JP2006222100A - Hot press heater - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体ベアチップを基板上に実装する際に用いるダイボンディングヒーターなど、被加熱物を押圧加熱する押圧加熱ヒーターに関するものである。 The present invention relates to a pressure heater that presses and heats an object to be heated, such as a die bonding heater used when a semiconductor bare chip is mounted on a substrate.
半導体ベアチップを基板上に実装する方法として、異方性導電膜などの樹脂系の接着材を使用したＡＣＦ（ＡＣＦ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ）接続法、またはマルチチップモジュールに用いるようなＡｕ−Ｓｉ、Ａｕ−Ｓｎなどの低融点ロウ材を使用したフリップチップ接続法が行われている。 As a method of mounting a semiconductor bare chip on a substrate, an ACF (ACF: Anisotropic Conductive Film) connection method using a resin-based adhesive such as an anisotropic conductive film, or Au-Si, Au used for a multichip module, or the like. A flip chip connecting method using a low melting point brazing material such as Sn is performed.
例えば、フリップチップ接続法は、多層パッケージ基板上に半導体チップを載置して、その上面からセラミックヒーターを備えた押圧加熱ヒーターで加熱しながら押圧することによって、両者に備えたハンダバンプなどの接着材によって接合し配線を行うことができる。 For example, in the flip chip connection method, a semiconductor chip is placed on a multilayer package substrate, and pressed while being heated with a pressure heater equipped with a ceramic heater from the upper surface thereof, thereby providing an adhesive such as a solder bump provided for both. Can be joined and wired.
ボンディング用ヒーターは、使用する接着材を軟化もしくは溶融するために必要な熱を、半導体チップを介してハンダバンプに代表される接着材まで効率よく伝える必要がある。しかし、ヒーターの押圧面の温度分布が不均一で、局所的な高温部があると、半導体チップへ過剰な熱を供給し、半導体チップ自身の損傷もしくは、半導体チップ実装後の信頼性を著しく低下させる可能性がある。そのため、ヒーターの押圧面の温度分布が均一であることが重要である。 The bonding heater needs to efficiently transfer heat necessary for softening or melting the adhesive to be used to an adhesive typified by a solder bump through the semiconductor chip. However, if the temperature distribution on the pressing surface of the heater is uneven and there is a local high temperature part, excessive heat is supplied to the semiconductor chip, and the reliability of the semiconductor chip itself is damaged or the reliability after mounting the semiconductor chip is significantly reduced. There is a possibility to make it. Therefore, it is important that the temperature distribution on the pressing surface of the heater is uniform.
また、生産効率の点から、所要の温度までの昇温速度が速く、押圧加熱接合後の接着材が固化するまでの温度降下速度が速いことが重要である。さらに半導体ベアチップを押圧加熱する際には、熱とともに圧力も加えるため押圧加熱ヒーターには、機械的強度や耐摩耗性、あるいは靭性が求められる。 In addition, from the viewpoint of production efficiency, it is important that the rate of temperature rise to a required temperature is fast and the rate of temperature drop until the adhesive after press-heat bonding is solidified is fast. Further, when the semiconductor bare chip is pressed and heated, pressure is applied together with heat, so that the pressure heater is required to have mechanical strength, wear resistance, or toughness.
かかる押圧加熱ヒーターは、例えば、特許文献１に開示されているように、図５、図６に示すように被加熱物を押圧し、加熱するためのセラミックヒーター１１と、セラミックツール１２とからなり、セラミックヒーター１１から発生した熱がセラミックツール１２以外に伝熱することを防止するための断熱材１３と、これらの部材を統合し他部材に結合するベース１４とから構成されており、前記セラミックヒーター１１は、セラミック体１５中に発熱体１６、および前記発熱体１６の両端に接続されるリードパターン１７を埋設させ、前記リードパターン１７の一部を露出させ電極を取り出すためのリード端子１８とから構成される。
Such a pressure heater includes, for example, a
例えば、特許文献１に示されている例では、セラミックヒーター１１として熱伝導率１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の炭化珪素を用い、セラミックツール１２に熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化アルミニウム材料を用いることによって、セラミックヒーター１１で発熱した熱を、セラミックツール１２側に効率的に供給している。さらに、ここで断熱材１３の熱伝導率を５Ｗ／ｍ・Ｋの５〜３０％程度の気孔率を有するムライトセラミックスやムライト−コージェライトセラミックスを用いることによって、セラミックヒーター１１からベース１４への伝熱を断熱材１３によって効果的に遮断し、急速昇温を可能としている。
近年、生産効率の向上のため、押圧加熱ヒーターの加熱速度、温度分布の向上および被加熱物の大型化に伴う押圧加熱ヒーターの大型化が要求されており、加熱速度においては、従来は約１ｋＷの電力を印加して１００〜３００℃間を４秒程度で昇温させていたのに対し、現在は約２．５ｋＷの電力を印加して１００〜５００℃まで５秒以下で急速昇温させることが要求されている。 In recent years, in order to improve production efficiency, it has been required to increase the heating speed of the pressure heater, the temperature distribution, and the size of the pressure heater in accordance with the increase in the size of the object to be heated. Was applied, and the temperature was raised between 100 and 300 ° C. in about 4 seconds. Currently, about 2.5 kW is applied to rapidly raise the temperature from 100 to 500 ° C. in 5 seconds or less. It is requested.
また、温度分布についても、従来の加熱領域が２０ｍｍ×２０ｍｍの領域で３００℃時に許容される表面温度ばらつきが±５℃以下であったのに対し、現在は装置の大型化のため、加熱領域が３０ｍｍ×４５０ｍｍと広範囲の領域で３００℃時において表面温度ばらつきを±５℃に抑えることが要求されている。 As for the temperature distribution, the conventional heating region is a 20 mm × 20 mm region, and the variation in surface temperature allowed at 300 ° C. was ± 5 ° C. or less. However, it is required to suppress the surface temperature variation to ± 5 ° C. at 300 ° C. in a wide area of 30 mm × 450 mm.
しかしながら、特許文献１に開示されているような従来の押圧加熱ヒーターに用いられるセラミックヒーター１１は、下面の全面が断熱材１３に載置されているために、断熱材１３の熱伝導率が低くても、セラミックヒーター１１から断熱材１３を通して、熱がベース１４に逃げてしまう。その結果、十分な加熱速度を得ることができず、現在要求されているような急速昇温に対する要求に対して応えることができないという欠点を有していた。
However, the
これに対して、例えば、特許文献２では、セラミックヒーターが載置されるホルダの領域の一部に凹部を設け、相互の接触面積を２０％〜５０％とすることによって、セラミックヒーターからホルダへの熱の流出を抑え、急速昇温を可能にした例が開示されている。しかしながら、この場合、接触面が凹部の縁部に集中するために接触した箇所から熱が流出することと、セラミックヒーターが載置されるホルダの材質として、熱伝導率が高い高強度高靭性の窒化珪素質焼結体を用いたこと、の２つの理由から、セラミックヒーターとホルダが接触した箇所からの熱流出が大きくなり、現在要求されているような大面積下での表面温度分布の均一化を達成することができないという欠点を有していた。
On the other hand, for example, in
本発明にかかる押圧加熱ヒーターは、被加熱物を押圧し加熱するためのセラミックヒーターと、前記セラミックヒーターを載置するための断熱材と、該断熱材と前記セラミックヒーターが順次配置されるベースとを備える押圧加熱ヒーターにおいて、前記断熱材は、前記ベースと、一端が該ベースに取り付けられており他端がセラミックヒーターの表面を前記ベース側へ押圧する係合部材により保持されたセラミックヒーターとの間に介在されていることを特徴とする。 A pressure heater according to the present invention includes a ceramic heater for pressing and heating an object to be heated, a heat insulating material for placing the ceramic heater, and a base on which the heat insulating material and the ceramic heater are sequentially disposed. The heat insulating material includes: the base; and a ceramic heater having one end attached to the base and the other end held by an engagement member that presses the surface of the ceramic heater toward the base. It is characterized by being interposed between.
また、上記発明において、前記断熱材は、セラミックヒーターが載置される面に複数の凸部が設けられていることが好ましい。 Moreover, in the said invention, it is preferable that the said heat insulating material is provided with the some convex part in the surface in which a ceramic heater is mounted.
セラミックヒーター１と断熱材２とベース３との相互の熱膨張係数の差に起因する大きな熱応力は発生することがなく、セラミックヒーター１や断熱材２やベース３にクラックや割れが発生するのを抑制することができる。
Large thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficients among the
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明の押圧加熱ヒーターは、図１の斜視図のように、被加熱物を押圧し、加熱するためのセラミックヒーター１と、セラミックヒーター１から発生した熱が被加熱物以外に伝熱することを防止するための断熱材２と、これらの部材を統合し他部材に結合するためのベース３から構成される。
As shown in the perspective view of FIG. 1, the press heater of the present invention presses and heats an object to be heated, and heat generated from the
前記断熱材２の上面にセラミックヒーター１が載置され、該セラミックヒーター１は半導体ベアチップを配線基板上に低融点ロウ材を介して実装する際に、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。
A
前記セラミックヒーター１は、図２に示すようにセラミック体５に発熱体６を埋設した発熱部７と、前記発熱体６から引き出されたリードパターン４を内蔵したリード部８からなり、前記リードパターン４の一部を露出させ電極を取り出すためのリード端子９とから構成される。前記セラミックヒーター１は断熱材２を介して、係合部材１０によりベース３に固定されている。
As shown in FIG. 2, the
さらに、図３に示すように、断熱材２はセラミックヒーター１が載置される領域に複数の凸部２ａを有し、この上にセラミックヒーター１を載置するようになっている。これにより、セラミックヒーター１から断熱材２の凸部２ａを経由してベース３へ流出する熱を制御することができ、セラミックヒーター１の表面温度分布を均一にすることが可能となる。
Furthermore, as shown in FIG. 3, the
セラミックヒーター１から断熱材２の凸部２ａを経由して流出する熱を制御するためには、接触面積が大きい箇所からは、流出する熱量が多く、接触面積が小さい箇所からは流出する熱量が少ないという現象を利用すればよい。すなわち、セラミックヒーター１の表面温度が高い部分は、凸部２ａとの接触面積が大きくなるように、逆にセラミックヒーター１の表面温度が低い部分は、凸部２ａとの接触面積が小さくなるように、凸部２ａのサイズを適切に配合させてやることによって、セラミックヒーター１の表面温度分布を均一にすることができる。
In order to control the heat flowing out from the
ここで、断熱材２上に形成した凸部２ａ１つ当たりのセラミックヒーター１との接触面積をセラミックヒーター１下面の面積に対し、０．５％〜１５％の範囲内とすることが好ましく、１％〜９％とすることがより好ましい。その理由は、前記凸部２ａ１つ当たりの接触面積が０．５％未満のときは、セラミックヒーター１によって、被加熱物を押圧したときに、応力が凸部２ａに集中するため、セラミックヒーター１が破損しやすいという問題があり、逆に、１５％を超えると、該凸部２ａから断熱材２を介してベース３に逃げる熱量が大きくなり過ぎ、セラミックヒーター１の温度分布を細かく制御することが難しくなるという問題があるからである。
Here, the area of contact with the
また、断熱材２の凸部２ａとセラミックヒーター１と接触している部分の面積の総和が、セラミックヒーター１下面の面積に対して４％〜５０％とするのが好ましく、１２％〜２７％とするのがより好ましい。その理由は、面積の総和が４％未満のときは、セラミックヒーター１によって被加熱物を押圧したときに、セラミックヒーター１に局所的に大きな圧力がかかるため、セラミックヒーター１がたわんで、破損してしまうという問題があり、逆に５０％を超えると、セラミックヒーター１から発生した熱が断熱材２を介してベース３に逃げる量が大きくなるために、急速に昇温することが難しくなるからである。
Moreover, it is preferable that the sum total of the area of the part which has contacted the
また、セラミックヒーター１の下面において、前記断熱材２上の凸部２ａと前記セラミックヒーター１との、単位面積当たりでの接触比率が、前記セラミックヒーター１の外周部から内側部に向けて小さくなっていることが好ましい。
Further, on the lower surface of the
その理由として、セラミックヒーター１を断熱材２上の凸部２ａで安定に載置させるためには、セラミックヒーター１の外周部に近い領域で本体を支えることが必要だからである。逆に、セラミックヒーター１の内側に近い領域で本体を支えているときには、被加熱物を押圧したときに、本体の外周部でがたつきが生じ、精度よく被加熱物を処理することができなくなる。
This is because it is necessary to support the main body in a region near the outer peripheral portion of the
また、特に前記の断熱材２の凸部２ａとの単位面積当たりの接触比率が外周部で大きくなっているタイプの押圧加熱ヒーターについては、セラミックヒーター１を単独で通電加熱させたときの表面温度が、ヒーター外周部は高く、内側部に向けて低くなるような分布をもつことが望ましい。
In particular, in the case of a press heater of the type in which the contact ratio per unit area with the
この理由としては、上で述べたように、接触面積が大きい箇所からは、流出する熱量が多く、接触面積が小さい箇所からは流出する熱量が少ないため、広い範囲で均一な温度分布を得るためには、接触面積が大きい箇所ほどヒーターの発熱量を多く、逆に接触面積が小さい箇所ほどヒーターの発熱量を少なくしてやる必要があるからである。 The reason for this is that, as described above, since a large amount of heat flows out from a location where the contact area is large, and a small amount of heat flows out from a location where the contact area is small, a uniform temperature distribution is obtained over a wide range. This is because it is necessary to increase the amount of heat generated by the heater at a location where the contact area is large, and conversely reduce the amount of heat generated by the heater at a location where the contact area is small.
なお、このように外周部で表面温度が高く、内側に向けて低くなるような分布を有する特性を持つヒーターを作製するためには、セラミックヒーター１に埋設される発熱体６の断面積を外周部で小さく、内側に向けて大きく分布するようにすればよい。
In order to manufacture a heater having such a characteristic that the surface temperature is high at the outer peripheral portion and lower toward the inner side, the cross-sectional area of the heating element 6 embedded in the
また、断熱材２については、熱伝導率が３５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の範囲にあることが望ましい。熱伝導率が３５Ｗ／ｍ・Ｋを超えると、セラミックヒーター１と接触している凸部２ａから断熱材２を介してベース３に逃げる熱量が大きくなり過ぎ、セラミックヒーター１の温度分布を細かく制御することが難しくなるからである。なお、熱伝導率の下限としては、１Ｗ／ｍ・Ｋよりも大きいことが望ましい。これよりも小さいと、セラミックヒーター１と接触している凸部２ａからの熱流出が非常に少なくなるため、セラミックヒーター１の表面温度分布の調節が難しくなる恐れがあるからである。
Moreover, about the
熱伝導率を３５Ｗ／ｍ・Ｋ以下とするためには、断熱材２の材料として、アルミナやコージェライト、あるいはマセライトが好適に用いられる。また、同じアルミナ系焼結体でも、焼成前の成形体密度や焼成条件を変えることによって、焼結体の気孔率を制御し、熱伝導率をコントロールすることが可能である。
In order to set the thermal conductivity to 35 W / m · K or less, alumina, cordierite, or macerite is preferably used as the material of the
また、本発明の押圧加熱ヒーターによれば、前記断熱材２の凸部２ａのセラミックヒーター１が載置される面、もしくは前記セラミックヒーター１の前記凸部２ａと接触する面の平坦度を０．０３ｍｍ以下とすることによって、凸部２ａと前記セラミックヒーター１との間で熱の流出が良好に行われ、セラミックヒーター１を所定温度まで均一な温度分布で急速昇温することが可能となる。
Moreover, according to the press heater of this invention, the flatness of the surface where the
なお、平坦度０．０３ｍｍの面とは、０．０３ｍｍ間隔の２枚の理想平行面におさまる平面を指す。平坦度の悪い面同士を接触させようとすると、実際に接触する凸部と接触しない凸部が発生し、表面温度分布の制御が難しくなる。 Note that a surface having a flatness of 0.03 mm refers to a plane that fits on two ideal parallel surfaces with an interval of 0.03 mm. When trying to bring surfaces having poor flatness into contact with each other, convex portions that do not actually contact and convex portions that do not come into contact with each other occur, making it difficult to control the surface temperature distribution.
ここで、凸部２ａの高さは、０．５ｍｍ〜５ｍｍに調整されることが望ましい。この理由として、高さが０．５ｍｍ未満であるとセラミックヒーター１からの輻射熱などの熱伝達が大きいため、十分な断熱性が得られず、５ｍｍを越えると凸部２ａの強度が不足し、被加熱物を押圧する際に破損してしまう恐れがあるからである。
Here, it is desirable that the height of the
前記セラミックヒーター１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セラミック体５にタングステンやモリブデンなど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、前記セラミック体５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など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。
The
また、前記発熱体６はタングステンやモリブデンなど、あるいはこれらの炭化物、窒化物などに適当な有機溶剤、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セラミック体５となる成形体にあらかじめスクリーン印刷法などにより所定パターンに被着させておくことによって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ハンダや低融点ロウ剤を介して配線基板上に実装するときに、ハンダや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、前記セラミック体５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。したがって前記セラミック体５として、窒化珪素を主成分としたセラミックを用いるときには、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。
Further, the heating element 6 is made of tungsten, molybdenum or the like, or an appropriate organic solvent or solvent added to these carbides or nitrides to prepare a heating element paste, which is then formed into a molded body that becomes the
また前記セラミックヒーター１は、セラミック体５の熱伝導率を常温での熱伝導率を５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものにしておくと、発熱体６が発した熱はセラミック体５の全体に短時間に広がってセラミックヒーター１を短時間に昇温して、かつ温度むらの発生をほとんどない状態で所望する温度に昇温することができる。したがって、昇温速度をより速く、かつ温度むらの発生を少なくするためにはセラミックヒーター１のセラミック体５の熱伝導率を５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上としておくことが好ましい。
In the
さらに前記セラミックヒーター１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ー１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る。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、セラミックヒーター１に割れなどの破損を発生させることなく短時間に実装可能となる。したがって、前記セラミックヒーター１は、その厚みを１ｍｍ〜２ｍｍの範囲としておくことが好ましい。
Furthermore, if the thickness of the
また、前記セラミックヒーター１は断熱材２を介して該ベース３に取着されている係合部材１０とで挟持されてベース３上に固定されている。セラミックヒーター１および断熱材２はベース３上に載置されているだけであるため、セラミックヒーター１と断熱材２とベース３との熱膨張係数が各々異なるとしても、相互の熱膨張係数の差に起因する大きな熱応力は発生することはない。その結果、セラミックヒーター１や断熱材２やベース３にクラックや割れが発生することが少ない。
Further, the
前記セラミックヒーター１をベース３上に固定する係合部材１０はステンレスや、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｆｅの合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏの合金などの耐熱性金属やセラミックスからなり、一端はベース３上にネジ止めされており、他端はセラミックヒーター１の表面を押圧する。
The engaging
前記断熱材２上の凸部２ａは、例えば、断熱材２がセラミック材料であるとき、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。この凸部２ａの加工は、次のような方法によって行う。
For example, when the
まず、前記断熱材２上の少なくとも前記セラミックヒーター１が載置される部分に、図４（ａ）に示すように、あらかじめ複数の切り込みを入れて凸部群３１を設けておく。切り込みを入れる方法としては、例えば、万能研削盤やレーザー加工機、あるいは超音波加工機を用いることができるが、切り込み形状による応力集中を避けるために、万能研削盤を用いることがより望ましい。
First, as shown in FIG. 4A, at least a portion on the
前記セラミックヒーター１と接触する前記凸部群３１を構成する各凸部の上面は、上述のような理由から、前記セラミックヒーター１下面の面積に対し０．５％〜１５％、好ましくは１％〜９％となるように加工する。このとき、前記各凸部のサイズを全て略同一にしても良いが、上記指定のサイズの範囲内でばらつかせても良い。その場合、後で説明する前記セラミックヒーター１の表面温度分布を均一にするための工程で、凸部群３１の中から凸部の一部を除去するときに、より細かい調節が可能となるという利点がある。
For the reasons described above, the upper surface of each
次に、本発明の押圧加熱ヒーターにおける表面温度分布の調節方法について説明する。 Next, a method for adjusting the surface temperature distribution in the pressure heater of the present invention will be described.
まず、前記セラミックヒーター１を前記断熱材２の前記凸部群３１上に載置し、通電加熱を行う。ここで、赤外線温度計などを用いてセラミックヒーター１の押圧面の表面温度分布を測定し、目的とする温度分布になるように、凸部群３１の中から凸部を選択し、ＮＣ旋盤を用いて加工除去し、図４（ｂ）のように凸部が除去された部分３２を得る。
First, the
具体的には、周囲の温度よりも高い領域は凸部を残し、周囲の温度よりも低い領域は凸部を除去する。これによって、温度が高い領域は断熱材２の凸部２ａが接することにより、熱が凸部を介してベース３に流出するため温度が下がるが、逆に温度が低い領域は、断熱材２の凸部が除去されることにより、セラミックヒーター１に断熱材２が接しなくなるため、温度が下がりにくくなる。この通電加熱−表面温度分布測定−凸部除去の操作を繰り返すことによって、セラミックヒーター１の表面温度を、例えば設定温度３００℃のときに、±２℃程度にまで均一な分布にすることができる。
Specifically, a region where the temperature is higher than the ambient temperature leaves a convex portion, and a region where the temperature is lower than the ambient temperature removes the convex portion. As a result, the region where the temperature is high comes into contact with the
なお、この温度調整を行うときのセラミックヒーター１の設定温度は、実際の工程で使用される温度を元に決定され、通常３００℃〜５００℃程度である。
In addition, the preset temperature of the
このように、上述の押圧加熱ヒーターによれば、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ー１を当接させ、次にベース３を介してセラミックヒーター１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用いることができる。
Thus, according to the above-mentioned pressure heater, the semiconductor bare chip is placed on the wiring board via the low melting point brazing material, the
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る。 In addition, this invention is not limited to the above-mentioned Example, A various change is possible if it is a range which does not deviate from the summary of this invention.
例えばセラミックヒーター１の上面に荷重５００ｇでのビッカース硬度が１０ＧＰａ以上の高硬度の材料からなる平坦な表面を有するツールを配置しておいても良い。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押圧加熱ヒーターのセラミックヒーター１が、ツール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。
For example, a tool having a flat surface made of a high hardness material having a Vickers hardness of 10 GPa or more at a load of 500 g may be arranged on the upper surface of the
また、前記ベース３及びセラミックヒーター１が、かどば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、ベース３及びセラミックヒーター１に応力が作用した際、その応力を有効に分散させてベース３及びセラミックヒーター１にクラックや割れなどが発生するのを防止することができる。
Further, when the
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押圧加熱ヒーターを例に挙げて本発明の押圧加熱ヒーターを説明したが、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応力加熱装置、具体的にはＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔ Ｃａｂｌｅ）などの半田接続、半導体パッケージキャップのシール、レーザーヘッドなどの光学系ヘッドのキャンシール、チップ接続のリワークなどに用いられる押圧加熱ヒーターにも適用可能である。 In the above-described embodiment, the pressure heater of the present invention has been described by taking the pressure heater used when mounting the semiconductor bare chip as an example. However, the present invention is not limited to this, and the object to be heated is heated in a short time. Stress heating devices, such as solder connections such as FPC (Flexible Print Cable), semiconductor package cap seals, optical heads such as laser heads can seals, and pressure heating heaters used for chip connection rework Applicable.
（実施例）
次に本発明の実施例を説明する。
(Example)
Next, examples of the present invention will be described.
図２に示すような押圧加熱ヒーター用のセラミックヒーター１を作製した。
A
まず、主成分として９０〜９２モル％の窒化珪素に焼結助剤として希土類元素酸化物を２〜１０モル％、酸化アルミニウム、酸化珪素を窒化珪素と希土類元素酸化物の総量に対して各々０．２〜２．０重量％と１〜５重量％添加混合して原料粉末を調整した。その後、原料粉末をプレス成形法などにより３０ｍｍ×１５０ｍｍの成形体を得、該成形体の上面にタングステンに適当な有機溶剤、溶媒を添加混合した発熱体ペーストを作り、これを発熱部７およびリード部８の導体形状にスクリーン印刷法などによりプリントした。さらに、上記二つの成形体の間に、貫通孔を形成しこの中にタングステンを主成分とする導電性ペーストを充填した成形体を挟み込んで密着させ、約１６５０〜１８００℃の温度でホットプレス焼成した。その後、導体部の一部を露出させ、電極取り出し部を形成し、Ａｇ−Ｃｕを含有したペーストを塗布し、真空中で焼成してメタライズ層を形成、Ｎｉからなるメッキ層を施した後、係合部材１０でセラミックヒーター１、断熱材２、ベース３を組み付けた。
First, 90 to 92 mol% of silicon nitride as a main component, 2 to 10 mol% of rare earth element oxide as a sintering aid, and aluminum oxide and silicon oxide are each 0 to the total amount of silicon nitride and rare earth element oxide. The raw material powder was prepared by adding and mixing 2 to 2.0% by weight and 1 to 5% by weight. Thereafter, a raw material powder is obtained by a press molding method or the like to obtain a molded body of 30 mm × 150 mm, and a heating element paste in which an appropriate organic solvent and solvent are added and mixed with tungsten is formed on the upper surface of the molded body. It printed on the conductor shape of the
セラミックヒーター１の加工は平面研削盤、および超音波加工機を用いて、２５ｍｍ×１４０ｍｍの発熱部主面を持つセラミック体５を形成した。また、セラミックヒーター１の発熱部７の厚みは２ｍｍとした。
For processing the
断熱材２としては、セラミックヒーター１の面積と略同一の面積を持つアルミナ製のブロック体を加工して用いた。このブロック体の高さは３０ｍｍであった。断熱材２への凸部群３１の加工は、万能研削盤を用いた。これにより、図４に示すような複数箇所に深さ１ｍｍの切り込みを入れ、凸部群３１を構成する凸部の上部面積の総和がセラミックヒーター１の発熱部面積に対して７０％〜９０％の範囲となるように加工した試料を得た。なお、各凸部の高さは１ｍｍであり、上部面積は０．４％〜１６％の範囲で略同一となるようにした。
As the
また、断熱材２は、上記範囲内および範囲外にてセラミックヒーター１との接触面積および凸部２ａ１つ当たりの接触面積を様々に変えて、複数の試料を得た。さらに、上記で利用した断熱材ブロックと同一形状で気孔率を変えたアルミナ系セラミックスのブロックを用いて、断熱材２の形状に加工し、熱伝導率が異なる複数の試料を得た。
Moreover, the
上記で作製したセラミックヒーター１については、すべて各試料における断熱材２の凸部群３１上に載置し、設定温度を３００℃として通電加熱を行った。ここで、赤外線温度計を用いてセラミックヒーター１の押圧面の表面温度分布を測定し、表面温度のばらつきが最小となるよう、凸部群３１の中から凸部を選択し、ＮＣ旋盤によって加工除去を行い、凸部２ａの形成処理を行った。
About the
また、本発明の実施例の一例として、セラミックヒーター１を作製する際に、発熱体６の断面積を内側に比べて外周部の方を細くして、セラミックヒーター１の外周部の発熱量が内側よりも高くなるように形成したほかは、すべて上記と同様の方法で前記凸部２ａまで形成を行った。このセラミックヒーター１を用いて、表面温度分布が均一となるように形成した前記凸部２ａは、前記セラミックヒーター１との単位面積当たりでの接触比率が、前記外周部から内側に向けて小さくなっていた。
Further, as an example of the embodiment of the present invention, when the
なお、今回作製したセラミックヒーター１の凸部２ａとの接触面および、凸部２ａ上のセラミックヒーター１を載置する面はすべて、平坦度が０．０３ｍｍ以下であった。
In addition, the flatness of the contact surface with the
従来構造の試料としては、図５に示す構造の押圧加熱ヒーターを作製した。セラミックヒーター１１は、実施例と同様に窒化珪素質のセラミック焼結体を作製した後、２５ｍｍ×１４０ｍｍの発熱部と、長さ２０〜５０ｍｍのリード部を形成し、Ａｇ−Ｃｕを含有したメタライズ層を形成しＡｇ−Ｃｕでリード端子１８をロウ付けするとともにリード線を接続して、外寸３０ｍｍ×１５０ｍｍの試料を得た。
As a sample having a conventional structure, a pressure heater having the structure shown in FIG. 5 was produced. The
次に、各押圧加熱ヒーター用のセラミックヒーターの発熱体に２．５ｋＷの電力を印加して発熱体をジュール発熱させ、セラミックヒーターが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。 Next, the time required for heating the ceramic heater from 100 ° C. to 500 ° C. by applying a power of 2.5 kW to the heating element of the ceramic heater for each pressure heating heater to cause Joule heat generation (temperature increase time) ).
また、各押圧加熱ヒーター用のセラミックヒーターの表面温度が３００℃に到達後、１０秒後のセラミックヒーターの表面温度を赤外線温度計にて測定した。 Further, after the surface temperature of the ceramic heater for each pressure heater reached 300 ° C., the surface temperature of the ceramic heater after 10 seconds was measured with an infrared thermometer.
さらに、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各押圧加熱ヒーターを当接させ、半導体ベアチップ側に５ＭＰａの圧力で押圧させるとともに電力を印加して３００℃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テストを行い、搭載された前記半導体ベアチップの搭載精度の評価を行った。 Further, the semiconductor bare chip is placed on the wiring board through the low melting point brazing material, and each pressing heater is brought into contact with the upper surface of the semiconductor bare chip, and the semiconductor bare chip is pressed with a pressure of 5 MPa and the electric power is supplied. The semiconductor bare chip mounting test was performed by applying the heat to 300 ° C. and melting the low melting point brazing material by this heat generation, and the mounting accuracy of the mounted semiconductor bare chip was evaluated.
表１に実験の条件について示す。また、表２に結果を示す。 Table 1 shows the experimental conditions. Table 2 shows the results.
なお、昇温時間については１００℃から５００℃まで昇温させるのに要した時間で評価し、５秒未満のものを○、５秒以上６秒以下のものを△、６秒を超えるものを×とした。また、ヒーター表面温度分布については、設定温度を３００℃としたときに表面の温度分布が±４℃未満のものを○、±４℃以上±５℃以下のものを△、±５℃を超えるものを×とした。搭載テスト時のチップ精度については、押圧加熱前後でのチップの位置ずれの大きさで判断し、位置ずれが認められないものを○、位置ずれはあるが後工程に影響のない程度の微小なものを△、後工程に影響が出る可能性があるものを×とした。 The temperature rise time was evaluated based on the time required to raise the temperature from 100 ° C. to 500 ° C., ○ less than 5 seconds, Δ from 5 seconds to 6 seconds, and over 6 seconds. X. As for the heater surface temperature distribution, when the set temperature is 300 ° C., the surface temperature distribution is less than ± 4 ° C., the temperature of ± 4 ° C. to ± 5 ° C. is Δ, and the temperature exceeds ± 5 ° C. The thing was made into x. The chip accuracy during the mounting test is determined by the size of the chip position deviation before and after pressing and heating. A case was marked with Δ, and a step that might affect the subsequent process was marked with ×.
さらに総合判定として、上記の３つの評価項目に対して、○が３つのものを◎（大変良い）、○が２つのものを○（良い）、○が１つのものを△（許容範囲内）、○がないものを×（不可）とした。
表１および表２に示した結果より、本発明の範囲内であるＮｏ．１〜２２の試料については、昇温速度、ヒーターの表面温度分布、実装時のチップ精度の評価項目すべてにおいて、許容範囲内の結果を得ることができた。しかしながら、試料Ｎｏ．２３に示した本発明の範囲外である従来構造の押圧加熱ヒーターは、昇温速度、表面温度分布、実装時のチップ精度の全項目にわたって良好な結果を得ることができなかった。
From the results shown in Tables 1 and 2, No. 1 is within the scope of the present invention. With respect to the
本発明の範囲内の試料の中でも、Ｎｏ．１〜５の試料については、凸部１つ当たりの前記セラミックヒーターとの接触面積が、前記セラミックヒーター下面の面積に対して０．５％〜１５％であり、セラミックヒーターの表面温度分布のばらつきは±２℃以下の良好な結果が得られた。それに対して、上記接触面積が１５％を超えた試料であるＮｏ．６は、セラミックヒーターの表面温度分布のばらつきは±４℃以上となり、許容範囲内ではあるが、やや悪い傾向であった。また、上記接触面積が０．５％よりも小さい試料であるＮｏ．７は、押圧加熱試験を繰り返したときに、断熱材の凸部に応力がかかって先端の一部に欠けが発生し、わずかではあるが、表面温度の分布が変動する傾向があった。
Among the samples within the scope of the present invention, No. For the
また、本発明の範囲内の試料の中でもＮｏ．８〜１３の試料については、前記凸部と前記セラミックヒーターとの接触している部分の面積の総和が、前記セラミックヒーター下面の面積に対して４％〜５０％であり、セラミックヒーターの表面温度分布のばらつきは±４℃以下の良好な結果が得られた。それに対して、上記接触面積の総和が５０％を超えた試料であるＮｏ．１４は、セラミックヒーターが５００℃までの昇温時間がやや遅く、許容範囲ではあるが、５秒を超えてしまった。また、上記接触面積の総和が４％よりも小さい試料であるＮｏ．１５は、押圧加熱時にセラミックヒーターとの接触部に応力がかかってセラミックヒーターがたわんだために、許容範囲内ではあるが、チップの実装試験時の精度が悪くなる傾向があった。 Among the samples within the scope of the present invention, No. About the samples of 8-13, the sum total of the area of the part which the said convex part and the said ceramic heater contact is 4%-50% with respect to the area of the said ceramic heater lower surface, The surface temperature of a ceramic heater Good results were obtained with a variation in distribution of ± 4 ° C. or less. On the other hand, No. which is a sample in which the total contact area exceeds 50%. No. 14, the heating time of the ceramic heater up to 500 ° C. was slightly late, and it exceeded 5 seconds although it was within the allowable range. Moreover, No. which is a sample whose total contact area is smaller than 4%. No. 15 was within the allowable range because the contact portion with the ceramic heater was stressed during press heating and the ceramic heater was bent, but the accuracy during the chip mounting test tended to deteriorate.
また、本発明の範囲の一形態である、断熱材の凸部とセラミックヒーターとの単位面積当たりでの接触比率が、前記外周部から内側に向けて小さくなっている試料Ｎｏ．１６については、昇温速度、表面温度分布、チップの実装精度とも良い結果が得られた。特に、セラミックヒーターの外周部近傍でヒーターが断熱材の凸部に安定して支えられているために、良好な結果が得られたと考えられる。 Sample No. 1 in which the contact ratio per unit area between the convex portion of the heat insulating material and the ceramic heater decreases from the outer peripheral portion toward the inside, which is an embodiment of the scope of the present invention. For No. 16, good results were obtained with respect to the temperature elevation rate, surface temperature distribution, and chip mounting accuracy. In particular, it is considered that good results were obtained because the heater was stably supported by the convex portions of the heat insulating material in the vicinity of the outer peripheral portion of the ceramic heater.
さらに、本発明の範囲内の試料の中でも、Ｎｏ．１７〜２１の試料については、断熱材の熱伝導率が３５Ｗ／ｍｋ以下であり、セラミックヒーターの表面温度分布のばらつきは±４℃以下の良好な結果が得られた。それに対して、断熱材の熱伝導率が３５Ｗ／ｍｋより大きい試料であるＮｏ．２２は、セラミックヒーターの表面温度分布のばらつきが、許容範囲内ではあるが、±５℃と悪くなる傾向にあった。
Further, among samples within the scope of the present invention, No. For the
１：セラミックヒーター
２：断熱材
２ａ：断熱材上に形成された凸部
３：ベース
４：リードパターン
５：セラミック体
６：発熱体
７：発熱部
８：リード部
９：リード端子
１０：係合部材
３１：凸部群
３２：凸部が除去された部分
1: Ceramic heater 2: Insulating material
2a: convex part formed on heat insulating material 3: base 4: lead pattern 5: ceramic body 6: heating element 7: heating part 8: lead part 9: lead terminal 10: engagement member 31: convex part group 32: Portions where convex parts have been removed
Claims (7)
前記断熱材は、前記ベースと、一端が該ベースに取り付けられており他端がセラミックヒーターの表面を前記ベース側へ押圧する係合部材により保持されたセラミックヒーターとの間に介在されていることを特徴とする押圧加熱ヒーター。 In a press heater comprising a ceramic heater for pressing and heating an object to be heated, a heat insulating material for placing the ceramic heater, and a base on which the heat insulating material and the ceramic heater are sequentially arranged,
The heat insulating material is interposed between the base and a ceramic heater, one end of which is attached to the base and the other end is held by an engaging member that presses the surface of the ceramic heater toward the base. Pressing heater characterized by.
The pressurizing heater according to claim 2 or 3, wherein the plurality of convex portions are provided in a portion excluding an inner portion of the heat insulating material on which the heater is placed.
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| JP2011058794A (en) * | 2009-09-08 | 2011-03-24 | Qinghua Univ | Wall mounted electric heater |
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- 2006-05-29 JP JP2006148569A patent/JP2006222100A/en active Pending
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