JP3924425B2 - 押圧加熱型ヒーター - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
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等、被加熱物に接触して加熱、加圧する押圧加熱型ヒーターに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体ベアチップを基板上にダイレクトボンドする方法として、異方性導電膜(ACF)等の樹脂系の接着材を使用したACF接続方法、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、Pb−Sn等の低融点ロウを使用したフリップチップ接続法等が行われている。
【0003】
例えば、フリップチップ接続法は、図6に示すように、配線層を有する多層パッケージの基板20上に、下面に電極を有する半導体チップ21を載置して、その上面から押圧加熱型ヒーター30のヘッド31で加熱しながら押圧することによって、両者に備えた半田バンプ22を溶融させボンディングしている。
【0004】
このような押圧加熱型ヒーター30に求められる特性としては、まず使用する接着材を軟化もしくは溶融するための熱を半導体チップ21を介して半田バンプ22に効率よく伝える必要がある。
【0005】
そこで、押圧加熱型ヒーター30として、熱伝導性の高い窒化アルミニウム質セラミックスを用いたものが用いられていた。これは、押圧加熱型ヒーターを窒化アルミニウム質セラミックスからなる方形体に形成し、その先端側を半導体チップと当接させるセラミックブロック体とし、後端側を他部材と結合するホルダーとし、側面もしくは内部にAg−Pd、Pt−Pd等からなる発熱抵抗体を厚膜印刷の手法で印刷し焼き付けた後、カバーガラスペースト等で覆ったものである(厚膜式セラミックブロック体)。このような押圧加熱型ヒーター30に求められる特性としては、まず半導体ベアチップ21を多層パッケージ基板20上に固着させるための接着材を軟化もしくは溶融するための熱を半導体ベアチップ21を介して半田バンプ22まで効率良く伝える必要がある。
【0006】
また、生産効率の点から、所要温度までの昇温時間が短く、しかもボンデイング終了後の接着材が固化するまでの温度降下時間が短いことも重要である。さらに、半導体ベアチップを接合する際には、熱と同時に圧力も加えるため、押圧加熱型ヒーター30のセラミックブロック体には機械的強度や耐摩耗性、あるいは靭性が要求される。
【0007】
しかしながら、上記のセラミックブロック体の場合、熱伝導性の良い窒化アルミニウム質セラミックスを用いているため、ヒーターの熱がホルダー側に逃げやすく、セラミックブロック体側の加熱効率が悪いという問題があった。さらに、厚膜式であるため発熱抵抗体とセラミックスとの密着性が悪く、しかも熱膨張差があることから、昇温、降温の熱サイクルを繰り返すうちに発熱抵抗体がセラミックスから剥がれたり、頻繁に断線を生じる等の不都合があった。
【0008】
そこで、近年、図7に示すように、ホルダー43を低熱伝導セラミックスで構成し、他方、発熱抵抗体42aを内部に設けたセラミックヒーター42からなる加熱部に高熱伝導セラミックスからなるヘッド41を接合してセラミックブロック体となし、このセラミックブロック体を上記ホルダー43の凹部43bに固定した押圧加熱型ヒーター40が開発された。
【0009】
この押圧加熱型セラミックヒーター40を使用する場合は、発熱抵抗体42aに通電発熱した状態で、セラミックブロック体のヘッド41の当接面41aを加熱したまま半導体ベアチップ21に押し当てて、基板20上に半田バンプ22で接合するようにしたものである。この押圧加熱型ヒーター40はヘッド41を高熱伝導セラミックスで、ホルダー43を低熱伝導セラミックスでそれぞれ構成し、加熱効率を向上せしめるよう意図したものであった。
【0010】
最近は、さらにホルダー43側への熱の逃げによるホルダー43側の他部材の熱膨張収縮により歪が発生し、正確なボンディング作業ができないという課題が発生した。この問題への対策として、特開平11−102935号公報には、図8に示すようにセラミックホルダー53とセラミックヒーター52とセラミック圧子(ヘッド)51とを一体化させ、セラミックホルダーに冷却用のスリット54を設けた押圧加熱型ヒーター50が提案されている。この押圧加熱型ヒーター50は、ツール55に固定されたセラミックホルダー53にスリット54を形成することにより、セラミックヒーター52からセラミックホルダー53側に移動する熱量を抑制して、効率的にセラミックヘッド51側を加熱しようとするものであった。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この押圧加熱型ヒーター50においては、セラミックホルダー53に冷却用のスリット54を設けているが、このスリット54の長手方向が、図8に示されているように加圧方向に対して直交している為、加圧の荷重によりセラミックホルダー53が撓み、加熱加圧時にセラミックヘッド51に位置ずれが発生するため、高精度の半導体ベアチップ21のボンディングを困難なものとしていた。
【0012】
さらに、セラミックヘッド51、セラミックヒーター52、セラミックホルダー53に熱伝導率の差がない為、半導体ベアチップ21への熱供給量とほぼ同量の熱量がセラミックホルダー53側に伝熱してしまい、押圧加熱型ヒーター50の急速昇温を困難にしていた。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被加熱物に接触させるセラミックヘッドと、これを加熱するセラミックヒーターと、これらを保持するセラミックホルダーとを有する押圧加熱型ヒーターにおいて、前記セラミックホルダーに複数の空隙を形成するとともに、該空隙の断面の縦方向長さpと前記空隙の断面の横方向長さqの比p/qが0.5〜2であり、前記縦方向長さpと前記空隙の縦方向間隔rとの比p/rが0.5〜2であり、かつ、前記横方向長さqと前記空隙の横方向間隔sとの比q/sが0.5〜2であることを特徴とする。
【0014】
また、前記空隙の断面の縦方向長さpと横方向長さqが略等しいことが好ましい。
【0015】
また、前記空隙を、規則的に配列させることが好ましい。
【0016】
また、セラミックヘッドの熱伝導率をλ1、セラミックヒーターの熱伝導率をλ2、セラミックホルダーの熱伝導率をλ3としたとき、λ1>λ2>λ3であることが好ましい。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図1〜5を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
【0019】
図1は本発明の押圧加熱型ヒーターの斜視図であり、図2(a)はそのX−X線断面図であり、図2(b)は、セラミックヒーター2の平面図である。図1に示すように、本発明の押圧加熱型ヒーターは、セラミックホルダー1に形成された凹部1aにセラミックヒーター2とセラミックヘッド3とを順に重ねて一体的に固定したものである。そして、セラミックヒーター2に通電し発熱させながら、セラミックヘッド3を半導体チップに接触させ、押圧することでボンディングすることができる。
【0020】
セラミックホルダー1には、複数の空隙4が形成されており、その空隙4は、縦方向長さpと横方向長さqの比p/qが0.5〜2のとなるように調整されている。そして、p/qが0.5より小さいか、もしくはp/qが2より大きいと、例えば半導体ベアチップを多層パッケージの基板とボンディングする際の応力により撓みが発生しやすくなるので好ましくない。
【0021】
また、空隙4は、縦方向および横方向に等間隔に規則的に配列させることが好ましい。この規則的な配列は、横方向には2個以上設けることが望ましく、縦方向には2列以上設けることが望ましい。
【0022】
また、空隙4の縦方向長さpと配列される空隙4の縦方向配列間隔rの比p/rが0.5〜2とすることが望ましく、また、配列される空隙4の横方向の配列においても同様に、空隙4の横方向長さqと空隙4の横方向の配列間隔sの比q/sが0.5〜2とすることが望ましい。なお、ここで縦方向とはボンディング時の加圧方向(図1の上下方向)であり、横方向とはこれと垂直な方向のことである。
【0023】
空隙4をこのように規則的に配列させることにより、熱がホルダー1側へ逃げることを防止するとともに、ボンディング時の加圧荷重による撓みをセラミックホルダー1全体で分散させることが可能となり、熱圧着時のセラミックヘッド3の撓みを防止し、高精度のボンディングが可能となる。
【0024】
また、実際のボンディング時には、セラミックヒーター2の温度は500℃を越え、さらに、加圧による荷重が加わる。この為に、セラミックホルダー1が加圧荷重に対して、均等に荷重を受けないと撓みが発生する。
【0025】
上記のセラミックホルダー1、セラミックヒーター2、セラミックヘッド3を固定する方法としては、ガラス等の接着剤を用いてこれらを接合したり、冶具を用いてこれらを把持するようにしても構わない。ガラス等の接着剤を用いる場合、熱伝導の信頼性を向上させることが可能となる。また、把持する手法の場合、セラミックヒーター2を急速昇温させた場合に発生する温度差に起因する熱応力を緩和し、押圧加熱型ヒーターの耐久性を向上させることができる。
【0026】
また、セラミックホルダー1に設ける空隙4の断面形状としては、図3に示すように円形としたり、図4に示すように矩形とすることが可能であり、矩形の場合、応力集中による破壊を防止するため、コーナー部4aの曲率半径を0.05mm以上とすることが好ましい。
【0027】
また、セラミックヘッド3の熱伝導率をλ1、セラミックヒーター2の熱伝導率をλ2、セラミックホルダー1の熱伝導率をλ3としたとき、λ1>λ2>λ3となるようにすることにより、セラミックヒーター2からの熱をセラミックホルダー1側より、セラミックヘッド3側の方へより効率的に伝熱させることが可能となる。
【0028】
セラミックス焼結体の熱伝導率については、主たる基材の材質や焼結助剤に用いられる焼結助剤の添加量、種類を調整することにより、所望の熱伝導率を得ることができる。
【0029】
以下、本発明の押圧加熱型ヒーターについて、さらに詳細に説明する。
【0030】
まず、セラミックホルダー1は、その熱伝導率λ3を25W/m・K以下とすることが好ましい。具体的には、窒化珪素、アルミナ、ムライト、コージェライト等の材料からなるものを使用することができる。例えば窒化珪素からなるセラミックホルダー1を作製する場合は、窒化珪素原料にAl2O3、SiO2、希土類元素酸化物等の焼結助剤とバインダーを適宜添加して混合したのち、プレス成形により直方体形状の成形体を作製し、図1に示すようにセラミックホルダー1に空隙4および段差部を切削加工し、脱脂工程によりバインダー成分を除去したのち1800〜1900℃の窒素雰囲気中にて焼成し、得られた焼結体にさらに平面研削盤により機械加工を施すことにより作製する。空隙4の断面形状は、図1に示すように円形に近いものでも良く、図4に示すように矩形に近いものでも良い。
【0031】
次に、セラミックヒーター2は、耐熱性に優れ高靭性高強度を有する窒化珪素からなるものとすることが好ましい。具体的には、Al2O3、SiO2、希土類元素酸化物等の焼結助剤を適宜添加した窒化珪素粉末をバインダーと混合したのち、プレス成形を施すことにより例えば26mm×24mm×5mm厚の成形体とし、WCインクを用いて発熱抵抗体とリード部を印刷し、26mm×24mm×5mm厚の別の成形体を重ねて発熱抵抗体とリード部を挟み込み、1700〜1800℃でホットプレスを焼成することにより、WCからなる発熱抵抗体を内蔵する窒化珪素質焼結体を得ることができる。また、熱伝導率λ2を30W/m・K以上とするためには、Al2O3の添加量を1重量%以下とし、窒化珪素の粒界に形成されるガラス層の量を低減することが好ましい。
【0032】
さらに、これを平面研削盤を用いて図2(b)に示すようにT字型形状に加工し、例えば6mm×24mmの発熱部2aと6mm×20mm程度の電極引出部2bを形成する。この時、電極引出部2bにリード部の一部を電極取出部2cとして露出させる。
【0033】
セラミックヘッド3は、高熱伝導性の窒化珪素もしくは窒化アルミニウムからなるものを使用して、熱伝導率λ3を60W/m・K以上とすることが好ましい。高熱伝導性の窒化珪素は、Y2O3、Yb2O3、Lu2O3等の希土類元素酸化物とSiO2からなる焼結助剤と窒化珪素粉末をバインダーと混合したのちプレス成形し、脱脂後、窒素雰囲気中にて1900℃で焼成し、得られた焼結体を平面研削盤にて機械加工することにより作製する。ここで、熱伝導率を向上させるためには、Al2O3の含有量を極力減少させすることにより粒界に生成するガラス層の量を低減し、尚且つ結晶粒径を10μm以上と大きくすることが好ましい。また、セラミックヘッド3として高熱伝導性の窒化アルミニウムを用いることも可能である。この場合は、窒化アルミニウムに焼結助剤として2〜8重量%の希土類元素酸化物、0.001〜0.5重量%のCaO等を添加したものを用いて、窒素もしくはHe等の不活性ガス中1800〜2000℃で焼成することにより焼結体を得ることができる。
【0034】
このようにして作製されたセラミックホルダー1、セラミックヒーター2とセラミックヘッド3を、図1に示すように組み立て、その当接面にY2O3、Yb2O3、Lu2O3等に代表される希土類元素酸化物の少なくとも1種類以上やAl2O3、SiO2を含むガラスをペースト状にして塗布し、窒素雰囲気中、2000気圧程度において、1500℃〜1600℃にて熱処理することにより一体化することができる。
【0035】
その後、セラミックヒーター2の電極引出部2bの電極取出部2cに、Ag−Cu−Ti、Ag−Cu、Ag、Cu等を主成分とするロー材を用いて、真空中または非酸化雰囲気中で金属リード線2eと保持用金具2dをロー付けする。
【0036】
このような工程を経ることにより、本発明の押圧加熱型セラミックヒーターを得ることができる。
【0037】
【実施例】
以下本発明の実施例を説明する。
【0038】
実施例 1
ここでは、空隙4の断面形状と、半導体チップの実装精度の関係を調査した。
【0039】
セラミックホルダー1は、窒化珪素原料にAl2O3、SiO2、希土類元素酸化物等の焼結助剤とバインダを適宜添加して混合したのち、プレス成形により直方体形状の成形体を作製し、段差部およびそれぞれ断面形状を変更した空隙4を切削加工し、脱脂工程によりバインダー成分を除去したのち1800〜1900℃の窒素雰囲気中にて焼成し、得られた焼結体にさらに平面研削盤により機械加工を施すことにより作製した。
【0040】
セラミックホルダー1の空隙4の断面形状については、本発明実施例として図3に示すように断面形状が円形の空隙4を縦2段、横4列配置したもの、図4に示すように断面形状が矩形の空隙4を縦2段横4列配置したもの、および比較例として図5に示すように断面形状がスリット形状の空隙4を縦3段横2列配置したものを作製した。
【0041】
また、セラミックヒーター2は、Al2O3、SiO2、希土類元素酸化物等の焼結助剤を適宜添加した窒化珪素粉末をバインダーと混合したのち、プレス成形を施すことにより所定の形状の成形体とし、WCインクを用いて発熱抵抗体とリード部を印刷し、同一形状の別の成形体を重ねて発熱抵抗体とリード部を挟み込み、1700〜1800℃でホットプレスを焼成することにより、WCからなる発熱抵抗体を内蔵する窒化珪素質焼結体とし、さらに、これを平面研削盤を用いて図2(b)に示すようにT字型形状に加工し、所定寸法の発熱部2aと所定寸法の電極引出部2bを形成した。この時、電極引出部2bにリード部の一部を電極取出部2cとして露出させた。
【0042】
次に、セラミックヘッド3は、Y2O3、Yb2O3、Lu2O3等の希土類元素酸化物とSiO2からなる焼結助剤と窒化珪素粉末をバインダーと混合したのちプレス成形し、脱脂後、窒素雰囲気中にて1900℃で焼成し、得られた焼結体を平面研削盤にて機械加工することにより作製した。
【0043】
その後、セラミックホルダー1の凹部1aにセラミックヒーター2とセラミックヘッド3を図1に示すように順に組み立て、その当接面にはYb2O3、Al2O3、SiO2を含むガラスをペースト状にして塗布し、窒素雰囲気中、2000気圧程度において、1500℃〜1600℃にて熱処理することにより一体化した。
【0044】
その後、セラミックヒーター2の電極引出部2bの電極取出部2cに、Ag−Cu−Tiを主成分とするロー材を用いて、真空中で金属リード線2eと保持用金具2dをロー付けして、押圧加熱型セラミックヒーターを得た。
【0045】
このようにして準備したサンプル3種類について、多層パッケージ基板に半導体チップをセラミックヒーター2の温度500℃で実装し、その実装精度を比較した。
【0046】
実装精度は、レーザー干渉法にて測定した。結果を表1に示した。
【0047】
【表1】
【0048】
表1に示すように、従来のスリット形状の空隙4を設けた比較例および空隙4の寸法の縦横比p/qが0.5より小さいか、もしくは2より大きいNo.1、5は、実装精度が8μm以上となったのに対し、前記縦横比p/qが本発明の請求範囲内であるNo.2〜4、6、7は、実装精度が4μm以下と良好な値を示した。
【0049】
実施例 2
ここでは、空隙4の縦方向長さpと空隙4の縦方向間隔rの比p/r、および、空隙4の横方向長さqと空隙4の横方向間隔sの比q/sを表2に示したように変更したサンプルを実施例1と同様の方法で加工し、多層パッケージ基板に半田チップを実装し、その実装精度を実施例1と同様にして測定した。
【0050】
結果を表2に示した。
【0051】
【表2】
【0052】
表2に示すように、従来のスリット形状の空隙4を設けた比較例および空隙4の縦方向長さpと空隙4の縦方向間隔rの比p/rが0.5より小さいか、もしくは2より大きく、または、空隙4の横方向長さqと空隙4の横方向間隔sの比q/sが0.5より小さいか、もしくは2より大きいNo.1〜3、7〜9は実装精度が6μm以上となったのに対し、上記の配列比率p/r、q/sが本発明の請求範囲内であるNo.4〜6、10、11は実装精度が4μm以下と良好な値を示した。
【0053】
実施例 3
セラミックホルダー1の熱伝導率λ3が22W/m・K程度、セラミックヒーターの熱伝導率λ2が33W/m・K程度、セラミックヘッドの熱伝導率λ1が70W/m・K程度となるようにして、図3、4に示す押圧加熱ヒータを作製した(表3中No.1、2)。比較のためにセラミックホルダー、セラミックヒーター、セラミックヘッドともに熱伝導率が28W/m・K程度となるようにして図5に示す押圧加熱ヒータを作製し(表3中No.3)、昇温速度を比較した。
【0054】
評価は、100℃から500℃までの昇温時間を測定した。
【0055】
結果を表3に示した。
【0056】
【表3】
【0057】
表3に示すように従来技術では、100℃から500℃までの昇温時間が約6秒程度であったのに対し本発明の実施例では4秒以下とすることができた。
【0058】
【発明の効果】
本発明によれば、セラミックホルダーに複数の空隙を形成するとともに、空隙の断面の縦方向長さpと空隙の断面の横方向長さqの比p/qが0.5〜2であり、空隙の縦方向長さpと空隙の縦方向間隔rとの比p/rが0.5〜2であり、かつ、空隙の横方向長さqと空隙の横方向間隔sとの比q/sが0.5〜2であることにより、位置精度の高いボンディングが可能となった。
【0059】
また、空隙の断面の縦方向長さpと横方向長さqが略等しいときには、より位置精度の高いボンディングが可能となる。
【0060】
また、空隙が、規則的に配列しているときには、応力と熱伝導を均一に調整することができる。
【0061】
また、セラミックヘッドの熱伝導率をλ1、セラミックヒーターの熱伝導率をλ2、セラミックホルダーの熱伝導率をλ3とした場合、λ1>λ2>λ3であるときには、押圧加熱型ヒーターの急速昇温が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の押圧加熱型ヒーターを示す斜視図である。
【図2】(a)は図1に示した押圧加熱型ヒーターのX−X断面図であり、(b)はそのセラミックヒーターの平面図である。
【図3】本発明の押圧加熱型ヒーターの実施形態を示す断面図である。
【図4】本発明の押圧加熱型ヒーターの他の実施形態を示す断面図である。
【図5】従来の押圧加熱型ヒーターをの断面図である。
【図6】従来の押圧加熱型ヒーターを示す断面図である。
【図7】従来の押圧加熱型ヒーターを示す断面図である。
【図8】従来の押圧加熱型ヒーターを示す断面図である。
【符号の説明】
1:ホルダー
2:セラミックヒーター
2a:発熱部
2b:リード引出部
2c:電極取出部
2d:電極保持金具
2e:金属リード線
3:セラミックヘッド
4:空隙
p:空隙の縦方向長さ
q:空隙の横方向長さ
r:空隙の縦方向間隔
s:空隙の横方向間隔
Claims (4)
- 被加熱物に接触させるセラミックヘッドと、これを加熱するセラミックヒーターと、これらを保持するセラミックホルダーとを有する押圧加熱型ヒーターにおいて、上記セラミックホルダーに複数の空隙を形成するとともに、該空隙の断面の縦方向長さpと前記空隙の断面の横方向長さqの比p/qが0.5〜2であり、前記縦方向長さpと前記空隙の縦方向間隔rとの比p/rが0.5〜2であり、かつ、前記横方向長さqと前記空隙の横方向間隔sとの比q/sが0.5〜2であることを特徴とする押圧加熱型ヒーター。
- 前記空隙の断面の縦方向長さpと横方向長さqが略等しいことを特徴とする請求項1に記載の押圧加熱型ヒーター。
- 前記空隙が、規則的に配列していることを特徴とする請求項1又は2に記載の押圧加熱型ヒーター。
- セラミックヘッドの熱伝導率をλ1、セラミックヒーターの熱伝導率をλ2、セラミックホルダーの熱伝導率をλ3としたとき、λ1>λ2>λ3であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の押圧加熱型ヒーター。
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