(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱物と接触するためのヘッド部と、該ヘッド部を加熱するための発熱抵抗体を有する接触加熱用ヒータにおいて、該ヘッド部に被加熱物を吸着するための吸引孔を有するとともに、前記発熱抵抗体が前記吸引孔を取り囲むように、かつ発熱抵抗体と吸引孔との距離が全体に均一に０．３〜０．７ｍｍに形成したことを特徴とする接触加熱用ヒータ。
【請求項２】
前記ヘッド部の範囲に形成された発熱抵抗体を発熱部とし、発熱部の発熱抵抗体に電圧を印加するためのリード部と、リード部の末端に形成された電極取出部とを有し、電極取出部が前記ヘッド部より少なくとも１０ｍｍ以上突出して形成され、その端末付近にリード線がロウ付けされていることを特徴とする請求項１記載の接触加熱用ヒータ。
【請求項３】
リード部付近の発熱抵抗体の抵抗値が、他の部分の発熱抵抗体より大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の接触加熱用ヒータ。
【請求項４】
請求項１〜３記載の接触加熱用ヒータを用い、吸引孔に連通する真空吸引する手段を備えてなる接触加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体ベアチップを基板上にダイレクトボンドする際に用いるボンディング用ヒータヘッド等、被加熱物を押圧加熱するようにした接触加熱用ヒータ及びこれを用いた接触加熱装置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、異方性導電膜などの樹脂系の接着剤を使用したＡＣＦ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、Ｐｂ−Ｓｎなどの低融点ロウを使用したフリップチップ接続法などが行われている。例えばフリップチップ接続では、多層パッケージの基板上に半導体ベアチップを搭載して、その上面から押圧加熱用ヒーターを内蔵もしくは組み合わせたセラミックブロック体で加熱しながら押圧することによって接合している。このとき、両者に備えた半田バンプによって、接合するとともにワイヤリングを行うことができる。
【０００３】
このような押圧加熱用ヒータとして、熱伝導性の高い窒化アルミニウム質セラミックスが用いられていた。これは、ボンデイング用ヒータ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とし、側面もしくは内部にＡｇ−Ｐｄ、Ｐｔ−Ｐｄ等の発熱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）。このようなボンデイング用ヒータに求められる特性としては、まず半導体ベアチップを多層パッケージの基板上に固着させる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を介して接着材まで効率良く伝える必要がある。
【０００４】
また、生産効率の点から、所要温度までの昇温時間が短く、しかもボンディング終了後の接着剤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、熱と同時に圧力を加えるため、ボンディング用ヒータ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。しかし、上記圧膜式セラミックブロック体の場合、熱伝導性のよい窒化アルミニウム質セラミックスを用いているため、発熱体の熱がホルダ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。
【０００５】
さらに、圧膜式であるため、発熱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具合があった。
【０００６】
そこで、近年、図６に示すように、ホルダ１を低熱伝導セラミックスで構成し、他方、発熱抵抗体４ａを内部に設けたセラミックヒータ２を前記ホルダ１に固着させ、さらにセラミックヒータ２上に高熱伝導セラミックスからなるヘッド３を接触させ、前記ヘッド３を半導体ベアチップに押圧加熱することにより、前記半導体ベアチップを多層パッケージ基板に接着剤により固着させるような方式の押圧加熱用ヒータが開発された。
【０００７】
図５に、従来の押圧加熱用ヒータの発熱抵抗体４ａのパターン、リード引出部６のパターンと電極取出部７を示した。発熱抵抗体４ａはセラミックヒータ２の押圧面全体に蛇行パターンが形成されている。また、前記セラミックヒータ２の中央部には３つの吸引孔５が形成され、両側の二つがヘッド吸着用、中央の一つが半導体ベアチップ吸着用の吸引孔５として使用される。
【０００８】
これにより、加熱効率および発熱抵抗体の耐久性良好な押圧加熱用ヒータが供給できるようになった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の押圧加熱用ヒータに使用される発熱抵抗体４ａは、図５に示すように中央部分には吸引孔５が３ヶ所設けられているため、この吸引孔５を避けるように中央部の蛇行パターンは大きな隙間を形成していた。近年、加熱温度の向上が求められる中でセラミックヒータの加熱温度の向上が必要となった。加熱温度が上昇するにつれ、吸引孔５付近は発熱量が少ない上に吸引孔内部からも放熱されるので、吸引孔５の周辺の温度分布が大きくなり、被加熱物に熱が均等に伝わらないという第一の課題が発生した。
【００１０】
また、セラミックヒータの加熱温度が高くなったため、電極端子部の温度が３００℃以上の高温に達するようになり、電極取出部７の耐久性が悪くなるという第２の課題があった。
【００１１】
さらに、リード引出部からの熱引きのため、リード引出部付近の温度が低下し、半田等の接着剤の溶解不良が発生するという第３の問題があった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明では、被加熱物と接触するためのヘッド部と、該ヘッド部を加熱するための発熱抵抗体を有する接触加熱用ヒータにおいて、該ヘッド部に被加熱物を吸着するための吸引孔を有するとともに、前記発熱抵抗体が前記吸引孔を取り囲むように、かつ発熱抵抗体と吸引孔との距離が全体に均一に０．３〜０．７ｍｍに形成したことによりヒータ自体の温度分布が悪く被加熱物に熱が均等に伝わらないという第１の課題を解決できるようにした。
【００１３】
また、前記ヘッド部に形成された発熱抵抗体を発熱部とし、発熱部の発熱抵抗体に電圧を印加するためのリード部と、リード部の末端に形成された電極取出部とを有し、電極取出部が前記ヘッド部より少なくとも１０ｍｍ以上突出して形成され、その端末付近にリード線がロウ付けされていることにより、電極部の耐久性が悪いという第２の課題を解決できるようにした。
【００１４】
さらに、ヒータの発熱抵抗体に関して、リード部付近の抵抗値を他の部分に較べて大きくすることにより、リード部付近の発熱抵抗体の発熱量を増加させ、電極取出部への熱引きによる温度低下を補い第３の課題を解決した。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１を用いて説明する。図１は、押圧加熱用ヒータの加熱部及び押圧部を示した図である。本発明の押圧加熱用ヒータは、低熱伝導セラミックスからなるホルダ１に凹部１ａを形成し、前記凹部１ａに発熱抵抗体４ａを埋設したセラミックヒータ２を保持する。この押圧加熱用ヒータを使用する場合は、発熱抵抗体４ａに通電した状態で、セラミックヒータ２に接するように設けられているヘッド３の当接面を半導体ベアチップに押し当てて、加熱しながら応力を加え、多層パッケージ基板上に半田バンプで半導体ベアチップを接合する。このとき、セラミックヒータ２は高熱伝導セラミックスからなるヘッド３を表面に接合しているため、熱を良好に伝えることができるので、急速昇温が可能となる。
【００１６】
図２に、本発明の押圧加熱用ヒータのセラミックヒータ２に形成される発熱抵抗体４ａのパターンを示した。セラミックヒータ２は、方形の発熱部４と、発熱抵抗体４ａと、発熱抵抗体４ａに電圧を印加するためのリード部６と、リード部６の末端に形成される電極取出部７とからなる。電極取出部７には、さらにＮｉなどからなるリード線がロウ付け等の手法により接続される。さらに、セラミックヒータ２には、半導体チップおよびヘッド３を吸着するための吸引孔５が３ヶ所形成されている。この吸引孔５周辺の温度が低下しやすいので、発熱抵抗体４ａの配線が吸引孔５を取り囲むように形成されている。吸引孔５と発熱抵抗体４ａ間の距離ｂは、吸引孔５と発熱抵抗体４ａ間の最近接距離が０．３〜０．７ｍｍであって、吸引孔５を囲むように全体が均一な距離に形成する。
【００１７】
従来の押圧加熱用ヒータは、加熱温度が３００℃だったが、最近は市場要求が５００℃加熱タイプへと変化してきている。加熱温度が高くなるにつれ、電極取出部７の温度が上昇する傾向にある。これにより、使用時の熱サイクルにより電極取出部７にクラックが発生し電極取出部７の強度が低下することが判った。この点の解決のため、図２に示したようにヘッド部の範囲に形成された発熱抵抗体４ａを発熱部４とし、発熱部４の発熱抵抗体４ａに電圧を印加するためのリード部６と、リード部６の末端に形成された電極取出部７とを有し、電極取出部７とヘッド部の距離ａの寸法を１０ｍｍ以上に長くし電極取出部７の温度を３００℃以下に下げるようにした。
【００１８】
図３は、本発明の別の実施例を示したものである。リード部６を形成すると、この部分を通して逃げる熱移動のため、リード部６の周辺の温度が低下しやすくなる。この温度低下を防止するために、図３のようにリード部６付近のｅ部における発熱抵抗体４ａのパターン幅を狭くすることにより、発熱抵抗体４ａの抵抗値を高くし発熱量を多くすることが有効である。
【００１９】
また、外周部および吸引孔５の周辺は、発熱抵抗体４ａの抵抗値を他の部分より高く調整するのが好ましい。
【００２０】
さらに本発明の比較例として、図４に示すような中央に孔を有するリング状のセラミックヒータ２は、円筒状のセラミック体に発熱抵抗体４ａを埋設し、リード線８を備えたものであって、中央孔を吸引孔５として利用し、リード線８の反対側の面を当接面とするものである。この場合は、発熱抵抗体４ａとして線状体を用いており、この発熱抵抗体４ａが吸引孔５を取り囲むように近接して埋設してある。
【００２１】
以上の本発明の接触加熱用ヒータを用いる場合、上記吸引孔５に連通する真空吸引手段を備えて接触加熱装置と成し、真空吸引しながら被加熱物を吸着して加熱することができる。
【００２２】
この時、加熱時にはホルダ１に圧縮応力が加わるがセラミックスからなるために弾性変形することなく確実に応力を伝達することができる。しかも、ホルダ１下面と当接面の間は優れた平行度を保持する必要があるが、すべての部材が高硬度のセラミックス材料からなるために、高い平行度を保持することができる。このため、大面積の半導体チップの接合時にも、安定した接合が可能となる。
【００２３】
さらに、発熱抵抗体４ａはセラミックヒータ２に埋設されているので、昇温、降温を繰り返して熱サイクルが加わっても、熱応力による発熱抵抗体４ａの断線を防止できる。
【００２４】
ここでセラミックヒータ２をなすセラミックスは、ホルダ１よりも熱伝導率が高いか、もしくは同等のセラミックであれば良く、好ましくは常温での熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の物を用いる。なお、本発明における熱伝導率は常温での値であり、レーザーフラッシュ法により求めた値である。
【００２５】
また、セラミックヒータ２よりさらに高熱伝導性材料からなるヘッド３をセラミックヒータ２の上に接着剤を介して接合するようにしてもかまわないし、他の保持具で可動可能に保持され、押圧加熱時にセラミックヒータ２及び半導体チップと接触するような構造に取り付けることも可能である。
【００２６】
また、セラミックヒーター２の当接面は半導体ベアチップなどの被加熱物と接触することから、耐摩耗性を高めるために、セラミックヒータ２の材質としては荷重５００ｇでのビッカース硬度が１０ＧＰａ以上のセラミックスを用いることが好ましい。
【００２７】
さらに、当接面の欠けを防止するためには、ＪＩＳに規定する３点曲げ強度が３００ＭＰａ以上、圧痕法で測定した破壊靱性値（ＫＩＣ）が４ＭＰａ・ｍ1/2 以上のセラミックスを用いることが好ましい。
【００２８】
これらを満足するセラミックスとしては、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素などのセラミックスがある。窒化珪素セラミックスは、窒化珪素を主成分とし、周期律第３a 族元素（ＲＥ）を酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）換算で３〜５モル％、アルミニウムが酸化物換算で０．２重量％以下の組成からなり窒化珪素の平均粒径が５μｍ以上と大きくするとともに粒界に周期律表第３a 族元素、珪素、及び酸素等を含む結晶相を形成することにより熱伝導率を５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とした物が望ましい。
【００２９】
また、窒化アルミニウム質セラミックスは窒化アルミニウムを主成分とし、焼結助剤として希土類元素の酸化物などを含有するものである。さらに炭化珪素セラミックス質は炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分としＢ、ＣまたはＡｌ2 Ｏ3 、Ｙ2 Ｏ3 等の焼結助剤を含有するものである。
【００３０】
これらの高熱伝導セラミックスの中でも、特にビッカース硬度が１０ＧＰａ以上、曲げ強度が３００ＭＰａ以上、靱性値が４ＭＰａ・ｍ1/2 以上のものを用いれば、当接面の欠けを抑制することができる。具体的には高熱伝導性窒化珪素を用いるのが最適である。
【００３１】
また、セラミックスヒータ２の当接面は被加熱物と密着し均一に熱を加えるために平坦な面とすることが必要である。具体的には、当接面は表面粗さ０．５μｍ以下、平坦度１〜５μｍとしホルダー下面との間の平行度を２〜５μｍとすることが望ましい。
【００３２】
さらにセラミックヒータ２の厚みは０．５〜５ｍｍとすることが望ましい。これは厚みが５ｍｍを越すと熱容量が大きくなりすぎて昇温特性が悪くなり一方０．５ｍｍ以下であると均熱性が維持しにくくなるためである。また、セラミックヒータ２の発熱部及びリード部に用いられる材質としてはタングステン、モリブデンなどの高融点金属の単体あるいはそれらの炭化物、珪化物が用いられ、また熱膨張率の差を緩和するために上記金属にセラミックヒータ２の母材成分を添加することも発熱抵抗体４ａの耐久性向上に有効である。
【００３３】
次に、ホルダを成す低熱伝導セラミックスとは、セラミックヒータ２と熱伝導率が同等かもしくはそれよりも熱伝導率の低い物であれば良く、好ましくは常温での熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下のものを用いる。具体的には、低熱伝導窒化珪素、アルミナ、ジルコニア等を用いることができその他様々なセラミックスを用いることができる。
【００３４】
さらに具体的に説明すると、低熱伝導窒化珪素セラミックスとは、窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）を主成分とし、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｙ2 Ｏ3 等を焼結助剤として含有し結晶化し難い粒界層を有するものを用いることが可能である。また、アルミナセラミックスとはＡｌ2 Ｏ3 を主成分とし、ＳｉＯ2 、ＭｇＯ、ＣａＯ等を焼結助剤として含有するものである。さらにジルコニアセラミックスは、ＺｒＯ2 を主成分とし、Ｙ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＣｅＯ2 などを焼結助剤として含有するものである。また、ジルコニアについては、強度及び靱性を考慮し、上記のような焼結助剤を３〜６モル％含有するＴＺＰ、もしくは部分安定化ジルコニアを使用するとよい。
【００３５】
【実施例】
実施例  １
本発明の実施例を、図１および２を用いて説明する。
【００３６】
まず、ホルダ１の製法を説明する。ホルダ１の材質として熱伝導率２５Ｗ／ｍＫの低熱伝導率窒化珪素を用い、幅２４ｍｍ、長さ４４ｍｍとした物を用意した。その後、セラミックヒータ２を接合するための凹部を幅が２０ｍｍ、長さ２４ｍｍ、深さ１．５ｍｍとなるよう切削加工した。
【００３７】
次に、セラミックヒータ２の製法を説明する。窒化珪素からなるセラミック生成形体２ａの上に発熱抵抗体４およびリード部６のパターンをプリント形成した。発熱抵抗体４ａとしては、ＷＣを主成分としセラミック生成形体と同質の窒化珪素材料を適宜加えたものをバインダーおよび溶剤と混合したものを用いた。発熱抵抗体４ａは、３ヶ所の吸引孔５となる部分を避け、吸引孔５となる部分を囲むように形成した。吸引孔５と発熱抵抗体４ａの距離ｂは表１に示すように０．３〜２ｍｍの間で変量したものを作製した。その後、別のセラミック生成形体２ａ’を重ねて密着し、ホットプレス等の方法で焼成し焼結体とした。その後、２本のリード部６の中間部を切削除去することにより、リード部６を形成した。方形の発熱部４と電極取出部７間の長さａは、１０ｍｍとした。さらに、吸引孔５を所定の位置に穴加工した。セラミックヒータ２の総厚みは３ｍｍとした。
【００３８】
次にホルダ１の凹部１ａにガラス組成の混合粉末のペーストを塗布し、上にセラミックヒータ２を重ね、窒素雰囲気中１５００〜１７００℃で熱処理することにより一体化した。また、電極取出部７は、Ｎｉ線を溶接したＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金からなる板をＡｕ−Ｃｕロウを用いてロウ付けした。
【００３９】
このようにして作製したサンプルに、発熱部４の測温点ｄが４００℃になるように通電して、通電開始後５秒後の測温点ｄと吸引孔５直近の測温点ｃの温度差を測定した。また、吸引孔５と発熱抵抗体４間の距離ｂは、透過Ｘ線法により測定した。さらに測定後、吸引孔５を含む部分をクロスセクションする事により寸法を確認した。測温点ｄと測温点ｃの温度は、赤外線放射温度計（サーモビュア）を用いて測定した。その結果を表１に示した。
【００４０】
【表１】
0003694607.tif 000002
【００４１】
吸引孔５と発熱抵抗体４ａ間の距離ｂを１．０ｍｍ以上にしたＮｏ．１〜３は、温度差が１０℃以上となる。これに対し、本発明の請求範囲内である４〜６は、温度差を１０℃以下に小さくできることが判る。これにより、信頼性の高いフリップチップ接合が可能となる。
【００４２】
実施例  ２
ヘッド部の範囲に形成された発熱抵抗体４ａである発熱部４と電極取出部７間の距離ａを５〜２０ｍｍに変量して、実施例１と同様の手法で評価サンプルを作製した。発熱抵抗体４ａと吸引孔５間の距離ｂは、０．３ｍｍとした。Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ板とリード取出部７の接合寸法は２ｍｍ×５ｍｍとし、ロウ付けにはＡｕ−Ｃｕロウを用いた。こうして準備したサンプルを、発熱部４の測温点ｄの温度が５００℃になるように加熱した場合の、定常状態での電極取出部７の温度を測定した。温度測定には、線径０．２ｍｍの熱電対をそれぞれの部分にアルミナセメントで固定して測定した。また、発熱部を５００℃加熱２分、強制空冷１分のサイクルを５０００サイクル繰り返した前後の電極取出部７のリード強度データを表２に示した。
【００４３】
【表２】
0003694607.tif 000003
【００４４】
表２の結果より発熱部４と電極取出部７間の距離ａを５〜８ｍｍにしたサンプルＮｏ．１と２は、電極取出部７の温度が３００℃以上に上がり、サイクルテスト後のリード部の引っ張り強度が低下するので好ましくない。これに対し、本発明の請求範囲であるＮｏ．３〜５は、電極取出部７の温度が３００℃以下となるので、サイクルテスト後のリード部の引っ張り強度の変化がなく、良好な耐久性を示すことが判った。
【００４５】
実施例  ３
セラミック生成形体２ａの表面に発熱抵抗体４をプリントする際、従来通りリード引出部６ａ付近まで同一抵抗比率で形成したものと、リード引出部６ａ付近の抵抗を他部分に較べ最大で１０％大きくなるように調整したものを作製した。その他の工程は、実施例１と同様にしてサンプルを作製した。
【００４６】
こうして作製したサンプルに、発熱抵抗体４上の測温点ｄの温度が５００℃になる電力を印加して５秒後のリード引出部付近の測温点ｅの温度を赤外線放射温度計（サーモビュア）を用いて測定した。結果を表３に示した。
【００４７】
【表３】
0003694607.tif 000004
【００４８】
リード部の断面積をリード引出部まで同一断面積にした従来品は、測温点ｅの温度が４９０℃と測温点ｄより１０℃低くなったのに対し、本発明のものは、測温点ｅと測温点ｄの温度差が１℃以下に低減する事ができた。
【００４９】
【発明の効果】
叙上のように発熱抵抗体を吸引孔と囲むように埋設することでヘッド面の温度分布を均一にすることが可能になりベアチップ取り付け時の半田溶け不良を防止することができた。発熱抵抗体と吸引孔間の距離は、０．３〜０．７ｍｍにする。また、発熱部の均熱性を保つためにリード部付近の発熱抵抗体は、他の部分に較べ抵抗値を高くすることが望ましい。さらに、リード部の長さは、電極取出部の耐久性向上のため、１０ｍｍ以上とすることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の接触加熱用ヒータを示す断面図である。
【図２】本発明の接触加熱用ヒータの発熱パターン図である。
【図３】本発明の別の接触加熱用ヒータの発熱パターン図である。
【図４】本発明の比較例を示す斜視図である。
【図５】従来の接触加熱用ヒーターの発熱パターンを示す図である。
【図６】従来の接触加熱用ヒータの構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
１：ホルダ
２：セラミックヒータ
２ａ、２ａ’：生成形体
３：ヘッド
４：発熱部
４ａ：発熱抵抗体
５：吸引孔
６：リード部
６ａ、６ａ’：リード引出部
７：電極取出部
８：リード線
ａ、ｂ：距離
ｃ、ｄ、ｅ：測温点
【図１】
0003694607.tif 000005
【図２】
0003694607.tif 000006
【図３】
0003694607.tif 000007
【図４】
0003694607.tif 000008
【図５】
0003694607.tif 000009
【図６】
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