部までのピッチを０．１６ｍｍ〜φ１．６０ｍｍというサイズとすることができる。

また、各凸部４３を設けることに代えて同様の機能を実現できる条件の複数の凹部を設けてもよいし、又は、これらに代えて或いはこれらとともに、断熱台座２０の溝２１に複数の凹部又は凸部を設けてもよい。こうして、冷却エアに渦流或いは乱流を発生させてもよい。以上をまとめると、本実施形態では、ヒータ板４０と断熱台座２０との対向面における冷却エアの流路（溝部２１を含む）に、複数の凹凸部を形成している。

なお、図２及び図３には、複数の凸部４３は、千鳥状に配列されている例を示しているが、格子状に配列されていてもよいし、ハニカム状に配列されていてもよい。ヒータ板４０は、これに限定されるものではないが、凸部４３も一体的にモールド成形によって製造すればよい。

図４は、図１のＡ−Ａ断面の一部を示す図である。図４には、既述のヒータ板４０と断熱台座２０との断面が示されている。また、図４には、断熱台座２０の溝２１も示されている。

図４を参照しつつ、本実施形態のヒータの加熱／冷却の工程について説明する。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に設けられた吸着エアの流路、及び、取付台座１０に設けられた吸着エアの流路１１を通じて、図示しない吸着ポンプによって引かれる。

本実施形態のヒータのように、吸着エアが中空ボルト８０の中空部分を通る場合には、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（接続材）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、電極及びリード線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。

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（接続材）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、取付台座１０に形成されている冷却エアの流路１３、及び、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に形成されている溝２１に到達する。そして、この冷却エアは、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。つまり、冷却エアが断熱台座２０に設けられた溝２１を流れることにより、ヒータ板４０の断熱台座２０との対向面が冷却される。

冷却エアは、断熱台座２０に設けられた溝２１を流れる際に、ヒータ板４０に設けられた凸部４３に当たる。そうすると、断熱台座２０の溝２１を流れる冷却エアの流れが変わり、冷却エアは、溝２１内を攪拌されながら進むことになる。換言すると、凸部４３によって、断熱台座２０の溝２１を流れる冷却エアは、渦流或いは乱流となる。そうすると、冷却エアの下流でも、相対的に低温の冷却エアがヒータ板４０に到達することになるので、冷却効果が高まる。

また、凸部４３が設けられていないヒータ板を用いる場合と比較して、ヒータ板４０の断熱台座２０との対向面の表面積は、凸部４３の分だけ大きくなる。これだけでも、冷却エアとヒータ板４０との接触面積の増加による、ヒータ板４０の冷却効果が高まる。

図５は、図１に示すヒータ板４０の表面温度の測定結果を示す図である。また、図５には、比較のため、凸部４３を設けていないヒータ板の表面温度も示している。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、ヒータ板４０の表面温度は約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。

ここで、比較例のヒータの場合には、発熱体をオフしてからヒータ板４０の表面温度が約１００℃に低下するまでの時間は、約１０秒間である。これに対して、本実施形態のヒータの場合には、発熱体をオフしてからヒータ板４０の表面温度が約１００℃に低下するまでの時間は、約４秒間である。

このように、本測定においては、凸部４３がヒータ板４０の断熱台座２０の対向面に設けられている場合には、凸部が設けられていない場合と比較して、ヒータ板４０の表面温度が約４５０℃から約１００℃に低下するまでの時間を約２秒間短縮することができる。換言すると、本実施形態のヒータは、冷却時間を約２０％短縮することができる。

（実施形態２）
図６は、本発明の実施形態２に係るヒータ板４０の断熱台座２０から見た斜視図である。図７は、図６に示すヒータ板４０のＡ−Ａでの断面図である。本実施形態のヒータ板４０は、内部に断熱台座２０側の面からその反対面に向けて形成されていて断熱台座２０の溝２１に接続されている複数の冷却エアの流路４３と、複数の流路４３と一体的に形成されていて各流路４３と直交する向きに向かってヒータ板４０の側面まで延びる複数の冷却エアの流路４７とが形成されている。

なお、本実施形態の場合には、断熱台座２０には、図４に示すような溝４１を形成する必要はなく、図６の流路４３に対応する位置に冷却エアの流路を形成することも可能である。

図６に示すように、一例を挙げると、ヒータ板４０には、例えば１０個の流路４７が全体的に設けられていて、流路４３は５個の流路４７に対してそれぞれ設けられている。これらの数は例示であり、これよりも多くても少なくてもよいが、ヒータ板４０が均一的に冷却されるように、全体的に設けられているとよい。

また、一例を挙げると、ヒータ板４０の厚さが１．５ｍｍ〜２．５ｍｍ程度というサイズとしたたきに、冷却エアの流路４７の径は、ヒータ板４０の厚さの１／４倍〜１／２倍程度というサイズとすることができる。もっとも、冷却エアの流路４７の径は、冷却エアの流路４７の数に応じて選択すればよい。

本実施形態のヒータ板４０は、これに限定されるものではないが、図７における上側半分と下側半分とを各々製造し、それらを張り合わせることによって組み立てるとよい。

冷却エアは、取付台座１０に形成されている流路１３及び断熱台座２０に形成されている流路を通じ、断熱台座２０に形成されている溝２１に到達する。その後、冷却エアは、溝２１から流路４３に向かい、流路４７を通じて、ヒータ板４０の外部に排出される。

これにより、溝２１まで到達した冷却エアによって、ヒータ板４０がその表面（断熱台座２０側の面）から冷却され、さらに、ヒータ板４０の内部に設けられている流路４３及び流路４７を流れていく冷却エアによって、ヒータ板４０が内部から冷却されるので、ヒータ板４０の冷却効果が高く、ひいては、半導体チップ、導電性ボンディング材及び基板を早期に冷却することにつながる。

また、本実施形態のようにヒータ板４０の内部に流路４３及び流路４７を設けている場合には、実施形態１のようにこれらが設けられていない場合に比して、冷却エアの流路の出口の面積が広いので、多くの流量の冷却エアを流すことが可能となり、この点からも、ヒータ板４０の冷却効果を高められる。

図８は、図６に示すヒータ板４０の表面温度の測定結果を示す図であり、図５に対応するものである。発熱体をオンしてから約１０秒間、そのオン状態を維持する点は、図５の場合と同様である。

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。このなお、冷却エアの供給量は、実施形態１と同条件とした。冷却エアにより、ヒータ板４０の表面温度が低下する。

本実施形態のヒータの場合には、発熱体をオフしてからヒータ板４０の表面温度が約１００℃に低下するまでの時間は、約４．５秒間である。このように、本測定においては、ヒータ板４０に流路４３，４７が設けられている場合には、そうでない場合と比較して、ヒータ板４０の表面温度が約４５０℃から約１００℃に低下するまでの時間を約５．５秒間も短縮することができる。換言すると、本実施形態のヒータは、冷却時間を約６５％も短縮することができる。

以上、本発明の実施形態１，２のヒータについて説明したが、実施形態１，２を組み合わせたものを用いてもよい。すなわち、凸部４３を有し、かつ、流路４３，４７が設けられているヒータ板を用いてもよい。

１０ 取付台座
１１、１３ 流路
２０ 断熱台座
２１ 溝
４０ ヒータ板
４１ 孔
４３ 凸部
５０ 締結部材
８０ ボルト

Claims (2)

1. 基材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、
   前記接続材を溶着するための発熱体と、
   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流路と、
   前記冷却エアが通る流路を有する断熱台座と、
   前記断熱台座に対向配置されたヒータ板と、を備え、
   前記ヒータ板と前記断熱台座との対向面における冷却エアの流路に半球状、立方体状、直方体状、円筒状、角筒状又はこれらを組み合わせた複数の凹凸部が形成されている、ヒータ。
2. 前記ヒータ板は、前記流路に対応する位置から側面にかけて形成された前記冷却エアの流路を備える、請求項１記載のヒータ。
   

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