TWI489598B - A heater for a bonding device and a cooling method thereof - Google Patents

Description

接合裝置用加熱器及其冷卻方法

本發明係關於一種接合裝置用加熱器之構造及其冷卻方法。

作為將半導體晶片構裝於基板上之方法，可使用在電極上形成焊料凸塊，且利用熱壓接將附焊料凸塊之電子零件構裝在基板上的方法；或在電子零件的電極上成形金凸塊，在基板的銅電極的表面設置較薄的焊料皮膜，使金凸塊的金與焊料熱熔融接合的金焊料熔融接合；使用熱可塑樹脂或各向異性導電膜(AFC)等樹脂系之接著材的接合方法。此類接合方法均係對電子零件進行加熱，而在已使電極上之焊料或接著劑熔融的狀態下利用壓接工具將電子零件推壓至基板之後，使焊料或接著材冷卻而固著，從而將電子零件接合在基板上。於此種接合中使用之電子零件構裝裝置中，需要具備用於將焊料加熱至熔融狀態、或者將接著劑加熱至軟化狀態的加熱器、及在接合後使焊料或接著劑冷卻的冷卻機構，且需要進行急速加熱、急速冷卻。

在縮短工作時間(take time)方面，相較於急速加熱，如何在短時間內冷卻更是一個問題。因此，提出以下方法：在重疊於板狀陶瓷加熱器上之隔熱材上設置空氣流路，使冷卻空氣在陶瓷加熱器的表面流動而使加熱器及安裝在加熱器上的接合工具冷卻(例如，參照專利文獻1)。

而且，提出如下方法：於脈衝加熱器與重疊於脈衝加熱器上 之基底構件之間設置空間，使自基底構件上所設之冷卻孔噴出的空氣噴附於脈衝加熱器的隔熱材側的面，從而使脈衝加熱器急速冷卻(例如，參照專利文獻2)。

[先行技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2002-16091號公報

[專利文獻2]日本特開平10-275833號公報

然而，一般而言，當流體在狹小的平行平板之間流動時，自平行平板的表面向冷卻媒體之熱傳遞中，與流動垂直之方向上的熱傳導佔支配地位，而伴隨如紊流般的物資移動而產生之熱移動非常小。因此，為了增大平行平板的表面與冷卻媒體之間的熱移動量，重要的是縮短平行平板間的距離、即冷卻媒體中的熱傳導的距離。尤其是，當使用對冷卻媒體之導熱率較小的空氣的情況下(例如，0.1~0.5 Mpa空氣的導熱率為0.026 W/(m．K)，與水的導熱率0.6 W/(m．K)相比非常小)，必須進一步縮小平行平板間的距離。因此，如專利文獻1記載之先前技術所述，即便空氣在平行平板間的距離為0.5 mm~2 mm左右的矩形流路內流動而使其冷卻，亦存在無法有效地使加熱器冷卻的問題。而且，如專利文獻2記載之先前技術所述，在藉由對加熱器之表面噴附空氣而使加熱器冷卻的情況下，需要將大量的空氣噴附至基底構件，因此存在因噴出的空氣而擾亂接合環境的問 題。

本發明的目的在於更有效地使接合裝置用加熱器冷卻。

本發明之接合裝置用加熱器係具有供接合工具安裝之第一面、及位於第一面的相反側且供隔熱材安裝之第二面的平板形的接合裝置用加熱器，其特徵在於：具有設在第二面之多數毛細狹縫，且多數毛細狹縫與安裝於第二面之隔熱材的對準面形成多數毛細冷卻流路。

本發明之接合裝置用加熱器中，亦適宜為，毛細狹縫之沿第二面的方向上的寬度小於與第二面垂直之方向上的深度。

本發明之接合裝置用加熱器中，亦適宜為，於第二面之中央附近設有凹陷，凹陷與安裝於第二面之隔熱材的對準面形成供冷卻空氣流入的空穴(cavity)，多數毛細狹縫自空穴延伸至側面，且於隔熱材之對準面的中央附近設有第二凹陷，第二凹陷與第二面形成供冷卻空氣流入的空穴，多數毛細狹縫連通於空穴，且在對向之各側面之間延伸。

接合裝置用加熱器之冷卻方法係使接合裝置用加熱器冷卻的方法，該接合裝置用加熱器係呈平板形狀，具有供接合工具安裝之第一面、及位於第一面的相反側且供隔熱材安裝之第二面，且具備設在第二面的多數毛細狹縫，多數毛細狹縫與安裝於第二面之隔熱材的對準面形成多數毛細冷卻流路，該冷卻方法之特徵在於：冷卻空氣流量係使毛細冷卻流路出口之毛細狹縫中央的冷卻空氣溫度成為較毛細狹縫的表面溫度低既定閾值的溫度的流量。

本發明發揮能更有效地使接合裝置用加熱器冷卻的效果。

10‧‧‧基底構件

20‧‧‧隔熱材

21‧‧‧對準面

25‧‧‧冷卻空氣孔

26‧‧‧冷卻空氣流路

26a‧‧‧側面

26b‧‧‧底面

30‧‧‧接合裝置用加熱器

31‧‧‧本體

31a‧‧‧上表面

31b‧‧‧下表面

33‧‧‧側面

34‧‧‧凹陷

35‧‧‧毛細狹縫

35a‧‧‧側面

35b‧‧‧底面

36‧‧‧空穴

37‧‧‧毛細冷卻流路

37a‧‧‧側面

37b‧‧‧底面

38‧‧‧壁

40‧‧‧接合工具

134‧‧‧凹陷

136‧‧‧空穴

371‧‧‧入口

372‧‧‧出口

圖1係表示本發明之實施形態中的接合裝置用加熱器之構成的說明圖。

圖2係本發明之實施形態中的接合裝置用加熱器的俯視圖及剖面圖。

圖3係表示本發明之實施形態中的接合裝置用加熱器的毛細狹縫的細節的剖面圖。

圖4係表示本發明之實施形態中的接合裝置用加熱器的毛細冷卻流路的立體圖。

圖5係表示先前技術之接合裝置用加熱器的冷卻槽的細節的剖面圖。

圖6係表示本發明之實施形態中的接合裝置用加熱器的毛細狹縫寬度與熱阻的關係的圖表。

圖7係表示本發明之實施形態中的接合裝置用加熱器的毛細冷卻流路的長度與空氣溫度的關係的圖表。

圖8係表示本發明之另一實施形態中的接合裝置用加熱器的構成的說明圖。

圖9係表示本發明之另一實施形態中的接合裝置用加熱器的俯視圖及剖面圖。

以下，參照圖式說明本發明之實施形態中的接合裝置用加熱器。如圖1所示，本實施形態中的接合裝置用加熱器30具備平板形本體31、 供接合工具40安裝之第一面即下表面31b、及供隔熱材20安裝之第二面即上表面31a。於上表面31a的中央附近設有大致長方體的凹陷34，於本體31設有自凹陷34延伸至側面33的多數毛細狹縫35。該凹陷34與對準上表面31a之隔熱材20的對準面21形成供冷卻空氣流入的空穴36，且多數毛細狹縫35與安裝於上表面31a之隔熱材20的對準面21形成自空穴36延伸至側面33的多數毛細冷卻流路37。

於隔熱材20之上部安裝有不銹鋼製之基底構件10，該基底構件10係安裝於未圖示之接合裝置的接合頭，且藉由內藏於接合頭之上下方向的驅動裝置使基底構件10、隔熱材20、接合裝置用加熱器30、及接合工具40一體地在上下方向移動。

接合裝置用加熱器30係例如使由鉑或鎢等所構成的熱敏電阻埋入至氮化鋁等之陶瓷的內部而構成。而且，隔熱材20是用於使接合裝置用加熱器30的熱不會傳遞至基底構件10的材料，例如為Adceram(註冊注冊商標)等陶瓷製。

參照圖2對接合裝置用加熱器30及隔熱材20之構造進行詳細說明。圖2(a)係表示接合裝置用加熱器30的上表面31a的俯視圖，圖2(b)係圖2(a)所示之A-A的剖面圖，圖2(c)係圖2(a)所示之B-B的剖面圖。

如圖2(a)所示，於接合裝置用加熱器30之上表面31a的上下方向的中央部設有2個凹陷34，在本體31中多數毛細狹縫35自各凹陷34之上下方向的壁面向各側面33延伸。本實施形態的接合裝置用加熱器30中，63條毛細狹縫35分別自各凹陷34的各上下方向的壁面向本體31的 上下方向的各側面33延伸。因此，於如圖2(a)所示的上表面31a，形成有合計63×2×2=252條毛細狹縫35。而且，各毛細狹縫35的長度為L₁ 。毛細狹縫35亦可例如藉由切割裝置進行切削而形成。

如圖3所示，各毛細狹縫35的寬度W₁ 為0.05 mm，毛細狹縫35之間的壁38的厚度D₁ 為0.1 mm，毛細狹縫35的深度H₁ 為0.3 mm。如此，毛細狹縫35的寬度W₁ 小於深度H₁ ，本實施形態中，深度H₁ 相對於寬度W₁ 的比率為(深度H₁ /寬度W₁ )=(0.3/0.05)=6.0。而且，凹陷34的深度與毛細狹縫35的深度同樣為0.3 mm。

如圖2(b)、圖2(c)所示，隔熱材20重疊於本體31的上表面31a。隔熱材20的對準面21為平面，且密接於上表面31a所設之凹陷34、毛細狹縫35周圍的面。因此，如圖2(b)所示，若隔熱材20的對準面21重疊於本體31的上表面31a，則大致長方體的凹陷34上側的開放面及毛細狹縫35的上側的開放面被關閉，各凹陷34與對準面21形成大致長方體的各空穴36。同樣，如圖2(c)所示，多數毛細狹縫35與對準面21形成上下方向上細長的多數毛細冷卻流路37。而且，如圖2(b)所示，於隔熱材20上形成有分別連通於各空穴36的2個冷卻空氣孔25。而且，已供給至各冷卻空氣孔25的冷卻空氣係如圖2(b)之朝下的箭頭所示，自冷卻空氣孔25流入至空穴36之後，自各空穴36流入至多數毛細冷卻流路37，且如圖2(a)所示的上下方向的箭頭所示，自各側面33側流出至外部，從而使接合裝置用加熱器30冷卻。

如圖4所示，本實施形態之接合裝置用加熱器30的毛細冷卻流路37係寬度W₁ 、深度H₁ 、長度L₁ 的矩形剖面的流路，冷卻空氣自連 通於空穴36的入口371進入至流路，且自位於側面33上方的出口372流出。毛細冷卻流路37的寬度W₁ 非常狹窄，為0.05 mm，另一方面，其深度H₁ 為0.3 mm，為寬度W₁ 的6倍，因此，於毛細冷卻流路37中流動的空氣之流動成為狹窄的平行平板間之流動，而且，關於接合裝置用加熱器30的本體31與空氣間之熱交換，佔支配地位的是構成毛細冷卻流路37的兩側面37a的毛細狹縫35的兩側面35a，而構成毛細冷卻流路37的底面37b的毛細狹縫35的底面35b對於熱交換幾乎無幫助。本實施形態之接合裝置用加熱器30中，毛細冷卻流路37的數量為252，因此有效熱交換面積如下所述。

有效熱交換面積=毛細狹縫35的兩側面35a的面積=H₁ ×L₁ ×2×毛細冷卻流路37的數量=H₁ ×L₁ ×504。

而且，毛細冷卻流路37的總流路剖面積成為：總流路剖面積=W₁ ×H₁ ×毛細冷卻流路37的數量=W₁ ×H₁ ×504。

另一方面，可考慮到如圖5所示，於隔熱材20的對準面21上形成有具有本實施形態之毛細冷卻流路37的總流路剖面積相同的剖面積的冷卻空氣流路26的情況。如圖5所示之示例中，冷卻空氣流路26係形成為在圖中之橫方向上未隔斷的流路。此情況下，2個毛細冷卻流路37的寬度W₁ 與壁38的厚度D₁ 的合計長度、即毛細冷卻流路37的2間距的寬度係(0.05+0.1)×2=0.3 mm，與毛細冷卻流路37的深度H₁ 相同，因此，若將冷卻空氣流路26的高度H₂ 設為毛細冷卻流路37的寬度W₁ 的2倍即0.1 mm，則兩者的流路剖面積相同。而且，圖5所示之寬度W₂ 的冷卻空氣流 路26的有效熱交換區域僅為面向冷卻空氣流路26的上表面31a的底面26b，而側面26a對熱交換幾乎無幫助，因此，有效熱交換面積為W₂ XL₁ ，與此相對，寬度W2的部分的毛細冷卻流路37的有效熱交換面積為H₁ ×L₁ ×2(雙面)×2(2個流路)。此處，因W₂ =H₁ ，故寬度W₂ 的部分的毛細冷卻流路37的有效熱交換面積為寬度W₂ 的冷卻空氣流路26的有效熱交換面積的4倍。

而且，關於自構成毛細冷卻流路37的毛細狹縫35的兩側面35a的各表面向冷卻空氣的熱傳遞，與流動垂直之方向上的熱傳導佔支配地位，且伴隨如紊流般的物資移動而產生的熱移動變得非常小。因此，如圖6所示，若毛細狹縫35的寬度W的大小變大，則熱移動時的熱阻增大。

因此，參照圖1至圖4所說明之本實施形態之接合裝置用加熱器30的毛細冷卻流路37具有參照圖5所說明之先前技術之冷卻空氣流路26的4倍有效熱交換面積，且熱阻小於冷卻空氣流路26，因此能進行更大的熱交換，能更有效地使接合裝置用加熱器30冷卻。

如圖7所示，本實施形態之接合裝置用加熱器30的毛細冷卻流路37的內部的溫度係根據毛細冷卻流路37的流動方向上的位置及空氣的流量而變化。圖7(a)係表示與毛細冷卻流路37之寬度方向中央之長度方向距離相應的空氣溫度之變化的圖表，圖7(b)係表示毛細冷卻流路37中之空氣溫度成為壁面(毛細狹縫35的壁面)之溫度T₂ 的位置的圖。當空氣流量較少時，如圖7(a)之線a、圖7(b)之線p所示，於溫度T₁ 下流入至毛細冷卻流路37的入口371的空氣的溫度急速上升，在流路的前半部分上升至毛細冷卻流路37的壁面(毛細狹縫35的壁面)的溫度T2，直接 自出口372流出。此情況下，於流路的後半部分，空氣溫度達到壁面的溫度T₂ ，因此，無法自本體31奪取熱，而無法充分地發揮冷卻能力。

相反，當流量較多時，如圖7(a)之線c、圖7(b)之線r所示，以溫度T₁ 流入至入口371的空氣的溫度為壁面的溫度T₂ 的一半左右，且自出口372流出至外部。此情況下，毛細冷卻流路37的整個長度方向上的空氣與壁面(毛細狹縫35的壁面)的溫度差較大，因此冷卻能力變大，但按冷卻空氣流量來看，冷卻能力卻並未變大。

因此，於本實施形態之接合裝置用加熱器30中，調整空氣流量，以使自毛細冷卻流路37的出口372流出之空氣的溫度成為略微低於壁面(毛細狹縫35的壁面)的溫度T₂ 的溫度、或較壁面的溫度T₂ 低既定閾值△T的溫度。該流量係由試驗等而預先決定，為了成為該流量，可調整供給至冷卻空氣孔25的空氣的壓力，或藉由設在冷卻空氣孔25的入口側之流量調節閥或調節器(regulator)而調節流量。藉由如此調整冷卻空氣流量，能以較少的冷卻空氣流量來有效地使接合裝置用加熱器30冷卻。

參照圖8至圖9對本發明之另一實施形態進行說明。對於與之前參照圖1至圖7所說明之實施形態相同的部分標注相同的符號，且省略說明。如圖8所示，本實施形態中，於隔熱材20的對準面21的中央附近設有凹陷134作為第二凹陷，且如圖9(a)所示，設在本體31中之毛細狹縫35係自一側面33延伸至對向的另一側面33。冷卻空氣孔25連接至凹陷134。毛細狹縫35的條數、寬度、深度係與之前參照圖1至圖7所說明的實施形態相同。

如圖8、圖9(b)所示，若使隔熱材20的對準面21對準本 體31的上表面31a，則隔熱材20的對準面21上所設的凹陷134密接於本體31的上表面31a的未設毛細狹縫35的面，而構成供來自冷卻空氣孔25的空氣進入的空穴136。如圖9(c)所示，狹縫35與隔熱材20的對準面21構成毛細冷卻流路37。如圖9(a)所示，毛細冷卻流路37的長度為L₁ 。而且，如圖9(b)所示，空穴136的下表面係與多數狹縫35上側的開放端連通。而且，自冷卻空氣孔25進入空穴136的空氣於自空穴136流入至下側的狹縫35之後，如圖9(a)所示，沿毛細冷卻流路37向側面33流動，而使接合裝置用加熱器30冷卻。

本實施形態除了具有與之前參照圖1至圖7所說明之實施形態相同的效果之外，亦具有陶瓷製之本體31的加工較簡單、成為更簡便的構成的效果。

以上所說明之實施形態中，係對毛細狹縫35的寬度W₁ 為0.05 mm的情況進行說明，但毛細狹縫35的寬度W₁ 只要為0.5 mm~0.01 mm之範圍內便可自由地選擇。更佳為在0.1 mm~0.02 mm之範圍，進而更佳為在0.05 mm~0.02 mm之範圍內。而且，以毛細狹縫35的深度H₁ 為0.3 mm、毛細狹縫35的寬度W₁ 與毛細狹縫35的深度H₁ 之比率為1：6的情況進行了說明，但毛細狹縫35的深度H₁ 只要比毛細狹縫35的寬度W₁ 深、例如在1.0 mm~0.1 mm之範圍內，便可自由地選擇。而且，毛細狹縫35的寬度W₁ 與毛細狹縫35的深度H₁ 之比率並不限於1：6，只要在1：3~1：10之範圍內便可自由地選擇。

10‧‧‧基底構件

20‧‧‧隔熱材

21‧‧‧對準面

25‧‧‧冷卻空氣孔

30‧‧‧接合裝置用加熱器

31‧‧‧本體

31a‧‧‧上表面

31b‧‧‧下表面

33‧‧‧側面

34‧‧‧凹陷

35‧‧‧毛細狹縫

36‧‧‧空穴

37‧‧‧毛細冷卻流路

40‧‧‧接合工具

Claims (4)

1. 一種陶瓷製接合裝置用加熱器，其係具有供接合工具安裝之第一面、及位於上述第一面的相反側且供隔熱材安裝之第二面的平板形的接合裝置用加熱器，其特徵在於：具有設在上述第二面，且沿上述第二面之方向的寬度小於與上述第二面垂直之方向的深度之多數毛細狹縫，且多數上述毛細狹縫與安裝於上述第二面之上述隔熱材的對準面形成多數毛細冷卻流路。
2. 如申請專利範圍第1項所述之接合裝置用加熱器，其中於上述第二面之中央附近設有凹陷，上述凹陷與安裝於上述第二面之上述隔熱材的對準面形成供冷卻空氣流入的空穴，多數上述毛細狹縫自上述空穴延伸至側面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之接合裝置用加熱器，其中於上述隔熱材之上述對準面的中央附近設有第二凹陷，上述第二凹陷與上述第二面形成供冷卻空氣流入之空穴，多數上述毛細狹縫係連通於上述空穴，且在對向之各側面之間延伸。
4. 一種陶瓷製接合裝置用加熱器之冷卻方法，該接合裝置用加熱器係呈平板形狀，具有供接合工具安裝之第一面、及位於上述第一面之相反側且供隔熱材安裝之第二面，且具備設在上述第二面上，且沿上述第二面之方向的寬度小於與上述第二面垂直之方向的深度之多數毛細狹縫，多數上述毛細狹縫與安裝於上述第二面上之上述隔熱材的對準面 形成多數毛細冷卻流路，該冷卻方法之特徵在於：冷卻空氣流量係使上述毛細冷卻流路出口之毛細狹縫中央的冷卻空氣溫度成為較上述毛細狹縫的表面溫度低既定閾值的溫度的流量。